EP3841326B1 - Heizvorrichtung und verfahren zum regeln eines gebläsebetriebenen gasbrenners - Google Patents

Heizvorrichtung und verfahren zum regeln eines gebläsebetriebenen gasbrenners Download PDF

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EP3841326B1
EP3841326B1 EP19758669.6A EP19758669A EP3841326B1 EP 3841326 B1 EP3841326 B1 EP 3841326B1 EP 19758669 A EP19758669 A EP 19758669A EP 3841326 B1 EP3841326 B1 EP 3841326B1
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EP
European Patent Office
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ionization voltage
speed
fan
current
gradient
Prior art date
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Ulrich Höflinger
Wilhelm Laux
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Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
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Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
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    • F23N2233/00—Ventilators
    • F23N2233/06—Ventilators at the air intake
    • F23N2233/08—Ventilators at the air intake with variable speed

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a gas burner, the gas burner having a blower for supplying combustion air, the speed of which can be variably adjusted. Furthermore, the invention relates to a heating device with a correspondingly controllable gas burner.
  • Ionization flame detection which uses the ionization effect of a flame to detect whether the burner is producing a flame or not, is considered to be particularly reliable.
  • Examples of such devices are for example in EP 2 357 410 A2 and the DE 10 2005 012 388 A1 described.
  • an alternating voltage is applied in the area of the flame, usually with the help of an ionization electrode and a ground electrode.
  • an ionization electrode and a ground electrode When the flame burns, it causes a rectifying effect on the AC voltage, causing a current to flow from the ground to the ionization electrode.
  • This current flow is evaluated or processed by measurement electronics and can be provided in the form of an ionization voltage.
  • the ionization voltage made available as a measurement result at the output of the measurement electronics thus correlates with the ionization current.
  • the measurement electronics output an ionization voltage that exceeds a certain limit value, this is recognized as the presence of a flame. On the other hand, falling below a corresponding limit value can be interpreted to mean that no flame is burning.
  • Gas burners in particular fan-operated gas burners, are frequently exposed to changing environmental conditions that can lead to changing combustion behavior.
  • environmental parameters are, for example, air pressure, temperature of the combustion air, gas pressure (pressure at which the fuel gas is supplied), type of gas and also the energy value of the gas.
  • the composition of the fuel gas can often vary.
  • typical gas mixtures such as LPG (Liquefied Petroleum Gas - Autogas) or typical propane/butane mixtures can be variable.
  • LPG Liquefied Petroleum Gas - Autogas
  • propane/butane mixtures can be variable.
  • a prior art method of controlling a gas burner is disclosed in US Pat EP 2 014 985 A2 , wherein the gas burner has a fan for supplying combustion air, the speed of which is variably adjustable, with the steps: operating the fan and detecting a fan speed; changing the fan speed; measuring an ionization voltage correlating to an ionization current in a flame region of the gas burner; and determining an operating point by measuring the current ionization voltage.
  • the DE 10 2015 116 458 A1 describes a method for distinguishing between two fuel gases intended for a combustion process with different energy contents.
  • the invention is based on the object of specifying a method for controlling a gas burner, with which a defined operating point for burner operation can be ensured. The operating point should then be close to the optimum for burner operation.
  • the method is usually carried out by a processing and control unit, which processes the method steps and thereby communicates with the corresponding components (flame detector or ionization voltage sensor, blower motor, etc.).
  • the fan of the gas burner is thus operated with the aid of the method in order to supply combustion air.
  • the fan speed is detected in a suitable manner, for example by one or more Hall sensors or by determining the so-called commutation harmonics of the rotor and stator assembly on the supply voltage of the rotor. Accordingly, pulses per minute, for example, can be generated by a measuring device and made available to a processing and control unit. Other methods that are suitable for the control described here are also known for detecting the rotational speed.
  • the processing and control unit is able to change the fan speed, i.e. decrease or increase it. To do this, it can control the blower motor accordingly.
  • an ionization voltage is measured, which correlates to an ionization current in a flame area of the gas burner.
  • the voltage value is generated by a rectified frequency signal from the burner flame and made available to the processing and control unit via a so-called shunt resistor and by means of analog/digital conversion.
  • a current flow results due to the rectifying effect of the flame on the applied AC voltage.
  • This ionization current is converted into a representative voltage (ionization voltage) using an evaluation circuit with a differential amplifier, so that further evaluation can be voltage-based or - after analog/digital conversion - digital.
  • the voltage values can thus be digitized and further processed.
  • the fan speed while changing the fan speed, an attempt is made to find a minimum of a gradient of the measured ionization voltage to the current fan speed.
  • the fan speed is thus changed in a targeted manner, i.e. reduced or increased.
  • the ionization voltage is determined. As long as the ionization voltage changes more than the fan speed, the fan speed will continue to vary. Only when the optimum has been found in the form of the minimum of the gradient is there no further speed change.
  • the given gradient describes the change in ionization voltage measured in the flame in relation to the change in speed of the combustion air fan.
  • the gradient minimum is precisely the point that serves as a distinguishing feature or boundary between rich or lean operation of the gas burner.
  • the so-called “rich range” begins, in which the combustion air supplied by the combustion air fan is not sufficient to completely burn the fuel gas.
  • the so-called “lean range” is present, in which more combustion air is supplied than required.
  • the gradient thus describes the reaction of the burner (in the form of the ionization voltage) to the change in speed.
  • an operating point for the ionization voltage is determined and saved.
  • the parameters can also be changed beforehand, as will be explained later.
  • This state is considered to be optimal, in which the gas burner is to be operated on the basis of the environmental parameters given at this point in time.
  • the measurement of the current ionization voltage is carried out continuously or continuously, ie also for example at specific time intervals.
  • the currently measured ionization voltage is compared with the operating point or the previously stored ionization voltage at the operating point. A deviation is then determined.
