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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennungsregelung bei einem Gas- oder Ölbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei diesem Verfahren wird mindestens ein Flammenionisationswert (Flammenionisationssignal), beispielsweise ein Ionisationsstrom, mit einer Ionisationselektrode erfasst, die in einem Abstand zu einer Brenneroberfläche angeordnet ist. Dafür wird eine elektrische Spannung, in der Regel eine Wechselspannung, an die Ionisationselektrode angelegt, während die Brenneroberfläche geerdet ist.
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Aus
DE 39 37 290 A1 ist z.B. bekannt, das Verhältnis von tatsächlich in einem Brennstoff-Luft-Gemisch vorhandener Verbrennungsluftmenge zur für eine stöchiometrische Verbrennung benötigter Verbrennungsluftmenge, die so genannte Luftzahl, zu erfassen und bei der Verbrennungsregelung zu berücksichtigen. Dabei wird ein Ionisationswert mit einer Ionisationselektrode ermittelt, der von der Luftzahl abhängig ist. Dabei wird ausgenutzt, dass durch die Verbrennungsreaktionen Ionen und Elektronen gebildet werden, die eine elektrische Leitfähigkeit bewirken. Im einfachsten Fall werden die Ionisationselektroden als einfache Flammenwächter oder Flammenfühler verwendet.
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In
DE 44 33 425 C2 ist eine unter dem Namen SCOT (System Control Technology) bekannte Auswerteschaltung offenbart, wobei über die Ionisationselektrode ein Ionisationsstrom erfasst wird, der von der Luftzahl des Brennstoff-Luft-Gemischs abhängig ist. Durch die Messung des Ionisationswerts ist also eine Verbrennungsregelung möglich, wobei auf Grundlage des Ionisationswerts die Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs angepasst wird.
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Die Beziehung zwischen dem Ionisationswert und der Luftzahl ist dabei auch von der Feuerungsleistung des Gas- oder Ölbrenners abhängig. Dementsprechend erfolgt in der Regel eine Kalibrierung zumindest in einem mittleren Feuerungsleistungsbereich. Aus
DE 10 2010 026 389 A1 ist ein Verfahren bekannt, wobei der Verbrennungsregelung Kennlinien unterlegt sind, die in Zusammenhang mit der Feuerungsleistung des Gas- oder Ölbrenners stehen. Dabei wird mit Hilfe des Ionisationswerts eine Feuerungsleistung auf Grundlage der Menge an Brennstoff-Luft-Gemisch bestimmt. Dadurch ist es möglich, Beeinträchtigungen der Feuerungsleistung beispielsweise durch Winddruck, Verschmutzungen und ähnliches bei der Luftzahlmessung mit Hilfe einer Ionisationselektrode zu berücksichtigen.
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Für die genaue Bestimmung der Luftzahl auf Grundlage des Ionisationswerts muss allerdings die Größe eines Abstands zwischen der Brenneroberfläche und der Ionisationselektrode bekannt sein. Der Abstand kann beispielsweise auf Grund von Fertigungstoleranzen oder auf Grund einer Verbiegung der Elektrode von dem berechneten bzw. geplanten Abstand, dem Soll-Abstand, abweichen. Dabei wird der Soll-Abstand bei der konstruktiven Auslegung des Brenners festgelegt, unter anderem unter Einfluss der Parameter Gestaltung und Material der Brenneroberfläche, Gestaltung und Material der Ionisationselektrode, flächenbezogene Feuerungsleistung, Modulationsbereich der Feuerungsleistung, Brennkammergestaltung.
