EP4043792B1

EP4043792B1 - Verfahren und anordnung zur verwendung von verbrennungsprodukten oder eigenschaften der luft im verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten heizgerätes zu dessen regelung und/oder zustandsanalyse

Info

Publication number: EP4043792B1
Application number: EP22151795.6A
Authority: EP
Inventors: Christian Fischer; Matthias Wodtke
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2026-03-11
Anticipated expiration: 2042-01-17
Also published as: EP4043792A1; DE102021102700A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Verwendung von Messwerten von Bestandteilen bzw. Eigenschaften, insbesondere der Feuchtigkeit, der Luft im Verbrennungsweg eines gasbefeuerten Heizgerätes zu dessen Regelung und/oder Zustandsanalyse.
In gasbefeuerten Heizgeräten kommen elektronisch geregelte Gas-Luft-Verbunde zum Einsatz, die als Bestandteil eines geschlossenen Regelkreises Regelgrößen, wie beispielsweise einen bei der Verbrennung messbaren Ionisationsstrom, verwenden, die mit einem definierten Gas-Luft-Verhältnis korrelieren. Die Korrelation unterliegt dem Einfluss von Störgrößen, was zur Folge hat, dass das entstehende Gas-Luft-Gemisch im eingeregelten Zustand vom Zielwert abweichen kann, was im Rahmen von Toleranzanalysen bewertet und bei der Definition von Betriebsgrenzen berücksichtigt wird.
Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit der Detektion bzw. Messung ausgesuchter Störgrößen und bietet darauf aufbauend Konzepte, wie die Detektion einer Störgröße im Zusammenhang mit der Kenntnis um ihren Einfluss auf das Gas-Luft-Gemisch zu einem robusteren und erweiterten Gerätebetrieb genutzt werden kann. Um den sicheren und robusten Betrieb gasbefeuerter Heizgeräte mit elektronisch geregeltem Gas-Luft-Verbund zu ermöglichen, wird in den oben genannten Toleranzanalysen die Gesamtheit aller relevanten Einflüsse auf das Ziel-Gas-Luft-Gemisch realitätsentsprechend kombiniert und eine, bezogen auf eine konstante Heizlast resultierende, Abweichung dem Gemisch zugeordnet.
Die hierbei ermittelten Abweichungen des Gemischs beeinflussen direkt die Betriebsgrenzen des Heizgerätes, das im zulässigen Betriebsfeld beispielsweise marktentsprechende Emissionsgrenzen für Kohlenmonoxid und Stickoxide einhalten und thermoakustische Störungen ausschließen muss. Die beschriebenen Folgen von möglichen Gemisch-Abweichungen führen zu einem Eingrenzen des Betriebsfeldes, das durch die Nicht-Kenntnis der im Betrieb vorliegenden Störgrößen deren vollständigen Einfluss berücksichtigen muss, und somit notwendigerweise die Leistungsfähigkeit des Heizgerätes reduziert.
Des Weiteren können in besonders anfälligen Betriebsphasen, wie dem rein gesteuerten Zündvorgang, Einflüsse auf die Gemischbildung besonders destabilisierend auf die einzuleitende Verbrennung wirken und hierbei einen aufwändigen Zündalgorithmus mit mehrfachen Zündversuchen und hinzunehmenden thermoakustischen Störungen notwendig machen.
Grundsätzlich kann die qualitative und/oder quantitative Kenntnis von Störgrößen im Heizbetrieb und von deren konkretem Einfluss auf die Gas-Luft-Gemischbildung anzunehmende Toleranzbänder verkleinern, womit ein signifikantes Optimierungspotenzial verbunden ist. Zudem kann diese Kenntnis auch Verwendung beim Detektieren und Anzeigen (z.B. in einem Bedienfeld im Rahmen einer Geräteinbetriebnahme) von Leckage-Strömungen zwischen Abgasweg und Verbrennungsluftweg (Frischluftzuführung) finden, die aus Installationsfehlern beim Verlegen einer Abgas-Luft-Verrohrung oder z.B. aus Verschleiß oder Bewuchs eines Abgasrohres resultieren können.
Die US 6 095 792 A offenbart, dass zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Rauchgasrückführung bzw. zur Minimierung von Stickstoffoxiden ("NOx") im Abgas verschiedener Verbrennungsprozesse, wobei ein Prozentsatz der Rauchgasrückführung mit Hilfe von Temperatursensoren berechnet wird. Eine Ermittlung von Störgrößen im obigen Sinne sowie eine Ermittlung von deren konkretem Einfluss auf die Gas-Luft-Gemischbildung wird dort allerdings nicht adressiert. Die US 500 248 A1 offenbart ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Anspruchs.
