CN111271729A - 在燃烧过程中控制燃烧空气和燃料气体的混合比的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制燃烧空气与气态燃料(也称为燃料气体)的混合比λ的装置，其中燃烧空气和燃料气体分别通过燃气供应管路和燃烧空气供应管路被输送到壳体的燃烧室。该装置包括设置在燃烧空气供应管路中、并处于与燃料气体结合之前或之后的泵，通常为调速风扇，以及设置在壳体上或壳体内的至少一个第一滤光器和至少一个第一光传感器。该装置通过非侵入式测量手段，即使对于不同成分的燃料气体，尤其当氢气被添加时，也可以精确地控制燃烧空气与燃料气体的混合比λ值，从而有利于使装置实现长使用寿命、简单维护和高操作可靠性。

Description

在燃烧过程中控制燃烧空气和燃料气体的混合比的方法和 装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制燃烧室内，尤其是热水设备或加热系统的燃烧室内的燃烧空气与燃料气体的混合比的方法和装置。通常，经由分配网络向遍布全国各地的终端用户提供燃料气体，并且整个欧洲范围内正在努力改变现有网络中的燃料气体的现有成分，例如通过添加氢气或者甚至仅通过更改燃气来源来实现。

背景技术

为了完全地清洁燃烧，燃烧空气与燃料气体的混合比(lambda或λ，下文统称为λ)很重要。至少足够的燃烧空气必须被添加，以便所有燃料气体都能反应。这种化学计量比用所谓的λ值为1来表示。在空气太少的混合比下，该值小于1，在空气过量时该值则大于1。出于不同的原因，λ值大于1，例如1.1至1.3，以针对用于此处描述的燃烧过程。在整个燃烧过程中，被认为对特定设备有利的值应尽可能保持准确，这就可能有必要调整λ值。

为此，例如根据德国专利申请DE 39 37 290 A1所披露的，测量燃烧室内的一火焰范围的电导率，并且以这样一种方式调节燃烧空气与燃料气体的混合比，即电导率保持在某个目标范围内或维持在某个目标值。例如，欧洲专利申请EP 1 154 202 A2披露了一种用于具有电离电极的燃烧器的相应控制装置。基于等离子物理学中使用的朗缪尔探针(Langmuir Probe)，测量电导率使用的电离电极也是朗缪尔探针。由于这种测量方法是侵入式的，意味着燃烧会受电极插入的影响。

已知的规定通常是针对具有固定成分和固定发热量的某种燃料气体而设计的，因此，如果在不进行维护和重新调整的情况下改变燃料气体，就不能继续正确地调节燃烧过程。如果按照整个欧洲的计划，将另一种燃料气体输入分配网络或将氢气添加到分配网络，则必须根据现有技术水平安装新设备。它们可能会因为成分频繁地变化而不能充分反应，从而导致不充分燃烧、污染物排放或者甚至是安全问题。

然而，已经表明，在燃烧期间，不仅发出可见范围内的光，即所谓的热辐射，而且还发出仅存在少量热辐射的紫外线范围内的光，发射辐射是由化学反应激发的各种分子团产生的。尤其值得注意的是CH*自由基和OH*自由基，即在燃烧过程中产生并被激发发射辐射的具有特殊化学和物理性质的分子残基。可以针对这两种类型的自由基选择性过滤该辐射，并使用光学传感器(紫外线敏感的半导体传感器)以非侵入方式对其进行观察。

发明内容

本发明的目的在于提供一种装置和方法，该装置和方法通过非侵入式测量手段，即使对于不同成分的燃料气体，尤其当氢气被添加时，也可以精确地控制燃烧空气与燃料气体的混合比λ值，从而有利于使装置实现长使用寿命、简单维护和高操作可靠性。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于控制燃烧空气与气态燃料(也称为燃料气体)的混合比λ的装置，其中燃烧空气和燃料气体分别通过燃气供应管路和燃烧空气供应管路被输送到壳体的燃烧室。该装置包括设置在燃烧空气供应管路中、并处于与燃料气体结合之前或之后的泵，通常为调速风扇，以及设置在壳体上或壳体内的至少一个第一滤光器和至少一个第一光传感器。

第一滤光器优选为可选择性地透射至少一个给定的波长范围的光或者仅反射该波长范围的光。可以考虑所有类型的选择性滤光片，特别是光栅，光学选择性镜，选择性玻璃或选择性涂层，从而滤光片和传感器的组合也是可能的，例如通过合适的玻璃外壳或传感器涂层。如果要观察两个波长范围，则优选地使用两个滤光器和两个传感器。出于安全或冗余的考虑，可以使用多个传感器和/或滤光器。

