AT510075A1 - Verfahren zur kalibrierung einer einrichtung zum regeln des brenngas-luft-verhältnisses eines brenngasbetriebenen brenners - Google Patents

Description

Vaillant Group Austria GmbH AT 4307

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners.

Derartige Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses sind zum Beispiel aus EP 1 179 159 B1, EP 1 084 369 B1 und EP 1 082 575 B1 bekannt. All diesen Systemen ist gemein, dass eine Brenngasleitung in eine Verbrennungsluftleitung über eine Drossel mündet. Zwischen der Brenngasleitung und der Verbrennungsluftleitung oder einem Referenzpunkt im Gerätegehäuse ist ein Differenzdrucksensor in Form eines Massenstromsensors angeordnet. Das System ist derart ausgelegt, dass in dem Fall, in dem der Sensor durchströmt wird, der Brenngas- oder Verbrennungsluftmassenstrom solange verändert wird, bis der Sensor nicht mehr durchströmt wird.

Diese Systeme regeln bei bekannter, konstanter Brenngasqualität zuverlässig das Brenngas-Luft-Verhältnis. Bei der Installation eines Gerätes mit einer derartigen Regelung ist jedoch eine Erstkalibrierung auf das Brenngas notwendig. Verändert sich die Brenngaszusammensetzung, zum Beispiel durch Schwankungen der Erdgasqualität oder Flüssiggas-Luft-Zumischung, so verändert sich auch das Brenngas-Luft-Verhältnis, was die bekannten Einrichtungen weder feststellen, noch ausgleichen können. Daher wird gemäß dem Stand der Technik bei der Inbetriebnahme das Brenngas-Luft-Verhältnis durch » l| * » * * * • II · · · · · * » i« · · * * * ·2 i i t » · «* >

Messung des Sauerstoff- oder Kohlendioxidanteils im Abgas gemessen und durch Änderung des Drosselquerschnitts kalibriert.

Aus EP 770 824 B1 ist bekannt, dass das Brenngas-Luft-Verhältnis eines brenngasbetriebenen Brenners mittels Messung der lonisationsspannung oder des lonisationsstrom an einer Überwachungselektrode eingestellt werden kann. Ausgehend von einem überstöchiometrischen Brennerbetrieb wird der Luftüberschuss so lange reduziert, 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 eines derartigen Regelverfahrens sind aus der DE 40 27 090 C2, DE 196 18 573 C1 und US 5 971 745 A bekannt.

Aus der Patentanmeldung AT 505 442 A1 ist ein Kalibrierungsverfahren bekannt, bei dem während des Betriebs des Brenners beispielsweise durch Erhöhen der Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses das Brenngas-Luft-Gemisch abgemagert und dabei das Signal der lonisationselektrode kontinuierlich gemessen und hierbei der Gradient des Signals der lonisationselektrode gebildet wird. Bei Überschreitung eines bestimmten Gradienten oder beim überproportionalen Anstieg des Gradienten wird die Abmagerung des Brenngas-Luft-

Gemischs beendet und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses, ausgehend von der Drehzahl bei Beendigung der Abmagerung um 25% verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners mit Differenzdrucksensor zwischen Brenngas- und Verbrennungsluftleitung ohne Sauerstoffoder Kohlendioxidmessung des Abgases zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem brenngasbetriebenen Brenner mit Differenzdruck-, Massen- oder Volumenstromsensor zwischen Brenngas- und Verbrennungsluftleitung 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 Wert, bzw. steigt der Gradient im Vergleich zum bisherigen Verlauf überproportional an, so wird die Abmagerung beendet und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet, ln diesem Zustand wird das Signal des Differenzdruck-, Massen- oder Volumenstromsensors gemessen. In dem Fall, in dem der Sensor durchströmt oder mit einem Differenzdruck beaufschlagt wird, muss die Regeleinrichtung nachjustiert werden. Hierzu wird der Brenngasstrom durch Veränderung des Durchmessers oder einer sonstigen Veränderung des Widerstandes der Drossel verändert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel kann schrittweise erfolgt, wobei nach jedem Schritt wieder eine lonisationskalibrierung erfolgt. Das Verfahren wird beendet, sobald nach einer lonisationskalibrierung das