Die US 2012/034568 A1 offenbart die Ermittlung von Falschluft bei einer Kesselfeuerung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschildeten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Anordnung zur Verwendung von Eigenschaften der Luft im Verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten Heizgerätes zu dessen Regelung und/oder Zustandsanalyse Aufgabe der Erfindung.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Verfahren und Anordnungen sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
Hierzu trägt ein Verfahren zur gezielten Einstellung oder Veränderung einer Abgasrückführung mit einer Stelleinrichtung sowie ein Verfahren zur Feststellung eines Größe und eines Orts einer Leckage zwischen einem Abgasweg und einem Verbrennungsluftweg bei. Beide Verfahren verwendenden mindestens eine Eigenschaft der Luft in einem Verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten Heizgerätes zur Messung einer Abgasrezirkulation und zu dessen Regelung und/oder Zustandsanalyse, wobei die Eigenschaft mittels mindestens eines Sensors gemessen und ihr Verhalten in Relation zu bekannten Abläufen im Heizgerät mit Erfahrungswerten oder Kalibrierdaten verglichen wird, so dass Veränderungen der Eigenschaft erkannt, und zur Regelung des Heizgerätes und/oder zu Zustandsmeldungen genutzt werden (können). Dabei wird die gemessene Eigenschaft der Luft zur Messung einer Abgasrezirkulation verwendet. Eine Abgasrezirkulation wirkt sich auf die Eigenschaften der Luft im Verbrennungsluftweg aus und erlaubt daher Rückschlüsse auf eventuelle Leckagen und generell auf die Zusammensetzung der Luft. Der Verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten Heizgerätes kann zum Beispiel ein Leitungsabschnitt sein, der in einem Abschnitt von einer Luftansaugung hin zum Brenner bzw. Brennraum angeordnet ist. Dabei ist möglich, dass in dem Verbrennungsluftweg, in dem eine Messung der Eigenschaft erfolgt, im wesentlichen nur Verbrennungsluft gefördert werden sollte bzw. wird. Der Verbrennungsluftweg kann Teil einer Abgasrückführung sein, also einem Abschnitt, in dem Luft gemeinsam mit rückgeführtem Abgas aus dem Brennraum (erneut) dem Brenner zugeführt wird. Das Verhalten der Eigenschaft, z. B. bezüglich gemessener Mittelwerte, Grenzwerte, Schwingungen, etc., kann in Bezug gesetzt werden zu gewünschten, vorgegebenen Erfahrungswerten oder Kalibrierdaten, die beispielsweise in einem Datenspeicher abgelegt und/oder automatisch abrufbar sind. Erfahrungswerte können zum Beispiel Mittelwerte und Toleranzfelder für das Verhalten der Eigenschaft umfassen, welche ggf. auch systemspezifisch über die Vergangenheit des gasbefeuerten Heizgerätes angepasst werden können. Kalibrierdaten können feste und/oder variabel einstellbare Richtwerte für das gasbefeuerte Heizgerät sein, die bei Inbetriebnahme und/oder mit der Dauer des Betriebes vorgegeben bzw. eingestellt werden können. Insbesondere können auch Veränderungen, die auf Abweichungen von einem Normalbetrieb hindeuten, erkannt werden. Wenn eine unerwünschte oder unerwartete Veränderung/Abweichung einer der Eigenschaft detektiert wird, kann beispielsweise (automatisch) in die Regelung des Heizgerätes eingegriffen werden, z.B. indem Maßnahmen zur Anpassung der Gas-Luft-Gemischbildung und/oder zur Einflussnahme auf die Luft eingeleitet bzw. ausgeführt werden. Es ist möglich, dass bei Feststellen einer solchen Veränderungen der Eigenschaft (automatisch) Zustandsmeldungen an den Nutzer, eine Zentrale, eine Auswerteeinheit etc. ausgelöst werden, die diese Veränderung ggf. weiter analysieren und dann weitere Maßnahmen am Heizgerät auslösen.
Schwankungen der in der Verbrennungsluft enthaltenen Feuchte (Gehalt an Wasserdampf in der Luft) und/oder das Auftreten von Abgasrezirkulationen, also dem teilweisen Zuführen von Abgas zur Verbrennungsluft, wie sie nach lokalen Vorschriften bis zu gewissen Grenzen zulässig sind, sind regulär anzunehmende Umwelteinflüsse bzw. bis zu vorgebbaren Grenzen zulässige Betriebsarten, die sich auf die Gas-Luft-Gemischbildung wie Störgrößen verhalten und entsprechend im Rahmen der Toleranzanalyse berücksichtigt werden. Da diese beiden Einflüsse die stärkste Wirkung auf die Gemisch-Abweichung haben, hat die Berücksichtigung der von ihnen ausgehenden aktuellen Einflüsse im Betrieb ein besonders großes Optimierungspotenzial. Zudem können, wie zuvor dargestellt, auch falsch installierte oder beschädigte Abgas-Luft-Verrohrungen identifiziert werden, deren resultierende Leckage-Strömung oberhalb von zulässigen Grenzen liegen, weil sich hierbei der Effekt ebenfalls an der Feuchte der Verbrennungsluft detektieren lässt.
