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WO2005116527A1 - Heizgerät und verfahren zum regeln eines heizgeräts - Google Patents

Heizgerät und verfahren zum regeln eines heizgeräts Download PDF

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WO2005116527A1
WO2005116527A1 PCT/EP2005/005437 EP2005005437W WO2005116527A1 WO 2005116527 A1 WO2005116527 A1 WO 2005116527A1 EP 2005005437 W EP2005005437 W EP 2005005437W WO 2005116527 A1 WO2005116527 A1 WO 2005116527A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heater
blower motor
blower
motor
combustion
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2005/005437
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Falger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of WO2005116527A1 publication Critical patent/WO2005116527A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
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    • B60H1/2206—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from burners controlling the operation of burners
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2233/00—Ventilators
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    • F23N2233/08—Ventilators at the air intake with variable speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/14—Vehicle heating, the heat being derived otherwise than from the propulsion plant

Definitions

  • the invention relates to a heater, in particular a vehicle auxiliary heater, in which the air density of the air supplied for combustion is taken into account in order to optimize the combustion, and a method for operating such a heater.
  • the generic heaters are used for example in the form of additional and / or auxiliary heaters in the motor vehicle sector. Additional heaters primarily serve to compensate for the heat deficit that occurs in particular in consumption-optimized vehicles while driving, while auxiliary heaters are provided to heat the cooling water or heating circuit before the start of the journey.
  • the heaters do not work satisfactorily at high altitudes of, for example, more than 1500 m above sea level and / or wear out at an above-average rate because, due to the decreasing air density in many known heaters, this is not sufficient Combustion air mass flow can be generated.
  • the determination of the air density takes place, for example, by recording the load conditions on the blower, which supplies the air required for the combustion process.
  • the load conditions can be recorded by either keeping the power consumed by the blower motor or the speed constant and determining the other variable in terms of measurement technology.
  • the invention is therefore based on the object of developing the generic heaters and the generic methods in such a way that the combustion process is improved with low hardware and / or software expenditure in such a way that strict exhaust gas regulations can be complied with and the heaters can also be operated at great heights is easily possible.
  • the heating device builds on the generic state of the art in that the air density is taken into account indirectly without determining it, in that the power consumed by a fan provided for supplying the air is set by a control device is tracked. Since the power consumed by the blower of the heater is corrected with the combustion air mass flow conveyed by the blower, real regulation of the power of the blower indirectly also regulates the combustion air mass flow conveyed by the blower and thus indirectly also the CO 2 emissions , By using a regulation in this way instead of a control used in the prior art, significantly better exhaust gas values can be achieved and the heaters can also be operated at great heights without any problems. Furthermore, the regulation of the power consumed by the blower motor is possible with much less effort than, for example, a direct regulation of the CO 2 emissions.
  • the setpoint is variable.
  • the setpoint i.e. the power absorbed by the combustion air blower and thus also the air mass conveyed by the blower per unit of time are set to a value which, for example, harmonizes with the instantaneous fuel mass flow with regard to the exhaust gas values and thus ensures combustion with improved exhaust gas behavior.
  • the setpoint depends on the operating mode of the heater.
  • the user of the heater can influence the setpoint indirectly by specifying the setpoint temperature that he wants in the passenger compartment.
  • the torque M of the fan is related
  • I is the electric current I of the blower motor and i is a suitable constant.
  • the blower motor is a DC motor.
  • the vehicle electrical system of the motor vehicle can be accessed in a simple manner in order to operate the blower motor.
  • the performance of the blower motor is influenced by pulse width modulation.
  • the on-board electrical system voltage applied to the motor is modulated to a lower effective working voltage by means of pulse width modulation.
  • the performance of the blower motor can thus be influenced by varying the pulse width.
  • pulse width modulation can be superimposed on the phases of the commutation blocks, thus changing the torque applied to the motor.
  • a pulse width modulation unit forms the controller of the control. Controlling the power consumed by the blower using pulse width modulation is a comparatively simple but extremely effective solution.
  • the heater according to the invention is developed in a particularly advantageous manner in that the angular velocity and / or the current of the blower motor are detected by suitable sensors. With the help of suitable angular velocity or current sensors and corresponding evaluation devices, the measurement variables required for the control can be determined quickly and reliably, so that a suitable feedback loop can be formed for the control loop.