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Grund für die Bedeutung des Abstands ist, dass der Ionisationswert von der Größe der Flamme auf der Brenneroberfläche bzw. davon abhängig ist, wie weit die Flamme den Abstand zwischen Brenneroberfläche und Elektrode überbrückt oder sogar über die Ionisationselektrode hinausgeht. Bei einer geringen Feuerungsleistung und dementsprechend kleiner Flamme ist die Flamme von der Ionisationselektrode relativ weit entfernt. Dementsprechend wird von der Ionisationselektrode nur ein relativ kleiner Ionisationswert erfasst. Bei einer mittleren Feuerungsleistung reicht die Flamme bis zur Ionisationselektrode heran, überbrückt also den Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der Ionisationselektrode. Dementsprechend kann ein maximaler Ionisationswert erfasst werden. Bei einer Erhöhung der Feuerungsleistung und damit einer größeren Flammenbildung erstreckt sich die Flamme über die Ionisationselektrode hinaus. Teile der Flamme haben dadurch keinen Einfluss mehr auf den Ionisationswert. Auch heben die Flammen in der Regel etwas von der Brenneroberfläche ab, wodurch sich eine kalte, schlecht Strom leitende Zone ausbildet. Der Ionisationswert nimmt daher wieder ab.
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Eine Positionsveränderung der Ionisationselektrode bezüglich der Brenneroberfläche führt also zu einer Abweichung des gemessenen Ionisationswerts zum tatsächlichen Ionisationswert. Damit ist eine genaue Regelung nicht möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Abweichung des Abstands der Ionisationselektrode zur Brenneroberfläche erfasst werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Ionisationswert bei einer ersten Feuerungsleistung und ein zweiter Ionisationswert bei einer zweiten Feuerungsleistung, die in etwa einer mittleren Feuerungsleistung entspricht, erfasst werden, wobei der erste Ionisationswert und der zweiten Ionisationswert miteinander verglichen werden.
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Bei diesem Verfahren wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Position (der Abstand) der Ionisationselektrode in der Regel so gewählt wird, dass in etwa bei einer mittleren Feuerungsleistung der entsprechende Ionisationswert ein Maximum aufweist. Als mittlere Leistung wird dabei eine Leistung zwischen einer maximalen und einer minimalen Leistung bezeichnet, die relativ frei vorgebbar ist und nicht unbedingt einer mittleren Leistung im arithmetischen Sinne entspricht. Durch die Messung zweier Ionisationswerte, wobei der erste Ionisationswert bei einer ersten Feuerungsleistung und der zweite Ionisationswert bei einer zweiten, der mittleren Feuerungsleistung entsprechenden Feuerungsleistung ermittelt wird, kann also festgestellt werden, ob der erste Ionisationswert kleiner, gleich oder größer als der zweite Ionisationswert ist. Wenn der erste Ionisationswert gleich oder größer ist als der zweite Ionisationswert befindet sich die Ionisationselektrode nicht in dem angenommenen, nominalen Abstand zur Brenneroberfläche, sondern in einem kleineren oder größeren, also abweichenden Abstand dazu. Dementsprechend ist eine genaue Verbrennungsregelung nicht möglich. Durch die Ausgabe einer entsprechenden Fehlermeldung, wobei gegebenenfalls auch der Betrieb des Gas- oder Ölbrenners gestoppt werden kann, kann einem Bediener die Fehlstellung der Ionisationselektrode bezüglich der Brenneroberfläche angezeigt werden. Dadurch kann eine Korrektur veranlasst werden.
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Als mittlere Feuerungsleistung kann eine Feuerungsleistung gewählt werden, die einem maximalen Ionisationswert entspricht, wenn die Ionisationselektrode in einem Soll-Abstand zur Brenneroberfläche angeordnet ist. Unter Soll-Abstand ist dabei ein Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der Ionisationselektrode zu verstehen, der konstruktiv vorgegeben ist, also bei ordnungsgemäßer Montage und Ausrichtung der Ionisationselektrode gegeben sein sollte. Dieser Soll-Abstand und die entsprechende mittlere Feuerungsleistung, bei der ein maximaler Ionisationswert erhalten wird, sind theoretische Werte, die bei der konstruktiven Auslegung berechnet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Abweichung von diesen Werten erfasst werden.
