DE102005024763B3 - Heizgerät und Verfahren zum Steuern eines Heizgerätes - Google Patents

Abstract

Es wird ein Heizgerät mit einem Brenner mit einem Verbrennungsraum zum Verbrennen eines Brennstoff-Luftgemisches vorgesehen. Während einer Verbrennung weist der Verbrennungsraum einen Flammenbereich mit einem Flammenwiderstand auf. Durch ein Brennstoffventil wird Brennstoff dem Brenner zugeführt. Eine Ionisationselektrode wird in dem Flammenbereich zum Erfassen eines Ionisationssignals angeordnet. Eine erste Auswerteeinheit besteht aus mindestens einer Reihenschaltung eines Kondensators und eines Messweiderstandes und wird mit der Ionisationselektrode gekoppelt. An der ersten Auswerteeinheit wird eine Wechselspannung angelegt. Eine zweite Auswerteeinheit ist mit der ersten gekoppelt und dient zum Auswerten eines zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung über dem Kondensator bei einer Abschaltung der Verbrennung in dem Verbrennungsraum. Die zweite Auswerteeinheit ist ebenfalls mit dem Brennstoffventil verbunden, um das Brennstoffventil entsprechend dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf der zweiten Spannung zu steuern.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizgerät mit einem Brenner mit einem Verbrennungsraum zum Verbrennen eines Brennstoff-Luftgemisches.
• Aus der DE 103 03 081 ist ein Heizgerät mit einem Brenner bekannt, welchem Brennstoff und Brennluft zugeführt wird. Mittels einer Steuereinrichtung wird das Brennstoff-Luftgemisch verändert. Hierbei wird das Verhältnis zwischen Brennstoff und Brennluft in Abhängigkeit der Temperatur des Brennstoffes verändert.
• DE 103 16 194 zeigt ein Luftheizgerät für ein Fahrzeug mit einem Brenner sowie einem daran angeordneten Wärmeübertrager, Ferner wird eine Vorrichtung zur Überwachung einer im Brenner brennenden Flamme vorgesehen. Anhand der Temperatur der durch das Luftheizgerät strömenden Heizluft werden Rückschlüsse auf die Ausbildung der Flamme im Brenner durchgeführt.
• Es ist ferner ein Verfahren zum Optimieren von Verbrennungsprozessen mittels Flammensignalen unter der Bezeichnung "System Control Technology (SCOT)" bekannt. Wenn eine Wechselspannung an eine Gasflamme angelegt wird, kann ein pulsierender Gleichstrom gemessen werden. Dies wird bislang insbesondere bei Gasbrennern verwendet, um die Flamme zu überwachen und bei einem Verlöschen der Flamme die Gaszufuhr zu unterbrechen. Der hierbei verwendete Sensor besteht im wesentlichen aus einem Metallstab, welcher in die Flamme eingetaucht wird. Zur Detektion der Flammenbeschaffenheit wird der physikalische Zusammenhang zwischen der Luftzahl und der Flammentemperatur verwendet. Die Flammentemperatur hingegen beeinflusst die Leitfähigkeit der Flamme, welche unter Verwendung einer Ionisationselektrode gemessen werden kann. Die Ionisationselektrode wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Ist das Spannungspotential der Ionisationselektrode positiv gegenüber Brenner und Brennraummasse, wird ein Ionisationsstrom über die Flamme abgeleitet; es entsteht eine Potentialverschiebung, die ausgewertet werden kann.
• Ein Kondensator wird zwischen Wechselspannungsquelle und Ionisationselektrode geschaltet und eine Wechselspannung wird auf die Ionisationselektrode geschaltet, welche sich innerhalb der Flamme befindet. Da das stromleitende Plasma der Flamme einen Gleichrichtungseffekt aufweist, wird der Kondensator umgeladen. Parallel zur Flammenstrecke wird ferner ein Messwiderstand vorgesehen und ein Gleichspannungsanteil über dem Messwiderstand wird als Messgröße ausgewertet. Das Verhältnis des Gleichspannungsanteils zu der überlagerten Wechselspannung ist proportional zu dem Verhältnis des Flammenwiderstandes zum Messwiderstand.
• Aufgrund von elektrisch leitenden Verbrennungsrückständen innerhalb des Brennraumes kann ein parasitärer Widerstand parallel zum Messwiderstand ausgebildet werden. Bei gleichbleibender Luftzahl und somit gleichbleibendem Flammenwiderstand ändert sich damit das Widerstandsverhältnis des Ionisationswiderstandes zum Gesamtwiderstand parallel zur Ionisationsstrecke und folglich ebenfalls das Ionisationssignal.
• Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Heizgerät vorzusehen, welches ein fehlerhaftes Ionisationssignal durch leitende Verbrennungsrückstände im Brennraum entsprechend detektieren kann.