Gegenstand der Erfindung ist es, durch die Bereitstellung von Informationen über die im Verbrennungsluftweg und möglicherweise an weiteren Referenzpunkten enthaltenen Verbrennungsprodukte (im vorliegenden Beispiel die Feuchte, kann aber auch ersetzt werden durch Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Stickstoff, Stickoxide, gegebenenfalls in Verbindung mit der Temperatur oder eine beliebige Kombination aus allen genannten Bestandteilen) in Verbindung mit definierten Messverfahren bzw. weiteren Signalverarbeitungsverfahren (Kreuzkorrelation) unter anderem die aktuell vorliegende Abgasrezirkulation quantitativ sowie lokal zu erfassen und bei einer Verrohrungsinstallationsfehler-Detektion bzw. der Korrektur der Gas-Luft-Gemischbildung zu berücksichtigen. Die hieraus resultierende Verminderung von Toleranzgrenzen für das Luft-Gas-Gemisch kann zur Verbesserung der Geräteleistung und -robustheit genutzt werden.
Wie erwähnt kann die gemessene Eigenschaft bevorzugt mindestens eine aus der Gruppe Feuchte, Temperatur, Gehalt an Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Stickstoff, und Stickoxiden sein. Da Feuchtesensoren zu einer üblichen Instrumentierung gehören, wird diese Eigenschaft, gegebenenfalls in Verbindung mit der Temperatur an der Messstelle bevorzugt verwendet.
Insbesondere werden die Feuchte und/oder die Temperatur der Luft im Verbrennungsweg vor einem Verbrennungsraum gemessen und ihr zeitlicher Verlauf während eines Zündvorganges überwacht und analysiert. Der Zündvorgang ist ein gesteuerter Vorgang mit genau festgelegten Abläufen und Parametern, so dass er reproduzierbar ganz bestimmte Verläufe von Messwerten und/oder berechneten Werten erzeugt, eine sogenannte Signatur, die in einer Steuer- und Regeleinheit gespeichert werden kann. Mit einer solchen Signatur kann z. B. der Verlauf der Feuchte im Verbrennungsluftweg korreliert und das entstehende Korrelationssignal analysiert werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit von Analysen aus einer gemessenen Eigenschaft der Luft ist es besonders sinnvoll, die gemessene Eigenschaft anhand von Umgebungsdaten zu korrigieren, wobei diese durch Messung in der Umgebung und/oder von anderen Datenquellen erlangt werden. So kann beispielsweise die Feuchte und/oder die Temperatur am Ort des Heizgerätes aus oft ohnehin vorhandenen Messfühlern oder aber beispielsweise auch von Datendiensten zur Korrektur herangezogen werden.
Die beschriebenen Messungen können nicht nur passiv bei einem üblichen Betrieb des Heizgerätes durchgeführt werden, sondern es können auch aktiv bei einem Start und/oder während eines Betriebes des Heizgerätes gezielt Veränderungen von Einstellungen vorgenommen und deren Auswirkungen auf die Messwerte des Sensors ermittelt werden. Dies eröffnet weitere Diagnosemöglichkeiten zu Zeitpunkten, zu denen sie bei einem normalen Betrieb des Heizgerätes nicht möglich wären.
Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Anordnung zur Verwendung mindestens einer Eigenschaft der Luft (die sich mit einer Abgasrezirkulation verändert) in einem Verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten Heizgerätes zur Messung einer Abgasrezirkulation und zu dessen Regelung und/oder Zustandsanalyse, eingerichtet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wobei mindestens ein Sensor zur Messung der Eigenschaft der Luft im Verbrennungsluftweg vorhanden ist, der mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die eingerichtet ist, ein korreliertes Signal des zeitlichen Verlaufs der Eigenschaft mit dem zeitlichen Verlauf mindestens eines anderen Messwertes und/oder Parameters zu erstellen und auszuwerten. Außerdem ist die Auswerteelektronik eingerichtet, eine aktuelle Abgasrezirkulation festzustellen.
Besonders bevorzugt ist die Auswerteelektronik eingerichtet, bei Abweichung der aktuellen Rezirkulation von Erfahrungswerten und/oder Kalibrierdaten die Größe und/oder den Ort einer Leckage zwischen einem Abgasweg und dem Verbrennungsluftweg festzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteelektronik mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden und eingerichtet, Daten über Feuchte, Temperatur und/oder aktuelle Abgasrezirkulation an diese zu leiten. Damit kann die Steuer- und Regeleinheit aktuelle Daten für die betreffenden Eigenschaften nutzen und eine genauere Regelung mit geringeren Toleranzen durchführen als bei unbekannten Eigenschaften der Luft im Verbrennungsluftweg.