  • the method according to the invention builds on the generic state of the art in that the air density is taken into account indirectly without determining it, in that the power consumed by a fan provided for supplying the air is adjusted to a setpoint by a control device. This results in the properties and advantages of the heater according to the invention for the method according to the invention in the same or a similar manner, which is why reference is made to the corresponding statements in connection with the heater according to the invention in order to avoid repetition.
  • the setpoint depends on the operating mode of the heater.
  • the setpoint depends on components installed in and / or interacting with the heater.
  • the power P absorbed by the fan is preferably determined by the relationship
  • the torque M of the fan is related
  • I is the electric current I of the blower motor and ki is a suitable constant.
  • the performance of the blower motor is influenced by pulse width modulation.
  • a pulse width modulation unit forms the controller of the control.
  • angular velocity and / or the current of the blower motor are detected by suitable sensors.
  • the invention is based on the knowledge that by regulating the power consumed by the combustion air supply fan, the current air density can be taken into account even without determining it, and thus the CO 2 emissions can be regulated indirectly.
  • FIG. 1 shows a functional block diagram of an embodiment of a heating device according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of the control loop used in the embodiment of Figure 1;
  • Figure 3 is a circuit diagram for a first embodiment of the heater according to the invention.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram for a second embodiment of the heating device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a functional block diagram of an embodiment of a heating device according to the invention.
  • the heater 10 shown has a burner 12, a fuel metering pump 14, a combustion air blower 16 and a control unit 18. It has been omitted for the sake of clarity, other components that are not essential to the concept of the invention, but are necessary for the operation of the heater, such as a starting element, a flame detector, etc., have been omitted.
  • the control unit 18 can be implemented by any analog and / or digital circuits, in particular also by microprocessors, and in particular also forms the controller required for carrying out the control according to the invention, for example in the form of a pulse width modulation unit.
  • the fuel metering pump 14 and the combustion air blower 16 are connected to the control unit 18 via signal lines 20 and 22, respectively.
  • the fuel metering pump 14 is connected to the burner 12 via the fuel line 24.
  • the burning Air blower 16 supplies the burner 12 with the air required for combustion via the combustion air duct 26.
  • the blower motor 28 and sensors for the speed 30 and the current 32 are indicated schematically in the combustion air blower 16.
  • the sensors are connected to control unit 18 via signal lines 34 or 36.
  • the interaction of the components during operation is as follows:
  • the fuel metering pump 14 generates a fuel mass flow determined by the control unit 18 and conveys it to the burner 12 via the fuel line 24.
  • the combustion air blower 16 generates a combustion air mass flow, which it likewise supplies to the burner 12 via the combustion air duct 26.
  • the moment M is directly proportional to the current I absorbed by the blower motor, this is detected with the aid of the sensor 32 on the combustion air blower 16 and passed on to the control unit 18 via the signal line 36. There, the current measurement value is multiplied by a suitable factor k-i, so that the moment M can be determined via the current I as follows:
  • ki is a suitable proportionality factor.
  • the power consumed by the fan is correlated with the combustion air mass flow and is tracked according to the present setpoint in order to take into account different air densities and thus to improve the exhaust gas behavior.
  • the angular Velocity ⁇ of the combustion air blower changed until the combustion air blower 16 again consumes the desired power.
  • a corresponding control loop is shown in FIG. 2.
  • a suitably specified target power Ps 0 ⁇ 40 is at the comparator 42 by difference with the current actual power P
  • the pulse width modulation (PWM) provided in block 46 and described in more detail below, of the working voltage U A at the fan motor 48 of the combustion air fan is adjusted in order to regulate the power consumed by it.
  • the angular velocity ⁇ and the current I consumed by the motor are fed back.
  • These two variables are multiplied together in the multiplier 50, multiplied by the factor ki in block 52 and as the actual power P
  • the blower motor 28 is a permanent magnet DC motor.
  • a controller 60 as part of the heating control device 18, a Hall sensor 62 and a permanently excited direct current motor 64 are provided.
  • the DC motor 64 is provided with a permanent magnet 61 at the shaft end. This magnet 61 enables the speed detection via the Hall sensor 62.
  • the controller 60 is connected to the Hall sensor 62 via the signal line 66 and receives from there the voltage signal representing the speed of the permanently excited DC motor 64.
  • the controller 60 uses the signal lines 68 and 70 to determine the current flowing through the DC motor 64 at the measuring resistor 72.
