DE102010046954A1 - Verfahren zur Kalibrierung, Validierung und Justierung einer Lambdasonde - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde mit einer Ionisationselektrode bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs, wobei Abgassignalwerte der Lambdasonde der Luftzahlregelung und Flammensignalwerte der Ionisationselektrode der Lambdasondenvalidierung dienen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Justierung einer Lambdasonde sowie ein Verfahren zur luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Kalibrierung, Validierung und Justierung einer Lambdasonde zu schaffen, die ohne Anfahren eines stöchiometrischen Referenzbetriebspunktes zu hinreichend belastbaren Ergebnissen hinsichtlich einer Validierung und gegebenenfalls Justierung der Lambdasondenfunktion führen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung und Validierung ist dadurch gekennzeichnet, dass aus gemessenen Signalwerten mindestens ein Kalibrierpunkt und/oder mindestens ein Signalwerteverlauf vorausberechnet werden, und dass anhand des mindestens einen Kalibrierpunkts und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufs eine Validierung der Lambdasonde durchgeführt wird, indem eine Abweichung von einem Referenzwert bewertet wird, und dass bei positiver Validierung die Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung freigegeben wird, und bei negativer Validierung die Lambdasonde neu justiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren zur Justierung einer Lambdasonde nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 sowie ein Verfahren zur luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
  • Der Erfindung zugrunde liegende Verbrennungsprozesse dienen beispielsweise der Wärmeerzeugung für die Raumheizung oder Trinkwarmwasserbereitung mittels eines Heizgerätes. In der Regel fördert dabei ein Gebläse eine Verbrennungsluft, über ein Brennstoffventil wird Brennstoff zudosiert, in einem Mischraum werden aus Verbrennungsluft und Brennstoff ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt, dieses wird einem Brenner zugeführt und unter Flammenbildung verbrannt. Die dabei entstehenden heißen Verbrennungsabgase geben ihre Energie in einem Wärmetauscher an ein Wärmeträgermedium (zumeist Heizungswasser oder Trinkwasser) ab, die abgekühlten Abgase verlassen das Heizgerät durch eine Abgasleitung oder einen Schornstein in die freie Umgebung.
  • Lambdasonden sind Sensoren, die der Überwachung von Verbrennungsprozessen dienen, indem sie die in einem Abgas eines verbrannten Brennstoff-Luft-Gemischs vorliegende Luftzahl λ messen.
  • Die Luftzahl λ beschreibt für ein Brennstoff-Luft-Gemisch das Verhältnis einer bei gegebener Brennstoffmenge tatsächlich zur Verfügung stehenden Verbrennungsluftmenge in Bezug auf eine für stöchiometrische Verbrennung benötigte Mindestluftmenge und ist damit einer der zentralen Parameter zur Beschreibung eines Verbrennungsprozesses. Die Luftzahl λ = 1 steht für stöchiometrische Verbrennung, also vollständige Oxidation eines Brennstoffs ohne Luftüberschuss. Gemische mit Luftzahlen λ > 1 heißen überstöchiometrisch bzw. mager, sie weisen mehr Verbrennungsluft auf als für den vollständigen Ausbrand benötigt, im Abgas ist eine gewisse Menge Restsauerstoff vorhanden. Gemische mit Luftzahlen λ < 1 heißen dagegen unterstöchiometrisch bzw. fett, wegen eines Luftmangels können sie nicht vollständig ausbrennen, im Abgas sind unverbrannte und/oder teilweise oxidierte Brennstoffreste vorhanden.
  • Verbrennungsprozesse, die der Wärmeerzeugung für die Raumheizung oder Trinkwarmwasserbereitung dienen, werden in der Regel bei überstöchiometrischen Soll-Luftzahlen im Bereich λ ≈ 1,1...1,5 und höher betrieben. Eine Luftzahlregelung soll die Einhaltung einer vorgebbaren Soll-Luftzahl in jedem Betriebspunkt sicherstellen, also beispielsweise bei jedem Modulationspunkt einer variierbaren Feuerungsleistung, bei variierender Temperatur der zugeführten Verbrennungsluft und des zugeführten Brennstoffs, bei unterschiedlichen Gegendrücken im Abgassystem, variierendem Schornsteinzug, usw.
  • Bei stöchiometrischer bzw. leicht überstöchiometrischer und gleichzeitig homogener Gemischbildung ist ein vollständiger Ausbrand des Brennstoffs gewährleistet. Mit steigender Luftzahl steigt jedoch auch die Luftmenge im Gemisch, die für den Ausbrand gar nicht benötigt wird, die an der eigentlichen Verbrennung nicht beteiligt ist, aber dennoch als Ballast mit erhitzt wird. Dieser unnötige Luftüberschuss senkt die Abgastemperatur und erhöht die Abgasmenge, beide Phänomene verschlechtern unerwünschterweise den Wirkungsgrad des Heizgerätes.
  • Andererseits wird durch einen unnötigen Luftüberschuss die Abgastaupunkttemperatur abgesenkt, das ist die Temperatur, bei der eine im Abgas vorhandene Feuchtigkeit kondensiert. Bei Wärmetauschern, die nach dem Brennwertprinzip arbeiten, soll möglichst viel dieser Abgasfeuchte kondensieren, weil durch die Kondensation die im Abgas vorhandene, sogenannte Kondensationswärme vom Abgas auf das Wärmeträgermedium (Heizwasser, Trinkwasser) übertragen wird. Ein unnötiger Luftüberschuss mit Absenkung des Abgastaupunkts bedeutet demnach eine Kondensation bei niedrigeren Temperaturen, also verschlechterte Kondensationsbedingungen und Verluste aufgrund geringerer Ausnutzung der Kondensationswärme.
