DE102011102575A1 - Method for calibrating air ratio regulation of burner with modulated burner output, involves adjusting blower to predetermined calibration speed, where calibration flow rate of air or fuel or fuel-air-mixture is determined - Google Patents

Method for calibrating air ratio regulation of burner with modulated burner output, involves adjusting blower to predetermined calibration speed, where calibration flow rate of air or fuel or fuel-air-mixture is determined Download PDF

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Abstract

The method involves adjusting the blower to a predetermined calibration speed. The calibration flow rate of air or fuel or fuel-air-mixture is determined. The calibration flow rate represents the burner output. A calibration curve is derived based on a pair of values of calibration speed-calibration flow rate. The calibration curve detects variable operating conditions or boundary conditions and describes a correlation of speed and flow rate or burner output in entire speed range.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer nach dem Flammenionisationsprinzip arbeitenden Luftzahlregelung eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum luftzahlgeregelten Betreiben eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.The invention relates to a method for calibrating an operating according to the Flammenionisationsprinzip air ratio control of a combustible fuel-air mixture burner with modulable burner power according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for air-controlled operation of a combustible fuel-air mixture burner with modulable burner power according to the preamble of patent claim 2.

Solche Brenner sind häufig in Heizgeräten oder Heizkesseln eingebaut und dienen beispielsweise der Wärmeerzeugung zur Wohnraumbeheizung und Trinkwarmwasserbereitung. In der Regel fördert und moduliert ein z. B. Drehzahl-variables Gebläse (Drehzahl n) einen Verbrennungsluftstrom, ferner fördert und moduliert ein z. B. elektronisches Brennstoffregelventil einen Brennstoffstrom. In einer Mischvorrichtung werden Verbrennungsluft und Brennstoff zusammengeführt und zu einem homogenen Brennstoff-Luft-Gemischstrom aufbereitet. An einer Brennermündung, z. B. eine ebene Brenneraustrittsfläche, tritt der Brennstoff-Luft-Gemischstrom aus dem Brenner aus, wird gezündet und verbrennt unter Wärmeentwicklung (Brennerleistung Q). Eine Mess- oder Detektionseinrichtung, beispielsweise eine Ionisationselektrode, erfasst einen Verbrennungswert der Gemischverbrennung, zum Beispiel ein aufgrund einer an einer Brennerflamme angelegten Spannung entstehendes Ionisationssignal I. Ein Regelgerät beeinflusst die Zufuhr von Verbrennungsluft und/oder Brennstoff bzw. verändert eine Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs aufgrund von Betriebsdaten und/oder Sollvorgaben. In der Regel geben die heißen Verbrennungsgase des verbrennenden Brennstoff-Luft-Gemischs ihre Wärme in einem Wärmetauscher an ein Nutzfluid (Heizungswasser, Trinkwasser) ab und verlassen das Heizgerät als Abgas über die Abgasanlage in die Umwelt.Such burners are often installed in heaters or boilers and serve, for example, the heat generation for domestic heating and domestic hot water. In general, promotes and modulates a z. B. speed-variable blower (speed n) a combustion air flow, further promotes and modulates a z. B. electronic fuel control valve a fuel flow. In a mixing device, combustion air and fuel are combined and processed to a homogeneous fuel-air mixture stream. At a burner mouth, z. B. a flat burner exit surface, the fuel-air mixture stream from the burner exits, is ignited and burns with heat (burner power Q). A measuring or detection device, for example an ionization electrode, detects a combustion value of the mixture combustion, for example an ionization signal I resulting from a voltage applied to a burner flame. A regulating device influences the supply of combustion air and / or fuel or alters a composition of the fuel-air Mixture due to operating data and / or target specifications. In general, the hot combustion gases of the combusting fuel-air mixture from their heat in a heat exchanger to a Nutzfluid (heating water, drinking water) from and leave the heater as exhaust gas through the exhaust system into the environment.

Bei der Brennerkonstruktion und dem Brennerbetrieb besteht eine wichtige Anforderung, dass nämlich die Flamme stabil bleibt. Das bedeutet, dass die Flamme weder in die Brennermündung zurückschlägt bzw. auf einer Brenneroberfläche aufsitzt noch von der Brennermündung abhebt bzw. verlöscht. Beides wären gefährliche Zustände mit dem potentiellen Risiko der Verpuffung, Bauteilschädigung oder sonstigen Störung. Flammen eines mageren Brennstoff-Luft-Gemischs neigen zum Abheben, Flammen eines fetten Gemisches neigen zum Rückschlagen.In the burner design and the burner operation, there is an important requirement that the flame remains stable. This means that the flame neither strikes back into the burner mouth or sits on a burner surface still lifts or extinguished from the burner mouth. Both would be dangerous conditions with the potential risk of deflagration, component damage or other disruption. Flames of a lean fuel-air mixture tend to lift off, flames of a rich mixture tend to blow back.