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Ein maximaler Ionisationswert kann auch durch insbesondere schrittweise Änderung der Feuerungsleistung ermittelt werden, wobei die Feuerungsleistung, bei der ein Maximum für den Ionisationswert auftritt, als mittlere Feuerungsleistung hinterlegt wird. Gegebenenfalls können auch mehrere Maxima vorliegen. Es geht dabei um die Änderung der Kurvenform. Dadurch kann beispielsweise durch eine Werksvoreinstellung oder bei einer ersten Inbetriebnahme die mittlere Feuerungsleistung definiert werden und so eine spätere Veränderung des Abstands der Ionisationselektrode zur Brenneroberfläche erkannt werden. Dabei braucht man nicht unbedingt den genauen Maximalwert bzw. die entsprechende Feuerungsleistung, bei der dieser auftritt, um durch einen Vergleich des Ionisationswerts eine Abweichung des Abstandes zum nominalen Abstand erkennen zu können.
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Vorzugsweise wird mindestens ein dritter Ionisationswert bei einer dritten Feuerungsleistung erfasst, wobei gegebenenfalls die erste Feuerungsleistung kleiner und die dritte Feuerungsleistung größer als die mittlere Feuerungsleistung ist. Dadurch ist eine genauere Bestimmung des Abstands der Ionisationselektrode zur Brenneroberfläche möglich. Wenn der Abstand dem Soll-Abstand entspricht, sind, da der zweite Ionisationswert im Maximum liegt, sowohl der erste Ionisationswert als auch der dritte Ionisationswert kleiner als der zweite Ionisationswert. Ist hingegen der erste Ionisationswert größer als der dritte Ionisationswert, ist der Abstand geringer. Wenn der dritte Ionisationswert größer als der zweite und der erste Ionisationswert ist, ist der Abstand zwischen der Ionisationselektrode und der Brenneroberfläche zu groß.
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Zum Zuordnen der jeweiligen Ionisationswerte zu den entsprechenden Leistungen wird vorzugsweise eine stöchiometrische Mischung bei den verschiedenen Leistungspunkten eingestellt und der Ionenstrom, insbesondere der maximale Ionenstrom, gemessen. Ein Verfahren zur Bestimmung der Maxima ist beispielsweise aus
DE 195 39 568 C1 bekannt.
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Bevorzugterweise werden der erste, zweite und gegebenenfalls dritte Ionisationswert wiederholt erfasst und miteinander verglichen, wobei das Erfassen und Vergleichen insbesondere in vorgebbaren Zeitabständen erfolgt. Dadurch wird eine dauerhafte Überwachung des Abstands zwischen Ionisationselektrode und Brenneroberfläche und damit eine hohe Zuverlässigkeit der Verbrennungsregelung erreicht. Eine Änderung des Abstands beispielsweise durch eine mechanische Krafteinwirkung oder Materialermüdung wird damit sicher erkannt.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann vorgesehen sein, dass eine Meldung erfolgt, wenn der erste Ionisationswert und/oder gegebenenfalls der dritte Ionisationswert größer ist als der zweite Ionisationswert. In diesem Fall liegt eine Fehlausrichtung bzw. eine Veränderung des Abstands vor, so dass eine genaue Verbrennungsregelung nicht mehr gewährleistet ist. Durch das Ausgeben einer Meldung, beispielsweise eines Fehlersignals, kann ein Bediener auf diesen Fehler hingewiesen werden, so dass eine zeitnahe Behebung möglich ist. Die Zeitdauer, in der keine optimale Verbrennungsregelung erfolgt, wird dadurch klein gehalten.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird auf Grundlage der gemessenen Ionisationswerte auf einen tatsächlichen, vom Soll-Abstand abweichenden Ist-Abstand zwischen Brenneroberfläche und Ionisationselektrode geschlussfolgert und der Verbrennungsregelung dem Ist-Abstand entsprechende Kennlinien zu Grunde gelegt, wobei insbesondere eine automatische Anpassung an den Abstand vorgenommen wird. Es erfolgt also eine Anpassung des Soll-Ionisationswerts an den Ist- Ionisationswert auf Grundlage eines näherungsweise berechneten Abstands. Auch bei einer Änderung dieses Abstands ist damit eine saubere Verbrennungsregelung möglich. Dafür können Ionisationskennlinien für unterschiedliche Abstände hinterlegt sein.
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Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
- 1a - 1c: einen Gas- oder Ölbrenner bei niedriger, mittlerer und hoher Feuerungsleistung und
- 2: ein Diagramm mit Ionisationskennlinien in Abhängigkeit vom Abstand.