  • Aus diesen Gründen wird ein möglichst geringer Luftüberschuss, d. h. eine möglichst niedrige überstöchiometrische Luftzahl angestrebt. Um aber eine unterstöchiometrische und unvollständige Verbrennung des Brennstoffs sicher auszuschließen wird die Luftzahl geregelt. Eine Form der Luftzahlregelung stützt sich auf Messwerte, die von einem Sensor generiert werden. Mögliche Sensoren sind unter anderen Ionisationselektroden und Lambdasonden.
  • Ionisationselektroden sind so an einem Brenner angeordnet, dass sie in der Flamme liegen. Wird an die flammenberührte Ionisationselektrode eine Spannung angelegt, so fließt ein Ionisationsstrom, dessen Stärke mit der Luftzahl des Brennstoff-Luft-Gemischs korreliert. Die Ionisationsstromstärke (Ionisationssignal) zeigt über der Luftzahl einen parabelähnlichen Verlauf, sie hat ein Maximum bei stöchiometrischen Verbrennung, bei unter- und überstöchiometrischer Verbrennung fallen die Werte ab. Ionisationselektroden messen also den in der Flamme vorliegenden Flammenwert „Ionisation”, generieren ein der Ionisation zugeordnetes sensorabhängiges Signal mit einem Flammensignalwert und geben diesen an ein Regelgerät aus.
  • Lambdasonden sind in einem Abgasweg eines Heizgerätes angeordnet. Im Gegensatz zu einfachen Lambdasonden, die aufgrund ihrer Kennlinie sinnvollerweise nur zur Einstellung eines stöchiometrischen Betriebspunktes dienen können, sind sogenannte Breitbandlambdasonden für Luftzahlmessungen in einem Bereich von etwa λ ≈ 0,7 und größer (bis reine Luft) geeignet. Damit können Breitbandlambdasonden auch einer Luftzahlregelung von Heizgeräten mit einer Soll-Luftzahl im oben genannten überstöchiometrischen Bereich zugrunde gelegt werden. Lambdasonden messen also den im Abgas einer Verbrennung vorliegenden Abgaswert „Luftzahl”, generieren ein der Luftzahl zugeordnetes sensorabhängiges Signal mit einem Abgassignalwert und geben diesen an ein Regelgerät aus. Die Kennlinie ihres Ausgangssignales über der Luftzahl kann in Teilbereichen durch eine Gerade angenähert werden, sie wird vom Hersteller angegeben.
  • Der parabelähnliche Verlauf des Ionisationssignales F über der Luftzahl mit seinem Maximum Fmax bei Luftzahl λ = 1 (vergl. 1) ist dafür verantwortlich, dass leicht über- und unterstöchiometrische (allgemein: nahstöchiometrische) Ionisationssignale aufgrund der nur geringen Abweichung vom Maximum nur schlecht erkannt werden können. Wenn auch das Maximum gut aufzufinden ist, so kann doch eine nahstöchiometrische Luftzahlregelung, beispielsweise auf eine Soll-Luftzahl λSOLL = 1,1, nicht zuverlässig realisiert werden.
  • Die Abgassignale A der Lambdasonde bieten gerade im Bereich der nahstöchiometrischen Verbrennung eine deutlich bessere Auflösung und eignen sich daher besser für die Luftzahlregelung. Allerdings hat die Lambdasonde den Nachteil, dass sich die absoluten Werte ihrer Signale aufgrund von Fertigungseinflüssen oder Alterungserscheinungen etwas verschieben können. Diese Verschiebung betrifft vorrangig einen Offset der Signalwerte, weniger die Steigung eines Signalwerteverlaufs. Dieser Umstand bedingt eine regelmäßige Kalibrierung, Validierung und gegebenenfalls (Neu-)Justierung der Lambdasonde.
  • Unter Kalibrieren versteht man das Feststellen und Quantifizieren einer Messwertabweichung zwischen einem Prüfling (hier zum Beispiel die Lambdasonde mit zugeordneter Messsignalverarbeitung) und einem Normal (Referenz). Beim Validieren wird die Abweichung zwischen Prüfling und Normal bewertet, das kann eine Feststellung darüber sein, ob der Prüfling unverändert für vorzunehmende Messungen verwendet werden kann, nämlich wenn die Messwertabweichung innerhalb einer zulässigen Toleranz liegt, oder ob eine (Neu-)Justierung des Prüflings zu erfolgen hat, wenn die Abweichung also nicht mehr zulässig ist. Justieren bedeutet die Einstellung bzw. Abgleichung des Prüflings oder seiner Anzeige, so dass eine danach festgestellte Messwertabweichung zum Normal wieder innerhalb einer vorgebbaren zulässigen Toleranz liegt. Eine Justierung kann auch auf der Ebene eines auf einer Datenverarbeitungsanlage arbeitenden Messprogramms erfolgen, zum Beispiel durch programminterne Anpassung von Umrechnungsparametern.