Messsigna! des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Alternativ wird das Verfahren erst dann beendet, wenn nach einer lonisationskalibrierung das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet und dann eine Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel kontinuierlich erfolgt, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck, beziehungsweise keinen Volumen- oder Massenstrom, anzeigt.

Gemäß einer anderen Option erfolgt die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck beziehungsweise keinen Volumen- oder Massenstrom anzeigt.

Das Messsignal der lonisationssignalmessung 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.

Der Gradient kann 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 als Funktion des Luftüberschusses beziehungsweise der Gebläsedrehzahl.

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 sowie eine Drossel 15 mit Stellantrieb 16 befindet. Der Gebläsemotor 9 und der Stellantrieb 11 des Gasventils 10 sowie der Stellantrieb 16 der Drossel 15 sind mit einer Regelung 7 verbunden. Zwischen der Gasleitung 13 und dem Lufteintritt 12 befindet sich ein Differenzdrucksensor 14, der ebenfalls mit der Regelung 7 verbunden ist. 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. Der Stellantrieb 16 der Drossel 15, vorzugsweise ein Schrittmotor, verharrt in einer konstanten Position, so dass die Drossel einen konstanten Querschnitt aufweist. Überdas 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. Während des normalen Brennerbetriebs soll auf beiden Seiten des Differenzdrucksensors 14 gleiche Drücke aniiegen. Je nach Leistungsanforderung steuert die Regelung 7 den Gebläsemotor 9 an. Die Regelung 7 stellt den Stellantrieb 11 des Gasventils 10 derartig ein, dass an beiden Seiten des Differenzdrucksensors 14 gleiche Drücke aniiegen.

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 — Uq - Upiamme

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; über eine Sicherheitseinrichtung, z.B. das Gasventil 10 wird die Brenngaszufuhr verriegelt.

Beim erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren 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 AUlAn berechnet. Steigt der Gradient * * · 9 ·*»« ♦ 9#· « i · * ·»* · « · · · • 9 · · ♦ ♦ · · 9y · Ψ 0 «4 · ♦ · · · 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. Die Luftzahl wird hierbei nicht gemessen, sondern vielmehr wird die Drehzahl gemäß Gebläsekennlinie definiert reduziert, so dass eine entsprechende Reduzierung des Luftmassenstroms zu erwarten ist. Dieser Vorgang wird als lonisationskalibrierung bezeichnet. Bei der so reduzierten Luftmenge wird nun das Signal des Differenzdrucksensors 14 in der Regelung 7 ausgewertet. Zeigt das Sensorsignal, dass der Differenzdrucksensor 14 auf beiden Seiten einen gleichen Druck vorfindet, so ist die Drossel 15 optimal eingestellt. Zeigt sich jedoch, dass der Druck auf der Brenngasseite höher ist als auf der Verbrennungsluftseite, so bedeutet dies, dass dem Brenner zur Einstellung der gewünschten Soll-Luftzahl von λ=1,25 mehr Gas zugeführt werden muss, als dies bei Aktivierung der Gleichdruckregelung über den Differenzdrucksensor der Fall ist. Daher wird der Querschnitt der Drossel 15 durch Verstellen des Stellantriebs 16 vergrößert, so dass bei Aktivierung der Gleichdruckregelung mehr Brenngas strömt. Ist der Druck auf der Brenngasseite niedriger ist als auf der Verbrennungsluftseite, so wird der Querschnitt der Drossel 15 durch Verstellen des Stellantriebs 16 reduziert, so dass bei Aktivierung der Gleichdruckregelung weniger Brenngas strömt.