特别地，也可以使用光导元件以用作光的至少一部分传输路径。例如，传导合适的波长光谱的玻璃纤维非常耐高温，因此它们特别适合于将光从燃烧室引导到外部。以这种方式，可以几乎自由地选择光敏传感器的布置位置，例如设置在用于信号评估的电子模块附近。使用光导元件，也可以毫不费力地将信号从燃烧室中的多个点解耦，并通过下游传感器将其传输到一个或多个过滤器，从而提高控制系统的测量精度和/或可靠性。

为了评估一个或多个传感器的信号，这些信号优选地连接到电子模块。在那里，传感器信号将被进一步评估和处理，并可作为控制变量连续使用。

优选地，在燃烧空气供应管路中串联布置的泵和/或阀被设计成逐步地和/或持续地改变流入燃烧室的燃烧空气量。这允许在连续操作中同时进行控制的校准和λ值的连续调节，从而，阀的位置或泵的输出通过如风扇的速度控制而用作调节变量。应当注意的是，如下所述的通过改变燃烧空气流量所获得的效果也可以通过沿相反方向改变燃料气体流量来获得。本发明也涵盖了这种类型的调节。

存在于燃烧空气供应管路中的泵、任何流量传感器和/或控制阀，以及第一光传感器优选地连接到公共的电子模块，该电子模块用于传感器信号的处理和控制。优选地，电子模块中包含用于校准、信号处理和控制的所有必需设备，如可以执行上述操作的微处理器。

因为此处优选使用光学半导体传感器，所以光学传感器优选的配置有冷却系统和/或布置在温度始终(在燃烧室运行期间)低于70℃的范围内，优选低于60℃。从而可以通过空气冷却，例如通过供应燃烧空气，将热量散发到环境中来进行冷却，也可以液体冷却或其他冷却方式等。重要的是，传感器切勿超过规定的最高温度，以免损坏或报废。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种用于影响或控制在燃烧室中一起燃烧的燃烧空气与燃料气体的混合比λ的方法。在燃烧期间产生的光被选择性地过滤并通过至少一个第一光传感器以转换为电传感器信号，其强度在电子模块中评估，其中向燃烧室供应的燃烧空气和/或燃料气体被改变，导致所产生的电传感器信号也发生了变化并被评估，其中燃烧空气和/或燃料气体的供应根据评估结果进行设置或控制。

优选地，光被选择性的过滤是借助于至少一个第一滤光器来执行的，该至少一个第一滤光器仅允许特定波长范围的光到达第一光传感器。

优选地，滤光器透射典型的CH*自由基发射的波长范围的光，即280-320纳米，和/或透射典型的OH*自由基发射的波长范围的光，即400-440纳米。如果有利于减小测量干扰，还可以进一步限制透射的波长范围，例如可以减小到290-310纳米或410-430纳米。

优选地，根据传感器信号的强度来控制燃烧空气的供应。传感器信号是受控变量，泵的输出或燃烧空气供应管路中阀门的位置也是受控变量。原则上，代替控制燃烧空气，也可以在燃烧空气供应恒定的情况下来控制燃料气体的供应，但是由于各种原因，这种类型的控制是不常见的，并且仅适用于特殊情况。

由于本发明也适用于不同的燃料气体和改变的燃料气体成分，并且随着时间的流逝，污染和其他因素可能影响控制，所以自动校准是特别有利的。为了校准控制系统，首先以合适的过量燃烧空气开始燃烧，然后逐步或持续地对燃烧空气供应进行节流，其中电传感器信号的强度根据燃烧空气的供应进行评估，为了在电传感器信号产生的过程中找到一个转折点(曲率的反转)，该转折点对应于特别合适的混合比λ。在此转折点处，传感器信号对时间的一阶导数达到最大值，而对时间的二阶导数变为零。换句话说，当燃烧空气供应并且因此λ值变化一定量时，传感器信号在此点变化最大。这样的转折点可以通过简单的测量步骤和测量值的比较来找到。

