AT505442A1

AT505442A1 - Verfahren zur brenngas-luft-einstellung für einen brenngasbetriebenen brenner

Info

Publication number: AT505442A1
Application number: AT0109907A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Austria Gmbh
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-15
Also published as: AT505442B1; HRP20170996T1; EP2014985A2; ES2629770T3; PT2014985T; DK2014985T3; EP2014985B1; EP2014985A3; PL2014985T3; DE102008031979A1

Description

Ο 5. 07. 07

Vaillant Austria GmbH AT 4239

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetriebenen Brenner.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Brenngas-Luft-Verhältnis eines brenngasbetriebenen Brenners mittels Messung der lonisationsspannung oder des lonisationsstrom an einer Überwachungselektrode eingestellt werden kann. Die EP 770 824 B1 beschreibt ein Verfahren, bei dem, ausgehend von einem überstöchiometrischen Brennerbetrieb, der Luftüberschuss so lange reduziert wird, bis eine geringfügig unterstöchiometrische Verbrennung vorliegt. Hierbei wird die lonisationsspannung zwischen einer lonisationselektrode und dem Brenner gemessen. Bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1,0) ist die lonisationsspannung maximal. Demzufolge steigt die lonisationsspannung, ausgehend von überstöchiometrischer Verbrennung, bei der Reduzierung des Luftüberschusses zunächst an, um bei stöchiometrischer Verbrennung ein Maximum zu erreichen. Fällt die lonisationsspannung bei Weiterreduzierung des Luftanteils ab, so ist dies ein Indikator dafür, dass die Verbrennung unterstöchiometrisch ist. Das aus der EP 770 824 B1 bekannte Verfahren sieht nun vor, dass, ausgehend von der Luftmenge, welche bei maximaler lonisationsspannung vorliegt, der Luftanteil um einen definierten Betrag erhöht wird, so dass die Soll-Luftzahl erreicht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses, ausgehend von der stöchiometrischen Verbrennung, um 25% erhöht wird.

Ausgestaltungen dieses Regelverfahrens sind ebenfalls aus der DE 40 27 090 C2, DE 196 18 573 C1 und US 5 971 745 A bekannt.

Nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist, dass stets eine stöchiometrische bzw. geringfügig unterstöchiometrische Verbrennung angefahren werden muss. Hierbei entstehen im wesentlichen Maße Kohlenmonoxyd- und Stickoxydemissionen.

Aus DE 102 00 128 B4 und EP 833 106 B1 sind Verfahren zur Einstellung des Brenngas-Luft-Gemischs bekannt, bei denen ein Brenngas-Luft-Gemisch so lange abgemagert wird, bis die Flamme erlischt. Ausgehend von diesem Punkt wird der Brenner anschließend mit definiert fetterem Gemisch betrieben. Auch bei derartigen Verfahren ist nachteilig, dass durch das Erlöschen der Flamme und den anschließenden Neustart erhöhte Schadstoffemissionen entstehen. Ferner kann das Verfahren nicht in den normalen Betrieb integriert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Brenngas-Luft-Gemisches bei brenngasbetriebenen Brennern mittels lonisationsstrommessung zu schaffen, welches umweltbelastende Verbrennungszustände vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Betriebs des Brenners das Brenngas-Luft-Gemisch abgemagert wird und hierbei das lonisationssignal kontinuierlich gemessen wird. Aus dem lonisationssignal wird bei der Veränderung ein Gradient gebildet. Überschreitet der Gradient einen bestimmten Gradienten bzw. steigt der Gradient im Vergleich zum bisherigen Verlauf überproportional an, so wird die Abmagerung beendet und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet.

Das Messsignal ist stark von Ablagerungen an der Elektrode sowie der Position der Elektrode abhängig. Daher ist es nicht zielführend, das Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Absolutwertes als relevantes Ereignis zu verwenden. Der starke Anstieg des Gradienten hingegen ist ein sicheres Indiz für das baldige Abheben der Flamme bei weiterem Anstieg des Luftanteils.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. So kann der Gradient durch die Division des Differenzsignals der lonisationselektrode mit der Differenzdrehzahl des Gebläsemotors ermittelt werden. Alternativ hierzu kann eine Division des Differenzsignals der lonisationselektrode mit der Differenzstellposition des Stellantriebs eines Gasventils oder einer Differenzzeiteinheit erfolgen.