• Diese Aufgabe wird durch ein Heizgerät gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Steuern eines Heizgerätes gemäß Anspruch 6 gelöst.
• Somit wird ein Heizgerät mit einem Brenner mit einem Verbrennungsraum zum Verbrennen eines Brennstoff-Luftgemisches vorgesehen. Während einer Verbrennung weist der Verbrennungsraum einen Flammenbereich mit einem Flammenwiderstand auf. Durch ein Brennstoffventil wird dem Brenner Brennstoff zugeführt. Eine Ionisationselektrode wird in dem Flammenbereich zum Erfassen eines Ionisationssignals angeordnet. Eine erste Auswerteeinheit besteht aus mindestens einer Reihenschaltung eines Kondensators und eines Messwiderstandes und wird mit der Ionisationselektrode gekoppelt. An der ersten Auswerteeinheit wird eine Wechselspannung angelegt. Eine zweite Auswerteeinheit ist mit der ersten gekoppelt und dient zum Auswerten eines zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung über dem Kondensator bei einer Abschaltung der Verbrennung in dem Verbrennungsraum. Die zweite Auswerteeinheit ist ebenfalls mit dem Brennstoffventil verbunden, um das Brennstoffventil entsprechend dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf der zweiten Spannung zu steuern.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Heizgerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
• 2 zeigt einen Messspannungsverlauf beim Abschalten des Brenners gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
• Das Heizgerät weist einen Brenner 1 und eine Wand 3, die eine Brennkammer 3b umschließt, mit einem Flammenbereich 3a auf. Ein Auswertenetzwerk 20, bestehend aus Kondensator 5 in Reihe zu einem Widerstand 6, ist mit einer Ionisationselektrode 2 in der Brennkammer 3b verbunden. Eine Auswerteelektronikeinheit 10 ist ebenfalls mit der Reihenschaltung aus dem Kondensator 5 und dem Widerstand 6, insbesondere mit dem Knotenpunkt 30 zwischen dem Kondensator 5 und dem Widerstand 6, verbunden. Die Auswerteelektronikeinheit 10 ist wiederum mit einem Brennstoff-Ventil 11 zum Zuführen von Brennstoff verbunden.
• In dem Heizgerät wird dem Brenner 1 Verbrennungsluft und über das Brennstoffventil 11 Brennstoff zugeführt. Der Brenner 1 ist in einem Brennraum 3 mit einem Wärmeaustauscher angeordnet. Zur Messung von Verbrennungskenngrößen befindet sich eine Ionisationselektrode 2 im Flammenbereich 3a des Brenners. An die Ionisationselektrode 2 ist eine Auswerteschaltung 20, bestehend aus einem Netzwerk mit mindestens einem Kondensator 5 und einem Widerstand 6, angeschlossen.
• Zur Messung der Flammenionisation wird vorteilhafterweise über den Kondensator 5 eine Wechselspannung 4 angelegt. Die Ionisationsstrecke im Flammenbereich kann Idealerweise als Flammenwiderstand 7 (Rio) in Reihe mit einer Diode 8 (Dio) angesehen werden.
• Durch den Gleichrichteffekt der Flamme fließt nur dann ein Ionisationsstrom von der Ionisationselektrode 2 zum Brenner und/oder zur Wand 3, wenn die Spannung an der Ionisationselektrode 2 positiv gegenüber der Masse ist. Durch den Messwiderstand 6 fließt sowohl bei positiven als auch bei negativen Spannungen ein Strom.
• Das Verhältnis zwischen beiden Strömen bewirkt eine Potentialverschiebung am Kondensator 5, die auch als überlagerter Gleichspannungsanteil zur Wechselspannung am Messwiderstand 6 ausgewertet werden kann. Diese Messspannung kann z.B. zur Luftzahlmessung verwendet werden. Bei λ > 1 gilt: Je geringer die Luftzahl, desto heißer die Flamme, desto besser ihre Leitfähigkeit, desto niedriger der Flammenwiderstand (Rio), desto größer der Ionisationsstrom, desto größer die Gleichspannungsverschiebung am Kondensator 5 und am Messwiderstand 6.
• Das Verhältnis von Gleichspannungsanteil zu überlagerter Wechselspannung ist dabei mathematisch mit dem Verhältnis des Flammenwiderstandes zum Messwiderstand verknüpft. So ist bei einer bekannten Bauteildimensionierung der Messschaltung 20 der Flammenwiderstand (Rio) dem Verhältnis von Gleichspannungsanteil zu überlagerter Wechselspannung eindeutig zugeordnet. Dies ist jedoch nur der Fall, solange keine parasitären Widerstände den Messkreis beeinflussen.