  • a check is then carried out to determine whether the deviation thus determined is within a predetermined limit. As long as the deviation is within the specified limit, the current ionization voltage is continuously measured.
  • the method described above for determining a new operating point is repeated.
  • the environmental parameters have changed in such a way that the burner can no longer be operated in the optimal state, which necessitates readjustment by determining a new operating point.
  • the additional step is carried out that the fan speed is increased by an offset value.
  • the offset value depends on the burner or is device-specific and thus represents the device-specific distance from the minimum speed at which the burner works as optimally as possible in terms of exhaust gas values and/or output.
  • the method aims at finding a minimum of the gradient of the ionization voltage to the fan speed, so that the combustor can be operated in the optimal operating condition.
  • the minimum speed even small deviations, for example in relation to the ambient parameters, can lead to a drastic change in the combustion behavior of the burner. It has therefore turned out to be expedient that the burner should not be operated at this minimum, but just above it. This leads to a more "good-natured" burner behavior.
  • the offset value is determined in such a way that the legal limit values are complied with even when operating with extreme values of the operating parameters.
  • the (combustion) gas supplied for example from a gas cylinder
  • the offset is set in such a way that the legally maximum permissible limit value is not exceeded even when operating with a higher butane content in the fuel gas.
  • the offset is selected in such a way that one moves as far away from the sensitive minimum value as possible, but not so far that, in the case of special, but actually existing and therefore known or predictable parameter changes outside the legal. standards.
  • the determination of the offset value follows from the measurement of the burner type and is therefore also dependent on how far the manufacturer is allowed to deviate from the minimum (optimal). Typically can Such an offset value can be in the range from 50 rpm to 1,000 rpm, although other values can also be useful.
  • the criterion that the gradient can be "equal to zero” does not have to mean that it has to be exactly equal to "0". Rather, it is sufficient here if the gradient is below a predetermined threshold, that is to say also just above zero or below zero.
  • the fan output speed of the fan may be set to a value in the top third of the fan speed range, specifically in the top quarter, top fifth, or in the top 10% of the speed range. It is also possible to select the maximum speed of the fan as the starting speed and then reduce the speed to find the gradient minimum.
  • Fan-assisted gas burners are known in which the so-called first ignition point when the burner starts automatically by a so-called ramp start is determined. With a fixed gas flow and a permanently running ignition device, the speed of the combustion air fan is continuously reduced from a very high speed until the gas-air mixture has the best possible composition and ignites automatically. The speed measured is then the output speed for further control according to the method described above.
  • a known ignition speed (depending on the barometric air pressure, the temperature of the combustion air and the gas throughput) can also be selected as the starting point.
  • a typical starting speed may be 4,000 rpm, for example.
  • the ionization voltage can be determined on the basis of the ionization current, such that the ionization current is determined as a current flow which occurs when an AC voltage is rectified by the presence of a flame and is applied to an ionization electrode arranged in the flame region, the ionization current being measured by a Evaluation circuit is converted into a corresponding ionization voltage.
  • a heating device has at least one gas burner, which has a combustion air fan driven by a motor, in particular a variable-speed motor, and a flame ionization voltage measuring device for detecting an ionization voltage that is dependent on a flame generated by the gas burner. Furthermore, a processing and control unit is provided, which is coupled to the engine and the flame ionization voltage measuring device. The processing and control unit can be designed to carry out the method described above and to regulate the speed of the motor of the combustion air fan in particular on the basis of an evaluation of the ionization voltage.
  • FIG. 1 shows a very rough representation of the basic structure of a control system on which the method according to the invention for controlling a fan-operated gas burner can be carried out.
  • the control system has a processing and control unit 1 . Furthermore, a sensor 2 is provided, with which the ionization current is measured in the area of a flame generated by the burner and converted into an ionization voltage U ION with the aid of a suitable evaluation circuit. The ionization voltage U ION is output as a measured value and sent to the processing and control unit 1 .
  • the ionization voltage U ION at the output of the measuring circuit in the presence of a flame can be in the range between 0.3 V and 3.3 V, depending on the quality of the combustion. At voltages of less than 0.3 V, the flame is recognized as extinguished. In order to increase the robustness of the detection, a hysteresis window of 0.3 V to 0.7 V, for example, is provided. This means that when the flame is detected for the first time, it is only recognized as existing when the ionization voltage reaches at least 0.7 V. On the other hand, the flame is only recognized as extinguished when it falls below 0.3 V.
  • the processing and control unit 1 is also connected to a motor 3 of a combustion air fan, not shown.
  • the processing and control unit 1 can control the speed of the motor 3 and thus of the combustion air fan.
  • the speed information can be determined in a suitable manner. It is thus possible for the processing and control unit 1 itself to specify the rotational speed by correspondingly activating the motor 3 .
  • Sensors e.g. one or more Hall sensors
  • Various possibilities are known for this, which do not need to be detailed at this point.
  • the rotational speed of the motor 3 and thus the speed of the combustion air fan can be controlled, for example, by pulse width modulation can be specified in a range from 0% to 100% of the rotational speed.
  • the drive voltage of the motor 3 or the drive current of the motor for speed control can also be set directly.
  • FIG. 12 shows a flowchart with a method for controlling a fan-operated gas burner.
  • the combustion air fan is operated at a starting point S0 at an initial speed that should correspond to a relatively high speed. Based on this speed, the speed n VBL is reduced in a step S10. In a step S20, the ionization voltage U ION is measured in the manner described above.
  • a gradient of the ionization voltage U ION relative to the speed nVBL is then determined. If the gradient is less than 0, the process goes to step S10 so that the rotation speed n VBL is further reduced.
  • step S30 if the gradient is greater than 0 in step S30, the speed is increased in step S40.
  • the ionization voltage U ION is then measured again in a step S50 and the gradient is determined in a step S60.