  • the microcontroller 60 thus detects the speed of the direct current motor 64 via the speed sensor 62, which is designed here as a Hall sensor. It uses the signal lines 68 and 70 to determine the current flowing through the direct current motor 64. These two measurements are multiplied with one another and with a suitable factor, as a result of which the power P
  • U A represents the effective voltage U Batt effective on the DC motor 64, the battery voltage supplied by the vehicle electrical system, and PWM represents the pulse width modulation signal.
  • a microcontroller 80 and the EC motor 82 are shown in FIG.
  • the microcontroller 80 is connected via signal lines 84 and 86 to the measuring resistor 88, via which the current drawn by the motor 82 is determined.
  • Signal lines 90 to 100 are also provided, which connect the microcontroller 80 to switching transistors 102 to 112. These are in turn connected to the commutation blocks of the EC motor 82.
  • the speed is predetermined by the commutation frequency.
  • a pulse width modulation is superimposed on the individual phases of the commutation blocks.
  • the pulse width is reduced until the EC motor 82 is still able to cope with the load torque at a predetermined speed.
  • the speed itself is specified by the controller 80, the current is, as mentioned, over the Measuring resistor 88 determined.
  • St calculated by the controller 80 and compared with the target power Psoii. In the event of a deviation, the pulse width modulation signal can be modified accordingly and the power consumed by the EC motor 82 can thus be regulated.
  • FIG. 5 shows a flow diagram of a method according to the invention.
  • the method according to the invention begins at step S01.
  • a control unit which here in particular forms the controller, determines the instantaneous power Psoii to be absorbed by a combustion air blower.
  • This setpoint is determined in step S02 by forming the difference with the actual power P
  • the power difference Poi ff determined in this step as the control difference is determined by the control unit.
  • the pulse width modulation signal is adapted in accordance with this control variable deviation.
  • step S03 whereby a suitable working voltage U A is generated to the actual power P
  • This working voltage UA is applied to the blower motor of the heater in step S04.
  • a changed angular velocity ⁇ and a changed current I result are determined in step S05 and in step S06 together with a suitable correction factor for calculating the instantaneous power P

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät (10), insbesondere ein Fahrzeugzusatzheizgerät, bei dem zur Optimierung der Verbrennung die Luftdichte der zur Verbrennung zugeführten Luft berücksichtigt wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizgerätes. Erfindungsgemäß wird die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt be­rücksichtigt, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen Geblä­se (48) aufgenommene Leistung PIst durch eine Regeleinrichtung (42, 46, 50, 52) einem Sollwert PSoll nachgeführt wird.

Description

Webasto AG
Heizgerät und Verfahren zum Regeln eines Heizgeräts
Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeugzusatzheizgerät, bei dem zur Optimierung der Verbrennung die Luftdichte der zur Verbren- nung zugeführten Luft berücksichtigt wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizgerätes.
Die gattungsgemäßen Heizgeräte werden beispielsweise in Form von Zusatz- und/oder Standheizgeräten auf dem Kraftfahrzeugsektor eingesetzt. Zusatzhei- zungen dienen in erster Linie dazu, das insbesondere bei verbrauchsoptimierten Fahrzeugen auftretende Wärmedefizit während der Fahrt auszugleichen, während Standheizgeräte dazu vorgesehen sind, den Kühlwasser- beziehungsweise Heizkreislauf bereits vor Fahrtbeginn zu erwärmen.
Sowohl das Abgasverhalten als auch der Wirkungsgrad der in den Heizgeräten durchgeführten Verbrennungsprozesse hängt insbesondere von dem zugeführten Brennstoffmassenstrom und dem zugeführten Brennluftmassenstrom ab.
Aufgrund von zunehmend strenger werdenden Abgasnormen ist es erforder- lieh, den CO2-Ausstoß der Heizgeräten zu verringern.
Im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeugsektor besteht ein weiteres Problem darin, dass die Heizgeräte in großen Höhen von beispielsweise mehr als 1500 m N.N. nicht befriedigend arbeiten und/oder überdurchschnittlich schnell ver- schleißen, weil aufgrund der mit der Höhe abnehmenden Luftdichte bei vielen bekannten Heizgeräten kein ausreichender Brennluftmassenstrom erzeugt werden kann. Zur Lösung dieses Problems ist es aus der gattungsgemäßen DE 101 44404 C2 bereits bekannt, die aktuelle Luftdichte zu bestimmen und diese bei einer Steuerung des Verbrennungsvorganges zu berücksichtigen. Die Bestimmung der Luftdichte erfolgt gemäß der Lehre dieser Druckschrift beispielsweise durch die Erfassung der Lastbedingungen an dem Gebläse, das die für den Verbren- nungsprozess erforderliche Luft zuführt. Dabei können die Lastbedingungen erfasst werden, indem entweder die vom Gebläsemotor aufgenommene Leistung oder die Drehzahl konstant gehalten und die jeweils andere Größe mess- technisch ermittelt wird.