校准可以预定间隔或根据需要重复进行。这甚至可以在每个燃烧过程的开始时通过从过量的燃烧空气开始，然后减少空气供应，直到确定可以调节的临界点来完成。

对于典型的燃烧器而言，通常将泵设计为具有速度控制或速度调节。燃烧空气供应的改变是通过逐步或连续改变泵的速度来实现的。

对于含氢燃料气体的两个波长范围，即用于CH*自由基辐射的波长范围和用于OH*自由基辐射的波长范围，分别由两个滤光器和两个光传感器实现测量和评估。通过这种方式，在燃烧期间可以保持甚至更可靠的恒定的λ值。如有必要，也可以将两个传感器测量得到的两个信号强度成比例，例如可以得出关于氢含量的结论，并可以用来触发进一步的措施。

对于含有大于50％的氢或纯氢的燃料气体，仅有OH*自由基辐射的波长范围被过滤出并被评估。尽管为了控制燃料气体的目的而仅观察和使用CH*自由基辐射到现在已经很普遍并更有意义，但对于更高的氢含量，这种控制方式变得越来越不准确，然后可以通过测量其他波长范围的测量值来代替。

空燃比λ的控制(例如，在电子模块中进行)可以用于燃烧空气和燃料气体的调节，其被设置为在此处或下文中描述的执行程序。计算机程序(例如在电子模块中)可以被设计为执行此处或下文中描述的方法的所有步骤(特别是根据执行过程要求)。此外，可以提供机器可读存储介质(例如在电子模块中)，在其上存储上述计算机程序。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性地示出了根据本发明一实施方式的装置；

图2示出了在不同燃烧功率下燃烧期间的辐射发射光谱的示意图；

图3显示了四张图，其分别示出了燃烧过程中不同功率水平和不同燃料气体情况下的信号强度随λ值变化的关系图；

图4示出了在校准程序和20千瓦的功率下，CH*自由基的辐射强度随时间变化的过程图；

图5示出了在观察到CH*自由基的辐射强度的校准程序和20kW的功率下，λ值随时间变化的过程图；

图6、图7与图4、图5类似，其中输出功率为15千瓦；

图8、图9与图4、图5类似，其中输出功率为10千瓦；

图10、图11与图4、图5类似，其中输出功率为5千瓦；

图12示出了校准的测量精度图，其中相对于时间变化的是λ值；以及

图13绘制的是信号强度相对于时间的测量变化图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

图1示出了本发明装置的示意性示例，特别是热水器或加热燃烧器。燃烧室7布置在壳体1中，在其中燃料气体可以与燃烧空气一起燃烧。燃料气体供应管路2和燃烧空气供应管路3用于供应通常在燃烧室7之前汇聚在一起的燃料气体和燃烧空气，但是并非总是如此。燃气阀6用于切断和/或控制燃料气体，燃烧空气阀5用于切断和/或控制燃烧空气。泵4，可以是调速风扇，布置在燃烧空气供应管路3中，可以位于与燃料气体结合并燃烧之前或之后。在点燃合适的燃料气体和燃烧空气的混合物之后，在燃烧室7中形成火焰区域8，该火焰区域发出较宽频谱的光辐射，即一方面是热辐射，另一方面是不同发射线的辐射，其尤其具有某些化学成分的特征，并且也位于光谱的紫外线(UV)部分。经由壳体1内或壳体1上的第一滤光器9，可以滤出特定光谱范围的光束，使得仅透射(或反射)的光束到达第一光传感器10，例如光敏二极管。可以将第一光传感器10保持在适合其操作的温度下，例如，通过散热器21将温度控制在70℃以下或甚至60℃以下。通过第一光传感器10测量得到的信号经由第一传感器连接线缆16传输至电子模块11，该电子模块11用于评估测量信号并执行相应控制。泵可以在运行期间通过与电子模块11连接的泵连接导线19来进行校准和控制。替代地或附加地，电子模块11可以通过燃烧空气阀连接导线20来控制燃烧空气阀5，或者可以通过燃气阀连接导线18来控制燃气阀6。除非仅监视一个光谱范围并将其用于评估，否则可以在壳体1的与第一光传感器10相邻或相对侧设置第二滤光器12，第二传感器连接线缆17和第二光传感器13。由于光传感器10、13仅在有限的温度范围内起作用，因此可能需要设置第一和第二紫外线透光窗口14、15，例如设置在壳体1上的由合适的耐热玻璃制成，以允许紫外线透过，从而可以将滤光器9、12和光传感器10、13布置在壳体1外部的较凉的区域中。