  • step S40 If the gradient is then still greater than 0, the speed is further increased in step S40 and a gradient is again determined in step S60.
  • the "minimum of the gradient” is to be understood as meaning the absolute value. The minimum of the gradient is thus found at the value 0, while values greater or less than 0 are above the minimum.
  • This recognized operating point means that the ratio between air supply (determined by the combustion air fan) and fuel gas supply for the burner is optimal, so that the energy content of the fuel gas can be optimally utilized with minimal pollutant emissions at the same time.
  • the burner is therefore operated in an optimal operating state.
  • step S70 the speed is changed using an offset speed n X .
  • This change in step S70 is optional and does not have to be carried out.
  • the minimum value for the speed just found in steps S30 or S60 is increased by the offset value nx.
  • the nx value follows from measurements of the burner type used and can be specified by the manufacturer depending on the design objective.
  • step S80 the ionization voltage is measured for the newly established "optimal" speed and stored as the operating point UB.
  • the burner can be operated optimally at this operating point, provided that the ambient parameters do not change or change only slightly.
  • the ionization voltage is continuously measured in step S90 and the quality of the flame is thus recorded.
  • the measurement of the ionization voltage can take place continuously or also at regular or otherwise predetermined time intervals.
  • step S100 a difference between the ionization voltage UION measured in step S90 and the ionization voltage UB defined as the operating point in step S80 is determined in the form of the value delta UION. This deviation in the ionization voltage values is then compared against a value U Y which represents a decision criterion for the permissible change in the ionization voltage.
  • step S100 If it is determined in step S100 that the deviation of the current ionization voltage U ION from the ionization voltage U B specified for the operating point is less than or equal to the value U Y , the measurement is continued in step S90 and the operation of the burner is retained unchanged.
  • step S100 determines that a readjustment of the operating point is required.
  • One reason for this can be, for example, a change in one or more environmental parameters, which means that the burner can no longer be operated at the optimum operating point at this point in time.
  • step S10 The method is then carried out again by reducing the speed in step S10.
  • the speed can also be raised to a higher value (initial speed) in order to be able to change the speed over a larger range.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner ein Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft aufweist, dessen Drehzahl variabel einstellbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Heizvorrichtung mit einem entsprechend regelbaren Gasbrenner.
  • Zur Überwachung des Vorhandenseins einer Flamme bei einem Gasbrenner sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die insbesondere auf thermischen, optischen oder elektrischen Prinzipien beruhen. Als besonders zuverlässig gilt die Ionisations-Flammerkennung, bei der die Ionisationswirkung einer Flamme genutzt wird, um zu erkennen, ob der Brenner eine Flamme erzeugt oder nicht.
  • Beispiele für derartige Vorrichtungen sind zum Beispiel in der EP 2 357 410 A2 und der DE 10 2005 012 388 A1 beschrieben.
  • Bei der Flammionisationserkennung wird, meist mit Hilfe einer Ionisationselektrode und einer Masseelektrode, im Bereich der Flamme eine Wechselspannung angelegt. Wenn die Flamme brennt, bewirkt dies einen Gleichrichtereffekt auf die Wechselspannung, der einen Stromfluss von der Masse zur Ionisationselektrode bewirkt. Dieser Stromfluss wird von einer Messelektronik ausgewertet bzw. aufgearbeitet und kann in Form einer Ionisationsspannung bereitgestellt werden. Die am Ausgang der Messelektronik als Messergebnis zur Verfügung gestellte Ionisationsspannung korreliert somit mit dem Ionisationsstrom.
  • Wenn die Messelektronik eine Ionisationsspannung ausgibt, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird dies als Vorhandensein einer Flamme erkannt. Das Unterschreiten eines entsprechenden Grenzwerts kann hingegen dahingehend interpretiert werden, dass keine Flamme brennt.
  • Gasbrenner, insbesondere gebläsebetriebene Gasbrenner sind häufig wechselnden Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die zu einem veränderlichen Brennverhalten führen können. Derartige Umgebungsparameter sind zum Beispiel Luftdruck, Temperatur der Verbrennungszuluft, Gasdruck (Druck, mit dem das Brenngas zugeführt wird), Gasart und auch der Energiewert des Gases. Dabei ist zu berücksichtigen, dass häufig die Zusammensetzung des Brenngases variieren kann. Zum Beispiel kann bei typischen Gasgemischen wie LPG (Liquefied Petroleum Gas - Autogas) bzw. typischen Propan/Butan-Gemischen die Zusammensetzung veränderlich sein. So ist es je nach Gaszufuhr möglich, dass reines Propan, reines Butan oder auch ein undefiniertes Propan/Butan-Gemisch zugeführt wird.
  • Aufgrund der veränderlichen Umgebungsparameter besteht die Möglichkeit, dass der Gasbrenner nicht im optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem der Brennstoff optimal verbrannt wird und der Schadstoffausstoß minimal ist. Häufig wird dieser Zustand mit λ = 1 gekennzeichnet, bei dem sich Brenngas und Sauerstoff in einem stöchiometrisch bestimmten Verhältnis befinden.
  • Ein Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners nach dem Stand der Technik offenbart die EP 2 014 985 A2 , wobei der Gasbrenner ein Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft aufweist, dessen Drehzahl variabel einstellbar ist, mit den Schritten: betreiben des Gebläses und erfassen einer Gebläsedrehzahl; verändern der Gebläsedrehzahl; messen einer Ionisationsspannung, die zu einem Ionisationsstrom in einem Flammbereich des Gasbrenners korreliert; und bestimmen eines Betriebspunkts durch Messen der aktuellen Ionisationsspannung.
  • In der DE 10 2017 204 012 A1 wird ein Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners beschrieben.
  • Aus der DE 10 2008 027 010 A1 ist ein Verfahren zum Überprüfen eines Ionisationssignals eines Brenners bekannt.