Mit dieser Lösung gelingt es bereits, die eingangs erläuterten Probleme zu lindern. Die Berechnung der aktuellen Luftdichte ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Weiterhin kann der CO2-Ausstoß durch die Beeinflussung des Verbrennungsprozesses über eine Steuerung in vielen Fällen nicht weit genug gesenkt werden, um strenge Abgasvorschriften zu erfüllen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Heizgeräte und die gattungsgemäßen Verfahren so weiterzubilden, dass der Verbren- nungsprozess mit niedrigem Hard- und/oder Softwareaufwand derart verbessert wird, dass strenge Abgasvorschriften eingehalten werden können und ein Betrieb der Heizgeräte auch in großen Höhen problemlos möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Heizgerät baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt berücksichtigt wird, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen Gebläse aufgenommene Leistung durch eine Regeleinrichtung einem Sollwert nachgeführt wird. Da die von dem Gebläse des Heizgerätes aufgenommene Leistung mit dem durch das Gebläse geförderten Brennluftmassenstrom korre- liert ist, wird durch eine echte Regelung der Leistung des Gebläses indirekt auch der durch das Gebläse geförderte Brennluftmassenstrom und somit indi- rekt auch der CO2-Ausstoß geregelt. Durch einen derartigen Einsatz einer Regelung anstelle einer beim Stand der Technik eingesetzten Steuerung lassen sich deutliche bessere Abgaswerte erzielen und ein Betrieb der Heizgeräte ist auch in großen Höhen problemlos möglich. Weiterhin ist die Regelung der vom Gebläsemotor aufgenommenen Leistung mit sehr viel geringerem Aufwand möglich als beispielsweise eine direkte Regelung des Cθ2-Ausstoßes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgerätes kann vorgesehen sein, dass der Sollwert variabel ist. Damit kann der Sollwert, d.h. die vom Brennluftgebläse aufgenommene Leistung und damit auch die pro Zeiteinheit durch das Gebläse geförderte Luftmasse auf einen Wert eingestellt werden, der beispielsweise mit dem momentanen Brennstoffmassenstrom hinsichtlich der Abgaswerte harmoniert und so für eine Verbrennung mit verbessertem Abgasverhalten sorgt.
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Sollwert von der Betriebsart des Heizgerätes abhängt. Beispielsweise kann der Benutzer des Heizgerätes den Sollwert indirekt beeinflussen, indem er die von ihm im Fahrgastraum gewünschte Solltemperatur vorgibt.
Des Weiteren kann eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgerätes dadurch gekennzeichnet sein, dass der Sollwert von in dem Heizgerät verbauten und/oder mit diesem zusammenwirkenden Komponenten abhängt. Diese Komponenten können insbesondere für verschiedene Fahrzeugtypen variieren, beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Einbaulagen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist vorgesehen, dass die von dem Gebläse aufgenommene Leistung P über den Zusammenhang P = M - ω
ermittelt wird, wobei M das am Gebläsemotor anliegende Drehmoment M und ω die Winkelgeschwindigkeit des Gebläsemotors ist.
Um die vom Gebläse aufgenommene Leistung P an den Sollwert anzupassen, wird bei einem bestimmten gegebenen Moment M eine geeignete Winkelgeschwindigkeit ω beziehungsweise Drehzahl n eingestellt, wobei für die Winkelgeschwindigkeit ω und die Drehzahl pro Minute n gilt: ω=2πf=2πn/60. Ändert sich nun das am Gebläse anliegende Drehmoment M beispielsweise durch eine sich ändernde Luftdichte, wird die Drehzahl n in Abhängigkeit vom Drehmoment M so eingestellt, dass die vom Brennluftgebläse aufgenommene Leistung P wieder dem Sollwert entspricht.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Drehmoment M des Gebläses über den Zusammenhang
M = kl - I
ermittelt wird, wobei I der elektrische Strom I des Gebläsemotors und i eine geeignete Konstante ist.