Das Signal der lonisationselektrode kann dadurch ermittelt werden, dass eine Konstantspannungsquelle mit der Flamme des Brenners und einem Widerstand seriell verschaltet ist und der Spannungsabfall am Widerstand gemessen wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen

Figur 1 einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 2 den Verlauf des lonisationssignals beim erfindungsgemäßen Verfahren.

Figur 1 zeigt einen Brenner 1 mit Gebläse 8 mit Gebläsemotor 9 in einem Lufteintritt 12. In den Lufteintritt 12 mündet eine Gasleitung 13, in der sich ein Gasventil 10 mit Stellantrieb 11 befindet. Der Gebläsemotor 9 und der Stellantrieb 11 sind mit einer Regelung 7 verbunden. Am Brenner 1 befindet sich eine Flamme 2, in welche eine lonisationselektrode 3 hineinragt.

Die lonisationselektrode 3 ist mit einer Spannungsquelle 4 verbunden. Diese ist mit ihrer zweiten Elektrode mit einem Widerstand 5 verbunden, der wiederum an den Brenner 1 angeschlossen ist. Parallel zum Widerstand 5 ist ein Spannungsmesser 6 angeschlossen, welcher mit der Regelung 7 verbunden ist.

Beim Betrieb des Brenners saugt das Gebläse 8 über den Lufteintritt 12 Verbrennungsluft an. Die Drehzahl n des Gebläses 8 kann hierbei kontinuierlich verstellt werden. Über das Gasventil 10 kann die zugeführte Brenngasmenge, welche über die Gasleitung 13 einströmt, kontinuierlich verändert werden; hierbei wird die Schrittzahl ns des Stellantriebs 11 erfasst. Im Gebläse 8 werden Brenngas und Luft miteinander vermischt und am Austritt des Brenners 1 gezündet, so dass sich eine Flamme 2 bildet. Da die Ionen der Flamme 2 elektrisch leitend sind, kann zwischen der lonisationselektrode 3 und dem Brenner 1 ein Strom fließen. Hieraus folgt, dass eine elektrische Spannung UFiamme anliegt. Der lonenfluss durch die Flamme 2 sorgt dafür, dass der elektrische Kreislauf (Brenner 1, lonisationselektrode 3, Spannungsquelle 4, Widerstand 5) geschlossen ist. Figur 2 zeigt den Verlauf der am Widerstand 5 gemessenen Spannung U über die Luftzahl λ und die Gebläsedrehzahl n. U0 ist die Spannung der Spannungsquelle 4. Es gilt: U = Uo - U Flamme

Es ist zu erkennen, dass die am Widerstand 5 gemessene Spannung U bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1,0) minimal ist. Mit Erhöhen des Luftüberschusses steigt die Spannung U kontinuierlich an. Bei einer Luftzahl von etwa 1,6 steigt die Spannung U deutlich stärker als bisher an. Bei einem Luftüberschuss von etwa λ =1,7 hebt die Flamme ab. Es kann kein lonisationssignal mehr gemessen werden; ein nicht dargestelltes Sicherheitsventil verriegelt die Brenngaszufuhr.

