DE102018105185A1

DE102018105185A1 - Verfahren zur Brenngasartenerkennung bei einem brenngasbetriebenen Heizgerät

Info

Publication number: DE102018105185A1
Application number: DE102018105185.9A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Klink; Jens Hermann; Stephan Wald; Jan Dannemann; Enno Vrolijk; Hartmut Henrich
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12
Also published as: CN110582673B; CN110582673A; EP3593047A1; EP3593047B1; WO2019170309A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brenngasartenerkennung beim Startvorgang eines brenngasbetriebenen Heizgeräts mit elektronischem Gas-Luftverbund unter Nutzung eines Gasmassensensors zur Bestimmung der Brenngasart vor dem Start des Brenners.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brenngasartenerkennung bei einem brenngasbetriebenen Heizgerät.
Als Brenngasarten werden vorliegend insbesondere niederkalorisches und hochkalorisches Erdgas sowie Flüssiggas unterschieden.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 126 137.0 Verfahren zur Gemischregelung auf Basis eines Gasmassenstromsensors in Verbindung mit einer Gemischkalibration durch Flammenstrommessung bekannt. Dies betrifft jedoch im Wesentlichen die Gemischregelung während der Brenner im Betrieb ist.
Beim Start eines Brenners des Heizgeräts sollte in möglichst kurzer Zeit ein zündfähiges Brenngas-Luft-Gemisch eingeregelt werden. Da sowohl das optimale Gasluftverhältnis als auch die Zündleistung für die verschiedenen Brenngase unterschiedlich sind, ist eine Bestimmung der Gasart vor oder während des Brennerstartes zur Einregulierung der Brenngas- und Luftmengen auf optimale Startbedingungen erforderlich.
Bei elektronischen Gas-Luft-Gemischregelungen für Heizgeräte müssen gasartenabhängige Betriebsparameter berücksichtigt werden. Bei Flüssiggas ist der Modulationsbereich in der Regel kleiner als bei Erdgas. Zudem unterschieden sich die Luftzahlen bei den einzelnen Leistungspunkten im Modulationsbereich des Heizgerätes. Zur automatischen Anpassung des Heizgerätes auf die jeweils zur Verfügung gestellte Brenngasart wird eine automatische Brenngasartenerkennung benötigt.
Herkömmlicherweise wurde eine Brenngasartenerkennung während des Betriebs des Brenners durchgeführt. Dabei erfolgte die Verbrennungsregelung beispielsweise nach dem lonisationsprinzip, wobei das Gas-Luftverhältnis soweit angepasst wird, dass eine saubere, vollständige Verbrennung vorliegt. Aus dem Verhältnis der Brenngasmenge zur Luftmenge während des Brennbetriebs kann auf die verwendete Gasart geschlossen werden, da die für die jeweiligen Brenngasarten benötigen Luftmengen bekannt sind. Diese Information liegt aber nur indirekt z.B. in Form einer Gebläsedrehzahl (Luftmenge) oder Gasregelventilansteuerung (Stellung oder Ansteuersignal) vor und ist somit sehr ungenau. Zudem ist eine Berücksichtigung der Brenngasart beim Start des Brenners oder gar der Erstinbetriebnahme des Heizgerätes nicht möglich. Auch kann keine Fehlerdiagnose durchgeführt werden, wenn das Heizgerät nicht in Betrieb geht. Bei einer beispielsweise falsch im Heizgerät hinterlegten Brenngasart ist das Nichtzünden des Brenners und mithin das Nichtstarten des Heizgerätes sehr wahrscheinlich.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem die Brenngasart vor dem Start des Heizgeräts festgestellt und für den Startvorgang genutzt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Brenngasartenerkennung beim Startvorgang eines brenngasbetriebenen Heizgeräts mit elektronischem Gas-Luftverbund vorgeschlagen, wobei das Heizgerät zumindest ein Gebläse zur Förderung eines Luftvolumenstromes, eine Gaszuführung mit einem Gasstellglied zur geregelten Zuführung eines Brenngases, einen Brenner, eine Zündeinheit zur Zündung des Brenners, einen in der Gaszuführung angeordneten und von dem Brenngas angeströmten Sensor, und ein Steuergerät zur Regelung zumindest des durch das Gebläse geförderten Luftvolumenstromes und des einen Gasmassenstrom an Brenngas bestimmenden Gasstellglieds umfasst.
Der Sensor ist als Gasmassensensor ausgebildet, der sowohl die an den Brenner zugeführte Brenngasmasse als auch eine weitere physikalische Eigenschaft des Brenngases erfasst, mit der Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Brenngases möglich sind. Beispielsweise werden hierfür kalorimetrische Mikrosensoren eingesetzt, die neben der Brenngasmasse die thermische Leitfähigkeit des Brenngases erfassen. Eine andere Möglichkeit besteht in wenigstens einem Sensor basierend auf dem Funktionsprinzip der Ultraschallmessung zur Ermittlung der Brenngasmasse und der jeweils brenngasabhängig vorliegenden spezifischen Schallgeschwindigkeit.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens eine der vorgenannten physikalischen Eigenschaften des Brenngases durch den Gasmassensensor gemessen (zum Beispiel die thermische Leitfähigkeit) und an das Steuergerät übertragen. Das Steuergerät bestimmt dann aus dieser gemessenen Eigenschaft des Brenngases die Brenngasart.