Die direkte Proportionalität zwischen Drehmoment M und dem vom Gebläse- motor aufgenommenen elektrischen Strom I ermöglicht eine einfache Bestimmung des Drehmoments M des Brennluftgebläses. Folglich kann über den durch den Gebläsemotor fließenden elektrischen Strom I und die Drehzahl n des Gebläsemotors auf die vom Gebläse aufgenommene Istleistung geschlossen werden.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass der Gebläsemotor ein Gleichstrommotor ist. In diesem Fall kann in einfacher Weise auf das Bordnetz des Kraftfahrzeugs zurückgegriffen werden, um den Gebläsemotor zu betreiben.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Heizgeräts ist vorgesehen, dass die Leistung des Gebläsemotors durch eine Pulsweitenmodulation beeinflusst wird. Dabei wird beispielsweise bei einem permanenterregten Gleichstrommotor die am Motor anliegende Bordnetzspannung mittels der Pulsweitenmodulation auf eine niedrigere effektive Arbeitsspannung moduliert. Durch Variation der Pulsweite lässt sich somit die Leistung des Gebläsemotors beeinflussen. Bei einem EC-Motor kann den Phasen der Kommutierungsblöcke eine Pulsweitenmodulation überlagert und so das am Motor anliegende Drehmoment verändert werden.
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit den Regler der Regelung bildet. Die Regelung der vom Gebläse aufgenommenen Leistung mittels Pulsweitenmodulation stellt eine vergleichsweise einfache aber äußerst effektive Lösung dar.
Das erfindungsgemäße Heizgerät ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Winkelgeschwindigkeit und/oder der Strom des Gebläsemotors durch geeignete Sensoren erfasst werden. Mit Hilfe geeigneter Win- kelgeschwindigkeits- beziehungsweise Stromsensoren und entsprechenden Auswerteeinrichtungen können die für die Regelung benötigten Messgrößen schnell und sicher ermittelt werden, so dass eine geeignete Rückkopplungs- schleife für den Regelkreis gebildet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt berücksichtigt wird, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen Gebläse aufgenommene Leistung durch eine Regeleinrichtung einem Sollwert nachgeführt wird. Dadurch ergeben sich die Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Heizgerätes für das erfindungsgemäße Verfahren in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die nachfolgend angegebenen vorteilhaften Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät verwiesen wird.
Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft, wenn der Sollwert variabel ist.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Sollwert von der Be- triebsart des Heizgerätes abhängt.
Weiterhin kann es auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft sein, dass der Sollwert von in dem Heizgerät verbauten und/oder mit diesem zusammenwirkenden Komponenten abhängt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die von dem Gebläse aufgenommene Leistung P vorzugsweise über den Zusammenhang
P = M - ω ermittelt, wobei M das am Gebläsemotor anliegende Drehmoment M und ω die Winkelgeschwindigkeit des Gebläsemotors ist.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Drehmoment M des Gebläses über den Zusammenhang
M = kx -I
ermittelt wird, wobei I der elektrische Strom I des Gebläsemotors und ki eine geeignete Konstante ist.
Auch bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vor- teilhaft sein, dass die Leistung des Gebläsemotors durch eine Pulsweitenmodulation beeinflusst wird.
In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft erachtet, wenn vorgesehen ist, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit den Regler der Rege- lung bildet.