  • Die DE 10 2015 116 458 A1 beschreibt ein Verfahren zur Unterscheidung zweier für einen Verbrennungsprozess vorgesehener Brenngase mit unterschiedlich hohen Energiegehalten.
  • Ein anderes Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners wird in der US 5 971 745 A beschrieben.
  • In der DE 199 47 181 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung eines für die aktuelle Luftzahl repräsentativen Signals offenbart.
  • Schließlich befasst sich die DE 198 31 648 A1 mit einem Verfahren zum funktionellen Adaptieren einer Regelelektronik an ein Gasgerät.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners anzugeben, mit dem ein definierter Betriebspunkt für einen Brennerbetrieb sichergestellt werden kann. Der Betriebspunkt soll sich dann nahe beim Optimum für den Brennerbetrieb befinden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Es wird ein Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners angegeben, wobei der Gasbrenner ein Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft aufweist, dessen Drehzahl variabel einstellbar ist. Das Verfahren weist insbesondere die folgenden Schritte auf:
    • Betreiben des Gebläses und Erfassen einer Gebläsedrehzahl;
    • Verändern der Gebläsedrehzahl;
    • Messen einer Ionisationsspannung, die zu einem Ionisationsstrom in einem Flammbereich des Gasbrenners korreliert;
    • Finden eines Minimums eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahländerung;
    • Bestimmen eines Betriebspunkts durch Messen der aktuellen Ionisationsspannung und Abspeichern als Betriebspunkt;
    • während des Brennerbetriebs fortlaufendes Messen der aktuellen Ionisationsspannung;
    • Bestimmen einer Abweichung zwischen der aktuell gemessenen Ionisationsspannung und dem Betriebspunkt;
    • Prüfen, ob die Abweichung innerhalb einer vorgegebenen Grenze liegt und Durchführen einer Fallunterscheidung: wenn die Abweichung innerhalb der vorgegebenen Grenze liegt, Fortführen des fortlaufenden Messens der aktuellen Ionisationsspannung; wenn hingegen die Abweichung nicht innerhalb der vorgegebenen Grenze liegt, Wiederholen des Verfahrens ab dem obigen Schritt "Verändern der Gebläsedrehzahl".
  • Das Verfahren wird in der Regel durch eine Verarbeitungs- und Steuereinheit durchgeführt, die die Verfahrensschritte verarbeitet und dabei mit den entsprechenden Komponenten (Flammdetektor bzw. Ionisationsspannungs-Sensor, Gebläsemotor etc.) kommuniziert.
  • Mit Hilfe des Verfahrens wird somit das Gebläse des Gasbrenners betrieben, um Verbrennungsluft zuzuführen. Dabei wird die Gebläsedrehzahl in geeigneter Weise erfasst, zum Beispiel durch einen oder mehrere Hall-Sensoren oder durch Bestimmung der sogenannten Kommutierungs-Oberwellen des Rotor- und Statorpaketes auf der Versorgungsspannung des Rotors. Entsprechend können durch eine Messeinrichtung zum Beispiel Pulse pro Minute erzeugt werden und einer Verarbeitungs- und Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden. Zur Erfassung der Drehzahl sind auch andere Verfahren bekannt, die sich für die hier beschriebene Regelung eignen.
  • Die Verarbeitungs- und Steuereinheit ist in der Lage, die Gebläsedrehzahl zu verändern, d.h. zu verringern oder zu erhöhen. Dazu kann sie den Gebläsemotor entsprechend ansteuern.
  • Gemäß dem Verfahren wird eine Ionisationsspannung gemessen, die zu einem Ionisationsstrom in einem Flammbereich des Gasbrenners korreliert. Der Spannungswert wird durch ein gleichgerichtetes Frequenzsignal der Brennerflamme erzeugt und über einen sogenannten Shunt-Widerstand und mittels einer Analog-/Digital-Wandlung der Verarbeitungs- und Steuereinheit zur Verfügung gestellt.
  • Wie oben dargelegt, ergibt sich bei Vorhandensein einer Flamme ein Stromfluss (Ionisationsstrom) aufgrund der Gleichrichtungswirkung der Flamme auf die angelegte Wechselspannung. Dieser Ionisationsstrom wird mit Hilfe einer Auswerteschaltung mit Differenzverstärker in eine repräsentative Spannung (Ionisationsspannung) umgewandelt, damit die weitere Auswertung spannungsbasiert bzw. - nach der Analog-/Digital-Wandlung - digital durchgeführt werden kann. Somit können die Spannungswerte digitalisiert und weiterverarbeitet werden.
  • Gemäß dem Verfahren wird während des Veränderns der Gebläsedrehzahl versucht, ein Minimum eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahl zu finden. Die Gebläsedrehzahl wird somit gezielt verändert, d.h. verringert oder erhöht. Gleichzeitig wird die Ionisationsspannung ermittelt. Solange sich die Ionisationsspannung stärker ändert als die Gebläsedrehzahl, wird die Gebläsedrehzahl weiter variiert. Erst dann, wenn das Optimum in Form des Minimums des Gradienten gefunden wurde, erfolgt keine weitere Drehzahlveränderung.
  • Der angegebenen Gradient beschreibt die in der Flamme gemessene Ionisationsspannungsänderung in Bezug auf die Drehzahländerung des Verbrennungsluftgebläses. Beim Gradientenminimum liegt genau der Punkt, der als Unterscheidungsmerkmal bzw. Grenze zwischen einem fetten oder einem mageren Betrieb des Gasbrenners dient. Bei einer geringeren Drehzahl beginnt der sog. "fette Bereich", in dem die durch das Verbrennungsluftgebläse zugeführte Verbrennungsluft nicht ausreicht, um das Brenngas vollständig zu verbrennen. Bei einer höheren Drehzahl liegt der sog. "magere Bereich" vor, in dem mehr Verbrennungsluft zugeführt wird als erforderlich.