Das Mengenverhältnis von Brennstoff zu Verbrennungsluft ist also von großer Bedeutung für einen störungsfreien, aber auch für einen effizienten Brennerbetrieb. Im Hinblick auf eine optimierte Verbrennung mit stabiler Flamme, minimalem Schadstoffausstoß und hohem feuerungstechnischen Wirkungsgrad auch bei veränderlichen Randbedingungen (Brennstoffzusammensetzung, Strömungswiderstand im Luft-, Brennstoff-, Gemisch- oder Abgasweg, Gegendruck auf die Abgasanlage, u. a.) werden moderne Brenner mit luftzahlgeregelter Verbrennung betrieben, wobei ein Brennstoff-Luft-Gemisch gewünschter Zusammensetzung in der Regel im mageren Bereich mit beispielsweise 20% Luftüberschuss gegenüber einem stöchiometrischen Gemisch liegt, also z. B. eine Luftzahl λ = λSOLL = 1,2 aufweist.The ratio of fuel to combustion air is therefore of great importance for a trouble-free, but also for an efficient burner operation. With regard to optimized combustion with a stable flame, minimal emissions and high combustion efficiency even with variable boundary conditions (fuel composition, flow resistance in the air, fuel, mixture or exhaust path, back pressure on the exhaust system, etc.) modern burners are operated with air-controlled combustion , wherein a fuel-air mixture desired composition is usually in the lean range with, for example, 20% excess air over a stoichiometric mixture, ie z. B. an air ratio λ = λ SOLL = 1.2 has.

Die Luftzahlregelung basiert häufig auf einem Signal (Wert) aus der Verbrennung, dem sogenannten Ionisationssignal I. Eine geeignete Ionisationsauswerteschaltung – zum Beispiel die unter dem Namen SCOT (System Control Technology) bekannte, in der DE 44 33 425 C2 offenbarte Schaltung – macht sich den Umstand zunutze, dass Flammen bei Anlegen einer elektrischen Spannung Strom leiten. Als Sensor wird meist eine in den Flammenbereich reichende Ionisationselektrode verwendet. Der Wert des Ionisationssignales I zeigt eine klare Abhängigkeit von der Luftzahl λ des Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Signalmaximum IMAX bei der Luftzahl λ = λSTÖCH = 1,0 (stöchiometrische Reaktion). Um eine Verbrennung bei gewünschter Gemischzusammensetzung bei z. B. Luftzahl λSOLL = 1,2 durchzuführen, wird ein entsprechendes Soll-Ionisationssignal ISOLL vorgegeben, auf den das Ist-Ionisationssignal eingestellt (geregelt) wird. Neben der Luftzahlabhängigkeit unterliegt das Ionisationssignal I auch einer Abhängigkeit von der Brennerleistung Q, die sich je nach konstruktiver Brennergestaltung anders darstellt. Daher gibt eine gute Luftzahlregelung der Verbrennung im leistungsmodulierenden Brennerbetrieb nicht ein konstantes Soll-Ionisationssignal ISOLL für den gesamten Modulationsbereich vor, sondern eine Soll-Ionisationssignalkurve mit leistungsabhängig verschiedenen Soll-Ionisationssignalen: ISOLL = f(Q) wobei f(Q) die funktionale Abhängigkeit des Soll-Ionisationssignales ISOLL von der Brennerleistung Q bedeutet und für jeden Brennertyp einmal definiert werden muss.The Luftzahlregelung often based on a signal (value) from the combustion, the so-called Ionisationssignal I. A suitable Ionisationsauswerteschaltung - for example, the well-known under the name SCOT (System Control Technology), in the DE 44 33 425 C2 disclosed circuit - makes use of the fact that flames conduct electricity when an electrical voltage is applied. The sensor used is usually an ionization electrode extending into the flame region. The value of the ionization signal I shows a clear dependence on the air ratio λ of the fuel-air mixture with a signal maximum I MAX at the air ratio λ = λ STÖCH = 1.0 (stoichiometric reaction). To a combustion at the desired mixture composition at z. B. Luftzahl λ SOLL = 1.2 to perform, a corresponding desired ionization signal I SOLL is specified, to which the actual ionization signal is set (regulated). In addition to the Luftzahlabhängigkeit the ionization signal I is also subject to the burner power Q, which is different depending on the design of the burner design. Therefore, a good air ratio control of the combustion in the power-modulating burner operation does not provide a constant nominal ionization signal I SOLL for the entire modulation range, but a desired ionization signal curve with power-dependent different nominal ionization signals: I SOLL = f (Q) where f (Q) means the functional dependence of the nominal ionisation signal I SOLL on the burner power Q and has to be defined once for each burner type.

Heute werden bevorzugt Brenner mit großen Leistungsmodulationsbereichen verwendet, die ganz unterschiedliche Wärmeanforderungen bedienen können, wie sie zum Beispiel aus der Wohnraumbeheizung bei verschiedenen Außentemperaturen oder aus der Trinkwarmwasserbereitung für kleine und große Zapfmengen entstehen. Gesucht sind solche Brenner, die bis hinunter zu niedrigen Wärmeanforderungen in einem niedrig modulierenden Dauerbetrieb und ohne Ein- und Austaktungen arbeiten können. Mit größer werdendem Leistungsmodulationsbereich gewinnt aber die Abhängigkeit des Ionisationssignales I von der Brennerleistung Q zunehmend an Bedeutung.Today, preference is given to using burners with large power modulation ranges, which can serve very different heat requirements, such as those arising from domestic heating at different outside temperatures or from domestic hot water production for small and large dispensing volumes. We are looking for burners that can work right down to low heat requirements in a low-modulating continuous operation and without clocking in and out. With growing Power modulation range wins but the dependence of the ionization signal I of the burner power Q increasingly important.