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In 1a bis 1c ist ein Gas- oder ölbrenner 1 gezeigt, der bei verschiedenen Feuerungsleistungen betrieben wird. Der Einfachheit halber wird der Gas- oder Ölbrenner 1 im Folgenden einfach als Brenner bezeichnet.
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In 1a wird der Brenner mit einer ersten Feuerungsleistung A, die einer relativ geringen Feuerungsleistung entspricht, betrieben. Flammen 2 befinden sich daher relativ nah an einer Brenneroberfläche 3. Eine Ionisationselektrode 4, die in einem Abstand do zur Brenneroberfläche 3 angeordnet ist, wird von den Flammen 2 nicht erreicht. Dadurch ermittelt die Ionisationselektrode 4 nur einen geringen Ionisationswert, beispielsweise einen geringen Ionisationsstrom.
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1b zeigt den Brenner 1 im Betrieb mit einer mittleren Feuerungsleistung. Die Flammen 2 reichen dabei bis zur Ionisationselektrode 4, also über den Abstand do hinweg. Ein Ionisationswert, der von der Ionisationselektrode 4 erfasst wird, nimmt daher ein Maximum ein. Beispielsweise fließt ein maximaler Ionisationsstrom.
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Der maximale Ionisationswert wird dadurch erreicht, dass die Flamme 2 sehr nah an die Ionisationselektrode heranreicht und damit eine maximale Leitfähigkeit erreicht wird.
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In 1c ist der Brenner in Betrieb mit maximaler Feuerungsleistung gezeigt. Die Flammen 2 gehen über die Ionisationselektrode 4 hinaus. Ein über die Ionisationselektrode 4 erfassbarer Ionisationswert nimmt dabei gegenüber dem bei einer mittleren Feuerungsleistung des Brenners 1 entsprechend 1b ermittelten Ionisationswert ab, da die Spitzen der Flammen keinen Einfluss auf den erreichbaren Ionisationsstrom mehr haben.
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In 2 ist in einem Diagramm der Ionisationswert als Ionisationsstrom über der Feuerungsleistung des Brenners 1 aufgetragen, wobei als durchgezogene Kennlinie die Ionisationswerte für einen Abstand zwischen Ionisationselektrode und Brenneroberfläche dargestellt sind, die einem Nenn-Abstand do entsprechen. Gestrichelt dargestellt ist eine Kennlinie für den Fall, dass der Abstand d kleiner ist als der Nenn-Abstand do, und strichpunktiert gezeichnet ist eine Kennlinie für den Fall, dass der Abstand d größer ist als der Nenn-Abstand do.
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Mit A ist eine erste Feuerungsleistung gekennzeichnet, die beispielsweise einer minimalen Feuerungsleistung des Brenners 1 entspricht, bei der noch eine sichere Flammenbildung gewährleistet ist. Mit B ist eine zweite bzw. mittlere Feuerungsleistung bezeichnet, bei der bei einer Anordnung der Ionisationselektrode mit dem Nenn-Abstand zur Brenneroberfläche ein Maximum des Ionisationswertes zur erwarten ist. Eine dritte Feuerungsleistung C ist eine maximale Feuerungsleistung des Brenners 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrennungsregelung umfasst ein Überprüfungsverfahren, ob ein Abstand d zwischen der Ionisationselektrode und der Brenneroberfläche dem bei der konstruktiven Auslegung gewählten Soll-Abstand d0 entspricht. Dafür wird der Brenner 1 zunächst mit der ersten Feuerungsleistung A betrieben. Dazu wird ein erster Ionisationswert 5 erfasst. Mit Strich ist dabei der Ionisationswert für einen verringerten Abstand und mit Doppelstrich der Ionisationswert für einen vergrößerten Abstand gekennzeichnet. Wenn der Abstand dem Nenn-Abstand entspricht, ist das einfache ungestrichene Bezugszeichen verwendet.