  • Dieses Entscheidungskriterium kann mit Absolutwerten alleine nicht bestimmt werden, da es immer die zueinander gehörenden Änderungen berücksichtigen muss.
  • Der Gradient beschreibt also die Reaktion des Brenners (in Form der Ionisationsspannung) auf die Drehzahländerung.
  • Ausgehend von dem somit gefundenen Betriebszustand, d.h. der aktuellen Ionisationsspannung und der entsprechenden Gebläsedrehzahl, wird ein Betriebspunkt für die Ionisationsspannung bestimmt und abgespeichert. Dazu können die Parameter (Gebläsedrehzahl bzw. die sich dann entsprechend ändernde Ionisationsspannung) auch vorab noch verändert werden, wie später noch erläutert wird.
  • Dieser Zustand wird als optimal betrachtet, in dem der Gasbrenner aufgrund der zu diesem Zeitpunkt gegebenen Umgebungsparameter betrieben werden soll.
  • Nachfolgend wird kontinuierlich bzw. fortlaufend, also auch beispielsweise in bestimmten Zeitintervallen, die Messung der aktuellen Ionisationsspannung durchgeführt. Die jeweils aktuell gemessene Ionisationsspannung wird mit dem Betriebspunkt bzw. der vorab gespeicherten Ionisationsspannung im Betriebspunkt verglichen. Dabei wird eine Abweichung bestimmt.
  • Nachfolgend wird geprüft, ob die somit bestimmte Abweichung innerhalb einer vorgegebenen Grenze liegt. Solange die Abweichung innerhalb der vorgegebenen Grenze liegt, erfolgt ein Fortführen des fortlaufenden Messens der aktuellen Ionisationsspannung.
  • Wenn hingegen die Abweichung nicht innerhalb der vorgegebenen Grenze liegt und somit zu groß ist, wird das oben beschriebene Verfahren zum Bestimmen eines neuen Betriebspunkts wiederholt. In diesem Fall wird nämlich erkannt, dass sich die Umgebungsparameter derart geändert haben, dass der Brenner nicht mehr im optimalen Zustand betrieben werden kann, was eine Neujustierung durch Bestimmen eines neuen Betriebspunkts erforderlich macht.
  • Zum Starten des Verfahrens ist es möglich, vor dem Messen der Ionisationsspannung zunächst das Gebläse mit einer vorgegebenen Ausgangsdrehzahl zu betreiben und nachfolgend die Gebläsedrehzahl zu verringern. Erst dann beginnt das Messen der Ionisationsspannung und das nachfolgende Finden des Gradienten-Minimums. Dabei macht das Messen und weitere Verarbeiten der Ionisationsspannung in der oben beschriebenen Weise nur dann Sinn, wenn auch eine Flamme vom Brenner erzeugt wird, also eine Flamme gezündet wurde.
  • Bei einer Variante wird nach dem Schritt des "Findens eines Minimums eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahl" und vor dem Schritt "Bestimmen eines Betriebspunkts" der zusätzliche Schritt durchgeführt, dass die Gebläsedrehzahl um einen Offsetwert erhöht wird.
  • Der Offsetwert ist brennerabhängig bzw. gerätespezifisch und repräsentiert damit den gerätespezifischen Abstand vom Drehzahlminimum, bei dem der Brenner möglichst optimal in Bezug auf Abgaswerte und/oder Leistung arbeitet.
  • Wie oben ausgeführt, strebt das Verfahren das Finden eines Minimums des Gradienten der Ionisationsspannung zur Gebläsedrehzahl an, so dass der Brenner im optimalen Betriebszustand betrieben werden kann. Aus der Praxis ist es jedoch bekannt, dass bei typischen Brennern in diesem Drehzahlminimum bereits kleine Abweichungen, zum Beispiel in Bezug auf die Umgebungsparameter, dazu führen können, dass sich das Brennverhalten des Brenners drastisch ändert. Daher hat es sich als zweckmäßig ergeben, dass der Brenner nicht in diesem Minimum betrieben werden soll, sondern knapp darüber. Dies führt zu einem "gutmütigeren" Brennerverhalten.
  • Der Offsetwert wird so bestimmt, dass auch bei einem Betrieb mit Extremwerten der Betriebsparameter die gesetzlichen Grenzwerte eingehalten werden. Zum Beispiel treten in der Praxis Fälle auf, in denen das z.B. aus einer Gasflasche zugeführte (Brenn-)Gas mehr Butan enthält als dies bei einer allgemein üblichen Propan/Butan-Mischung der Fall ist. Somit besteht das Risiko, dass der CO-Ausstoss ansteigt. Für diesen Extremfall wird der Offset gerade derart gesetzt, dass auch bei einem Betrieb mit einem höhreren Butan-Anteil im Brenngas der gesetzlich maximal zulässige Grenzwert nicht überschritten wird. Mit anderen Worten: Der Offset wird so gewählt, dass man sich möglichst weit vom empfindlichen Minimumwert entfernt, aber nicht so weit, dass man bei besonderen, aber real existierenden und somit bekannten bzw. im Effekt vorausberechenbaren Parameteränderungen außerhalb der gesetzl. Normen liegt.
  • Die Bestimmung des Offsetwerts folgt aus der Vermessung des Brennertyps und ist damit auch abhängig davon, wie weit es von Seiten des Herstellers zulässig sein soll, sich von dem Minimum (Optimum) zu entfernen. Typischerweise kann ein derartiger Offsetwert im Bereich von 50 U/min bis 1.000 U/min liegen, wobei aber auch andere Werte sinnvoll sein können.