Eine Möglichkeit, die Brennerleistungsabhängigkeit des Ionisationssignales zu berücksichtigen und so den Brenner in einem weiteren Leistungsmodulationsbereich betreiben zu können, bestünde darin, der Heizgeräteregelung eine Kennlinie vorzugeben, die jeder Brennerleistung Q ein Soll-Ionisationssignal ISOLL zuordnet. Damit ließe sich bei jeder Brennerleistung Q ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit gewünschter Zusammensetzung (zum Beispiel Soll-Luftzahl λSOLL = 1,20) einstellen. Zur Durchführung dieses Verfahrens wäre es erforderlich, die Brennerleistung Q sicher und genau zu bestimmen.One way of being able to take account of the burner power dependency of the ionization signal and thus of operating the burner in a further power modulation range would be to predefine the heater control with a characteristic curve which assigns a nominal ionization signal I SOLL to each burner power Q. This would allow a fuel-air mixture with desired composition (for example, nominal air ratio λ SOLL = 1.20) to be set at each burner output Q. To carry out this method, it would be necessary to determine the burner power Q safely and accurately.

Eine schnelle, einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Bestimmung eines die aktuelle Brennerleistung Q repräsentierenden Wertes besteht in der Erfassung der Größe des Verbrennungsluftstromes V auf Basis der Gebläsedrehzahl n, offenbart zum Beispiel in der DE 198 53 567 A1 . Die hierfür herangezogene Beziehung ist die angenommene Proportionalität zwischen Gebläsedrehzahl n und gefördertem Verbrennungsluftstrom V einerseits sowie zwischen Verbrennungsluftstrom V und Brennerleistung Q andererseits. Die Soll-Ionisationssignale ISOLL lassen sich dann in Abhängigkeit der Gebläsedrehzahl n bestimmen: ISOLL ≈ g(n) wobei g(n) die funktionale Abhängigkeit des Soll-Ionisationssignales ISOLL von der die Brennerleistung Q repräsentierenden Drehzahl n bedeutet.A fast, simple and cost-effective way to determine a current burner power Q representing value consists in the detection of the size of the combustion air flow V on the basis of the fan speed n, disclosed for example in the DE 198 53 567 A1 , The relationship used for this purpose is the assumed proportionality between the fan speed n and the delivered combustion air flow V, on the one hand, and between the combustion air flow V and the burner power Q, on the other hand. The desired ionization signals I SOLL can then be determined as a function of the fan speed n: I SHOULD ≈ g (n) where g (n) means the functional dependence of the nominal ionization signal I SOLL of the burner power Q representing speed n.

Ungenau ist diese Vorgehensweise unter anderem wegen der am Gebläse wirksamen veränderlichen Strömungswiderstände, beispielsweise bei von Heizungsanlage zu Heizungsanlage verschiedenen Abgasrohrlängen, -querschnitten, variierender Anzahl an Rohrbögen, variierenden Oberflächenrauhigkeiten, eventuellen Querschnittsverengungen zum Beispiel aufgrund von Kondensatanfall, Verschmutzung oder durch Fremdkörper sowie durch Windeinfluss, geodätischer Aufstellhöhe, und anderem mehr, Unter dem Einfluss dieser und anderer Randbedingungen können sich bei unveränderter Gebläsedrehzahl unterschiedlich grolle Luftströme und Brennerleistungen ergeben. Die angenommene Proportionalität zwischen Gebläsedrehzahl n und gefördertem Verbrennungsluftstrom V ist verfälscht, die Ergebnisse sind unbefriedigend und können nicht für eine genaue Bestimmung der Brennerleistung Q herangezogen werden. Eine Luftzahlregelung, die die Soll-Ionisationssignale ISOLL in einfacher Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl n vorgibt, erfüllt nicht die hohen Anforderungen hinsichtlich Flammenstabilität und Schadstoffemission.This approach is inaccurate, inter alia, because of the variable flow resistances which are effective on the fan, for example different exhaust pipe lengths, cross sections, varying number of pipe bends, varying surface roughness, possible cross-sectional constrictions, for example due to condensation, contamination or foreign bodies, as well as wind influence. geodetic elevation, and more, under the influence of these and other conditions may result in different fan speeds and burner performance with unchanged fan speed. The assumed proportionality between the fan speed n and the delivered combustion air flow V is falsified, the results are unsatisfactory and can not be used for an accurate determination of the burner output Q. An air ratio control, which specifies the desired ionization signals I SOLL in simple dependence on the fan speed n, does not meet the high requirements with respect to flame stability and pollutant emission.

Die zum Zeitpunkt der Anmeldung des vorliegenden Patentbegehrens noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2010 026 389 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennung, wobei die momentane Brennerleistung Q durch Bestimmen einer Signallaufzeit im geförderten Verbrennungsluftstrom bzw. Brennstoff-Luft-Gemischstrom abgeschätzt wird. Dieser in jedem angefahrenen Betriebspunkt abgeschätzten Brennerleistung Q kann dann ein Soll-Ionisationssignal entsprechend des oben genannten funktionalen Zusammenhangs ISOLL = f(Q) zugeordnet werden. Damit hält eine Luftzahlregelung, die auf dieser Art der Abschätzung basiert, die Luftzahl-Sollvorgabe deutlich genauer ein als die vorgenannte Lösung, gewährleistet also eine deutlich stabilere Flamme und niedrigere Schadstoffemissionen. Sie kann aber für manche Anwendungen wegen der immer wieder erforderlichen Durchführung der Laufzeitmessung noch zu langsam für einen praktikablen Brennerbetrieb sein. So könnte es zum Beispiel erforderlich sein, die Modulationsgeschwindigkeit (Anpassungsgeschwindigkeit an wechselnde Wärmeanforderungen) eines Brenners zu senken, also die Trägheit zu erhöhen, was einem Komfortgedanken widerspricht.The German patent application still unpublished at the time of filing the present patent application DE 10 2010 026 389 discloses a method for controlling combustion, wherein the instantaneous burner power Q is estimated by determining a signal propagation time in the delivered combustion air stream or fuel-air mixture stream. This burner output Q estimated in each approached operating point can then be assigned a desired ionization signal corresponding to the above-mentioned functional relationship I SOLL = f (Q). Thus, a Luftzahlregelung based on this type of estimation holds the air-fuel target set much more accurate than the aforementioned solution, thus ensuring a much more stable flame and lower pollutant emissions. However, it can still be too slow for a practical burner operation for some applications because of the repeatedly required execution of the transit time measurement. For example, it may be necessary to reduce the modulation speed (adaptation speed to changing heat requirements) of a burner, ie to increase the inertia, which contradicts a concept of comfort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, robuste und schnell funktionierende Verfahren zum Kalibrieren einer Luftzahlregelung eines Brenners sowie zum luftzahlgeregelten Betreiben eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden, unter veränderlichen Randbedingungen arbeitenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung zu schaffen.The invention has for its object to provide robust and fast-acting method for calibrating a Luftzahlregelung a burner and the air-controlled operation of a fuel-air mixture burning, working under varying conditions burners with modulable burner performance.