  • Ein heute schon bekanntes und durchführbares Verfahren zum Kalibrieren und Validieren einer Lambdasonde besteht darin, bei stöchiometrischer Verbrennung den (gegebenenfalls gewandelten) Signalwert der Lambdasonde (Prüfling) mit dem (gegebenenfalls gewandelten) Signalwert einer Ionisationselektrode (Normal) zu vergleichen und anhand einer vorgebbaren zulässigen Toleranz zu bewerten. Dazu wird ein überstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch bei laufender Messwerterfassung von Lambdasonde (Abgassignal A) und Ionisationselektrode (Flammensignal F) verbrannt und kontinuierlich über der Zeit t mit Brennstoff angereichert (1). Dies kann durch eine Erhöhung der Brennstoffmenge (des Brennstoffmengenstroms) oder eine Reduzierung der Luftmenge (des Luftmengenstroms) erfolgen. Diese Gemischanfettung führt zunächst zu ansteigenden Flammensignalwerten, dann nach Erreichen eines Maximums zu wieder fallenden Flammensignalwerten. Sobald die Flammensignalwerte wieder fallen wird die Gemischanfettung abgebrochen. Anhand des maximalen Flammensignalwerts wird auf stöchiometrische Verbrennungsverhältnisse geschlossen. Der bei Stöchiometrie gemessene Abgassignalwert bzw. ein aus dem Abgassignalwert in einer angeschlossenen Messwertverarbeitung gewandelter Wert wird mit dem entsprechenden Flammensignalwert bzw. einem aus dem Flammensignalwert in einer angeschlossenen Messwertverarbeitung gewandelten Wert verglichen. Die Abweichung wird bewertet (validiert). Abhängig von der Bewertung werden die Lambdasonde und/oder eventuelle Messprogrammparameter entweder unverändert für den nachfolgenden luftzahlgeregelten Feuerungsbetrieb verwendet (freigegeben) oder neu eingestellt (justiert).
  • Nachteilig an dieser Art Kalibrierung und Validierung der Lambdasonde ist neben dem aufwändigen Kalibrierzyklus insbesondere das Anfahren des stöchiometrischen Betriebspunktes. Die Flammen einer stöchiometrischen Verbrennung sind in der Regel kurz, sitzen auf einer Austrittsoberfläche (zum Beispiel Lochblech, Metallgewebe, oder ähnliches) des Brenners auf und überhitzen diese somit. Die Überhitzung kann zu einer Überschreitung maximal zulässiger Austrittsoberflächentemperaturen und zu einer Lebensdauerverkürzung des Brenners führen. Ferner sind die Kohlenmonoxidemissionen sehr hoch, da ein Brennstoff-Luft-Gemisch nie ganz homogen ist. Neben Bereichen überstöchiometrischer Gemischzusammensetzung liegen auch unterstöchiometrische Bereiche vor, wobei in letzteren aufgrund des lokalen Luftmangels nur eine unvollständige Oxidation erfolgt und verstärkt Kohlenmonoxid produziert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Kalibrierung, Validierung und Justierung einer Lambdasonde zu schaffen, die die Nachteile im Stand der Technik überwinden und insbesondere ohne Anfahren des stöchiometrischen Referenzbetriebspunktes zu hinreichend belastbaren Ergebnissen hinsichtlich einer Bewertung und gegebenenfalls (Neu-)Justierung der Lambdasondenfunktion führen.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 9, 10, 11 und 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde mittels einer Ionisationselektrode bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs stützt sich auf eine Lambdasonde, die Abgaswerte (z. B. die Luftzahl λ) der Verbrennung misst und zugeordnete Abgassignalwerte Ai, die einer Luftzahlregelung dienen, an ein Regelgerät ausgibt. Als Referenz (Normal) stützt sich das Verfahren auf eine Ionisationselektrode, die Flammenwerte der Verbrennung misst und zugeordnete Flammensignalwerte Fi, die der Validierung der Lambdasonde dienen, an das Regelgerät ausgibt. Ein Kalibrierzyklus beginnt bei überstöchiometrischer Gemischzusammensetzung und umfasst eine vorübergehende Veränderung der Gemischzusammensetzung. Kennzeichnend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass während des Kalibrierzyklus, also bei Veränderung der Zusammensetzung des überstöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemischs, aus den erfassten Signalwerten Ai und Fi mindestens ein Kalibrierpunkt (KA*, KF*) und/oder mindestens ein Signalwerteverlauf (A*, F*), die den Bereich der überstöchiometrischen und/oder der stöchiometrischen Verbrennung beschreiben, vorausberechnet werden. Dies kann beispielsweise durch vorausschauende Fortschreibung eines erkannten Trends der Signalwerte Ai und Fi bis zu einer Referenzbedingung erfolgen, ohne dass der Kalibrierzyklus tatsächlich bis zu dieser Referenzbedingung vorangetrieben werden müsste. Referenzbedingung kann beispielsweise die stöchiometrische Verbrennung sein. Aus den messtechnisch erfassten Signalwerten Ai und Fi lässt sich bei geeigneter Auswertung deren Wert oder ein zugeordneter, daraus abgeleiteter Wert unter Referenzbedingung im Voraus erkennen. Anhand des mindestens einen Kalibrierpunkts (KA*, KF*) und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufs (A*, F*) wird eine Validierung der Lambdasonde durchgeführt, indem eine vorausberechnete Abweichung von einem Referenzwert bewertet wird. Bei positiver Validierung, wenn also die vorausberechnete Abweichung als hinreichend gut bewertet wird, wird die Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung freigegeben, d. h. dass die Lambdasonde im vorliegenden Zustand zur Anwendung kommt. Bei negativer Validierung muss die Lambdasonde zunächst neu justiert werden.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorübergehende Veränderung der Gemischzusammensetzung während des Kalibrierzyklus eine Anreicherung oder Anfettung des Brennstoff-Luft-Gemischs mit Brennstoff umfasst. Dies kann durch eine Erhöhung der Brennstoffmenge oder durch eine Verringerung der Luftmenge geschehen. Eine mögliche Umsetzung wäre durch eine zeitlich konstante Drehzahlverringerung eines die Verbrennungsluft förderndes Gebläse bei unveränderter Brennstoffmenge (Brennstoffmengenstrom) gegeben.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffgehalt während der Anreicherung des Brennstoff-Luft-Gemischs kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich und gleichmäßig über der Zeit erhöht wird, zum Beispiel so, dass eine Steigung einer zeitabhängigen Luftzahlfunktion λ(t) während der Anfettung konstant ist. Das bedeutet graphisch, dass sich eine Zeitachse linear auf eine Luftzahlachse abbilden lässt. Die Signalwerterfassung kann ebenfalls in gleichbleibender Frequenz erfolgen.
  • Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der mindestens eine Kalibrierpunkt (KA*, KF*) ein vorausberechneter Abgassignalwert Ast* und/oder Flammensignalwert Fst*, wie sie voraussichtlich bei stöchiometrischer Verbrennung vorliegen würden. Für die Validierung der Lambdasonde kann dann beispielsweise der vorausberechnete Abgassignalwert Ast* mit einem laut einer vorliegenden Herstellerangabe erwarteten Abgassignalwert Ast verglichen werden. Die Abweichung lässt sich anhand einer vorgebbaren zulässigen Abgassignaltoleranz EA bewerten (validieren).
  • Nach einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens ist der mindestens eine Kalibrierpunkt (KA*, KF*) ein vorausberechneter Zeitpunkt (tA*, tF*), bei dem voraussichtlich eine stöchiometrische Verbrennung vorliegen würde. Für die Validierung der Lambdasonde kann dann beispielsweise der vorausberechnete Zeitpunkt tA* mit dem vorausberechneten Zeitpunkt tF* verglichen werden. Die Abweichung lässt sich anhand einer vorgebbaren zulässigen Zeittoleranz Et bewerten.
  • Eine besonders geeignete Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorausberechnung des mindestens einen Kalibrierpunktes (KA*, KF*) und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufes (A*, F*) die Bildung einer die zeitliche Änderung des Flammensignalwerteverlaufs F* beschreibenden Differentialgleichung oder Differenzengleichung D* umfasst, das entspricht also der ersten Ableitung des Flammensignalwerteverlaufs F* nach der Zeit. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Flammensignalwerteverlauf einen parabelähnlichen Verlauf über der Luftzahl λ aufweist (Polynom zweiter Ordnung), sein Maximum findet er bei λ = 1. Daraus folgt, dass die Differentialgleichung oder Differenzengleichung D* einen linearen Verlauf aufweist und für stöchiometrische Verbrennungsverhältnisse den Wert Null annimmt, weil sich hier im Maximum Fmax der Werteverlauf nicht ändert. Eine Differentialgleichung lässt sich durch die Ableitung des Flammensignalwerteverlaufs F* erzeugen. Eine Differenzengleichung dagegen stützt sich auf eine Abfolge diskreter Flammensignalwert-Zeitwert-Messpunkte, sie gibt die Steigung der Messpunktverbindungslinien (Sehnen) wieder und kann gegebenenfalls auch abschnittsweise über der Zeit definiert sein.
  • Die Vorausberechnung des mindestens einen Kalibrierpunktes (KA*, KF*) und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufes (A*, F*) stützt sich vorteilhafterweise auf Verfahren der Regressionsanalyse. Mit der nicht-linearen Regression lässt sich aus einer Mehrzahl in etwa parabelförmig verteilter Flammensignalwerte Fi (Punktewolke) ein angenäherter parabelähnlicher Flammensignalwerteverlauf F* bestimmen, daraus dann auch das Maximum Fmax. Mittels der einfacher durchzuführenden linearen Regression oder der Ausgleichungsrechnung (z. B. Methode der kleinsten Fehlerquadrate) kann aus einer Mehrzahl von in etwa linear verteilten „Ableitungspunkten” der Flammensignalwerte Fi (Punktewolke um die Differenzengleichung D*) leicht der Verlauf der Gleichung D* sowie deren Nullpunkt ermittelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Justierung einer Lambdasonde bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemsichs, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Justierung im Anschluss an eine Kalibrierung und Validierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf der Ebene eines Datenverarbeitungsprogramms erfolgt. Es handelt sich also beispielsweise um eine Einstellung der Lambdasonde auf Software-Ebene. Sie umfasst die Berechnung und Vorgabe mindestens eines Parameters P (beispielsweise eines Justierungsparameters), der in einem der Justierung nachfolgenden luftzahlgeregelten Verbrennungsbetrieb einer programminternen Verarbeitung, also einer Wandlung, Umrechnung, Bewertung und/oder Skalierung der Abgassignalwerte Ai der Lambdasonde zugrunde gelegt wird. Auf diese Weise müssen weder die Lambdasonde noch Lambdasondenkomponenten verändert werden.
