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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Feststoffen in einer Feuerungsanlage zum Verbrennen von Festbrennstoffen, insbesondere von Holz, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei bekannten Holz-Feuerungsanlagen wird die Heizleistung über eine am Ende der Brennkammer angeordnete Lambdasonde gemessen. Sobald die Heizleistung vom Sollwert abweicht, wird die Luftzufuhr in die Brennkammer nachgeregelt. Derartige Reglungen sind sehr ungenau und träge.
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Zur Behebung dieser Nachteile ist in der
WO 96/01394 eine Feuerungsanlage beschrieben, bei der die Verbrennungsintensität der Flamme mittels einer oberhalb der Flamme angebrachten Elektrode ermittelt wird, wobei der durch die Flamme erzeugte Plasmastrom in der Elektrode einen entsprechend starken Stromfluss erzeugt, so dass der an der Elektrode gemessene Strom ein Mass für die Intensität der Flamme darstellt. Eine solche Elektrode kann sehr viel schneller und präziser als eine Lambdasonde die aktuelle Verbrennungsintensität messen, so dass die Flamme schneller und präziser reguliert werden kann, dennoch ist auch diese Regelung noch nicht genau genug und etwas träge.
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Aus der
EP 0 399 994 A2 ist eine Vorrichtung zum Regeln der Sekundärluftzufuhr einer Feuerung mit einer Primärverbrennungsstrecke und einer nachgeordneten Sekundärverbrennungsstrecke bekannt, wobei im Anschluss an die Sekundärluftzufuhr über je eine Messeinrichtung die elektrische Leitfähigkeit der Flamme bzw. der Verbrennungsgase einerseits im Bereich der Primärverbrennungsstrecke und andererseits im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke erfasst wird, wobei dieser gemessene Leitwert im Bereich der Sekundärverbrennungsstrecke einer Regeleinrichtung als Istwert für einen Regelabgleich zugeleitet wird, dessen Sollwert in Abhängigkeit von dem erfassten Leitwert im Bereich der Primärverbrennungsstrecke aus einer abgespeicherten Zuordnung zwischen den Leitwerten und den Sollwerten für die Sekundärverbrennungsstrecke ausgewählt wird. Diese Vorrichtung ist sehr Aufwendig und auch störanfällig. Auch ist diese Vorrichtung nicht präzise genug und etwas träge.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Feuerungsanlage zum Verbrennen von Festbrennstoffen zu schaffen, welches die benötigte Luftmenge präzise und zeitnah ermittelt.
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Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Festbrennstoffen mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein nach dieser technischen Lehre ausgeführtes Verfahren hat den Vorteil, dass die aktuelle Kovarianz in einfacher Weise, sehr zuverlässig und schnell anhand der aktuell zugeführten Luftmenge und der Verbrennungsintensität der Flamme ermittelt werden kann, wodurch eine zeitnahe Regelung der Flamme erreicht wird.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Kovarianz mit handelsüblichen Rechnern ermittelt werden kann, so dass nur geringe Kosten anfallen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der zugeführten Luftmenge ein periodisches Signal aufmoduliert. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Kennlinie der Verbrennung in der Nähe des Maximums nur wenig Steigung aufweist und somit eine Änderung der Luftzufuhr im Maximum der Kennlinie nur eine geringe Änderung der Verbrennungsintensität bewirkt. Folglich kann durch die periodische Variation der Luftmenge, insbesondere bei einem Sinussignal, in einfacher Weise ermittelt werden, ob die Verbrennungsintensität ein Maximum erreicht hat, denn in diesem Fall verändert sich die Verbrennungsintensität bei einem variierenden Luftstrom nur sehr wenig.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter. Es zeigen:
- 1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Feuerungsanlage zum Verbrennen von Festbrennstoffen;
- 2 eine schematisch dargestellte Frontansicht der Feuerungsanlage gemäß 1;
- 3 eine Detailvergrößerung gemäß Linie III in 2;
- 4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Elektrode der Feuerungsanlage gemäß 1;
- 5 in schematischer Darstellung das Verfahren zur Regelung der Verbrennung.