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Bei einer mittleren Feuerungsleistung B ergibt sich ein weiterer Ionisationswert 6, der bei einem Abstand gleich dem Soll-Abstand und einem Abstand größer als der Soll-Abstand größer ist als der erste Ionisationswert 5. Für einen Abstand kleiner als den Soll-Abstand ergibt sich ein kleinerer zweiter Ionisationswert 6' als ein erster Ionisationswert 5'.
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Mit einer dritten Messung bei der dritten Feuerungsleistung C wird ein dritter Ionisationswert 7 erfasst, wobei für einen Abstand größer als der Soll-Abstand der dritte Ionisationswert 7" größer ist als der zweite Ionisationswert 6 und für andere Bedingungen kleiner ist. Durch einen Vergleich der Ionisationswerte 5, 6, 7 lässt sich also feststellen, ob der Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der Ionisationselektrode dem Nenn-Abstand entspricht, größer ist oder kleiner ist. Auch lässt sich gegebenenfalls abschätzen, in welchem Abstand die Ionisationselektrode gegenüber der Brenneroberfläche angeordnet ist. Dieser nährungsweise berechnete Abstand kann dann der Verbrennungsregelung zu Grunde gelegt werden.
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Wenn die Ionisationselektrode 4 im Nenn-Abstand zur Brenneroberfläche 3 angeordnet ist, wird ein maximaler Ionisationswert 6 bei der mittleren, zweiten Feuerungsleistung B erfasst. Auf Grund der Änderung der Flammenlänge bei geänderter Feuerungsleistung fällt der Ionisationswert sowohl bei einer Steigerung der Feuerungsleistung (C) als auch bei einer Verringerung der Ausgangsleitung (A) ab, so dass der erste Ionisationswert 5 und der dritte Ionisationswert 7 kleiner sind als der zweite Ionisationswert 6.
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Bei einer Abweichung des Abstands vom Soll-Abstand ändert sich die Kennlinie. Bei einer Verkleinerung des Abstands verschiebt sich der maximale Ionisationswert zu einer geringeren Feuerungsleistung. Dies bewirkt insbesondere, dass der Ionisationswert 5' bei der ersten, kleinen Feuerungsleistung A höher ist als der Ionisationswert 7' bei der dritten, hohen Feuerungsleistung.
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Bei einer Vergrößerung des Abstands wird der maximale Ionisationswert erst bei einer höheren Feuerungsleistung erreicht. Mit anderen Worten ist der erste Ionisationswert 5" kleiner ist als der zweite Ionisationswert 6", der wiederum kleiner ist als der dritte Ionisationswert 7".
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Durch dieses Verfahren lässt sich also relativ genau ermitteln, ob die Ionisationselektrode in Nenn-Abstand zur Brenneroberfläche, in einem größeren oder einem kleineren Abstand angeordnet ist. Dabei kann dieses Verfahren dazu genutzt werden, den Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der Ionisationselektrode abzuschätzen und den Soll- Ionisationswert entsprechend anzupassen. Dafür können entsprechende Kennlinien hinterlegt sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu verwendet werden, beispielsweise eine Verformung der Ionisationselektrode zu detektieren.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich eine Verbrennungsregelung, die den Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der Ionisationselektrode bei der Bestimmung der Luftzahl berücksichtigt und dementsprechend eine hohe Betriebssicherheit aufweist. Insbesondere können Fertigungstoleranzen und/oder mechanische Einflüsse, die zu einer Veränderung des Abstands führen, erkannt und berücksichtigt werden. Dabei kann auch eine automatische Anpassung erfolgen, die beispielsweise periodisch erfolgt. So können z.B. nachträgliche Veränderungen des Abstands erfasst werden, wobei diese Änderungen nicht zu einer Verschlechterung der Verbrennungswerte führen. Vielmehr wird die Verbrennungsregelung automatisch an den Abstand und die davon abhängigen Ionisationswerte angepasst, in dem eine Anpassung der Soll-Ionisationswerte erfolgt.
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Insgesamt ergibt sich damit ein sehr sicheres, störunanfälliges Verfahren zur Verbrennungsregelung eines Gas- oder Ölbrenners, der mit unterschiedlichen Feuerungsleistungen betrieben werden kann.