图2至图13可以描述本发明的方法的具体实施方式。为了检测CH*自由基，也称为CH(A-X)，如出现在图2中的420至440nm的波长范围内，本实施方式中使用了一紫外线探针(由所涉及波长范围的滤光器和传感器组成)。本实施方式中使用的照相材料可以检测CH*自由基发射辐射的350-500nm光谱范围内的光子。被检测到的光子产生二极管电流，该二极管电流用于测量CH*自由基的相对信号强度。该电流通过例如470欧姆的电阻转换为电压信号，并由电子模块中的处理器评估。

图3显示了负载水平在20千瓦、15千瓦、10千瓦和5千瓦的四种情况下，检测气体G21、G222、甲烷和天然气的CH*自由基的信号。这些图显示了平均电压值(信号强度)随λ值变化的关系，其中λ值以0.05的步长从λ＝1.60到λ＝0.80(G222除外)。可以看出，这些信号几乎与所使用的燃料气体无关。为了确保可靠地检测到工作点，将检测信号曲线的转折点。因此，在点火燃烧之后，在燃烧空气供应管路中的风扇的转速以恒定的间隔减小，直到达到信号曲线中的最大梯度值(取决于负载)为止。测量为此所需的时间，将其与转折点的值和CH*自由基辐射的信号强度的绝对值结合起来，以识别λ值以及当前负载。现在，通过查找表或电子模块中的相应电子存储器来设置所需的λ设定值(例如1.25)的所需速度。为了进行安全检查，此程序可以每N分钟执行一次，以验证一般条件和当前工作点。

控制概念可总结如下：存储在电子模块中的先导控制特性曲线描述了在参考条件下实现最佳燃烧的风扇速度和CH*自由基发射出的光的信号强度，在其他实施方式中，也可以使用燃烧空气的量替代风扇速度。电子模块中的控制器调节燃烧空气量，以便实现CH*自由基辐射的所需信号强度，即以所需的气体空气比进行燃烧。校准程序会检查任何存储的先导控制特性曲线，并将其适应当前的燃烧条件(燃烧气体的成分，气体密度，空气密度等)。例如，校准程序的结果可以是一个修正系数，以使先导控制特性曲线被校正。

例如，相关的校准程序可以运行如下：

设置风扇的速度和前馈默认值，例如适用于燃气类型，温度，压力或类似参数。通过绝对CH*自由基辐射信号强度值和风扇速度/燃烧空气量检查燃烧是否足够稀薄。开始时间控制，特别是逐步控制，以降低风扇速度/燃烧空气量。当达到转折点W时(例如参见图4中的标记)，计算时间差并识别当前的λ和当前的速度/燃烧空气量(转折点的特性在于，当燃烧空气量减少、且取决于负载条件的λ值处于1.05到1.2之间时，CH*自由基辐射的信号强度变化达到最大值)。为先导控制特性曲线计算适当的校正系数，以便为燃烧的λ设定所需的设定点。通过校准程序，还可以自动检测并纠正对光学和电子信号路径的更改(滤光器和传感器处的污染、老化等)。N分钟后，重新开始校准程序。

图4至13比较了λ值随时间的变化以及CH*自由基辐射的信号强度随时间的变化。每10秒钟，风扇的速度将降低初始值的百分之一(1％)。此外，从出现时序要求严格的λ范围(1.10-1.00)时开始进行标记，此时在该范围中将检测到转折点(最大变化率)。该范围由垂直线界定。评估表明，转折点W在所有负载的允许范围内。应当注意的是，从所示例中的λ值0.95开始，速度急剧增加，从而导致所示时间间隔结束时信号强度发生了很大变化。

为了减少测量误差并改善瞬时清晰度，将用于CH*自由基信号的过滤器存储在用于评估的模型的电子模块中。如图12和13所示，因此，使得清楚地识别λ从1.05到1.00的转变成为可能。从CH信号的分析中收集到的结果甚至可以使通过所述传感器技术建立进一步的控制系统或获取信息成为可能。

还可以评估所测量的信号强度，以便可靠地防止形成一氧化碳。此外，OH*/CH*信号强度之比可以用作与CH*信号具有相同的λ依存性的独立于负载的控制信号。在此，比率的绝对值与各个信号一起提供了识别燃烧器的热负荷并确定λ值的可能性。