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Die in den 1 bis 5 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feuerungsanlage zum Verbrennen von Festbrennstoffen wird üblicherweise zum Heizen und für die Warmwasserversorgung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern eingesetzt. Diese Feuerungsanlage 10 umfasst ein Gehäuse 12 aus Stahl, in dem eine Brennkammer 14 ausgebildet ist. Die Brennkammer 14 ist mit einer Brennkammerauskleidung 16 aus feuerfesten Schamottsteinen 18 versehen. In den unteren Bereich der Brennkammer 14 mündet eine Festbrennstoffförderanlage 20 und ein Primärluftgebläse 22 derart, dass die vom Primärluftgebläse 22 eingeblasene Luft ein in der Brennkammer ausgebildetes Glutbett 24 einer Flamme 26 mit Verbrennungsluft versorgt. Oberhalb des Primärluftgebläses 22 ist ein Sekundärluftgebläse 28 vorgesehen, welches Verbrennungsluft oberhalb des Glutbettes 24 in die Brennkammer 14 einbläst, um die Flamme 26 mit Verbrennungsluft zu versorgen.
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Oberhalb der Brennkammer 14 ist ein wassergefüllter Wärmetauscher 30 ausgebildet, an dem die heiße, aus der Brennkammer 14 kommende Abluft vorbeigeführt wird. Am Ende der Feuerungsanlage 10 ist ein Abgastemperatursensor 32 angeordnet, der die gemessenen Werte an einen Abgastemperaturregler 34 weitergibt. Der Abgastemperaturregler 34 wertet die gemessenen Temperaturen aus und steuert über einen Einschubmotor 36 die Festbrennstoffförderanlage 20.
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Oberhalb der Flamme 26 ist innerhalb der Brennkammer 14 eine elektrisch leitende Elektrode 38 vorgesehen, die über ein Verbindungskabel 40 mit einer hier nicht näher dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Gleichzeitig ist das Gehäuse 12 der Feuerungsanlage 10 geerdet, sodass bei Beaufschlagung der Elektrode 38 mit einer definierten Spannung zwischen der Elektrode 38 und dem Gehäuse 12 ein elektrostatisches Feld 42 aufgebaut wird, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist. Dieses elektrostatische Feld 42 durchdringt unter anderem die Flamme 26 und das Glutbett 24, aber auch den Rest der Brennkammer 14.
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An der Elektrode 38 sind hier nur schematisch dargestellte Mittel zum Messen des elektrischen Stromes in der Elektrode angebracht, die die gemessenen Werte an eine Auswerteeinheit 44 weitergibt und wobei die Auswerteeinheit 44 nach Auswertung der Messwerte einen Stellmotor 46 antreibt, der wiederum eine Drosselklappe 48 des Sekundärluftgebläses 28 bewegt, sodass die über das Sekundärluftgebläse 28 in die Brennkammer 14 eingeblasene Luft entsprechend dosiert werden kann.
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Die Drosselklappe 48 ist auf einer Welle des Stellmotors 46 gehalten, wobei die Welle des Stellmotors 46 parallel zur Strömungsrichtung der eingeblasenen Luft angeordnet ist, um strömungsbedingte mechanische Rückwirkungen auf den Stellmotor 46 zu reduzieren.
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Zum Betrieb der Feuerungsanlage 10 werden über die Festbrennstoffförderanlage 20 Festbrennstoffe in die Brennkammer 14 geführt, so dass sich am Boden der Brennkammer 14 ein Glutbett 24 ausbildet. Dieses Glutbett 24 wird über Zuluft aus dem Primärluftgebläse 22 angeheizt. Damit stets die korrekte Menge an Festbrennstoffen zur Verfügung steht, wird die Abgastemperatur am Ende des Wärmetauschers 30 über einen Abgastemperatursensor 32 gemessen, wobei der Abgastemperaturregler 34 einen Einsschubmotor 36 entsprechend steuert, sodass die Festbrennstoffförderanlage 20 die angemessene Menge Festbrennstoffe in das Glutbett 24 fördert.