Nach einer definierten Querschnittsveränderung (z.B. 10 Schritte des Schrittmotors des Stellantriebs 16 oder Anzahl der Schritte als Funktion der Druckdifferenz) wird wieder eine lonisationskalibrierung durchgeführt. Nach dieser lonisationskalibrierung erfolgt gegebenenfalls wieder eine Anpassung des Querschnitts der Drossel 15. lonisationskalibrierung und Anpassung des Querschnitts der Drossel 15 werden solange wiederholt, bis das Signal des Differenzdrucksensors 14 einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Hierbei kann optional die Querschnittsveränderung (z.B. Anzahl der Schritte des Schrittmotors des Stellantriebs 16) immer kleiner werden, damit die Anpassung erst grob und dann immer exakter erfolgt. Ebenfalls optional kann in dem Fall, in dem das Signal des Differenzdrucksensors 14 einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, der Drosselquerschnitt solange verändert werden, bis auf beiden Seiten des Differenzdrucksensors gleiche Drücke anliegen.

Alternativ kann nach der ersten lonisationskalibrierung gleich der Drosselquerschnitt solange verändert werden, bis auf beiden Seiten des Differenzdrucksensors gleiche Drücke anliegen.

Bei der lonisationskalibrierung kann alternativ zur Gradientenermittlung mittels Quotienten aus Differenzsignal zur Differenzdrehzahl AU/An auch ein Gradient aus Differenzspannung AU 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 (ΔÜ).

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 UFiamm« 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 (7)

1. Vaillant Group Austria GmbH AT 4307 PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft- Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners mit einer Verbrennungsluftleitung und einer Brenngasleitung, welche über eine Drossel in der Verbrennungsluftleitung endet, sowie einem Differenzdrucksensor (14), Volumenstromsensor oder Massenstromsensor zwischen der Brenngasleitung und der Verbrennungsluftleitung oder einem Referenzpunkt, an dem ein vom Verbrennungsluftstrom abhängiger Druck herrscht, und einer lonisationselektrode (3), mittels derer ein lonisationsstrom oder eine lonisationsspannung zwischen der Flamme und einer Referenz, vorzugsweise Masse, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand oder Innenquerschnitt der Drossel (15) veränderbar ist, während des Betriebs des Brenners (1) eine lonisationskalibrierung erfolgt, bei der 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 überproportionaien Anstieg des Gradienten die Abmagerung des Brenngas-Luft-Gemischs beendet wird und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet wird, dann das Signal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors gemessen wird, in dem Fall, in dem der Sensor in Richtung Verbrennungsluftleitung durchströmt oder beaufschlagt wird, der Brenngasstrom durch Vergrößern des Durchmessers oder einer sonstigen Reduzierung des Widerstandes der Drossel vergrößert beziehungsweise in dem Fall, in dem der Sensor in Richtung Brenngasleitung durchströmt oder beaufschlagt wird, der Brenngasstrom durch Verkleinern des Durchmessers oder einer sonstigen Erhöhung des Widerstandes der Drossel verringert wird.
2. 2. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel schrittweise erfolgt, nach jedem Schritt wieder eine lonisationskalibrierung erfolgt und das Verfahren beendet wird, sobald nach einer lonisationskalibrierung das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet oder sobald nach einer lonisationskalibrierung das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, eine Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel kontinuierlich erfolgt, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck beziehungsweise keinen Volumen- oder Massenstrom anzeigt.
3. 3. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel erfolgt, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, • Φ · · 44«; * *·*· φ * · · · · * * I * · · * · * · : :: : ; . : ": *3 : »· · · * · * * Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck beziehungsweise keinen Volumen- oder Massenstrom anzeigt.
4. 4. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.
5. 5. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft- Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
6. 6. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft- Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient des Signals der lonisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals der lonisationselektrode (3) mit der Differenzzeit ermittelt wird.
7. 7. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft- Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.