Dabei ist es vorteilhaft, dass die Winkelgeschwindigkeit und/oder der Strom des Gebläsemotors durch geeignete Sensoren erfasst werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Regelung der vom Brennluftzuführgebläse aufgenommenen Leistung die aktuelle Luftdichte auch ohne Bestimmung derselben berücksichtigt und damit indirekt der CO2- Ausstoß geregelt werden kann.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Funktionsblockdiagramm einer Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Heizgerätes;
Figur 2 ein Blockschaltbild des in der Ausführungsform gemäß Figur 1 verwendeten Regelkreises;
Figur 3 einen Stromlaufplan für eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgerätes;
Figur 4 einen Stromlaufplan für eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgerätes;
Figur 5 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Heizgerätes. Das dargestellte Heizgerät 10 weist einen Brenner 12, eine Brennstoffdosierpumpe 14, ein Brennluftgebläse 16 sowie ein Steuergerät 18 auf. Es wurde auf die Darstellung weiterer für den Erfindungsgedanken nicht wesentlicher, aber für den Betrieb des Heizgeräts notwendiger Komponenten wie beispielsweise ein Startelement, einen Flammwächter etc. aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Das Steuergerät 18 kann durch beliebige analoge und/oder digitale Schaltungen, insbesondere auch durch Mikroprozessoren verwirklicht sein und bildet insbesondere auch den für die Durchführung der erfindungsgemäßen Regelung erforderlichen Regler, beispielsweise in Form einer Pulsweitenmodulationseinheit. Die Brennstoffdosier- pumpe 14 und das Brennluftgebläse 16 sind über Signalleitungen 20 beziehungsweise 22 mit dem Steuergerät 18 verbunden. Die Brennstoffdosierpumpe 14 ist über die Brennstoffleitung 24 mit dem Brenner 12 verbunden. Das Brenn- luftgebläse 16 führt dem Brenner 12 über den Brennluftkanai 26 die zur Verbrennung erforderliche Luft zu. Des Weiteren sind in dem Brennluftgebläse 16 schematisch der Gebläsemotor 28 sowie Sensoren für die Drehzahl 30 und den Strom 32 angedeutet. Die Sensoren sind über Signalleitungen 34 bezie- hungsweise 36 mit dem Steuergerät 18 verbunden.
Im Betrieb gestaltet sich das Zusammenwirken der Komponenten wie folgt: Die Brennstoffdosierpumpe 14 erzeugt einen durch das Steuergerät 18 festgelegten Brennstoffmassenstrom und fördert diesen über die Brennstoffleitung 24 dem Brenner 12 zu. Gleichzeitig erzeugt das Brennluftgebläse 16 einen Brennluftmassenstrom, den es über den Brennluftkanal 26 ebenfalls dem Brenner 12 zuführt. Die vom Gebläsemotor 28 aufgenommene Leistung setzt sich aus dem Drehmoment M und der Winkelgeschwindigkeit ω wie folgt zusammen: P = M - ω .
Da das Moment M direkt proportional zum vom Gebläsemotor aufgenommenen Strom I ist, wird dieser mit Hilfe des Sensors 32 am Brennluftgebläse 16 erfasst und an das Steuergerät 18 über die Signalleitung 36 weitergeleitet. Dort wird der Strommesswert mit einem geeigneten Faktor k-i multipliziert, so dass sich das Moment M über den Strom I wie folgt bestimmen lässt:
M = k I ,
wobei ki ein geeigneter Proportionalitätsfaktor ist. Die vom Gebläse aufgenommene Leistung ist mit dem Brennluftmassenstrom korreliert und wird erfindungsgemäß dem aktuellen Sollwert nachgeführt, um unterschiedliche Luftdichten zu berücksichtigen und somit das Abgasverhalten zu verbessern.
Ändert sich nun die Luftdichte beispielsweise durch unterschiedliche Wetterlagen oder durch Fahrten über Gebirgspässe oder ähnliches, wird die Winkelge- schwindigkeit ω des Brennluftgebläses so lange verändert, bis vom Brennluftgebläse 16 wieder die Sollleistung aufgenommen wird.
Ein entsprechender Regelkreis ist in Figur 2 dargestellt. Eine geeignet vorge- gebene Sollleistung Ps0ιι 40 wird am Vergleicher 42 durch Differenzbildung mit der momentanen vom Gebläsemotor aufgenommenen Istleistung P|St 44 durch Differenzbildung verglichen. Auf Basis der sich ergebenden Regeldifferenz wird die im Block 46 vorgesehene und weiter unten ausführlicher beschriebene Pulsweitenmodulation (PWM) der Arbeitsspannung UA am Gebläsemotor 48 des Brennluftgebläses angepasst, um die von diesem aufgenommene Leistung zu regeln. Zurückgeführt werden die Winkelgeschwindigkeit ω und der vom Motor aufgenommenen Strom I. Diese beiden Größen werden im Multiplikationsglied 50 miteinander multipliziert, im Block 52 mit dem Faktor ki multipliziert und als aktuell aufgenommene Istleistung P|St 44 wiederum dem Vergleicher 44 zugeführt. Somit ergibt sich der erfindungsgemäß vorgesehene geschlossene Regelkreis.