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In der hier dargestellten Feuerungsanlage können neben Holzpellets, Holzhackschnitzeln oder Festholz auch andere Festbrennstoffe verbrannt werden, wie z. B. Kohle, Bioabfälle, nachwachsende Rohstoffe oder dergleichen. Auch ist es möglich, in der Feuerungsanlage lose oder verpresste Sägespäne zu verbrennen.
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Während des Betriebs der Feuerungsanlage 10 wird die Elektrode 38 mit einer Spannung beaufschlagt, sodass sich zwischen der Elektrode 38 und dem geerdeten Gehäuse 12 ein elektrostatisches Feld 42 ausbildet. Dabei beträgt die angelegte Gleichspannung z. B. bei Holzhackschnitzeln 10 Volt, kann aber bei anderen Brennmaterialien auch bis zu 110 Volt betragen. Bei einer Feuerungsanlage mit einer Kesselleistung von 50 kW ist eine Gleichspannung von 100 V vorteilhaft, wobei dann ein Strom von ca. 1 mA fließt.
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In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die angelegte Spannung auch bis zu 1000 V oder mehr betragen. Dabei ist es Vorteilhaft die angelegte Spannung der Größe der Brennkammer anzupassen, um stets eine ausreichende Feldstärke für das elektrostatische Feld zu erzeugen.
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Während der Verbrennung der Festbrennstoffe bildet sich um die Flamme 26 herum Plasma aus, in dem sich mehr oder weniger viele durch die Flamme 26 gebildete freie Ladungsträger befinden. Dabei stellt die Menge der freien Ladungsträger im Plasmastrom ein Grad für die Verbrennungsintensität der Flamme 26 dar. Trifft dieser Plasmastrom auf die Elektrode 38, so fließt in der Elektrode 38 ein elektrischer Strom, der gemessen wird. Dabei unterstützt das elektrostatische Feld 42 die Heranführung des Plasmas an die Elektrode 38.
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Nachdem die stoffliche Zusammensetzung des Brennmaterials bekannt ist und nachdem die an der Elektrode 38 angelegte Spannung bekannt ist, ist der in der Elektrode 38 fließende Strom ein Maß für das Volumen der Flamme 26 bei einer bestimmten Temperatur innerhalb der Brennkammer 14, also ein Maß für die Verbrennungsintensität. Mit diesen Werten kann dann die Auswerteeinheit 44 den Stellmotor 46 und somit die Drosselklappe 48 steuern, um der Flamme 26 über das Sekundärluftgebläse 28 die gewünschte Menge an Verbrennungsluft zuzuführen, sodass sich die Flamme in der gewünschten Weise entwickelt.
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In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann auf die Ausbildung eines elektrostatischen Feldes verzichtet werden, denn durch den Abgasstrom der Flamme 26 wird genügend Plasma an die Elektrode 38 herangeführt, um den durch die freien Ladungsträger erzeugten elektrischen Strom zu messen.
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Ein weiterer Effekt besteht darin, dass die im Plasma befindlichen und durch die Verbrennung entstehenden freien Ladungsträger durch das elektrostatische Feld 42 beschleunigt werden. Diese Beschleunigung setzt bereits mit einer Kleinspannung von 5 Volt in ausreichendem Maße ein. In der hier dargestellten Ausführungsform wird eine Spannung von 100 V angelegt. Auf dem Weg der Ladungsträger von der Flamme 26 hin zur Elektrode 38 schlagen sich die Ladungsträger auf vorhandene Partikel nieder und beschleunigen diese. Dabei werden die mit Kleinstpartikel versehenen Ladungsträger aufgrund der angelegten Spannung von der Elektrode 38 angezogen und schlagen sich an der Elektrode 38 nieder. So bilden diese Ablagerungen auf der Elektrode 38 eine Schutzschicht, die die Elektrode 38 vor Oxidation und damit vor Verschleiß schützt. Analoges geschieht auch an der Gegenelektrode, also am Gehäuse 12, der Feuerungsanlage 10. Somit ist neben der Elektrode 38 auch das Gehäuse 12 vor Oxidation und übermäßigem Verschleiß geschützt.
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Auch lassen sich durch Beaufschlagung mit einer geringen Spannung andere Bauteile, wie zum Beispiel Strömungsleitbleche, vor Korrosion und Verschleiß schützen.