  • Für den Schritt des "Findens eines Minimums eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahländerung" können die folgenden
  • Schritte durchgeführt werden:
    • Verringern der Gebläsedrehzahl;
    • Messen der aktuellen Ionisationsspannung;
    • Bestimmen des Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahl;
    • Durchführen einer Fallunterscheidung:
      Wenn der Gradient kleiner als Null (0) ist, Verringern der Gebläsedrehzahl und Wiederholen der obigen Schritte des Messens der aktuellen Ionisationsspannung und des Findens des Gradienten. Wenn der Gradient größer als Null ist, Erhöhen der Gebläsedrehzahl und Wiederholen der obigen Schritte des Messens der aktuellen Ionisationsspannung und des Findens des Gradienten. Wenn der Gradient gleich Null ist, Bestimmen des Gradienten als Minimum und Fortführen des Verfahrens.
  • Das Kriterium, dass der Gradient "gleich Null" sein kann, muss nicht bedeuten, dass er exakt gleich "0" sein muss. Hier ist es vielmehr ausreichend, wenn der Gradient unterhalb einer vorgegebenen Schwelle, also auch knapp über Null oder unter Null liegt.
  • Mit Hilfe der hier beschriebenen Schritte ist es möglich, durch Variation der Gebläsedrehzahl das Gradienten-Minimum zu finden, so dass nachfolgend dieses Minimum als Betriebspunkt bestimmt werden kann, gegebenenfalls nach Anpassung um einen Offsetwert, wie oben bereits erläutert.
  • Die Ausgangsdrehzahl des Gebläses beim Starten des Verfahrens sollte sinnvollerweise auf einen hohen Wert eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Ausgangsdrehzahl des Gebläses auf einen Wert im oberen Drittel des Drehzahlbereichs des Gebläses eingestellt werden, insbesondere im oberen Viertel, im oberen Fünften oder in den oberen 10% des Drehzahlbereichs. Ebenso ist es auch möglich, als Ausgangsdrehzahl die Maximaldrehzahl des Gebläses zu wählen und nachfolgend die Drehzahl zu verringern, um das Gradienten-Minimum zu finden. Es sind Gebläse-unterstützte Gasbrenner bekannt, bei denen der sogenannte erste Zündpunkt beim Brennerstart durch einen sogenannten Rampenstart automatisch ermittelt wird. Dabei wird bei einem festgelegten Gasdurchfluss und einer dauerhaft laufenden Zündeinrichtung die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftgebläses von einer sehr hohen Drehzahl laufend verringert, bis das Gas-Luftgemisch eine möglichst optimale Zusammensetzung hat und automatisch zündet. Die dabei gemessene Drehzahl ist dann die Ausgangsdrehzahl für die weitere Regelung nach dem oben beschriebenen Verfahren.
  • Alternativ ist es möglich, die Ausgangsdrehzahl des Gebläses auf eine vorbekannte Zünddrehzahl einzustellen. So kann auch eine bekannte Zünddrehzahl (abhängig vom barometrischen Luftdruck, der Temperatur der Verbrennungsluft und dem Gasdurchsatz) fest als Startpunkt gewählt werden.
  • Eine übliche Anfangsdrehzahl kann zum Beispiel bei 4.000 U/min liegen.
  • Die Ionisationsspannung kann auf der Grundlage des Ionisationsstroms bestimmt werden, derart, dass der Ionisationsstrom als Stromfluss bestimmt wird, der bei einer durch das Vorhandensein einer Flamme bewirkten Gleichrichtung einer Wechselspannung auftritt, die an eine im Flammbereich angeordnete Ionisationselektrode angelegt wird, wobei der Ionisationsstrom durch eine Auswerteschaltung in eine entsprechende Ionisationsspannung umgewandelt wird.
  • Eine Heizvorrichtung weist wenigstens einen Gasbrenner auf, der ein durch einen Motor, insbesondere durch einen drehzahlregelbaren Motor angetriebenes Verbrennungsluftgebläse aufweist, sowie eine Flammionisationsspannungs-Messeinrichtung zum Erfassen einer Ionisationsspannung, die von einer durch den Gasbrenner erzeugten Flamme abhängig ist. Weiterhin ist eine Verarbeitungs- und Steuereinheit vorgesehen, die mit dem Motor und der Flammionisationsspannungs-Messeinrichtung gekoppelt ist. Die Verarbeitungs- und Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen und dabei insbesondere aufgrund einer Auswertung der Ionisationsspannung die Drehzahl des Motors des Verbrennungsluftgebläses regeln.
  • Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein schematisches Blockdiagramm für ein Regelsystem zum Regeln eines Gasbrenners; und
    Fig. 2
    ein Flussdiagramm mit einem Regelverfahren für einen gebläsebetriebenen Gasbrenner.
  • Fig. 1 zeigt in sehr grober Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines Regelsystems, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln eines gebläsebetriebenen Gasbrenners durchgeführt werden kann.
  • Das Regelsystem weist eine Verarbeitungs- und Steuereinheit 1 auf. Weiterhin ist ein Sensor 2 vorgesehen, mit dem der Ionisationsstrom in dem Bereich einer durch den Brenner erzeugten Flamme gemessen und mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung in eine Ionisationsspannung UION gewandelt wird. Die Ionisationsspannung UION wird als Messwert ausgegeben und an die Verarbeitungs- und Steuereinheit 1 geführt.
  • In einer praktischen Anwendung kann die Ionisationsspannung UION am Ausgang der Messschaltung bei Vorhandensein einer Flamme zum Beispiel im Bereich zwischen 0,3 V bis 3,3 V je nach Qualität der Verbrennung liegen. Bei Spannungen von kleiner als 0,3 V wird die Flamme als erloschen erkannt. Um die Robustheit der Erkennung zu erhöhen, ist ein Hysteresefenster von zum Beispiel 0,3 V bis 0,7 V vorgesehen. Das bedeutet, dass bei einem erstmaligen Erkennen die Flamme erst dann als existent erkannt wird, wenn die Ionisationsspannung mindestens 0,7 V erreicht. Dagegen wird die Flamme erst bei Unterschreiten von 0,3 V als erloschen erkannt.