Bei der in Figur 3 dargestellten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgerätes handelt es sich bei dem Gebläsemotor 28 um einen perma- nenterregten Gleichstrommotor. Gemäß Figur 3 sind ein Controller 60 als Teil des Heizungssteuergeräts 18, ein Hallsensor 62 sowie ein permanenterregter Gleichstrommotor 64 vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist der Gleichstrommotor 64 am Wellenende mit einem Permanentmagneten 61 versehen. Dieser Magnet 61 ermöglicht die Drehzahlerfassung über den Hallsensor 62. Der Controller 60 ist über die Signalleitung 66 mit dem Hallsensor 62 verbunden und empfängt von dort das die Drehzahl des permanenterregten Gleichstrommotors 64 darstellende Spannungssignal. Über die Signalleitungen 68 und 70 ermittelt der Controller 60 am Messwiderstand 72 den durch den Gleichstrommotor 64 fließenden Strom. Somit erfasst der Microcontroller 60 über den hier als Hallsensor ausgeführten Drehzahlsensor 62 die Drehzahl des Gleichstrommotors 64. Über die Signalleitungen 68 und 70 ermittelt er den durch den Gleichstrommotor 64 fließenden Strom. Diese beiden Messwerte werden miteinander und mit einem geeigneten Faktor multipliziert, wodurch die am Gleichstrommotor momentan aufgenommene Leistung P|St ermittelt wird. Dieser Wert wird im Controller 60 mit dem Soilleistungswert Psoii verglichen, und eine geeignet pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung UA wird an den Gleichstrommotor 64 angelegt. Diese berechnet sich nach folgender Formel:
UA = UBatt -JPWM ,
wobei
UA die effektiv am Gleichstrommotor 64 wirksame Spannung UBatt die vom Bordnetz gelieferte Batteriespannung und PWM das Pulsweitenmodulationssignal darstellt.
Bei der in Figur 4 dargestellten zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist anstatt des permanent erregten Gleichstrommotors 64 ein sogenannter EC-Motor 82 (EC = "elektronically commutated") vorgesehen. In Figur 4 ist unter anderem ein Microcontroller 80 und der EC-Motor 82 dargestellt. Der Microcontroller 80 ist über Signalleitungen 84 und 86 mit dem Mess- widerstand 88 verbunden, über den der vom Motor 82 aufgenommene Strom bestimmt wird. Des Weiteren sind Signalleitungen 90 bis 100 vorgesehen, die den Microcontroller 80 mit Schalttransistoren 102 bis 112 verbinden. Diese sind wiederum mit den Kommutierungsblöcken des EC-Motors 82 verbunden. Beim EC-Motor 82 wird die Drehzahl durch die Kommutierungsfrequenz vorgegeben. Um die Spulen des EC-Motors 82 nicht mit unnötig hoher Leistung zu beaufschlagen und so eine Wärmeentwicklung in den Spulen und den daraus resultierenden schlechten Wirkungsgrad zu vermeiden, wird den einzelnen Phasen der Kommutierungsblöcke eine Pulsweitenmodulation überlagert. Die Pulsweite wird solange verringert, bis der EC-Motor 82 gerade noch in der Lage ist, das Lastmoment bei vorgegebener Drehzahl zu bewältigen. Die Drehzahl selbst wird vom Controller 80 vorgegeben, der Strom wird, wie erwähnt, über den Messwiderstand 88 ermittelt. Somit kann die Leistung P|St vom Controller 80 berechnet und mit der Sollleistung Psoii verglichen werden. Bei einer Abweichung kann das Pulsweitenmodulationssignal entsprechend abgeändert werden und so die vom EC-Motor 82 aufgenommene Leistung geregelt werden.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt beim Schritt S01. Dort wird von einem Steuergerät, das hier unter anderem insbesondere den Regler bildet, die momentane von einem Brennluftgebläse aufzunehmende Leistung Psoii festge- setzt. Dieser Sollwert wird in Schritt S02 durch Differenzbildung mit der momentan vom Gebläse aufgenommenen Istleistung P|St verglichen. Die in diesem Schritt als Regeldifferenz ermittelte Leistungsdifferenz Poiff wird vom Steuergerät bestimmt. Entsprechend dieser Regelgrößenabweichung wird das Pulsweitenmodulationssignal angepasst. Dies geschieht in Schritt S03, wodurch eine geeignete Arbeitsspannung UA erzeugt wird, um die Istleistung P|St der Sollleistung Psoii nachzuführen. Diese Arbeitsspannung UA wird in Schritt S04 an den Gebläsemotor des Heizgeräts angelegt. Es stellen sich eine geänderte Winkelgeschwindigkeit ω und ein geänderter Strom I ein. Diese beiden Größen werden in Schritt S05 ermittelt und in Schritt S06 zusammen mit einem geeigneten Korrekturfaktor zur Berechnung der momentanen vom Gebläse aufgenommenen Leistung P|St verwendet, so dass das Verfahren beim Schritt S01 fortgesetzt werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den An- Sprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste
Heizgerät
Brenner
Brennstoffdosierpumpe
Brennluftgebläse
Steuergerät
Signalleitung
Signalleitung
Brennstoffleitung
Brennluftkanal
Gebläsemotor
Drehzahlsensor
Stromsensor
Signalleitung
Signalleitung
Sollleistung Psoii
Vergleicher aufgenommene Leistung P|St
Pulsweitenmodulationseinheit
Gebläsemotor
Multiplikationsglied
Korrekturfaktor ki
Controller
Permanentmagnet
Hallsensor
Gleichstrommotor
Drehzahlsignalleitung
Stromsignalleitung
Stromsignalleitung 72 Messwiderstand
74 Pulsweitenmodulationssignalleitung 76 Schalttransistor
80 Controller
82 EC-Motor
84 Stromsignalleitungen
86 Stromsignalleitung 88 Messwiderstand
92-100 Pulsweitenmodulationssignalleitungen
102-112 Schalttransistoren

Claims

ANSPRÜCHE
5 1. Heizgerät (10), insbesondere Fahrzeugzusatzheizgerät, bei dem zur Optimierung der Verbrennung die Luftdichte der zur Verbrennung zugeführten Luft berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt berücksichtigt wird, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen Gebläse (16) aufgenommene Leistung durch0 eine Regeleinrichtung (18, 60, 80) einem Sollwert (40) nachgeführt wird.
2. Heizgerät (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (40) variabel ist. 5
3. Heizgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (40) von der Betriebsart des Heizgerätes (10) abhängt.
4. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch o gekennzeichnet, dass der Sollwert (40) von in dem Heizgerät (10) verbauten und/oder mit diesem zusammenwirkenden Komponenten abhängt.
5. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Gebläse (16) aufgenommene Leistung P5 über den Zusammenhang
P = M - ω ermittelt wird, wobei0 M das am Gebläsemotor (28, 48, 64, 82) anliegende Drehmoment M und ω die Winkelgeschwindigkeit des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) ist.
6. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment M des Gebläses (16) über den Zu-
5 sammenhang
M = kx - I ermittelt wird, wobei0 I der elektrische Strom I des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) und ki eine geeignete Konstante ist.
7. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebläsemotor (28, 48, 64, 82) ein Gleichstrommo-5 tor ist.
8. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) durch eine Pulsweitenmodulation (46) beeinflusst wird.0
9. Heizgerät (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit (46) den Regler der Regelung bildet.
10. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch5 gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit und/oder der Strom des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) durch geeignete Sensoren (30, 32, 62, 72, 88) erfasst werden.
11. Verfahren zum Betreiben eines Heizgeräts (10), insbesondere eines o Fahrzeugzusatzheizgeräts, bei dem zur Optimierung der Verbrennung die Luftdichte der zur Verbrennung zugeführten Luft berücksichtigt wird, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt be- rücksichtigt wird, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen Gebläse (16) aufgenommene Leistung durch eine Regeleinrichtung (18, 60, 80) einem Sollwert (40) nachgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (40) variabel ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (40) von der Betriebsart des Heizgerätes (10) abhängt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (40) von in dem Heizgerät (10) verbauten und/oder mit diesem zusammenwirkenden Komponenten abhängt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Gebläse (16) aufgenommene Leistung P über den Zusammenhang P = M - ω
ermittelt wird, wobei M das am Gebläsemotor (28, 48, 64, 82) anliegende Drehmoment M und ω die Winkelgeschwindigkeit des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment M des Gebläses (16) über den Zusammenhang
M = k - I
ermittelt wird, wobei
I der elektrische Strom I des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) und ki eine geeignete Konstante ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Leistung des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) durch eine
Pulsweitenmodulation (46) beeinflusst wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit (46) den Regler der Regelung bildet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit und/oder der Strom des Gebläsemotors (28, 48, 64, 82) durch geeignete Sensoren (30, 32, 62, 72, 88) erfasst werden.
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