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Durch die starke Erwärmung während der Verbrennungsphase und die entsprechende Abkühlung nach dem Abschalten der Feuerungsanlage 10 entstehen mechanische Spannungen zwischen den Ablagerungen einerseits und der Elektrode 38 bzw. dem Gehäuse 12 andererseits, die bei zunehmender Schichtstärke immer stärker werden und schließlich zum Abblättern der Verschmutzungsschicht führen. Die abgeblätterten Teile können dann im Rahmen einer Reinigung der Brennkammer 14 entsorgt werden.
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Auf diesem Wege wird die Abluft der Flamme 42 von Feinstaub befreit, sodass die im Allgemeinen vorhandenen Filter entweder entbehrlich sind, zumindest aber eine längere Lebensdauer aufweisen.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Elektrode 38 aus einem ca. 7 mm dicken Baustahl gebildet und weist eine im Wesentlichen rechteckige Kontur auf. An ihren Längsrändern 52 ist die Elektrode 38 um ca. 45° gewinkelt ausgeführt, während die Elektrode 38 zwischen den gewinkelten Längsrändern 52 plan- und vollflächig ausgeführt ist.
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Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, wird die Elektrode 38 mit ihren Längsrändern 52 zwischen benachbarte Schamottsteine 18 eingelegt und zwischen diesen klemmend gehalten. Um die Haltekraft vor allem des Schlusssteines 18 zu erhöhen, ist in der hier dargestellten Ausführungsform auf dem Schamottstein 18 noch ein weiterer Beschwerungsstein 54 vorgesehen. Auf diese Weise kann die Elektrode 38 elektrisch isoliert vom Gehäuse 12 der Feuerungsanlage 10 innerhalb der Brennkammer 14 gehalten werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Abstand zwischen der Elektrode 38 und dem Gehäuse 12 der Brennkammer 14 mindestens 5 cm betragen zu lassen, um eine ausreichende elektrische Isolierung zu erreichen. Außerdem wird die Elektrode 38 hierdurch schwimmend von den Schamottsteinen 18 gehalten, so dass eine thermisch bedingte Ausdehnung der Elektrode 38 möglich ist, ohne das die Elektrode 38 oder ein Schamottstein 18 beschädigt wird.
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In einer anderen hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die Elektrode auch 4 mm oder bis zu 10 mm dick sein.
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In noch einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform, kann die Elektrode im Querschnitt auch I-, H-, C- oder U-förmig ausgebildet sein. Auch eignen sich Winkel-, Halb- oder Viertelrohr-Profile sehr gut als Elektrode.
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Die Aufhängung der Elektrode 38 zwischen den Schamottsteinen 18 hat auch den Vorteil, dass sich die Elektrode 38 bei Erwärmung durch die Flamme 26 ausdehnen kann, ohne durch Befestigungspunkte an der Ausdehnung gehindert zu werden. Analoges gilt auch beim Abkühlen der Elektrode 38.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist an ein freies Ende der Elektrode 38 eine Gewindestange 56 angebracht, die das Gehäuse 12 durchdringt. Dabei kann die Gewindestange 56 und damit auch die Elektrode 38 über hier nicht dargestellte Muttern am Gehäuse 12 fixiert werden. Außerhalb der heißen Zone, insbesondere außerhalb des Gehäuses 12 ist an der Gewindestange 56 ein Verbindungskabel 40 angebracht, einerseits um die Elektrode 38 mit Spannung zu beaufschlagen und andererseits um den in der Elektrode 38 fließenden Strom messen zu können. Durch die Fixierung der Elektrode 38 an der Gehäusewand 12 wird erreicht, dass die Elektrode 38 gegen Verschiebung gesichert ist.
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Um den Strom in der Elektrode 38 über einen weiten Bereich präzise messen zu können erfolgt die Messung in 3 Messbereichen, zwischen deren Endausschlag jeweils der Faktor 4 liegt. Dies erleichtert die Bearbeitung im Binärsystem. Bei Verwendung dieser 3 Messbereiche ist eine Abtastrate von 700 Hz bis 1200 Hz, vorteilhafterweise von 960 Hz, geeignet. Dabei wird bei jeder Halbschwingung ein Messwert digital aufgenommen, die gewonnenen Messwerte werden dann digital gemittelt und der gemittelte Wert wird dann zur Auswertung herangezogen.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Abtastrate auch höher oder niedriger sein. Wird der Strom in der Elektrode 38 analog gemessen, so liegt die Abtastrate bei 3 Hz oder weniger. In diesem Fall erfolgt keine Mittelwertbildung mehr.