Unter Kalibrieren wird in diesem Zusammenhang eine Bestimmung einer in einem Brennerbetrieb aktuell vorliegenden Brennerleistung Q und/oder eine an die modulierbare Brennerleistung Q angepasste Vorgabe von Soll-Ionisationssignalen ISOLL verstanden. Dabei ist die der Luftzahlregelung zugrunde gelegte prinzipielle Zuordnung von Soll-Ionisationssignalen ISOLL zur Brennerleistung Q bekannt.Calibration in this context is understood as meaning a determination of a burner output Q currently present in a burner operation and / or a presetting of nominal ionization signals I SOLL adapted to the modulatable burner output Q. In this case, the basis of the air ratio control principle assignment of nominal ionization I SOLL to the burner power Q is known.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This is achieved by the objects with the features of claims 1 and 2 according to the invention. Advantageous developments can be found in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren einer nach dem Flammenionisationsprinzip arbeitenden Luftzahlregelung eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung Q, der in veränderlichen Betriebszuständen und/oder unter veränderlichen Randbedingungen betrieben wird, wobei die Luftzahlregelung jeder Drehzahl n in einem dem Brennerbetrieb zur Verfügung stehenden Drehzahlbereich eines Luft und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch fördernden Gebläses ein Soll-Ionisationssignal ISOLL zuordnet und eine Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs so verändert, dass ein in einer Flamme gemessenes Ist-Ionisationssignal den Wert des Soll-Ionisationssignales ISOLL annimmt, ist gekennzeichnet durch die Schritte

  • A. Einstellen des Gebläses auf mindestens eine vorgebbare Kalibrierdrehzahl nKAL,
  • B. Ermitteln mindestens einer von dem Gebläse bei der Kalibrierdrehzahl nKAL geförderten, die Brennerleistung Q repräsentierenden Kalibrierfördermenge mKAL von Luft und/oder Brennstoff und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch und
  • C. Ableiten einer eine Korrelation von Drehzahl n und Fördermenge m und/oder Drehzahl n und Brennerleistung Q im gesamten Drehzahlbereich beschreibenden, einen aktuellen Betriebszustand und/oder aktuelle Randbedingungen erfassenden Kalibrierkurve auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge nKAL, mKAL, wobei die Kalibrierkurve einem Bestimmen von einem weiteren Brennerbetrieb vorgegebenen Soll-Ionisationssignalen ISOLL dient.
The inventive method for calibrating a working according to the flame ionization principle Luftzahlregelung a fuel-air mixture burning burner with modulable burner power Q, which is operated in variable operating conditions and / or variable boundary conditions, wherein the air ratio control of each speed n in a burner operation available stationary speed range of an air and / or fuel-air mixture-promoting blower assigns a nominal ionization signal I SOLL and a composition of the fuel-air Mixture so changed that an actual ionization signal measured in a flame assumes the value of the nominal ionization signal I SOLL is characterized by the steps
  • A. setting the blower to at least one predefinable calibration speed n KAL,
  • B. determining at least one of the fan at the calibration speed n KAL promoted, the burner power Q representing calibration flow rate m KAL of air and / or fuel and / or fuel-air mixture and
  • C. Deriving a calibration curve describing a correlation of rotational speed n and delivery rate m and / or rotational speed n and burner output Q, a current operating state and / or current boundary conditions, based on the at least one pair of calibration rotational speed calibrating flow rates n KAL, m KAL, wherein the calibration curve is used to determine desired ionization signals I SOLL specified by a further burner operation.

Dieses Verfahren zum Kalibrieren ist schnell und robust, es vereinigt die Vorteile der zuverlässigen Bestimmung eines Brennerleistungswertes Q bzw. eines Fördermengenwertes m mit denen der schnellen Zuordnung von Soll-Ionisationssignalwerten ISOLL zu Gebläsedrehzahlen n. Ein solches Kalibrierverfahren muss nicht in jedem Betriebspunkt ausgeführt werden. Es reicht in der Regel aus, wenn die Kalibrierung in Abständen regelmäßig wiederholt wird, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Zeit, von bestimmten Betriebszuständen oder Randbedingungen, die seitens einer Brennerregelung gemessen, gezählt oder erkannt werden. Dabei reicht es ferner aus, wenn die Kalibrierung an einem Betriebspunkt ausgeführt wird; aus dem Ergebnis wird eine Kalibrierkurve für den gesamten zur Verfügung stehenden Leistungsmodulationsbereich des Brenners abgeleitet. Alternativ und zur Erhöhung der Kurvengüte können der Kalibrierkurve auch zwei oder mehr Kalibrierpunkte zugrunde gelegt werden.This method of calibration is fast and robust, it combines the advantages of reliable determination of a burner power value Q or of a delivery value m with those of rapid assignment of target ionization signal values I SOLL to fan speeds n. Such a calibration method does not have to be performed at every operating point. It is usually sufficient if the calibration is repeated regularly at intervals, for example as a function of time, of certain operating conditions or boundary conditions that are measured, counted or detected by a burner control. It is also sufficient if the calibration is carried out at an operating point; From the result, a calibration curve for the entire available power modulation range of the burner is derived. Alternatively, and to increase the curve quality, the calibration curve can also be based on two or more calibration points.

