DE19718407A1 - Brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere motorunabhängig betriebenes Luftheizgerät für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere motorunabhängig betriebenes Luftheizgerät für Kraftfahrzeuge, mit Brenner, Brennkammer und Wärmetauscher, wobei die Brennkammer vom Wärmeträgermedium des topfartigen, einen Boden aufweisenden Wärmetauschers umströmt wird, an der einen Stirnseite vom Brenner abgeschlossen ist und an der anderen Stirnseite mit Abstand an den Wärmetauscherboden angrenzt, mit einem Überhitzungserkennungsfühler am Wärme­ tauscher, welcher bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwer­ tes ein Steuergerät veranlaßt, das Heizgerät abzuschalten, und mit einem Flammenerkennungsfühler.

Nach heutigem betriebsinternen Stand der Technik erfolgt bei Luftheizgeräten die Flammenerkennung mit einem Bauteilfüh­ ler, welcher auf dem Wärmetauscher sitzt. Mittels Tendenzaus­ wertung wird ermittelt, ob sich die Flamme ausbreitet und entsprechende Temperaturänderungen am Wärmetauscher auftre­ ten.

Die Überhitzungserkennung erfolgt mit einem weiteren Bauteil­ fühler, der an anderer Stelle am Wärmetauschermantel sitzt. Wird der eingestellte bzw. definierte Temperaturgrenzwert des Überhitzungsfühlers überschritten, wird das Heizgerät vom Steuergerät abgeschaltet. Durch erneutes Aus-/Einschal­ ten kann das Heizgerät nach entsprechender Abkühlung erneut in Betrieb genommen werden.

Als Redundanzfunktion wird durch den Flammenerkennungsfühler das Heizgerät dann bleibend abgeschaltet, wenn eine definier­ te obere Temperaturschwelle überschritten wird. Diese liegt so, daß sie erst oberhalb eines intakten Überhitzungsfühlers anspricht.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein brennstoffbetriebenes Heizgerät der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, welches mit Hilfe einfacher Mittel eine sichere Temperaturüberwachung des Geräts ermög­ licht.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Mittel.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 8.

Erfindungsgemäß ist bei einem Heizgerät der eingangs angege­ benen Art der im heißesten Bereich des Wärmetauschers, d. h. im Boden- bzw. Kalottenbereich des Wärmetauschers angeordne­ te Überhitzungserkennungsfühler als Boden- bzw. Kalottentem­ peraturfühler ausgebildet, durch welchen die Boden- bzw. Ka­ lottentemperatur des Wärmetauschers, die Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums und/oder die Oberflächentemperatur des Heizgeräts direkt oder indirekt durch das Steuergerät überwacht und gegebenenfalls begrenzt werden kann, indem bei Überschreiten von Temperaturgrenzwerten eine Leistungsreduk­ tion und gegebenenfalls Geräteabschaltung erfolgt.

Durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler kann sowohl die Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums als auch die Abgastemperatur, sowie auch die Oberflächentemperatur des Geräts überwacht werden, da Proportionalitäten zueinander bestehen oder zumindest definierte Abhängigkeiten in gewis­ sen Grenzen gegeben sind, wie Versuche ergeben haben.

Es ist also durch die Erfindung möglich, mit vorhandenen Sen­ soren an einem Heizgerät, einem Luft- oder einem Wasser-Heiz­ gerät, die Betriebsüberwachung in einem erweiterten Funk­ tionsbereich sicherzustellen, wobei entsprechende Auswertrou­ tinen bzw. Überwachungsroutinen speziell plazierter Sensoren verwendet werden.

Bei einem Luftheizgerät liegt der Boden- bzw. Kalottentempe­ raturfühler bevorzugt achsmittig an der konvexen Außenseite der Kalotte des Wärmetauschers an. Die Kalotte kann hierbei an der konkaven Brennkammer-Innenseite einen zentralen ins­ besondere konischen Vorsprung (ähnlich einem Sektflaschenbo­ den) besitzen, welcher das Abgas nach dem Flammrohr der Brennkammer strömungsgünstig nach außen um 180° in den Ring­ kanal zwischen Flammrohr und Wärmetauschermantel umlenkt.