  • Die Verarbeitungs- und Steuereinheit 1 ist weiterhin mit einem Motor 3 eines nicht dargestellten Verbrennungsluftgebläses verbunden. Insbesondere kann die Verarbeitungs- und Steuereinheit 1 die Drehzahl des Motors 3 und damit des Verbrennungsluftgebläses ansteuern. Umgekehrt ist es erforderlich, dass die Verarbeitungs- und Steuereinheit 1 eine Information über die Drehzahl nVBL des Motors 3 und damit des Verbrennungsluftgebläses erhält. Die Drehzahlinformation kann in geeigneter Weise ermittelt werden. So ist es möglich, dass die Verarbeitungs- und Steuereinheit 1 bereits selbst durch eine entsprechende Ansteuerung des Motors 3 auch die Drehzahl vorgibt. Ebenso können am Motor 3 Sensoren (z.B. einer oder mehrere Hall-Sensoren) vorgesehen sein, um die Drehzahl des Motors 3 zu ermitteln. Hierzu sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die an dieser Stelle nicht vertieft werden müssen.
  • Die Ansteuerung der Drehgeschwindigkeit des Motors 3 und damit der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftgebläses kann zum Beispiel durch eine Pulsweiten-Modulation in einem Bereich von 0% bis 100% der Drehgeschwindigkeit vorgegeben werden. Alternativ kann auch direkt die Antriebsspannung des Motors 3 oder der Antriebsstrom des Motors zur Geschwindigkeitsregelung eingestellt werden.
  • Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm mit einem Verfahren zum Regeln eines gebläsebetriebenen Gasbrenners.
  • Zum Start des Verfahrens wird in einem Startpunkt S0 das Verbrennungsluftgebläse mit einer Ausgangsdrehzahl betrieben, die einer relativ hohen Drehzahl entsprechen sollte. Ausgehend von dieser Drehzahl wird die Drehzahl nVBL in einem Schritt S10 reduziert. In einem Schritt S20 erfolgt die Messung der Ionisationsspannung UION in der oben beschriebenen Weise.
  • Nachfolgend wird in einem Schritt S30 ein Gradient der Ionisationsspannung UION zu der Drehzahl nVBL bestimmt. Wenn der Gradient kleiner als 0 ist, geht das Verfahren zu Schritt S10, so dass die Drehzahl nVBL weiter reduziert wird.
  • Wenn hingegen der Gradient im Schritt S30 größer als 0 ist, wird die Drehzahl in einem Schritt S40 erhöht. Nachfolgend wird in einem Schritt S50 die Ionisationsspannung UION erneut gemessen und in einem Schritt S60 der Gradient bestimmt.
  • Sofern dann der Gradient immer noch größer als 0 ist, wird die Drehzahl im Schritt S40 weiter erhöht und erneut ein Gradient im Schritt S60 bestimmt.
  • Wenn in den Schritten S30 bzw. S60 erkannt wurde, dass der Gradient 0 ist bzw. sehr nahe bei 0 liegt, wird dies als Minimum des Gradienten (bezogen auf den Betragswert) und damit als Optimum erkannt. Gleichzeitig entspricht dieser Punkt auch einem Drehzahlminimum für die Gebläsedrehzahl.
  • Unter dem "Minimum des Gradienten" ist dabei der Absolutwert zu verstehen. Das Minimum des Gradienten wird also bei dem Wert 0 gefunden, während Werte größer oder kleiner 0 oberhalb von dem Minimum liegen.
  • Dieser somit erkannte Betriebspunkt bedeutet, dass das Verhältnis zwischen Luftzufuhr (festgelegt durch das Verbrennungsluftgebläse) und Brenngaszufuhr für den Brenner optimal ist, so dass der Energieinhalt des Brenngases optimal ausgenutzt werden kann, bei gleichzeitig minimalem Schadstoffausstoß. Der Brenner wird also in einem optimalen Betriebszustand betrieben.
  • Eine weitere Verringerung der Gebläsedrehzahl würde dazu führen, dass zu wenig Verbrennungsluft zugeführt wird, so dass das zu verbrennende Gemisch zu fett eingestellt wäre. Ein unnötig hoher Brenngasverbrauch wäre die Folge.
  • In Schritt S70 wird die Drehzahl mit Hilfe einer Offset-Drehzahl nX verändert. Diese Veränderung in Schritt S70 ist optional und muss nicht zwingend durchgeführt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei üblichen Brennern bei einem Betrieb in dem oben beschriebenen Drehzahlminimum bereits kleine Abweichungen zum Beispiel in Bezug auf die Umgebungsparameter dazu führen können, dass sich das Brennverhalten des Brenners erheblich ändert. Um hier eine größere Toleranz und damit ein gutmütigeres Verhalten zuzulassen, wird der soeben im Rahmen der Schritte S30 bzw. S60 gefundene Minimalwert für die Drehzahl durch den Offsetwert nx erhöht. Der nx-Wert folgt aus Vermessungen des verwendeten Brennertyps und kann je nach Auslegungsziel vom Hersteller festgelegt werden.
  • Nachfolgend wird für die somit neu festgesetzte "optimale" Drehzahl im Schritt S80 die Ionisationsspannung gemessen und als Betriebspunkt UB abgespeichert. In diesem Betriebspunkt kann der Brenner optimal betrieben werden, unter der Voraussetzung, dass die Umgebungsparameter sich nicht ändern bzw. sich nur geringfügig ändern.
  • Im nachfolgenden Betrieb wird im Schritt S90 fortlaufend die Ionisationsspannung gemessen und damit die Qualität der Flamme erfasst. Die Messung der Ionisationsspannung kann dabei kontinuierlich oder auch in regelmäßigen bzw. anderweitig vorgegebenen Zeitabständen erfolgen.