Die Kalibrierdrehzahl nKAL kann fest vorgegeben, also eine immer gleiche Drehzahl sein. Ebenso ist es aber auch möglich, davon abweichende Drehzahlen als Kalibrierdrehzahl auszuwählen und vorzugeben, beispielsweise in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands oder einer aktuellen Brennerleistung. So können während des normalen Brennerbetriebs spontane Kalibriervorgänge erfolgen. Die Fördermenge mKAL (Luft-, Brennstoff- oder Gemischmenge) kann z. B. nach dem in der Beschreibungseinleitung geschilderten Verfahren gemessen werden, es sind aber auch viele andere aus dem Stand der Technik bekannte Mess- oder Schätzverfahren anwendbar.The calibration speed n KAL can be fixed, ie always the same speed. Likewise, it is also possible to select and specify deviating speeds as the calibration speed, for example as a function of a current operating state or a current burner output. Thus, spontaneous calibration operations can take place during normal burner operation. The flow rate m KAL (air, fuel or mixture amount) can be z. Example, be measured by the method described in the introduction, but there are also many other known from the prior art measuring or estimation method applicable.

Anhand der Messung der Fördermenge mKAL bei Drehzahl nKAL in einem oder mehreren Betriebspunkten wird die Korrelation, also die funktionale Abhängigkeit von Fördermenge m und Drehzahl n bzw. Brennerleistung Q und Drehzahl n erkannt, wie sie sich über den gesamten, zur Verfügung stehenden Drehzahlbereich darstellt. Zur Ableitung kann eine lineare, quadratische oder anders geartete Funktion m(n) bzw. Q(n) gebildet werden, dabei kann auch ein hypothetischer Betriebspunkt wie zum Beispiel ein Wertepaar Fördermenge null bei Drehzahl null berücksichtigt werden. Die Art der Funktion kann fest vorgegeben sein, oder sie wird anhand der zugrunde zu legenden Wertepaare aus einer Gruppe bekannter Funktionsarten ausgewählt. Der Einfluss eines besonderen Betriebszustands oder von veränderlichen Randbedingungen auf die funktionale Abhängigkeit wird durch die Ableitung der Korrelation implizit berücksichtigt und deren Störpotential verliert damit an Bedeutung. Veränderliche Betriebszustände und/oder veränderliche Randbedingungen sind zum Beispiel Kaltstart, Dauerbetrieb, Aufstellhöhe, Gasartenwechsel, Modulationsgeschwindigkeit, veränderliche Strömungswiderstände, Gegendrücke, Windverhältnisse, Drehzahl-Brennerleistung-Korrelationen, etc.Based on the measurement of the flow rate m KAL at speed n KAL in one or more operating points, the correlation, ie the functional dependence of flow rate m and speed n or burner power Q and speed n is detected, as they are over the entire available speed range represents. For the derivation, a linear, quadratic or other type of function m (n) or Q (n) can be formed; in this case, a hypothetical operating point such as, for example, a value pair of delivery rate zero at zero speed can also be taken into account. The type of function may be fixed, or it may be selected based on the underlying value pairs from a group of known types of functions. The influence of a special operating state or variable boundary conditions on the functional dependence is implicitly taken into account by deriving the correlation, and its potential for interference thus loses its significance. Variable operating conditions and / or variable boundary conditions are, for example, cold start, continuous operation, installation altitude, gas type change, modulation speed, variable flow resistance, back pressures, wind conditions, speed-burner power correlations, etc.

Die Kalibrierkurve gibt beispielsweise eine Abhängigkeit der Art ISOLL = gKAL(n) wieder, wobei gKAL(n) die funktionale Abhängigkeit des Soll-Ionisationssignales ISOLL von der die Brennerleistung Q repräsentierenden Drehzahl n bedeutet. Nun ist allerdings die funktionale Abhängigkeit gKAL keine fest vorgegebene, sondern eine an Betriebszustand und/oder Randbedingungen angepasste Funktion. Damit ist die Bestimmung von Soll-Ionisationssignalen ISOLL im leistungsmodulierenden Brennerbetrieb wieder schnell, einfach und kostengünstig. Die hierfür herangezogenen Beziehungen sind die funktionalen Zusammenhänge (z. B. Polynom höherer Ordnung oder Proportionalität) zwischen Gebläsedrehzahl n und gefördertem Verbrennungsluftstrom V einerseits sowie zwischen Verbrennungsluftstrom V und Brennerleistung Q andererseits, deren Beziehung mit messtechnischen Mitteln und gegebenenfalls geeigneten physikalischen und/oder mathematischen Annahmen in regelmäßigen Abständen immer wieder neu bestimmt wird. Die Soll-Ionisationssignale ISOLL lassen sich dann in Abhängigkeit der Gebläsedrehzahl n bestimmen.The calibration curve gives, for example, a dependency of the type I SOLL = g KAL (n) again, where g KAL (n) means the functional dependence of the nominal ionization I SOLL of the burner power Q representing speed n. Now, however, the functional dependency g KAL is not a fixed predetermined, but a function adapted to the operating condition and / or boundary conditions. Thus, the determination of desired ionization I SOLL in power modulating burner operation again fast, easy and inexpensive. The relations used for this purpose are the functional relationships (eg higher-order polynomial or proportionality) between fan speed n and delivered combustion air flow V on the one hand and between combustion air flow V and burner power Q on the other hand, their relationship with metrological means and, if appropriate, appropriate physical and / or mathematical assumptions is determined again and again at regular intervals. The desired ionization signals I SOLL can then be determined as a function of the fan speed n.