Beim erfindungsgemäßen Regelverfahren läuft zunächst der Brenner 1 mit einem bisher nicht bekannten Luftüberschuss. Bei konstant geöffnetem Gasventil 10 wird die Drehzahl n des Gebläses 8 erhöht. Hierdurch steigt die Luftzahl λ an. Der Spannungsabfall U am Widerstand 5 wird kontinuierlich über der Zeit t gemessen und an die Regelung 7 weitergegeben. In der Regelung 7 wird der Gradient Δυ/Δη berechnet, wobei n die Drehzahl des Gebläses 8 ist. Steigt der Gradient Δυ/Δη ab einem bestimmten Punkt übermäßig an, so ist dies ein Indiz dafür, dass demnächst die Flamme abhebt und somit abreißt. Die Luftzahl λ beträgt dann etwa 1,6. Ausgehend von diesem Punkt wird nun die Drehzahl n des Gebläses gezielt derartig reduziert, dass sich eine Luftzahl λ * 1,25) einstellt. Alternativ zur Gradientenermittlung mittels Quotient aus Differenzsignal zur Differenzdrehzahl AU/Δη kann auch ein Gradient aus Differenzspannung Δυ zu Differenzstellposition des Stellantriebs Ans gebildet werden, wenn anstelle einer Erhöhung der Gebläsedrehzahl eine Reduzierung der Brenngasmenge vorgenommen wird. Als weitere Variante kann bei konstanter Abmagerung auch ein Gradient aus der Zeit gebildet werden {Alf).

Der Betriebszustand, bei dem ein Abheben bevorsteht kann dadurch bestimmt werden, dass der aktuelle Gradient mit mindestens einem früheren Gradienten verglichen wird und in dem Fall, dass der aktuelle Gradient den oder die Vergleichswerte um. einen bestimmten Prozentsatz überschreitet, der erwartete Zustand vorliegt. Als Vergleichswert kann zum Beispiel der geringste gemessene Gradient verwendet werden. Alternativ kann ein Absolutwert vorgegeben werden.

Um den Einfluss von Signalrauschen (Schwanken des Messsignals um eine Trendlinie) zu eliminieren, darf die Zeitdifferenz beziehungsweise Drehzahldifferenz nicht zu klein gewählt werden.

Anstelle des Spannungsabfalls U am Widerstand 5 kann auch direkt die Spannung der Flamme UFiamme gemessen werden. In diesem Fall ist jedoch die lonisationsspannung bei stöchiometrischer Verbrennung maximal und das lonisationsspannungssignal fällt bei Erhöhung der Luftzahl ab.

Anstelle einer konstanten Spannung U0 kann auch eine Konstantstromquelle mit einem konstanten Strom l0 an die Serienschaltung des Widerstandes 5 mit der Flamme 2 geschaltet werden. In Abhängigkeit des Flammenwiderstandes stellt sich eine bestimmte Spannung ein.

Claims

Ο 5. 07. 07 Vaillant Austria GmbH AT 4239 PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetrieben Brenner (1), welcher mittels einer lonisationselektrode (3) überwacht wird, wobei das Signal der lonisationselektrode (3) direkt oder indirekt gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs des Brenners (1) das Brenngas-Luft-Gemisch abgemagert und dabei das Signal der lonisationselektrode (3) kontinuierlich gemessen wird, hierbei der Gradient des Signals der lonisationselektrode (3) gebildet wird, bei Überschreitung eines bestimmten Gradienten oder beim überproportionalen Anstieg des Gradienten die Abmagerung des Brenngas-Luft-Gemischs beendet wird und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet wird.
2. Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetrieben Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft über ein Gebläse (8) mit Gebläsemotor (9) gefördert wird und der Gradient des Signals der lonisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals der lonisationselektrode (3) mit der Differenzdrehzahl des Gebläsemotors (9) ermittelt wird. r
3. Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetrieben Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas über ein Gasventil (10) mit Stellantrieb (11) geleitet wird und der Gradient des Signals der lonisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals der lonisationselektrode (3) mit der Differenzstellposition des Stellantriebs (11) ermittelt wird.
4. Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetrieben Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient des Signals der lonisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals der lonisationselektrode (3) mit der Differenzzeit ermittelt wird.
5. Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetrieben Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konstantspannungsquelle (4) oder Konstantstromquelle mit der Flamme (2) des Brenners (1) und einem Widerstand (5) seriell verschaltet wird und als Signal der lonisationselektrode (3) der Spannungsabfall am Widerstand (5) gemessen wird.