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In der Auswerteeinheit 44 ist unter anderem ein Mikrocontroller vorgesehen über den die in die Brennkammer 14 zuzuführende Luftmenge reguliert wird. Dabei steuert der Mikrocontroller eine Schrittmotorendstufe, die wiederum direkt auf den Stellmotor 46 wirkt. An der Welle des Stellmotors 46 ist die im Wesentlichen halbkreisförmige Drosselklappe 48 angebracht und wird so direkt vom Stellmotor 46 bewegt. Dabei ist die Welle in Richtung der Strömung der Luft ausgerichtet, um die mechanischen Rückwirkungen auf den Stellmotor zu reduzieren.
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Anhand der Darstellung gemäß 5 wird nachfolgend die Regelung der in die Brennkammer 14 zuzuführenden Luftmenge erläutert. Dabei wird zunächst in der oben beschriebenen Weise in der Elektrode 38 der durch die Flamme 26 erzeugte Strom gemessen und über einen Messwertverstärker 60 in die Auswerteeinheit 44 geleitet. In der Auswerteeinheit 44 befindet sich D/A Wandler 62, der den Messwert digitalisiert.
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Die Auswerteeinheit 44 umfasst weiterhin einen als Kovarianzglied fungierenden Mikrocontroller 64, in den einerseits der aktuelle, digitalisierte Stromwert gespeist wird und in den andererseits der aktuelle Öffnungsgrad der Drosselklappe 48, also die aktuelle zugeführte Luftmenge, gespeist wird. Aus diesen beiden Daten wird dann die Steigung der dm/l Kennlinie der Verbrennung ermittelt und die Kovarianz zwischen der Stellung der Drosselklappe (Luftmenge) und der Verbrennungsintensität ermittelt.
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Ist die aktuelle, ermittelte Kovarianz positiv, so steuert der Mikrocontroller 64 über einen Stromregler 66 die Schrittmotorenendstufe 68 dahingehend, das die Drosselklappe 48 etwas weiter geöffnet wird, so dass eine größere Luftmenge in die Brennkammer 14 gelangt. Ist die ermittelte Kovarianz negativ, so steuert der Mikrocontroller 64 über den Stromregler 66 die Schrittmotorenendstufe 68 dahingehend, dass die Drosselklappe 48 ein wenig geschlossen wird, so eine geringer Luftmenge in die Brennkammer 14 geleitet wird.
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Die Auswerteeinheit 44 umfasst weiterhin einen Sinusmodulator 70, der direkt auf die Schrittmotorenendstufe 68 wirkt und diese periodisch bewegt. Über die Schrittmotorenendstufe 68 wird der Stellmotor 46 und somit auch die Drosselklappe 48 entsprechend periodisch bewegt, so dass der in die Brennkammer 14 gelangende Luftstrom periodisch variiert. Dabei hat sich ein Sinussignal als vorteilhaft erwiesen, weil dieses bei der Richtungsumkehr den Stellmotor 46 nur wenig belastet.
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Hierdurch wird der in die Brennkammer 14 gelangende Luftstrom sinusartig moduliert, wobei der variierende Luftstrom die Verbrennungsintensität der Flamme 26 beeinflusst. Bei zu starker Luftzufuhr wird die Flamme 26 gekühlt und ihre Intensität verringert sich. Bei geringer Luftzufuhr kann die Verbrennung nicht vollständig erfolgen, so dass auch in diesem Fall die Intensität sinkt. Für den Fall, dass die Verbrennungsintensität trotz variierender Luftzufuhr annähernd konstant bleibt, ist die Maximale Verbrennungsintensität erreicht, da die Kennlinie der Verbrennung in der Näche des Maximums nur wenig Steigung aufweist.