• Es ist jedoch bekannt, dass sich elektrisch leitende Verbrennungsrückstände, wie Ruß etc., im Brennraum ausbilden und die Isolationsstrecke der Ionisationselektrode 2 überbrücken und so einen parasitären Widerstand 9 (Rp) bilden können. Weiterhin können sich auch bei Anschlussleitungen zur Ionisationselektrode parasitäre Parallelwiderstände einstellen. Diese Widerstände beeinflussen die Dimensionierung des Auswertenetzwerks 20 und damit das Ionisationssignal, so dass es zu einer Fehlmessung kommt.
• Ziel der Erfindung ist es, die parasitären Widerstände zu quantifizieren und das Ionisationsmesssignal im Hinblick darauf zu kompensieren. Weiterhin kann bei Überschreitung von Grenzwerten eine Störabschaltung erfolgen.
• Die Ionisationselektrode 2 ist an ein Netzwerk 20, bestehend aus mindestens einem Kondensator 5 und einem Widerstand 6, angeschaltet. Während der Verbrennung bewirkt der Gleichrichteffekt der Flamme eine Potentialverschiebung am Kondensator 5, dieser wird mit einer vom Flammenwiderstand Rio abhängigen Gleichspannung geladen. Wird die Verbrennung abgeschaltet und es erlischt die Flamme, kann kein Strom mehr über den Flammenwiderstand 7 fließen. Das im Kondensator 5 aktuell befindliche Potential fließt über den Messwiderstand 6 ab. Der zeitliche Verlauf der sich dabei ergebenden Spannung ist durch die Dimensionierung von Kondensator 5 und Messwiderstand 6 bestimmt.
• Ergeben sich parasitäre Widerstände 9 parallel zum Messwiderstand 6, erfolgt eine Entladung des Kondensators 5 sowohl über den Messwiderstand 6 als auch über den parasitären Widerstand 9, wodurch sich eine veränderte (beschleunigte) Entladung des Kondensators ergibt.
• Eine Auswerteelektronik 10 ist an das Messnetzwerk 20 angeschaltet, deren Aufgabe es u. a. ist, nach Abschalten der Flamme den Messspannungsverlauf zu quantifizieren und daraus Rückschlüsse auf parasitäre Widerstände zu ziehen.
• In 2 sind Messspannungsverläufe beim Abschalten des Brenners ohne und mit dem Einfluss parasitärer Widerstände gegenübergestellt. Vor dem Zeitpunkt t0 brennt die Flamme, das Ionisationsmesssignal ist konstant mit der Signalhöhe Uio Betrieb. Mit Zeitpunkt t0 erlischt die Flamme, die Ionisation findet nicht mehr statt, und das Messsignal fällt ab. Die Kurve Uio(n) zeigt den Signalabfall ohne parasitäre Widerstände, die Kurve Uio(p) zeigt den Signalabfall beeinflusst durch parasitäre Widerstände. Der unterschiedliche Kurvenverlauf kann zur Quantisierung der parasitären Widerstände verwendet werden.
• Vorteilhafterweise wird die Zeitkonstante der Entladekurve bestimmt. So kann z.B. der Ionisationsmesswert unmittelbar vor dem Ausschalten der Flamme ermittelt werden. Ausgehend vom diesem Wert Uio Betrieb wird ein Schwellwert berechnet (z.B. Uio ref = Uio Betrieb * 0,37) und die Zeit zwischen Flammenabschalten und dem Unterschreiten des Ionisationsschwellwertes wird gemessen. Die Zeitkonstante der Entladekurve kann auch durch mehrere Einzelmessungen und Approximation durch eine e-Funktion ermittelt werden.
• Mit Hilfe einer mathematischen Funktion kann aus der so ermittelten Zeitkonstante der Entladekurve bei bekannter Dimensionierung des Kondensators 5 der wirksame Gesamtwiderstand (Messwiderstand 6 parallel parasitäre Widerstände 9) berechnet werden.
• Weicht dieser von der werksseitigen Dimensionierung des Messwiderstandes 6 ab, kann auf Basis der mathematischen Zusammenhänge im Messnetzwerk eine Korrektur des ermittelten Ionisationssignals erfolgen. Diese Korrektur wird dann ab dem nächsten Brennerstart wirksam.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit ist es, die Höhe eines ermittelten parasitären Widerstandseinflusses zum Generieren einer Störreaktion bzw. einer Serviceanforderung zu verwenden. In diesem Fall würden bei einer Überschreitung von Grenzwerten o. g. Reaktionen ausgelöst.