Bei einem Wasserheizgerät liegt der Boden- bzw. Kalottentem­ peraturfühler bevorzugt mantelseitlich am Wärmetauscherboden oder am unmittelbar benachbarten Gasmantel an, welcher die heißeste Zone bei einem Wasserheizgerät ist, wie Versuche er­ geben haben, und mißt die dortige Bauteiltemperatur, wobei oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle mittels des Fühlers der Überhitzungszustand erkannt wird. Ein derartiger Fühler ist also begriffsmäßig eher ein Wärmetauscherboden-Temperatur­ fühler, als ein "Kalotten"-Temperaturfühler, da der Wärmetauscherboden nicht eine Kalotte, sondern beispiels­ weise ein Flachboden oder ein flach gewölbter Boden ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß der Boden- bzw. Kalot­ tentemperaturfühler bei Überschreiten eines Temperaturgrenz­ wertes über das Steuergerät eine stufenlose oder schrittwei­ se Reduzierung der dem Heizgerät zugeführten Brennstoffmenge auf einen definierten Wert veranlaßt, und das Heizgerät mit reduzierter Brennstoffmenge weiterbetrieben wird, bevor das Heizgerät nach weiterer Überschreitung eines Temperaturgrenz­ wertes bleibend abgeschaltet wird.

Bei Überschreiten einer vom Boden- bzw. Kalottentemperatur­ fühler festgestellten ersten Temperaturschwelle kann bei­ spielsweise die dem Heizgerät zugeführte Brennstoffmenge um einen definierten Wert, insbesondere um 10% der ursprüngli­ chen Brennstoffmengenzufuhr, reduziert und das Heizgerät mit der reduzierten Brennstoffmenge weiterbetrieben werden.

Eine vorteilhafte Betriebsüberwachung des Heizgeräts ergibt sich dann, wenn bei Überschreiten einer vom Boden- bzw. Ka­ lottentemperaturfühler festgestellten zweiten Temperatur­ schwelle die dem Heizgerät zugeführte Brennstoffmenge um einen zweiten definierten Wert, insbesondere um weitere 10% der ursprünglichen Brennstoffmengenzufuhr, reduziert, und das Heizgerät mit der zweifach reduzierten Brennstoffmenge weiterbetrieben wird.

Die zweite Temperaturschwelle ist mit der ersten Temperatur­ schwelle insbesondere identisch, d. h. beide Temperaturschwel­ len sind zweckmäßigerweise gleich groß, können aber auch verschieden sein.

Durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler kann auch die Abgastemperatur überwacht werden. Im besonderen ist hierbei der Flammenerkennungsfühler ein Abgastemperaturfühler, wobei sich der Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler und der Abgas­ temperaturfühler gegenseitig überwachen und bei ordnungsgemä­ ßem Betrieb beider Fühler beide Temperaturwerte sich nach der Aufheizphase in stationärem Betrieb eines Heizgeräts und im Übergangsbetrieb von Betriebsstufe zu Betriebsstufe in ei­ nem definierten Temperaturfenster bewegen, wie Versuche ge­ zeigt haben.

Die Flammenerkennung erfolgt also mit einem Abgastemperatur­ fühler und entsprechender Tendenzauswertung, während die Überhitzungsüberwachung im Bereich der heißesten Zone am Wärmetauscher mit einem Bauteiltemperaturfühler erfolgt.

Wird insbesondere eine erste Temperaturschwelle vom Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler überschritten (beispielsweise infolge von Heizluft-Verdämmung bei einem Luftheizgerät oder bei einem Heizgerätebetrieb in größerer Höhe im Gebirge), führt dies nicht zu einer Überhitzungsabschaltung wie bis­ her, sondern die Brennstoffmenge wird bei sonst unveränder­ ten Bedingungen um beispielsweise 10% reduziert. Das Heiz­ gerät läuft dann in allen Betriebsstellungen mit um 10% re­ duzierter Brennstoffmenge weiter. Erst nach einem Aus-/Ein­ schaltvorgang (kein Regel-Aus) läuft das Heizgerät wieder mit der ursprünglichen Brennstoffmenge, wobei sich der vor­ genannte Vorgang eventuell wiederholen kann.

Wird auch mit 10% reduzierter Brennstoffmenge eine weitere Temperaturschwelle vom Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler überschritten (diese Temperaturschwelle kann auch mit der ersten Schwelle identisch sein), wird nochmals die Brenn­ stoffmenge um beispielsweise 10% reduziert. Auch in diesem Fall läuft das Heizgerät erst nach einem Aus-/Einschaltvor­ gang wie vorgenannt wieder mit der ursprünglichen Brennstoff­ menge, wobei sich der vorgenannte Vorgang eventuell eine wei­ teres Mal wiederholen kann.