In einer besonderen Ausführungsform weist das Heizgerät eine Abgasrückführung mit einer Stelleinrichtung auf, und der Sensor ist stromabwärts einer Einmündung der Abgasrückführung im Verbrennungsluftweg angeordnet. Dies erlaubt es, gezielt eine Abgasrückführung einzustellen und/oder zu verändern und die Auswirkung auf die gemessene Eigenschaft der Luft zu beobachten. Auf diese Weise können zusätzliche Informationen über das Heizgerät und die eingesetzten Messsysteme gewonnen werden.
Um insbesondere nicht nur eine relative Feuchte, sondern auch die absolute Feuchte in der Luft messen zu können, was für die Regelung des Heizgerätes wichtig ist, sind als Sensor mindestens ein Feuchtesensor und ein Temperatursensor an einer Messstelle angeordnet.
Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassende Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der vom Sensor gemessenen Daten und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Analyse der Messwerte, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung mindestens einer Eigenschaft der Luft in einem Verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten Heizgerätes zu dessen Regelung und/oder Zustandsanalyse zur Erhöhung der Sicherheit im Betrieb und/oder zur Verringerung von Toleranzgrenzen bei der Regelung eines Heizgerätes, so dass dieses zumindest bei manchen Bedingungen effizienter und robuster betrieben werden kann. Hinsichtlich bevorzugter Verwendungen wird auch auf die Erläuterungen zum Verfahren vollumfänglich Bezug genommen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Auftreten von Abgasrezirkulationen.
Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1:: schematisch ein Heizgerät mit Sensor im Verbrennungsluftweg,
Fig. 2:: ein Diagramm zur Veranschaulichung des Prinzips der Kreuzkorrelation,
Fig. 3:: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines ungewöhnlichen Verlaufs einer Feuchtemessung,
Fig. 4:: ein Diagramm zur Veranschaulichung von Verläufen einer Messung der Rezirkulation von Abgas und
Fig. 5:: ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Testmessung und eines tatsächlichen Störfalles während des Betriebs eines Heizgerätes.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches z. B. in einem Innenraum 4 eines nicht dargestellten Gebäudes untergebracht ist. Aus der freien Umgebung 2 gelangt Luft (Frischluft) durch einen Lufteintritt 3 in den Innenraum 4, von wo sie durch eine Luftansaugung 5 als Verbrennungsluft angesaugt und auf einen Verbrennungsluftweg 21 (schraffiert) geführt wird. Durch einen Schwingungsdämpfer 6 gelangt sie zu einem Mischelement 8, wo der Luft ein Brenngas aus einem Brenngaseintritt 7 beigemischt wird. Der entstehende Gas-Luft-Verbund 22 (kreuz-schraffiert dargestellt) gelangt über einen Lüfter 9 (Gebläse) in einen Verbrennungsraum 10, in dem das Gemisch aus Luft und Brenngas verbrannt und die entstehende Wärme zu Heizzwecken abgeführt wird. Entstehende Verbrennungsgase (Abgas) werden durch einen Abgasweg 11 zu einem Abgasaustritt 12 geführt und in die freie Umgebung 2 entlassen. Optional kann vom Abgasweg 11 eine Abgasrückführung 13 abzweigen, die über eine Stelleinrichtung 14 Abgas über eine Einmündung 20 wieder dem Gas-Luft-Verbund 22 zuführt. Eine Steuer- und Regeleinheit 16 steuert bzw. regelt alle in dem Heizgerät 1 ablaufenden Prozesse. An einer geeigneten Stelle im Verbrennungsluftweg 21, 22 (auch der Weg des Gas-Luft-Verbundes wird hier zum Verbrennungsluftweg betrachtet), ist ein erster Sensor 17 zur Messung einer Eigenschaft der Verbrennungsluft angeordnet. Im Folgenden wird die Feuchte als zu messende Eigenschaft betrachtet, aber die Ausführungen würden sinngemäß auch für andere Eigenschaften der Luft gelten. Der erste Sensor 17 ist mit einer Auswerteelektronik 15 verbunden, der auch andere Signale und/oder Messwerte zur Verfügung stehen, beispielsweise aus der Steuer- und Regeleinheit 16 oder von einem Referenzsensor 18 zur Messung in der freien Umgebung 2. Es können weitere Sensoren im Verbrennungsluftweg 21, 22 angeordnet sein, beispielsweise ein zweiter Sensor 19 zur Feuchtemessung. Die Sensoren 17, 18, 19 können auch kombinierte Sensoren sein, beispielsweise für die Messung von Feuchtigkeit und Temperatur. Die dargestellte Position des zweiten Sensors 19 ist erforderlich bei Vorhandensein einer Abgasrückführung 13, damit der zweite Sensor 19 auch Änderungen durch rückgeführtes Abgas messen kann. Der erste Sensor 17 ist dabei dann nicht unbedingt erforderlich.