  • Eine geeignete Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter P aus einem zwischen einer ersten Lamdasondenkennlinie und einer während des Kalibrierzyklus ermittelten zweiten Lambdasondenkennlinie bestehenden Offset ermittelt wird. Die erste Kennlinie kann beispielsweise eine vom Hersteller angegebene Abgassignalkennlinie A sein. Die zweite Kennlinie kann beispielsweise der wie vorstehend beschrieben vorausberechnete Abgassignalwerteverlauf A* sein. Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Lambdakennlinie A zwar verschieben kann, dass es sich bei der Verschiebung aber vorrangig um einen Offset (Parallelverschiebung) der Kennlinie handelt und weniger um eine Änderung der Kennliniensteigung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs gründet sich auf eine in einem Abgaseinflussbereich angeordnete Lambdasonde, die Abgaswerte der Verbrennung misst und zugeordnete Abgassignalwerte, die einer Luftzahlregelung zugrunde gelegt werden, ausgibt. Ferner gründet es sich auf eine in einem Flammeneinflussbereich angeordnete Ionisationselektrode, die Flammenwerte der Verbrennung misst und zugeordnete Flammensignalwerte, die einer Justierung der Lambdasonde zugrunde gelegt werden, ausgibt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung, Validierung und/oder Justierung der Lambdasonde mindestens ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angewendet wird.
  • Mit der vorstehend beschriebenen Erfindung ist ein gegenüber dem Stand der Technik zeitlich deutlich verkürztes Verfahren zur Kalibrierung, Validierung und Justierung einer Lambdasonde bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs beschrieben. Das Verfahren bewegt sich im deutlich überstöchiometrischen Bereich. Nahstöchiometrische und unterstöchiometrische Betriebspunkte werden auf überstöchiometrischer Datenbasis vorausschauend extrapoliert, aber nicht mehr angefahren, weshalb Emissionen unverbrannter oder teilverbrannter Gemischbestandteile vermieden und zentrale Brennerkomponenten aufgrund ausbleibender Überhitzung geschont werden.
  • Die Zeichnungen stellen mehrere Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
  • 1 ein nach dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde,
  • 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde,
  • 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde und
  • 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Justierung einer Lambdasonde.
  • 1 zeigt den geradenähnlichen Verlauf des Lambdasonden- oder auch Abgassignales A sowie den parabelähnlichen Verlauf des Ionisationselektroden- oder auch Flammensignales F über der Luftzahl λ, wobei das Flammensignal ein Maximum Fmax bei der Luftzahl λ = 1 aufweist. Ein bekanntes Verfahren zum Kalibrieren und Validieren einer Lambdasonde besteht darin, bei stöchiometrischer Verbrennung den (gegebenenfalls gewandelten) Signalwert Ast der Lambdasonde (Prüfling) mit dem (gegebenenfalls gewandelten) Signalwert Fmax einer Ionisationselektrode (Normal) zu vergleichen und anhand einer vorgebbaren zulässigen Toleranz zu bewerten. Dazu wird ein überstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch bei laufender Messwerterfassung von Lambdasonde (Abgassignal A) und Ionisationselektrode (Flammensignal F) verbrannt und kontinuierlich über der Zeit t mit Brennstoff angereichert. Diese Gemischanfettung führt zunächst zu ansteigenden Flammensignalwerten, dann nach Erreichen eines Maximums zu wieder fallenden Flammensignalwerten. Sobald die Flammensignalwerte wieder fallen wird die Gemischanfettung abgebrochen. Anhand des maximalen Flammensignalwerts Fmax wird auf stöchiometrische Verbrennungsverhältnisse (λst = 1) geschlossen. Der bei Stöchiometrie gemessene Abgassignalwert Ast bzw. ein aus dem Abgassignalwert in einer angeschlossenen Messwertverarbeitung gewandelter Wert wird mit dem entsprechenden Flammensignalwert bzw. einem aus dem Flammensignalwert in einer angeschlossenen Messwertverarbeitung gewandelten Wert verglichen. Die Abweichung wird bewertet (validiert). Abhängig von der Bewertung werden die Lambdasonde und/oder eventuelle Messprogrammparameter entweder unverändert für den nachfolgenden luftzahlgeregelten Feuerungsbetrieb verwendet (freigegeben) oder neu eingestellt (justiert).