Des erfindungsgemäße Verfahren zum luftzahlgeregelten Betreiben eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung Q in veränderlichen Betriebszuständen und/oder unter veränderlichen Randbedingungen, wobei eine Luftzahlregelung jeder Drehzahl n in einem dem Brennerbetrieb zur Verfügung stehenden Drehzahlbereich eines Luft und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch fördernden Gebläses ein Soll-Ionisationssignal ISOLL zuordnet und eine Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs so verändert, dass ein in einer Flamme gemessenes Ist-Ionisationssignal den Wert des Soll-Ionisationssignales ISOLL annimmt, ist gekennzeichnet durch die Schritte

  • A. Einstellen des Gebläses auf mindestens eine vorgebbare Kalibrierdrehzahl nKAL,
  • B. Ermitteln mindestens einer von dem Gebläse bei der Kalibrierdrehzahl nKAL geförderten, die Brennerleistung Q repräsentierenden Kalibrierfördermenge mKAL von Luft und/oder Brennstoff und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch,
  • C. Ableiten einer eine Korrelation von Drehzahl n und Fördermenge m und/oder Brennerleistung Q im gesamten Drehzahlbereich beschreibenden, veränderliche Betriebszustände und/oder Randbedingungen erfassenden Kalibrierkurve auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge nKAL, mKAL,
  • D. Bestimmen und Vorgeben von Soll-Ionisationssignalen ISOLL auf Grundlage der Kalibrierkurve und im weiteren Brennerbetrieb frei wählbaren Brennerleistungen Q zugeordneten Drehzahlen n.
The method according to the invention for the air-controlled operation of a burner burning a fuel-air mixture with modulable burner power Q in variable operating states and / or under variable boundary conditions, wherein an air-fuel ratio control of each rotational speed n is available in a burner operation Speed range of an air and / or fuel-air mixture-promoting blower assigns a target ionization signal I SOLL and changed a composition of the fuel-air mixture so that a measured in a flame actual ionization signal assumes the value of the desired ionization signal I SOLL , is characterized by the steps
  • A. setting the blower to at least one predefinable calibration speed n KAL,
  • B. determining at least one calibration feed amount m KAL of air and / or fuel and / or fuel-air mixture, which is conveyed by the blower at the calibration speed n KAL and represents the burner power Q,
  • C. Deriving a calibration curve which records a correlation of rotational speed n and delivery rate m and / or burner output Q over the entire rotational speed range and detects varying operating conditions and / or boundary conditions on the basis of the at least one pair of calibration rotational speed calibration quantities n KAL, m KAL,
  • D. Determining and Predetermining Set Ionization Signals I SOLL based on the calibration curve and in the further burner operation freely selectable burner power Q associated speeds n.

Auch bei diesem Verfahren lassen sich die aktuellen Soll-Ionisationssignale ISOLL schnell, einfach und robust in Abhängigkeit der aktuellen Gebläsedrehzahl n bestimmen. Die aktuelle, zum Beispiel proportionale Abhängigkeit der Brennerleistung Q von der Drehzahl n ist durch die Verfahrensschritte A, B und C explizit bekannt, wodurch der Störeinfluss, der sich aus den veränderlichen Betriebszuständen und/oder Randbedingungen ergeben könnte, minimiert ist bzw. ausgeschlossen werden kann.In this method as well, the current nominal ionization signals I SOLL can be determined quickly, simply and robustly as a function of the current fan speed n. The current, for example, proportional dependence of the burner power Q of the rotational speed n is explicitly known through the method steps A, B and C, whereby the interference, which could result from the changing operating conditions and / or boundary conditions, is minimized or can be excluded ,

Besonders geeignet ist eine Verfahrensausgestaltung, die auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge nKAL, mKAL aus mehreren bekannten, den Einfluss variierender Randbedingungen berücksichtigenden, in einer Brennerregelung gespeicherten Kalibrierkurven eine im weiteren Brennerbetrieb anzuwendende Kalibrierkurve auswählt und der Luftzahlregelung zugrunde legt. Damit wird bei jedem Kalibriervorgang in Kenntnis eines aktuellen Wertepaares aus einer Schar bekannter Kurven die am besten geeignete Kurve ausgewählt und als aktuell zu verwendende Kalibrierkurve vorgegeben.Particularly suitable is a method embodiment, which selects based on the at least one value pair calibration speed Kalibrierfördermenge n KAL, m KAL from several known, the influence of varying boundary conditions, taking into account a calibration stored in a burner control calibration curve to be applied in the further burner operation and the Luftzahlregelung based. Thus, the most suitable curve is selected in each calibration process in the knowledge of a current value pair from a set of known curves and given as currently used calibration curve.