Fig. 2 veranschaulicht das Vorgehen bei der Auswertung von Messsignalen des ersten Sensors 17 und/oder des zweiten Sensors 19 in der Auswerteelektronik 15. Oben links in Fig. 2 ist ein symbolisches Diagramm dargestellt, in welchem der Verlauf eines ersten Signals A (z. B. eine Lüfterdrehzahl beim Starten des Heizgerätes 1) mit einem gemessenen Verlauf eines zweiten Signals B (z. B. die Feuchte in der Verbrennungsluft) in einem Kreuzkorrelator K korreliert wird zu einem kreuzkorrelierten Signal C (in einem symbolischen Diagramm unten rechts in Fig. 2 dargestellt). Dabei kann die Korrelation auch einen zeitlichen Versatz S (Shift) zwischen den Signalen erkennen bzw. mitverarbeiten.
Grundlage aller Überlegungen hier ist die Tatsache, dass die (absolute) Feuchte der Verbrennungsluft eine wichtige Rolle für eine genaue Regelung der Verbrennung spielt. Allein die genaue Messung der Feuchte kann schon eine Regelung nach dem Stand der Technik verbessern. Noch wichtiger ist aber, dass das Abgas bei Verbrennung von Brenngasen (von Erdgas bis hin zu Wasserstoff) immer Wasserdampf, also Feuchtigkeit, enthält. Eine Feuchtemessung im Verbrennungsluftweg 21, 22 erlaubt daher auch einen Rückschluss auf die Menge an Abgas, das in der Verbrennungsluft möglicherweise enthalten ist (das gleiche gilt für mehrere andere messbare Eigenschaften des Abgases bzw. der Luft). Da der Abgasweg 11 eines Heizgerätes 1 meist durch den Innenraum 4, in dem das Heizgerät 1 aufgestellt ist, führt, kann bei Leckagen im Abgasweg 11 ungewollt Abgas mit der Verbrennungsluft angesaugt werden, was durch eine Feuchtemessung erkannt werden kann. Auch kann von dem Abgasaustritt 12 des Heizgerätes 1 oder möglicherweise auch von einem benachbarten (fremden) Heizgerät Abgas in den Lufteintritt 3 gelangen.
Fig. 3 veranschaulicht schematisch und qualitativ, welche Informationen z. B. eine einfache Feuchtemessung liefern kann. Auf der Y-Achse ist die Feuchte mit beliebiger Skala aufgetragen, auf der X-Achse die Zeit t. Wird an dem ersten Sensor 17 die Feuchte gemessen, so gibt es vor dem Start des Heizgerätes 1 einen im Wesentlichen konstanten Wert, der sich beim Start des Heizgerätes 1 mit einem Vorlauf des Lüfters 9 zum Zeitpunkt V auf den Wert Fu der Feuchte in der freien Umgebung 2 einstellt. Das führt nach Erfahrungswerten zu einem Wert innerhalb des schraffierten Bereiches und bleibt dort. Ohne Feuchtemessung würde die Regelung des Heizgerätes vorsichtshalber einen Toleranzbereich mit einer maximal möglichen Feuchte Fmax (gestrichelte Linie) berücksichtigen, was bei dem beschriebenen Vorgehen mit Messung der Feuchte nicht nötig ist. Darüber hinaus kann bei Verwendung eines Feuchtesensors (insbesondere kombiniert mit einem Temperatursensor) noch zusätzliche Information gewonnen werden.
Dazu wird die absolute Luftfeuchte bzw. die zu erwartende stationäre Luftfeuchte nach definierter Inaktivitätszeit des Heizgerätes 1 während des Lüftervorlaufs gemessen und mit der zu erwartenden maximalen Luftfeuchte Fmax, die sich sowohl auf eigene Messungen als auch auf zur Verfügung stehenden Wetterdaten stützen kann, abgeglichen. Werden im Rahmen der Messung absolute Feuchten ermittelt, die den maximal anzunehmenden Wert überschreiten (also eine exzessive Feuchte Fex), kann dies als Indikator für eine vorliegende Fremd-Rezirkulation (Abgaseinbringung bedingt durch den Betrieb eines anderen Gerätes und dessen ungewollte Abgasrückführung auf das zu betrachtende Gerät) herangezogen werden. Des Weiteren können Ergebnisse dieser Feuchtemessung während des Lüftervorlaufs als Referenzwerte für weitere im befeuerten Gerätebetrieb durchgeführte Messungen sowie als erster erfasster Wert im Rahmen einer Feuchte-korrigierten Gas-Luft-Gemischbildung für Zündung und Gerätebetrieb genutzt werden.