  • 2 veranschaulicht ein detailliertes erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde mit einer Ionisationselektrode bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs, gekennzeichnet durch eine Abfolge mehrerer Verfahrensschritte. Zunächst wird bei laufender Verbrennung mit überstöchiometrischer Gemischzusammensetzung (Zeitpunkt t0) der Brennstoffgehalt des Brennstoff-Luft-Gemischs kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich über der Zeit t erhöht (damit lässt sich ein Zeitpfeil t auf der Luftzahlachse λ darstellen, mit umgekehrter Richtung). Dabei werden mehrere Abgassignalwerte Ai der Lambdasonde und Flammensignalwerte Fi der Ionisationselektrode erfasst (hier dargestellt jeweils 6 Messwerte). Aus dem zeitlichen Verlauf der Abgassignalwerte Ai wird eine den Verlauf näherungsweise beschreibende lineare Gleichung A*(t) vorausberechnet (Ausgleichsgerade, lineare Regression; da die Anfettung des Brennstoff-Luft-Gemischs kontinuierlich und gleichmäßig erfolgt, stellen sich die Funktionen A*(t) wie auch A*(λ) als Gerade dar). Aus dem zeitlichen Verlauf der Flammensignalwerte Fi wird eine den parabelähnlichen Verlauf näherungsweise beschreibende quadratische Gleichung F*(t) vorausberechnet. Alternativ oder ergänzend zur Bildung der F*(t)-Gleichung kann eine Differential- oder Differenzengleichung D*(t) gebildet werden, die die zeitliche Änderung des Flammensignalwerteverlaufs F* oder die zeitliche Änderung der Flammensignalwerteabfolge Fi beschreibt (Bildung einer ersten Ableitung nach der Zeit). In Kenntnis des vorausberechneten Flammensignalwerteverlaufs F*(t) und/oder der vorausberechneten Differentialgleichung D*(t) wird nun ein Zeitpunkt tF* vorausberechnet (ohne dass der Kalibrierzyklus bereits bis dahin vorangeschritten wäre), bei dem der Flammensignalwerteverlauf F* und/oder die Gleichung D* eine stöchiometrische Verbrennung (λst = 1) beschreiben, also die Stelle tF*, an der F*(t) den maximalen Flammensignalwert Fmax bzw. an der die erste Ableitung nach der Zeit, Gleichung D*(t), den Wert Null (in Fmax keine F*-Änderung) annimmt. Ebenso wird in Kenntnis des vorausberechneten Abgassignalwerteverlaufs A* ein Zeitpunkt tA* vorausberechnet, bei dem der Abgassignalwerteverlauf A* eine stöchiometrische Verbrennung beschreibt. Dies erfolgt durch Gleichsetzen der A*-Gleichung mit einer Wertangabe Ast des Lambdasondenherstellers zum Ausgangssignal der Sonde bei stöchiometrischer Verbrennung. In 2 wird angenommen, dass Ast = 0 ist, zu erkennen an dem vorausberechneten Zeitpunkt tA* mit A*(tA*) = Ast = 0. Die Grundannahme lautet also, dass die Sonde im tatsächlichen Betrieb eine Herstellerkennlinie wiedergibt. Aufgrund von beispielsweise Alterungserscheinungen kommt es aber zu einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Kennlinie und der Herstellerkennlinie. Diese Abweichung wird daran erkannt, dass die beiden vorausberechneten Zeitpunkte tF* und tA* nicht genau übereinstimmen. Der nächste Schritt, der die Validierung einleitet, besteht in einem Vergleich einer Zeitabweichung Δt* = tF* – tA* zwischen den vorausberechneten Zeitpunkten mit einer vorgebbaren maximal zulässigen Zeittoleranz Et. Eine positive Validierung der Lambdasonde ist nun gegeben, wenn die Zeitabweichung Δt* kleiner oder gleich der Zeittoleranz Et ist. Sie wird gefolgt von einem Abbrechen der Gemischanfettung (Zeitpunkt t1) und Freigabe der Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung im weiteren Feuerungsbetrieb, wobei eine Sollzusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs auf Grundlage von Abgassignalwerten der Lambdasonde eingestellt wird. Eine negative Validierung der Lambdasonde ist dagegen gegeben, wenn die Zeitabweichung Δt* größer als die Zeittoleranz Et ist. Sie wird gefolgt von einem Abbrechen der Erhöhung des Brennstoffgehaltes (Zeitpunkt t1) und Neujustierung der Lambdasonde.
  • 3 veranschaulicht ein weiteres detailliertes erfindungsgemäßes Verfahren, ebenfalls gekennzeichnet durch eine Abfolge mehrerer Verfahrensschritte. Die ersten Verfahrensschritte, von der Anfettung des Brennstoff-Luft-Gemischs, beginnend zum Zeitpunkt t0, bis zur Vorausberechnung des Zeitpunktes tF*, bei dem der Flammensignalwerteverlauf F* und/oder die Gleichung D* eine stöchiometrische Verbrennung beschreiben, stimmen mit dem vorbeschriebenen, in 2 veranschaulichten Verfahren überein. Daran anschließend wird, in Kenntnis der Gleichung für den Abgassignalwerteverlauf A*, ein stöchiometrischer Abgassignalwert A*(tF*) = Ast* vorausberechnet, das ist der vorausberechnete Lambdasonden-Abgassignalwert zum Zeitpunkt des vorausberechneten stöchiometrischen Ionisationselektroden-Flammensignales. Dies erfolgt durch Einsetzen des Zeitwertes tF* in die A*-Gleichung (Substitution der Zeitvariablen tA* durch tF*). Die Grundannahme lautet auch hier wieder, dass die Sonde im tatsächlichen Betrieb eine Herstellerkennlinie wiedergibt. Aufgrund von beispielsweise Alterungserscheinungen kommt es aber zu einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Kennlinie und der Herstellerkennlinie. Diese Abweichung wird daran erkannt, dass der vorausberechnete stöchiometrische Abgassignalwert Ast* und der laut Herstellerangaben erwartete stöchiometrische Abgassignalwert Ast nicht genau übereinstimmen (in 3 wird wieder angenommen, dass Ast = 0 ist). Der nächste Schritt, der die Validierung einleitet, besteht in einem Vergleich einer Abgassignalwertabweichung zwischen dem vorausberechneten Abgassignalwert Ast* und dem Herstellerwert Ast mit einer vorgebbaren maximal zulässigen Abgassignaltoleranz EA. Eine positive Validierung der Lambdasonde ist nun gegeben, wenn die Abgassignalwertabweichung kleiner oder gleich der Abgassignaltoleranz EA ist. Sie wird gefolgt von einem Abbrechen der Gemischanfettung (Zeitpunkt t1) und Freigabe der Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung im weiteren Feuerungsbetrieb, wobei eine Sollzusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs auf Grundlage von Abgassignalwerten der Lambdasonde eingestellt wird. Eine negative Validierung der Lambdasonde ist dagegen gegeben, wenn die Abgassignalwertabweichung größer als die Abgassignaltoleranz EA ist. Sie wird gefolgt von einem Abbrechen der Erhöhung des Brennstoffgehaltes (Zeitpunkt t1) und einer Neujustierung der Lambdasonde.