最后，可以将本发明的测量与现有的电离测量以及其他现有测量技术进行组合，从而可以获得有关燃烧过程的更多信息，并且可以取得更精确的λ值及相应的精确控制。

上述描述的所有方法也可以相同的方式针对OH*自由基，也称为OH(A-X)的辐射范围进行，因为这更适合于氢含量高的燃料气体或纯氢气。甚至可以监测和评估两个发射范围，从而可以提供额外的信息。尤其是，OH*自由基和CH*自由基的信号强度之比可以提供有关成分的信息，特别是燃料气体中氢的含量，或者可以决定哪种信号更适合于控制。

本发明尤其适合于输出功率在5千瓦至50千瓦之间的燃烧器，优选地是中型家庭中的落地式和壁装式设备的燃烧器，其通过来自供应网络的燃烧气体进行工作。但是，本发明也可以用于更低输出的燃烧器。即使燃烧气体的成分频繁或偶尔变化，也可以进行可靠的控制。即使光学或电子组件的污染和缓慢老化也可以通过定期校准来补偿。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

参考标号列表

1 壳体

2 燃气供应管路

3 燃烧空气供应管路

4 泵(速度控制)

5 燃烧空气阀

6 燃气阀

7 燃烧室

8 火焰范围

9 第一滤光器

10 第一光传感器

11 电子模块

12 第二滤光器

13 第二光传感器

14 第一紫外线透光窗口

15 第二紫外线透光窗口

16 第一传感器连接线缆

17 第二传感器连接线缆

18 燃气阀连接导线

19 泵连接导线

20 燃烧空气阀连接导线

21 散热器

Claims (15)

1.一种用于控制燃烧空气和燃料气体的混合比(λ)的装置，其中燃烧空气和燃料气体分别通过燃气供应管路(2)和燃烧空气供应管路(3)被输送到壳体(1)的燃烧室(7)中；其特征在于：该装置包括设置在燃烧空气供应管路(3)中、并处于与燃料气体结合之前或之后的泵(4)，以及设置在壳体(1)上或壳体(1)内的至少一个第一滤光器(9)和至少一个第一光传感器(10)；其中第一光传感器(10)被如此布置以使得来自燃烧室(7)的光可以通过第一滤光器(9)到达第一光传感器(10)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一滤光器(9)可选择性地对于至少一预定波长范围内的光透明或仅反射该预定波长范围内的光。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：该装置还包括与所述第一光学传感器(10)连接至的子模块(11)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：至少所述泵(4)或与其串联设置在燃烧空气供应管路(3)中的阀(5)被布置成用于改变流入燃烧室(7)内的燃烧空气。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述泵(4)和所述第一光传感器(10)连接到公共的电子模块(11)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述第一光传感器(10)至少设置有散热器(21)或者被布置在温度低于70℃的区域中。

7.一种用于控制在燃烧室(7)内一起燃烧的燃烧空气和燃料气体的混合比(λ)的方法，其特征在于：在燃烧期间产生的光被选择性地过滤并通过至少一个第一光传感器(10)以转换为电传感器信号，其强度在电子模块(11)中评估，其中向燃烧室(7)供应的燃烧空气和/或燃料气体被改变，导致所产生的电传感器信号也发生了变化并被评估，其中燃烧空气和/或燃料气体的供应根据评估结果进行设置或控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述光被选择性的过滤是借助于至少一个第一滤光器(9)来执行的，所述至少一个第一滤光器(9)仅允许特定波长范围的光到达所述第一光传感器(10)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述第一滤光器(9)透射典型的CH*自由基发射的波长范围的光，即280-320纳米，或透射典型的OH*自由基发射的波长范围的光，即400-440纳米。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于：所述燃烧空气和/或燃料气体的供应根据所述电传感器信号的强度来控制。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于：为了校准所述控制，以合适的过量燃烧空气开始燃烧，并且逐步或持续地对所述燃烧空气供应进行节流；其中所述电传感器信号的强度根据燃烧空气的供应进行评估，为了在电传感器信号产生的过程中找到一个转折点，该转折点对应于特别合适的混合比(λ)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述校准以预定间隔或根据需要重复进行。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其特征在于：所述泵(4)是根据速度控制的，并且所述燃烧空气的供应的改变是通过逐步或连续改变所述泵(4)的速度来实现的。

14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于：对于含氢燃料气体的两个波长范围，即用于CH*自由基辐射的波长范围和用于OH*自由基辐射的波长范围，分别由第一滤光器(9)和第二滤光器(12)以及第一光传感器(10)和第二光传感器(13)测量和评估。

15.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于：对于含有大于50％的氢或纯氢的燃料气体，仅有OH*自由基辐射的波长范围被过滤出并被评估。

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