Alternativ zu der vorgenannten Ausgestaltung ist ein Verfahren, das auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge nKAL, mKAL eine im weiteren Brennerbetrieb anzuwendende, beispielsweise eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von Drehzahl n und Fördermenge m bzw. Brennerleistung Q darstellende Kalibrierkurve berechnet.As an alternative to the aforementioned embodiment, a method which calculates a calibration curve to be used in the further burner operation, for example a linear or quadratic dependence of rotational speed n and delivery rate m or burner output Q, on the basis of the at least one pair of calibration-speed calibration delivery quantities n KAL, m KAL .

Eine vorteilshafte Ausgestaltung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine regelmäßige Überprüfung der aktuellen Kalibrierkurve durch Vergleichen mindestens eines aktuellen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge mit mindestens einem der Kalibrierkurve zugrundeliegenden, früheren Wertepaar und Ermitteln einer neuen Kalibrierkurve, wenn die Differenz zwischen dem aktuellen und dem früheren Wertepaar einen zulässigen Grenzwert überschreitet. Dadurch wird eine neue Kalibrierkurve nur dann ermittelt, wenn dies wirklich erforderlich ist.An advantageous embodiment of the method is characterized by a periodic check of the current calibration curve by comparing at least one current value pair Kalibrierdrehzahl Kalibrierfördermenge with at least one calibration curve underlying, previous pair of values and determining a new calibration curve, if the difference between the current and the previous value pair a permissible Exceeds limit. This will determine a new calibration curve only when really necessary.

Eine weitere vorteilshafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ableitung der Kalibrierkurve neben mindestens einem aktuell ermittelten Wertepaar Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge auch mindestens ein früher ermitteltes Wertepaar und/oder ein Verlauf mindestens einer früher abgeleiteten Kalibrierkurve berücksichtigt werden. Damit wird eine Glättung der Kalibrierergebnisse erreicht und der Einfluss etwaiger Kalibrierfehler wird minimiert.A further advantageous embodiment of the method is characterized in that at least one previously determined value pair and / or a course of at least one previously derived calibration curve are taken into account in the derivation of the calibration curve in addition to at least one currently determined value pair Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge. This achieves a smoothing of the calibration results and minimizes the influence of any calibration errors.

Eine andere vorteilshafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge eine niedrigst zulässige Drehzahl und/oder eine höchst zulässige Drehzahl berechnet wird. Damit wird erreicht, dass unabhängig von den veränderlichen Betriebszuständen und/oder Randbedingungen, also z. B. unabhängig von veränderlichen Strömungswiderständen im Abgasweg, eine minimal zulässige Brennerleistung nicht unterschritten und eine maximal zulässige Brennerleistung nicht überschritten wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die Flamme immer stabil brennt, also nicht vom Brenner abhebt oder in den Brenner zurückschlägt, und dass maximal zulässige Wärmelasten und Bauteiltemperaturen nicht überschritten werden.Another advantageous embodiment of the method is characterized in that based on the at least one value pair calibration speed Kalibrierfördermenge a lowest allowable speed and / or a maximum speed is calculated. This ensures that regardless of the changing operating conditions and / or boundary conditions, ie z. B. regardless of variable flow resistance in the exhaust path, a minimum allowable burner power does not fall below and a maximum allowable burner power is not exceeded. This ensures that the flame always burns stably, ie does not lift off the burner or strike back into the burner, and that the maximum permissible heat loads and component temperatures are not exceeded.

Insgesamt schafft die Erfindung Verfahren zum Kalibrieren und zum Betreiben von luftzahlgeregelten Brennern, mit denen ein schnelles Modulieren der Brennerleistung bei genauer Einhaltung von Soll-Luftzahlen sowohl an den anvisierten Betriebszielpunkten als auch in jedem Betriebspunkt während des Modulationsvorgangs erreicht wird.Overall, the invention provides methods for calibrating and operating air-controlled burners, with which a rapid modulation of the burner performance is achieved with accurate compliance with target air numbers both at the targeted operating targets and at each operating point during the modulation process.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • DE 19853567 A1 [0008] DE 19853567 A1 [0008]
  • DE 102010026389 [0010] DE 102010026389 [0010]

Claims (7)