Fig. 4 zeigt, welche weiteren Informationen nach einer Zündung des Heizgerätes 1 gewonnen werden können. Aufgetragen ist wieder die Feuchte F (gemessen am ersten Sensor 17 und/oder am zweiten Sensor 19) auf der Y-Achse gegen die Zeit t auf der X-Achse. Wie oben beschrieben gibt es beim Start des Heizgerätes 1 ab dem Zeitpunkt V einen Vorlauf des Lüfters 9, so dass sich zunächst die Umgebungsfeuchte einstellt. Zum Zeitpunkt Z findet eine Zündung des Gemisches statt, wodurch sich mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung eine Erhöhung der Feuchte durch Rezirkulation von Abgas ergibt. Dabei zeigt die gepunktete Kurve Rnorm einen normalen Verlauf der Feuchte bei einem typischen Betreib mit einer zugelassenen Rezirkulation. Die gestrichelte Kurve Rmax zeigt an, bis zu welchem Wert eine Rezirkulation (z. B. nach lokalen Vorschriften) erlaubt ist. Überschreitet die Feuchte diesen erlaubten Wert Rmax (z. B. Kurve R) so deutet dies auf eine Leckage im Abgasweg 11 oder eine unerlaubte Ansaugung über die Umgebung 2 hin. Der durch Rezirkulation erzeugte Anstieg der Feuchte wird am Sensor 17, 19 erst nach einer gewissen Verzögerung nach dem Zündzeitpunkt Z sichtbar. Dann wird ein Maximum der Feuchte erreicht, worauf ein charakteristischer Verlauf folgt. Insgesamt ergibt sich eine für einen typischen Zündvorgang charakteristische Signalform (Signatur), die weitere Informationen liefern kann. So lässt sich der Ort einer Leckage zum Beispiel aus einem Lokalisierungsintervall L ermitteln, welches die Zeit zwischen Zündzeitpunkt Z und erstem Maximum der Feuchtekurve (Rnorm oder R) angibt. Die erste Differenz M1 zwischen einem ersten Minimum (oder einem konstanten Anfangswert) und einem ersten Maximum der Feuchtemesswerte im Verhältnis zu einer zweiten Differenz M2 zwischen erstem Maximum und einem nachfolgenden Minimum (M1:M2) gibt eine Information über die Menge an rezirkuliertem Abgas. Jedenfalls erlauben typische durch Abgasrezirkulation entstehende Veränderungen einer auf gespeicherten Erfahrungswerten basierenden Signatur z. B. beim Zündvorgang bei den beschriebenen Messungen und deren Auswertung, insbesondere durch Kreuzkorrelation, Rückschlüsse auf Ort und/oder Menge einer auftretenden Rezirkulation.
Gemäß Fig. 5 können auch nach dem Zündvorgang beim konstanten Betrieb des Heizgerätes 1 weitere Informationen gewonnen werden. Dies kann durch gezielte Veränderungen während des Betriebes erfolgen, insbesondere bei Vorhandensein einer Abgasrückführung 13 mit Stelleinrichtung 14. Die Auswirkungen einer solchen Veränderung zu Testzwecken sind beispielhaft in der gepunkteten Kurve T dargestellt. So können Erfahrungswerte gewonnen werden, mit denen spätere Messwerte verglichen werden können. Tritt im Betrieb dann eine unerwartete Störung auf, beispielsweise eine plötzliche starke Abgasrezirkulation (Kurve Fex), so kann die Größe der gemessenen Störung mit den Erfahrungswerten verglichen werden, um geeignete Maßnahmen von einer Warnmeldung bis hin zu einer Abschaltung des Heizgerätes 1 auslösen zu können.

Zusammenfassend kann Folgendes gesagt werden:

Die Zündung eines Heizgerätes 1 erfolgt in einem festeingestellten Schema, welches durch Parameter (Zünddrehzahl des Lüfters 9, Gasventilposition o.ä.) in der Steuer- und Regeleinheit 16 hinterlegt ist. Dadurch ist diese Signatur der Geräteelektronik bekannt. Die so bekannte Zündsignatur kann mit Hilfe eines Sensors 17, 19 (z.B. Feuchtesensor) im Verbrennungsluftweg 21, 22 z.B. mittels der Kreuzkorrelation untersucht werden. Sollte eine ausreichende Kopplung zwischen Frischluft und Abgasweg 11 (z.B. durch eine Leckage) vorliegen, kann die Kreuzkorrelation das Vorliegen der Kopplung nachweisen und des Weiteren für eine Leckageortung herangezogen werden.