Wird auch nach der zweiten Brennstoffmengenreduzierung eine Temperaturschwelle vom Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler überschritten, führt dies zu einer bleibenden Abschaltung, welche gegebenenfalls vom Fachmann nach Beseitigung der Über­ hitzungsursache rückgängig gemacht werden kann.

Es werden folgende weiteren Vorteile erzielt:

• 1. Eine maximal zulässige Wärmetauscherboden- bzw. Kalotten­ temperatur kann sicher eingehalten werden. Entsprechend können auch eine maximal zulässige Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums und eine maximal zulässige Oberflächentemperatur eines Heizgeräts zuverlässig eingehalten werden.
• 2. Eine Teilverdämmung führt nicht zu einem Geräteausfall, sondern lediglich zu einer Heizleistungsreduzierung.
• 3. Ein höhenunabhängiger Heizbetrieb ist ohne zusätzlichen Sensor möglich. Die Heizleistung wird lediglich in meh­ reren Stufen reduziert.
• 4. Die oben genannten Temperaturniveaus werden nur nach längerer Betriebszeit erreicht, d. h. der vorgeschlagene Auswertalgorithmus wird erst oberhalb einer definierten Kalottentemperatur aktiviert.

Die Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, daß die Tempe­ ratur der heißesten Zone eines Wärmetauschers, nämlich die Temperatur der Kalotte eines Wärmetauschers eines Luftheiz­ gerätes oder beispielsweise auch der gesamte gewölbte Flach­ boden eines Wasserheizgerätes, eine für das Heizgerät reprä­ sentative Temperatur ist, welche gesicherte Rückschlüsse auf andere Temperaturen in Bereichen des Heizgeräts zuläßt, da Proportionalitäten untereinander gelten oder definierte Ab­ hängigkeiten untereinander in gewissen Grenzen gegeben sind.

Im besonderen stehen Abgastemperatur (d. h. Flammenüberwa­ chung) und Kalottentemperatur (d. h. Bauteilüberwachung) in einer gewissen Proportionalität. Wird diese wie vorstehend ausgeführt überwacht, wird eine gewisse Redundanz erzielt und die Gerätesicherheit erhöht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher be­ schrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Luft­ heizgeräts mit Darstellung des Flammenerkennungsfüh­ lers und des Überhitzungserkennungsfühlers,

Fig. 2 ein Luftheizgerät ähnlich Fig. 1, mit Darstellung der Anordnung des Überhitzungserkennungsfühlers und des Flammenerkennungsfühlers nach der Erfindung, und

Fig. 3 ein Wasserheizgerät mit Darstellung der Anordnung des Überhitzungserkennungsfühlers und des Flammen­ erkennungsfühlers nach der Erfindung.

Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt ein mit Flüssigbrennstoff be­ triebenes Heizgerät 1 in Form eines Luftheizgeräts, insbeson­ dere ein motorunabhängig betriebener Zuheizer eines Kraft­ fahrzeuges unter anderem einen Brenner 2, eine Brennkammer 3 und einen Wärmetauscher 4, sowie ein Steuergerät 6, welches von einem Überhitzungserkennungsfühler 8 und einem Flammener­ kennungsfühler 9 angesteuert ist, um bei Überschreiten von Grenzwerten das Heizgerät gegebenenfalls abzuschalten.

Die Brennkammer 3 wird vom Wärmeträgermedium 5 des topfarti­ gen Wärmetauschers 4, nämlich Luft, umströmt und ist an der einen Stirnseite, gemäß den Fig. 1 und 2 links, vom Brenner 2 abgeschlossen. Die Brennkammer 3 grenzt an der anderen Stirnseite mit Abstand an den Wärmetauscherboden an.

Der Wärmetauscherboden 7 des Luftheizgeräts nach den Fig. 1 und 2 weist Kalottenform auf und stellt im Betrieb die heiße­ ste Zone 21 dar.