Verfahren zum Kalibrieren einer nach dem Flammenionisationsprinzip arbeitenden Luftzahlregelung eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung, der in veränderlichen Betriebszuständen und/oder unter veränderlichen Randbedingungen betrieben wird, wobei die Luftzahlregelung • jeder Drehzahl in einem Drehzahlbereich eines Luft und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch fördernden Gebläses ein Soll-Ionisationssignal zuordnet und • eine Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs so verändert, dass ein in einer Flamme gemessenes Ist-Ionisationssignal den Wert des Soll-Ionisationssignales annimmt, gekennzeichnet durch die Schritte A. Einstellen des Gebläses auf mindestens eine vorgebbare Kalibrierdrehzahl, B. Ermitteln mindestens einer von dem Gebläse bei der Kalibrierdrehzahl geförderten, die Brennerleistung repräsentierenden Kalibrierfördermenge von Luft und/oder Brennstoff und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch und C. Ableiten einer eine Korrelation von Drehzahl und Fördermenge und/oder Brennerleistung im gesamten Drehzahlbereich beschreibenden, veränderliche Betriebszustände und/oder Randbedingungen erfassenden Kalibrierkurve auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge, wobei die Kalibrierkurve einem Bestimmen von einem weiteren Brennerbetrieb vorgegebenen Soll-Ionisationssignalen dient.A method for calibrating a working according to the flame ionization principle air number control of a combustible fuel-air mixture burner with modulable burner power, which is operated in variable operating conditions and / or variable boundary conditions, wherein the air ratio control • assigns a nominal ionization signal to each speed in a speed range of an air and / or fuel-air mixture delivering blower; and A composition of the fuel-air mixture is changed so that an actual ionization signal measured in a flame assumes the value of the desired ionization signal, characterized by the steps A. setting the blower to at least one predefinable calibration speed, B. Determining at least one of the fan at the calibration speed promoted, representing the burner capacity Kalibrierfördermenge of air and / or fuel and / or fuel-air mixture and C. deriving a calibration curve which describes a correlation of rotational speed and delivery rate and / or burner output over the entire rotational speed range and which detects changing operating conditions and / or boundary conditions on the basis of the at least one value pair of calibration rotational speed calibration delivery quantity, wherein the calibration curve is used to determine desired ionization signals predetermined by a further burner operation. Verfahren zum luftzahlgeregelten Betreiben eines ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennenden Brenners mit modulierbarer Brennerleistung in veränderlichen Betriebszuständen und/oder unter veränderlichen Randbedingungen, wobei eine Luftzahlregelung • jeder Drehzahl in einem Drehzahlbereich eines Luft und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch fördernden Gebläses ein Soll-Ionisationssignal zuordnet und • eine Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs so verändert, dass ein in einer Flamme gemessenes Ist-Ionisationssignal den Wert des Soll-Ionisationssignales annimmt, gekennzeichnet durch die Schritte A. Einstellen des Gebläses auf mindestens eine vorgebbare Kalibrierdrehzahl, B. Ermitteln mindestens einer von dem Gebläse bei der Kalibrierdrehzahl geförderten, die Brennerleistung repräsentierenden Kalibrierfördermenge von Luft und/oder Brennstoff und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch, C. Ableiten einer eine Korrelation von Drehzahl und Fördermenge und/oder Brennerleistung im gesamten Drehzahlbereich beschreibenden, veränderliche Betriebszustände und/oder Randbedingungen erfassenden Kalibrierkurve auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge, D. Bestimmen und Vorgeben von Soll-Ionisationssignalen auf Grundlage der Kalibrierkurve und im weiteren Brennerbetrieb frei wählbaren Brennerleistungen zugeordneten Drehzahlen.A method for the air-controlled operation of a fuel-air mixture burning burner with modulable burner power in variable operating conditions and / or variable boundary conditions, wherein a Luftzahlregelung • assigns a nominal ionization signal to each speed in a speed range of an air and / or fuel-air mixture delivering blower; and A composition of the fuel-air mixture is changed so that an actual ionization signal measured in a flame assumes the value of the desired ionization signal, characterized by the steps A. setting the blower to at least one predefinable calibration speed, B. Determining at least one calibration delivery amount of air and / or fuel and / or fuel-air mixture delivered by the blower at the calibration speed and representing the burner output, C. deriving a calibration curve which describes a correlation of rotational speed and delivery rate and / or burner output over the entire rotational speed range and which detects changing operating conditions and / or boundary conditions on the basis of the at least one value pair of calibration rotational speed calibration delivery quantity, D. Determining and specifying target ionization signals on the basis of the calibration curve and rotational speeds assigned in the further burner operation to freely selectable burner outputs. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge aus mehreren bekannten, den Einfluss variierender Randbedingungen berücksichtigenden Kalibrierkurven eine im weiteren Brennerbetrieb anzuwendende Kalibrierkurve ausgewählt und der Luftzahlregelung zugrunde gelegt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that on the basis of the at least one value pair calibration speed Kalibrierfördermenge selected from a plurality of known, the influence of varying boundary conditions considering calibration curves to be applied in the further burner operation calibration curve and the air ratio control is based. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge eine im weiteren Brennerbetrieb anzuwendende Kalibrierkurve berechnet und der Luftzahlregelung zugrunde gelegt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that calculated on the basis of the at least one pair of values Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge a to be applied in the further burner operation calibration curve and the Luftzahlregelung is based. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine regelmäßige Überprüfung der Kalibrierkurve durch Vergleichen mindestens eines aktuellen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge mit mindestens einem der Kalibrierkurve zugrundeliegenden, früheren Wertepaar und eine Ermittlung einer neuen Kalibrierkurve, wenn die Differenz zwischen dem aktuellen und dem früheren Wertepaar einen zulässigen Grenzwert überschreitet.Method according to one of the preceding claims, characterized by a periodic check of the calibration curve by comparing at least one current pair of values Kalibrierdrehzahl Kalibrierfördermenge with at least one of the calibration curve underlying, previous value pair and a determination of a new calibration curve if the difference between the current and previous value pairs exceeds an allowable limit. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ableitung der Kalibrierkurve neben mindestens einem aktuell ermittelten Wertepaar Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge auch mindestens ein früher ermitteltes Wertepaar und/oder ein Verlauf mindestens einer früher abgeleiteten Kalibrierkurve berücksichtigt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one previously determined value pair and / or a course of at least one previously derived calibration curve are taken into account in the derivation of the calibration curve in addition to at least one currently determined value pair Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des mindestens einen Wertepaares Kalibrierdrehzahl-Kalibrierfördermenge eine im weiteren Brennerbetrieb anzuwendende niedrigst zulässige Drehzahl und/oder höchst zulässige Drehzahl berechnet und der Luftzahlregelung zugrunde gelegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that on the basis of the at least one pair of values Kalibrierdrehzahl Kalibrierfördermenge a applicable in the further burner operation lowest allowable speed and / or maximum speed calculated and the air ratio control is based.
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