Alternativ kann basierend auf der zuvor erwähnten Referenzmessung der Luftfeuchte nach Lüfteranlauf nun eine Feuchte definiert werden, die mit einer normbedingten maximal erlaubten Rezirkulation korreliert. Nach erfolgter Zündung kann im Falle einer vorliegenden Rezirkulation sowohl eine durch die Zündung hervorgerufene, charakteristische Signatur als auch längerfristig eine positive Abweichung im Feuchteverlauf festgestellt werden, die dann wiederum Input für Gas-Luft-Gemischbildungskorrekturen oder Fehler- bzw. Warnmeldungen im Abgleich mit der maximal erlaubten Feuchte bietet. Jedoch kann auch die gemessene Signatur für sich allein durch ihre Ausprägung (Differenz zu Referenzwert sowie der lokalen Minima und Maxima untereinander) und dem Zeitpunkt des Auftretens Rückschlüsse auf eine vorliegende Abgasrezirkulation und/oder eine Rezirkulationsmenge und/oder den Ort der Rezirkulation bieten.
Entsprechend der Auswertung der Startsignatur können auch bewusst herbeigeführte, definierte Signaturen zur Auswertung des Ortes und/oder der Menge der Rezirkulation genutzt werden.
Konkret kann sich eine Signatur durch Änderung der an der Verbrennung beteiligten Aktuatoren (z.B. Gasventilposition, Lüfterdrehzahl) im Abgas bzw. rezirkuliertem Verbrennungsluftstrom abbilden lassen. Jedoch ist auch eine Signatur durch Einflussnahme auf die Kondensation in einem Heizkreislauf (bedingt durch kurzzeitige Änderung einer Rücklauftemperatur, der Gerätebelastung oder dem hydraulischen Modus) möglich und kann durch Änderung der Feuchte im Verbrennungsluftweg detektiert und auf Basis von bekannten Korrelationen ausgewertet werden.
Bei der Auswertung können sowohl Zeitpunkt und Intensität der Messung als auch zeitliche Stauchung bzw. Streckung der Signatur einbezogen werden.
Die Rezirkulationsdetektion mit Hilfe von Signaturen bietet zudem den Vorteil, dass sie auch von Fremd-Rezirkulation überlagerte Feuchtigkeitswerte korrekt auswerten und einer möglichen eigenen Rezirkulation zuordnen kann, sowie ein redundantes Messverfahren zur Messung der absoluten Feuchte bietet.
Ändert sich die Feuchte der Verbrennungsluft im stationären Gerätebetrieb, bzw. stimmt die Änderung der Feuchte nicht mit dem gesteuerten Geräteverhalten überein, kann hierdurch eine beginnende oder endende Fremd-Rezirkulation erkannt werden, was wiederum zur Auslösung von Fehler- bzw. Warnmeldungen genutzt werden kann.
Die Erfindung ermöglicht die Erhöhung der Sicherheit im Betrieb und eine Verringerung von Toleranzgrenzen bei der Regelung eines Heizgerätes, so dass dieses zumindest bei manchen Bedingungen effizienter und robuster betrieben werden kann.

Bezugszeichenliste

1: Heizgerät
2: Umgebung
3: Lufteintritt
4: Innenraum
5: Luftansaugung
6: Schwingungsdämpfer
7: Brenngaseintritt
8: Mischelement
9: Lüfter /Gebläse
10: Verbrennungsraum
11: Abgasweg
12: Abgasaustritt
13: Abgasrückführung
14: Stelleinrichtung
15: Auswerteelektronik
16: Steuer- und Regeleinheit
17: Erster Sensor
18: Referenzsensor
19: Zweiter Sensor
20: Einmündung Abgasrückführung
21: Verbrennungsluftweg
22: Gas-Luft-Verbund
A: erstes Signal mit einer typischen Signatur
B: zweites Signal
C: kreuzkorreliertes Signal
F: Feuchte
Fex: exzessive Feuchte
Fu: Umgebungsfeuchte (Toleranzintervall)
Fmax: maximal mögliche Feuchte
K: Kreuzkorrelator
L: Lokalisierungsintervall
M1: erste Differenz zwischen erstem Minimum und erstem Maximum
M2: zweite Differenz zwischen erstem Maximum und zweitem Minimum
R: Rezirkulation von Abgas
Rmax: maximal zulässige Rezirkulation
Rnorm: normale Rezirkulation
S: zeitlicher Versatz (Shift) zwischen den Signalen
t: Zeit
T: Testverlauf
V: Start Vorlauf des Gebläses
Z: Zündzeitpunkt

Claims

Verfahren zur gezielten Einstellung oder Veränderung einer Abgasrückführung (13) mit einer Stelleinrichtung (14) eines gasbefeuerten Heizgerätes (1), wobei ein Sensor (19) stromabwärts einer Einmündung der Abgasrückführung (13) im Verbrennungsluftweg (22) zur Messung einer Eigenschaft der Luft angeordnet ist, wobei der Verbrennungsluftweg (22) Teil einer Abgasrückführung (13) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (19) die Auswirkung der Einstellung und/ oder Veränderung der Abgasrückführung (13) auf die gemessene Eigenschaft der Luft beobachtet und ihr Verhalten in Relation zu bekannten Abläufen im Heizgerät (1) mit Erfahrungswerten oder Kalibrierdaten verglichen wird, so dass Veränderungen der Eigenschaft erkannt und zur Regelung des Heizgerätes (1) und/oder zu Zustandsmeldungen genutzt werden.