Während nach dem Stand der Technik das Luftheizgerät gemäß Fig. 1 einen Überhitzungserkennungsfühler 8 besitzt, welcher nicht in der heißesten Zone 21 des Wärmetauschers, vielmehr im Mantelbereich des Wärmetauschers angeordnet ist, befindet sich der Überhitzungserkennungsfühler des Luftheizgeräts nach der Erfindung gemäß Fig. 2, welcher ein sogenannter Kalottentemperaturfühler 8 ist, in der heißesten Zone 21 im Kalottenbereich 7 des Wärmetauschers 4.

Auch die Positionen des Flammenerkennungsfühlers 9 der zu vergleichenden Luftheizgeräte nach den Fig. 1 und 2 ist un­ terschiedlich. Während der bekannte Flammenerkennungsfühler 9 nach Fig. 1 ein Bauteilfühler ist, welcher auf dem Wärme­ tauscher 4 sitzt, über welchen das Steuergerät 6 tendentiell ermittelt, ob sich durch entsprechende Temperaturänderungen am Wärmetauscher die Flamme ausbreitet oder nicht, ist der erfindungsgemäße Flammenerkennungsfühler 9 gemäß Fig. 2 ein Abgastemperaturfühler, welcher naturgemäß in der Abgaslei­ tung sitzt und die Abgastemperatur mißt und durch das Steuer­ gerät 6 überwacht.

Allein durch den Kalottentemperaturfühler 8 gemäß Fig. 2 kann aufgrund von Proportionalitäten und gewissen Abhängig­ keiten zu anderen Heizgeräte-Temperaturgrößen nicht nur die Kalottentemperatur, sondern auch die Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums 5 und/oder die Oberflächentemperatur des Heizgeräts 1 durch das Steuergerät 6 überwacht und gegebenen­ falls begrenzt werden, indem bei Überschreiten von Tempera­ turgrenzwerten eine Leistungsreduktion und gegebenenfalls Geräteabschaltung erfolgt.

Wird insbesondere vom Kalottentemperaturfühler 8 eine erste Temperaturschwelle überschritten (beispielsweise infolge von Heizluft-Verdämmung bei einem Luftheizgerät oder bei einem Heizgerätebetrieb in größerer Höhe im Gebirge), führt dies nicht zu einer Überhitzungsabschaltung wie bisher, sondern die Brennstoffmenge wird bei sonst unveränderten Bedingungen um beispielsweise 10% reduziert. Das Heizgerät läuft dann in allen Betriebsstellungen mit um 10% reduzierter Brennstoff­ menge weiter. Erst nach einem Aus-/Einschaltvorgang (kein Regel-Aus) läuft das Heizgerät wieder mit der ursprünglichen Brennstoffmenge, wobei sich der vorgenannte Vorgang even­ tuell wiederholen kann.

Wird auch mit 10% reduzierter Brennstoffmenge eine weitere Temperaturschwelle vom Kalottentemperaturfühler überschrit­ ten (diese Temperaturschwelle kann auch mit der ersten Schwelle identisch sein), wird nochmals die Brennstoffmenge um beispielsweise 10% reduziert. Auch in diesem Fall läuft das Heizgerät erst nach einem Aus-/Einschaltvorgang wie vor­ genannt wieder mit der ursprünglichen Brennstoffmenge, wobei sich der vorgenannte Vorgang eventuell eine weiteres Mal wie­ derholen kann.

Wird auch nach der zweiten Brennstoffmengenreduzierung eine Temperaturschwelle vom Kalottentemperaturfühler überschrit­ ten, führt dies zu einer bleibenden Abschaltung, welche ge­ gebenenfalls vom Fachmann nach Beseitigung der Überhitzungs­ ursache rückgängig gemacht werden kann.

Durch den Kalottentemperaturfühler 8 wird auch die Abgastem­ peratur überwacht.

Der Flammenerkennungsfühler 9 ist ein Abgastemperaturfühler, wobei sich der Kalottentemperaturfühler 8 und der Abgastempe­ raturfühler gegenseitig überwachen und bei ordnungsgemäßem Betrieb beider Fühler beide Temperaturwerte sich oberhalb ei­ ner bestimmten Wärmetauscher- bzw. Kalottentemperatur in ei­ nem definierten Temperaturfenster bewegen.