  • In 4 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Justierung einer Lambdasonde dargestellt. Die Justierung erfolgt demnach auf der Ebene eines Datenverarbeitungsprogramms oder einer Software. Aus den Kennlinien und Werten des Kalibrier- und Validierverfahrens wird ein Parameter berechnet, der für einen der Justierung nachfolgenden luftzahlgeregelten Verbrennungsbetrieb in die Weiterverarbeitung der Messdaten (z. B. Wandlung, Umrechnung, Bewertung und/oder Skalierung der Abgassignalwerte Ai) eingeht. Hier dargestellt ist ein Parameter P, der aus einem Offset, wie er zwischen einer ersten Lamdasondenkennlinie und einer während des Kalibrierzyklus ermittelten zweiten Lambdasondenkennlinie besteht, ermittelt wird. Die erste Kennlinie kann beispielsweise eine vom Hersteller angegebene Abgassignalkennlinie A sein. Die zweite Kennlinie kann beispielsweise der wie vorstehend beschrieben vorausberechnete Abgassignalwerteverlauf A* sein.
  • Bezugszeichenliste
    • A
      Abgassignal allgemein bzw. Herstellerkennlinie
      Ast
      erwarteter stöchiometrischer Abgassignalwert (Referenzwert, beispielsweise Herstellerangabe)
      Ai
      Abgassignalwerte (Messwerte)
      A*, A*(t)
      vorausberechneter Abgassignalwerteverlauf
      Ast*
      vorausberechneter stöchiometrischer Abgassignalwert
      KA*
      vorausberechneter Kalibrierpunkt, allgemein
      Fi
      Flammensignalwerte (Messwerte)
      F*, F*(t)
      vorausberechneter Signalwerteverlauf
      Fmax
      maximaler Flammensignalwert (stöchiometrische Verbrennung)
      Fst*
      vorausberechneter stöchiometrischer Flammensignalwert
      KF*
      vorausberechneter Kalibrierpunkt allgemein
      D*, D*(t)
      vorausberechnete Differential- bzw. Differenzengleichung
      t0
      Startpunkt des Kalibrier- und Validierzyklus
      t1
      Endpunkt des Kalibrier- und Validierzyklus
      tF*
      vorausberechneter Zeitpunkt, bei dem F*(t) u/o D*(t) eine stöchiometrische Verbrennung beschreiben
      tA*
      vorausberechneter Zeitpunkt, bei dem A*(t) eine stöchiometrische Verbrennung beschreibt
      Et
      vorgebbare maximal zulässige Zeittoleranz
      EA
      vorgebbare maximal zulässige Abgassignaltoleranz
      Ast
      Luftzahl bei stöchiometrischer Verbrennung (λst = 1)

Claims (13)

  1. Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde mit einer Ionisationselektrode bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs, wobei die Lambdasonde Abgaswerte der Verbrennung misst und zugeordnete Abgassignalwerte Ai, die einer Luftzahlregelung dienen, an ein Regelgerät ausgibt, wobei die Ionisationselektrode Flammenwerte der Verbrennung misst und zugeordnete Flammensignalwerte Fi, die der Validierung der Lambdasonde dienen, an ein Regelgerät ausgibt, und wobei in einem Kalibrierzyklus, beginnend bei überstöchiometrischer Gemischzusammensetzung, eine vorübergehende Veränderung der Gemischzusammensetzung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, • dass während des Kalibrierzyklus bei Veränderung der Zusammensetzung des überstöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemischs aus erfassten Signalwerten (Ai, Fi) mindestens ein Kalibrierpunkt (KA*, KF*) und/oder mindestens ein Signalwerteverlauf (A*, F*), die den Bereich der überstöchiometrischen Verbrennung und/oder den Bereich der stöchiometrischen Verbrennung beschreiben, vorausberechnet werden, und • dass anhand des mindestens einen Kalibrierpunkts (KA*, KF*) und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufs (A*, F*) eine Validierung der Lambdasonde durchgeführt wird, indem eine Abweichung von einem Referenzwert bewertet wird, und dass bei positiver Validierung die Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung freigegeben wird, und bei negativer Validierung die Lambdasonde neu justiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorübergehende Veränderung der Gemischzusammensetzung eine Anreicherung des Brennstoff-Luft-Gemischs mit Brennstoff umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffgehalt während der Anreicherung des Brennstoff-Luft-Gemischs kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich und gleichmäßig über der Zeit erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kalibrierpunkt (KA*, KF*) einen vorausberechneten Abgassignalwert Ast* und/oder Flammensignalwert Fst* beschreibt, die voraussichtlich bei stöchiometrischer Verbrennung vorliegen.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kalibrierpunkt (KA*, KF*) einen vorausberechneten Zeitpunkt (tA*, tF*) beschreibt, bei dem voraussichtlich eine stöchiometrische Verbrennung vorliegt.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorausberechnung des mindestens einen Kalibrierpunktes (KA*, KF*) und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufes (A*, F*) die Bildung einer die zeitliche Änderung des Flammensignalwerteverlaufs F* beschreibenden Differentialgleichung oder Differenzengleichung D* umfasst, wobei die Differentialgleichung oder Differenzengleichung D* für stöchiometrische Verbrennungsverhältnisse den Wert Null annimmt.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorausberechnung des mindestens einen Kalibrierpunktes (KA*, KF*) und/oder des mindestens einen Signalwerteverlaufes (A*, F*) auf ein statistisches Verfahren stützt.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Validierung der Lambdasonde auf einen anhand einer vorgebbaren zulässigen Toleranz bewerteten Vergleich der Kalibrierpunkte (KA*, KF*) stützt.