  • Im Schritt S100 wird eine Differenz der im Schritt S90 gemessenen Ionisationsspannung UION von der im Schritt S80 als Betriebspunkt festgelegten Ionisationsspannung UB in Form des Wertes Delta UION ermittelt. Diese Abweichung der Ionisationsspannungswerte wird dann gegen einen Wert UY abgeglichen, der ein Entscheidungskriterium für die zulässige Änderung der Ionisationsspannung darstellt.
  • Wenn in Schritt S100 festgestellt wird, dass die Abweichung der aktuellen Ionisationsspannung UION von der für den Betriebspunkt vorgegebenen Ionisationsspannung UB kleiner oder gleich dem Wert UY ist, wird die Messung im Schritt S90 weiter fortgeführt und der Betrieb des Brenners unverändert beibehalten.
  • Wenn jedoch im Schritt S100 festgestellt wird, dass die Abweichung zu groß ist, bestimmt das Verfahren, dass eine Neujustierung des Betriebspunkts erforderlich ist. Ein Grund dafür kann zum Beispiel eine Veränderung eines oder mehrerer Umgebungsparameter sein, die dazu führt, dass der Brenner zu diesem Zeitpunkt nicht mehr im optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann.
  • Daraufhin wird das Verfahren erneut durchgeführt, durch Reduktion der Drehzahl im Schritt S10. Vorher kann sinnvollerweise die Drehzahl auch wieder auf einen höheren Wert (Ausgangsdrehzahl) angehoben werden, um die Drehzahländerung über einen größeren Bereich durchführen zu können.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Regeln eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner ein Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft aufweist, dessen Drehzahl variabel einstellbar ist,
    mit den Schritten
    - Betreiben des Gebläses und Erfassen einer Gebläsedrehzahl (nVBL);
    - Verändern der Gebläsedrehzahl;
    - Messen einer Ionisationsspannung (UION), die zu einem Ionisationsstrom in einem Flammbereich des Gasbrenners korreliert;
    - Finden eines Minimums eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahländerung;
    - Bestimmen eines Betriebspunkts durch Messen der aktuellen Ionisationsspannung und Abspeichern als Betriebspunkt;
    - während des Brennerbetriebs fortlaufendes Messen der aktuellen Ionisationsspannung;
    - Bestimmen einer Abweichung zwischen der aktuell gemessenen Ionisationsspannung und dem Betriebspunkt;
    - Prüfen, ob die Abweichung (Delta UION) innerhalb einer vorgegebenen Grenze (UY) liegt und Durchführen einer Fallunterscheidung:
    + wenn die Abweichung innerhalb der vorgegebenen Grenze (UY) liegt, Fortführen des fortlaufenden Messens der aktuellen Ionisationsspannung;
    + wenn die Abweichung nicht innerhalb der vorgegebenen Grenze (UY) liegt, Wiederholen des Verfahrens ab dem obigen Verändern der Gebläsedrehzahl.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Starten des Verfahrens die folgenden Schritte vor dem Messen der Ionisationsspannung durchgeführt werden:
    - Betreiben des Gebläses mit einer Ausgangsdrehzahl;
    - Verringern der Gebläsedrehzahl.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach dem Schritt "Finden eines Minimums eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahländerung" und vor dem Schritt "Bestimmen eines Betriebspunkts" der zusätzliche Schritt durchgeführt wird:
    - Erhöhen der Gebläsedrehzahl um einen Offsetwert (nX).
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für den Schritt "Finden eines Minimums eines Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahländerung" die folgenden Schritte durchgeführt werden:
    - Verringern der Gebläsedrehzahl;
    - Messen der aktuellen Ionisationsspannung;
    - Bestimmen des Gradienten der gemessenen Ionisationsspannung zu der aktuellen Gebläsedrehzahländerung;
    - Durchführen einer Fallunterscheidung:
    + wenn der Gradient kleiner als Null ist, Verringern der Gebläsedrehzahl und Wiederholen der obigen Schritte des Messens der aktuellen Ionisationsspannung und des Findens des Gradienten;
    + wenn der Gradient größer als Null ist, Erhöhen der Gebläsedrehzahl und Wiederholen der obigen Schritte des Messens der aktuellen Ionisationsspannung und des Findens des Gradienten;
    + wenn der Gradient gleich Null ist, Bestimmen des Gradienten als Minimum und Fortführen des Verfahrens.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsdrehzahl des Gebläses auf einen Wert im oberen Drittel des Drehzahlbereichs des Gebläses eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsdrehzahl des Gebläses auf eine vorbekannte Zünddrehzahl eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ionisationsspannung (UION) auf der Grundlage des Ionisationsstroms bestimmt wird, derart, dass
    - der Ionisationsstrom als Stromfluss bestimmt wird, der bei einer durch das Vorhandensein einer Flamme bewirkten Gleichrichtung einer Wechselspannung auftritt, die an eine im Flammbereich angeordnete Ionisationselektrode angelegt wird; und dass
    - der Ionisationsstrom durch eine Auswerteschaltung in eine entsprechende Ionisationsspannung umgewandelt wird.
  8. Heizvorrichtung, mit
    - wenigstens einem Gasbrenner, der ein durch einen Motor (3) angetriebenes Verbrennungsluftgebläse aufweist;
    - einer Flammionisationsspannungs-Messeinrichtung (2), zum Erfassen einer Ionisationsspannung (UION), die von einer durch den Gasbrenner erzeugten Flamme abhängig ist; und mit
    - einer Verarbeitungs- und Steuereinheit (1), die mit dem Motor (3) und der Flammionisationsspannungs-Messeinrichtung (2) gekoppelt ist;
    wobei
    - die Verarbeitungs- und Steuereinheit (1) dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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