• Mit anderen Worten, das Verfahren arbeitet in folgenden Schritten: Der Brenner befindet sich im Betrieb und soll abgeschaltet werden. Das Ionisationssignal unmittelbar vor dem Abschalten wird gespeichert. Der Brenner wird abgeschaltet, die Flamme erlischt, die Stromleitung der Flamme erlischt. Der während des Flammenbetriebes geladene Kondensator C1 entlädt sich über den Messwiderstand R1 sowie über parasitäre Widerstände Rp. Aus dem zeitlichen Verlauf des Messsignals wird der Gesamtwiderstand parallel zur IO-Strecke (Rio parallel Rp) bestimmt. Zukünftige Messsignale können bei Beeinflussung durch ermittelte parasitäre Widerstanden kompensiert werden. Bei Überschreiten von Grenzwerten parasitärer Widerstände kann eine Störreaktion ausgelöst werden.
• Somit werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung von Verbrennungskenngrößen in Heizgeräten durch Ionisationsmessung sowie Verfahren und Einrichtungen zur Detektion und Kompensation von parasitären Widerständen vorgesehen. Die Ionisationselektrode wird mit einem Netzwerk, bestehend aus mindestens einem Kondensator und einem Widerstand, beschaltet. Der zeitliche Verlauf einer der Ionisation proportionalen Messspannung beim Erlöschen der Verbrennung zur Quantisierung parasitärer Widerstände wird ausgewertet.

Claims (6)

1. Heizgerät mit einem Brenner (1) mit einer Brennkammer (3b) zum Verbrennen eines Brennstoff-Luftgemisches, wobei die Brennkammer (3b) während einer Verbrennung einen Flammenbereich (3a) mit einem Flammenwiderstand (7) aufweist, einem Brennstoffventil (11) zum Zuführen von Brennstoff; einer im Flammenbereich (3a) angeordneten Ionisationselektrode (2) zum Erfassen eines Ionisationssignals; einer mit der Ionisationselektrode (2) gekoppelten ersten Auswerteeinheit (5, 6) mit einem Kondensator (5) und einem Widerstand (6), wobei eine erste Wechselspannung (4) an die erste Auswerteeinheit (5, 6) angelegt wird; einer mit der ersten Auswerteeinheit (5, 6) gekoppelten zweiten Auswerteeinheit (10) zum Auswerten eines zeitlichen Verlaufs einer zweiten Spannung (Uio) über dem Kondensator (5) bei einer Abschaltung der Verbrennung, wobei die zweite Auswerteeinheit (10) mit dem Brennstoffventil (11) zum Steuern des Brennstoffventils (11) in Abhängigkeit des ausgewerteten zeitlichen Verlaufes der zweiten Spannung (Uio) gekoppelt ist.
2. Heizgerät nach Anspruch 1, wobei ein Referenzspannungsverlauf (Uio n) der zweiten Spannung (Uio) in der zweiten Auswerteeinheit (10) gespeichert ist, wobei die zweite Auswerteeinheit (10) dazu geeignet ist, den zeitlichen Verlauf der zweiten Spannung mit dem gespeicherten Referenzspannungsverlauf (Uio n) zu vergleichen, um einen parasitären Flammenwiderstand (9) zu bestimmen.
3. Heizgerät nach Anspruch 2, wobei die zweite Auswerteeinheit (10) dazu geeignet ist, den Spannungsverlauf der zweiten Spannung (Uio) und den gespeicherten Referenzspannungsverlauf (Uio n) mit einer vorbestimmten Referenzspannung (Uio ref) zu vergleichen und die jeweiligen Zeitkonstanten des Spannungsverlaufs der zweiten Spannung (Uio) und des Referenzspannungsverlaufs (Uio n) zu ermitteln, um aus der Differenz der jeweiligen Zeitkonstanten den parasitären Flammenwiderstand (9) zu bestimmen.
4. Heizgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Heizgerät abgeschaltet wird, wenn der parasitäre Widerstand (7) einen vorbestimmten Wert übersteigt.
5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2–3, wobei die zweite Auswerteeinheit (10) dazu ausgestaltet ist, das erfasste Ionisationssignal entsprechend dem parasitären Flammenwiderstand (9) zu korrigieren.
6. Verfahren zum Steuern eines Heizgerätes mit einem Brenner (1) mit einer Brennkammer (3b) zum Verbrennen eines Brennstoff-Luftgemisches, wobei die Brennkammer (3b) während einer Verbrennung einen Flammenbereich (3a) mit einem Flammenwiderstand (7) aufweist, mit den Schritten: – Zuführen von Brennstoff durch ein Brennstoffventil (11); – Erfassen eines Ionisationssignals im Flammenbereich (3a); – Anlegen einer ersten Wechselspannung (4) an eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (5) und einem Widerstand (6); – Auswerten eines zeitlichen Verlaufes einer zweiten Spannung (Uio) über den Kondensator (5) bei einer Abschaltung der Verbrennung, und – Steuern des Brennstoffventils (11) in Abhängigkeit des ausgewerteten zeitlichen Verlaufes der zweiten Spannung (Uio).