  9. Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde mit einer Ionisationselektrode bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a. kontinuierliches oder quasi-kontinuierliches Erhöhen des Brennstoffgehalts des Brennstoff-Luft-Gemischs über der Zeit bei überstöchiometrischer Gemischzusammensetzung, b. Erfassen von Abgassignalwerten Ai der Lambdasonde und von Flammensignalwerten Fi der Ionisationselektrode, c. Bildung einer den zeitlichen Verlauf der Abgassignalwerte Ai näherungsweise beschreibenden Gleichung A*, d. Bildung einer den zeitlichen Verlauf der Flammensignalwerte Fi näherungsweise beschreibenden Gleichung F*, e. alternativ oder ergänzend zu Schritt d Bildung einer die zeitliche Änderung des Flammensignalwerteverlaufs F* oder die zeitliche Änderung der Flammensignalwerteabfolge Fi beschreibenden Gleichung D*, f. Vorausberechnen eines Zeitpunktes tF*, bei dem der Flammensignalwerteverlauf F* und/oder die Gleichung D* eine stöchiometrische Verbrennung beschreiben, g. Vorausberechnen eines Zeitpunktes tA*, bei dem der Abgassignalwerteverlauf A* eine stöchiometrische Verbrennung beschreibt, h. Vergleich einer Zeitabweichung Δt* zwischen den Zeitpunkten mit einer vorgebbaren zulässigen Zeittoleranz Et, wobei i. bei einer Zeitabweichung Δt* kleiner oder gleich der Zeittoleranz Et Abbrechen der Erhöhung des Brennstoffgehaltes und Freigabe der Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung, j. bei einer Zeitabweichung Δt* größer der Zeittoleranz Et Abbrechen der Erhöhung des Brennstoffgehaltes und Neujustierung der Lambdasonde.
  10. Verfahren zur Kalibrierung und Validierung einer Lambdasonde mit einer Ionisationselektrode bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a bis f nach Anspruch 9 sowie den weiteren Verfahrensschritten g. Vorausberechnen eines stöchiometrischen Abgassignalwertes Ast* zum Zeitpunkt tF*, h. Vergleich einer Abgassignalwertabweichung des Abgassignalwertes Ast* von einem Referenzwert Ast mit einer vorgebbaren zulässigen Abgassignaltoleranz EA, wobei i. bei einer Abgassignalwertabweichung kleiner oder gleich der Abgassignaltoleranz EA Abbrechen der Erhöhung des Brennstoffgehaltes und Freigabe der Lambdasonde für die luftzahlgeregelte Verbrennung, j. bei einer Abgassignalwertabweichung größer der Abgassignaltoleranz EA Abbrechen der Erhöhung des Brennstoffgehaltes und Justierung der Lambdasonde.
  11. Verfahren zur Justierung einer Lambdasonde bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemsichs, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierung im Anschluss an eine Kalibrierung und Validierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf der Ebene eines Datenverarbeitungsprogramms erfolgt sowie die Berechnung und Vorgabe mindestens eines Parameters umfasst, der in einem der Justierung nachfolgenden luftzahlgeregelten Verbrennungsbetrieb einer programminternen Verarbeitung der Abgassignalwerte Ai der Lambdasonde zugrunde gelegt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter aus einem zwischen einer ersten Lamdasondenkennlinie und einer während des Kalibrierzyklus ermittelten zweiten Lambdasondenkennlinie bestehenden Offset ermittelt wird.
  13. Verfahren zur luftzahlgeregelten Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs, mit einer in einem Abgaseinflussbereich angeordneten Lambdasonde, die Abgaswerte misst und zugeordnete Abgassignalwerte, die einer Luftzahlregelung zugrunde gelegt werden, ausgibt, mit einer in einem Flammeneinflussbereich angeordneten Ionisationselektrode, die Flammenwerte misst und zugeordnete Flammensignalwerte, die einer Justierung der Lambdasonde zugrunde gelegt werden, ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung, Validierung und/oder Justierung der Lambdasonde mindestens ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angewendet wird.
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