Das in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist ein Heizgerät 1 in Form eines Wasserheizgerätes mit Wasser als Wärmeträgermedium 5, welches ebenfalls wie das vorgenannte Luftheizgerät hinsichtlicher der Fühler 8 und 9 betrieben werden kann, um eine zuverlässige Betriebsüberwachung mit Hilfe einfacher Mittel sicherzustellen. Das Gerät besitzt ebenfalls einen Brenner 2, eine Brennkammer 3 und einen Wär­ metauscher 4, welcher allerdings nicht einen Boden in Kalot­ tenform, sondern eher einen gewölbten Flachboden besitzt. Der Fühler 8 sitzt auf dem Gasmantel in unmittelbarer Nähe zum Wärmetauscherboden 7 und mißt eine Bauteiltemperatur. Oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle wird mit dem Fühler 8 Überhitzung erkannt, analog zu einem Luftheizgerät.

Es sei noch angemerkt, daß in den Unteransprüchen enthaltene selbständig schutzfähige Merkmale trotz der vorgenommenen formalen Rückbeziehung auf den Hauptanspruch entsprechenden eigenständigen Schutz haben sollen. Im übrigen fallen sämt­ liche in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfin­ derischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (8)

1. Brennstoffbetriebenes Heizgerät (1), insbesondere motor­ unabhängig betriebenes Luftheizgerät für Kraftfahrzeuge, mit Brenner (2), Brennkammer (3) und Wärmetauscher (4), wobei die Brennkammer (3) vom Wärmeträgermedium (5) des topfartigen, einen Boden (7) aufweisenden Wärmetauschers umströmt wird, an der einen Stirnseite vom Brenner (2) abgeschlossen ist und an der anderen Stirnseite mit Ab­ stand an den Wärmetauscherboden angrenzt, und ein Über­ hitzungserkennungsfühler (8) am Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwer­ tes ein Steuergerät (6) veranlaßt, das Heizgerät abzu­ schalten, sowie mit einem Flammenerkennungsfühler (9), dadurch gekennzeichnet, daß der im heißesten Bereich (21) des Wärmetauschers (4), d. h. im Bodenbereich des Wärmetauschers angeordnete Überhitzungserkennungsfühler als Boden- bzw. Kalottentem­ peraturfühler (8) ausgebildet ist, durch welchen die Boden- bzw. Kalottentemperatur des Wärmetauschers, die Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums (5) und/oder die Oberflächentemperatur des Heizgeräts (1) direkt oder indirekt durch das Steuergerät (6) überwacht und gegebenenfalls begrenzt wird, indem bei Überschreiten von Temperaturgrenzwerten eine Leistungsreduktion und gegebenenfalls Geräteabschaltung erfolgt.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes über das Steu­ ergerät (6) eine stufenlose oder schrittweise Reduzie­ rung der dem Heizgerät zugeführten Brennstoffmenge auf einen definierten Wert veranlaßt, und das Heizgerät mit reduzierter Brennstoffmenge weiterbetrieben wird, bevor das Heizgerät nach weiterer Überschreitung eines Tempera­ turgrenzwertes bleibend abgeschaltet wird.

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten einer vom Boden- bzw. Kalottentem­ peraturfühler (8) festgestellten ersten Temperaturschwel­ le die dem Heizgerät zugeführte Brennstoffmenge um einen definierten Wert, insbesondere um 10% der ursprünglichen Brennstoffmenge, reduziert, und das Heizgerät mit der re­ duzierten Brennstoffmenge weiterbetrieben wird.

4. Heizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten einer vom Boden -bzw. Kalottentem­ peraturfühler (8) festgestellten zweiten Temperatur­ schwelle die dem Heizgerät zugeführte Brennstoffmenge um einen zweiten definierten Wert reduziert, und das Heiz­ gerät mit der zweifach reduzierten Brennstoffmenge wei­ terbetrieben wird.

5. Heizgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Temperaturschwelle mit der ersten Tempera­ turschwelle identisch ist, d. h. beide Temperaturschwel­ len gleich groß sind.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) die Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums (5) über­ wacht wird.

7. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) die Abgastemperatur überwacht wird.

8. Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenerkennungsfühler (9) ein Abgastemperatur­ fühler ist, wobei sich der Boden- bzw. Kalottentempera­ turfühler (8) und der Abgastemperaturfühler gegenseitig überwachen und bei ordnungsgemäßem Betrieb beider Fühler beide Temperaturwerte sich nach der Aufheizphase in sta­ tionärem Betrieb und im Übergangsbetrieb von Betriebsstu­ fe zu Betriebsstufe in einem definierten Temperaturfen­ ster bewegen.