Verfahren zur Feststellung einer Größe und eines Orts einer Leckage zwischen einem Abgasweg und einem Verbrennungsluftweg eines gasbefeuerten Heizgeräts (1) mit einer Auswerteelektronik, wobei eine Eigenschaft von Luft in einem Verbrennungsluftweg (20, 21) mittels mindestens eines Sensors (17, 19) erfasst und ihr Verhalten in Relation zu bekannten Abläufen im Heizgerät (1) mit Erfahrungswerten oder Kalibrierdaten verglichen wird, so dass Veränderungen der Eigenschaft erkannt und zur Regelung des Heizgerätes (1) und/oder zu Zustandsmeldungen genutzt werden können, und die Auswerteelektronik (15) dazu eingerichtet ist, ein korreliertes Signal eines zeitlichen Verlaufs der erfassten Eigenschaft der Luft zu einem zeitlichen Verlauf mindestens eines anderen Messwertes und/oder Parameters zu erstellen und auszuwerten und eine aktuelle Abgasrezirkulation festzustellen, und bei Abweichung der aktuellen Rezirkulation von Erfahrungswerten und/oder Kalibrierdaten die Größe und/oder den Ort einer Leckage zwischen einem Abgasweg (11) und dem Verbrennungsluftweg (21, 22) festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eigenschaft mindestens eine aus der Gruppe Feuchte, Temperatur, Gehalt an Kohlendioxid, Gehalt an Kohlenmonoxid, Gehalt an Sauerstoff, Gehalt an Stickstoff, und Gehalt an Stickoxiden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei zumindest die Feuchte oder die Temperatur der Luft im Verbrennungsluftweg (21, 22) vor einem Verbrennungsraum (10) gemessen und ihr zeitlicher Verlauf während eines Zündvorganges überwacht und analysiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemessene Eigenschaft anhand von Umgebungsdaten korrigiert wird, die durch Messung mit einem Referenzsensor (18) in der Umgebung (2) und/oder von anderen Datenquellen erlangt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest bei einem Start oder während eines Betriebes des Heizgerätes (1) Veränderungen von Einstellungen vorgenommen und deren Auswirkungen auf die Messwerte des Sensors (17, 18) ermittelt werden.
Anordnung eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend ein gasbefeuertes Heizgerät (1) mit einer Abgasrückführung (13) mit Stelleinrichtung (14) und einem Sensor (19) ) zur Messung der Eigenschaft der Luft, der stromabwärts einer Einmündung (20) der Abgasrückführung (13) im Verbrennungsluftweg (22) angeordnet ist, und der mit einer Auswerteelektronik (15) verbunden ist, die eingerichtet ist, ein korreliertes Signal des zeitlichen Verlaufs der Eigenschaft mit dem zeitlichen Verlauf mindestens eines anderen Messwertes und/oder Parameters zu erstellen und auszuwerten und wobei die Auswerteelektronik (15) eingerichtet ist, eine aktuelle Abgasrezirkulation festzustellen.
Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2, umfassend ein gasbefeuertes Heizgerät (1), mindestens einen Sensor (17, 19) zur Messung einer Eigenschaft der Luft im Verbrennungsluftweg (22) und eine Auswerteelektronik (15) mit dem Sensor (17,19) verbunden ist, die eingerichtet ist, ein korreliertes Signal des zeitlichen Verlaufs der Eigenschaft mit dem zeitlichen Verlauf mindestens eines anderen Messwertes und/oder Parameters zu erstellen und auszuwerten und wobei die Auswerteelektronik (15) eingerichtet ist, eine aktuelle Abgasrezirkulation festzustellen und bei Abweichung der aktuellen Rezirkulation von Erfahrungswerten und/oder Kalibrierdaten die Größe und/oder den Ort einer Leckage zwischen einem Abgasweg (11) und dem Verbrennungsluftweg (21, 22) festzustellen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Auswerteelektronik (15) mit einer Steuer- und Regeleinheit (16) verbunden und eingerichtet ist, Daten über Feuchte, Temperatur und/oder aktuelle Abgasrezirkulation an diese zu leiten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei als Sensor (17, 19) mindestens ein Feuchtesensor und ein Temperatursensor an einer Messstelle angeordnet sind.
Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach Anspruch 7 das Verfahren nach Anspruch 1 und/oder die Anordnung nach Anspruch 8 das Verfahren nach Anspruch 2 ausführt.