Anschließend regelt das Steuergerät an dem Gasstellglied in Abhängigkeit von der bestimmten Brenngasart einen ersten Start-Gasmassenstrom ein, der unterhalb einer Zündgrenze des Brenngases der bestimmten Brenngasart liegt. Die Zündgrenzen der jeweiligen Brenngasarten sind allgemein bekannt und lassen sich beispielsweise in Form von Kennlinien im Steuergerät hinterlegen.
Dann wird der zugeführte Gasmassenstrom bei konstantem Luftvolumenstrom ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom unter ständigen Zündversuchen der Zündeinheit erhöht, bis ein Zündbereich der vorab bestimmten Brenngasart überschritten ist. Während den Zündversuchen wird überwacht und über das Steuergerät erfasst, ob es zu einer Zündung des Brenners kommt. Hierzu kann beispielsweise am Brenner eine Elektrode verwendet werden, die im Falle der Zündung des Brenners ein Flammensignal an das Steuergerät übermittelt.
Der Zündbereich der jeweiligen Brenngasart unterscheidet sich bei Flüssiggas und Erdgas, da hochkalorisches Brenngas, z.B. Flüssiggas bei identischem Luftvolumenstrom früher zündet als niederkalorisches Brenngas, z.B. niederkalorisches Erdgas (L-Gas). Dabei ist in der Technik klar abgegrenzt, in welchen Bereichen des Brenngas-Luft-Gemisches der jeweilige Zündbereich des jeweiligen Brenngases liegt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ermöglicht, die Brenngasart bereits vor der Zündung des Brenners festzustellen und das für den Start benötigte Brenngas-Luft-Gemisch auf einen kleineren Bereich einzugrenzen. Das optimale Brenngas-Luft-Gemisch zum Start des Brenners wird schneller erkannt und erreicht. Dadurch wird die Startzeit verkürzt und die Anzahl der Fehlversuche beim Brennerstart reduziert.
Soweit bei dem Startverfahren keine Zündung des Brenners festgestellt werden konnte, wird in einer Weiterbildung vorgesehen, dass das Steuergerät an dem Gasstellglied in Abhängigkeit von der bestimmten Brenngasart einen zweiten Start-Gasmassenstrom regelt, der geringer ist als der erste Gasmassenstrom und weiter unterhalb der Zündgrenze des Brenngases der bestimmten Brenngasart liegt. Im Anschluss werden wieder die Schritte des vorstehend beschriebenen Startverfahrens durchgeführt umfassend die Erhöhung des zugeführten Gasmassenstroms bei konstantem Luftvolumenstrom unter ständigen Zündversuchen der Zündeinheit, bis ein Zündbereich der vorab bestimmten Brenngasart überschritten ist. Dabei ist vorteilhaft, dass der Bereich, in dem für den Startvorgang des Brenners das passende Gas-Luft-Gemisch vorliegt, erweitert und ein Brennerstart erreicht werden kann, selbst wenn der erste festgelegte Start-Gasmassenstrom ungeeignet war.
Das Verfahren ist in einer Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Gasmassenstrom bei konstantem Luftvolumenstrom ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom stetig unter Zündversuchen der Zündeinheit erhöht wird. Der konstante Luftvolumenstrom ist über das Steuergerät durch Einregelung einer konstanten Gebläsedrehzahl möglich.
Das Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den tatsächlichen Luftvolumenstrom über eine von dem Steuergerät gemessene Gebläsedrehzahl, einer labortechnisch vorab ermittelten Kennlinie und einer Stromaufnahme des Gebläses errechnet.
Das Verfahren betrifft nicht nur den Brennerstart im Allgemeinen, sondern auch den Brennerstart bei der Erstinbetriebnahme des Heizgeräts. Hierzu wird in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass beim Startvorgang des brenngasbetriebenen Heizgeräts nach dessen Erstinstallation zunächst eine Entlüftung einer Gasleitung der Gaszuführung durchgeführt wird, wobei das Steuergerät das Gasstellglied geöffnet und über den Gasmassensensor ein Signal an das Steuergerät geleitet wird, sobald Brenngas detektiert wird. Der Gasmassensensor kann jederzeit zur Detektion von Luft in der Gaszuführung genutzt werden, um eine Entlüftung der Gasleitung zu veranlassen.
In einer alternativen Variante des Verfahrens wird beim Startvorgang des brenngasbetriebenen Heizgeräts nach dessen Erstinstallation zunächst eine Entlüftung einer Gasleitung der Gaszuführung durchgeführt, wobei der vorstehend zur Lösung der Aufgabe beschriebene Startvorgang solange wiederholt wird, bis eine Zündung des Brenners erfasst wird.
Generell wird bei dem Verfahren vorzugsweise vorgesehen, dass der Gasmassenstrom durch das elektrische modulierende Gasstellglied geregelt wird, wobei das Gasstellglied über das Steuergerät Regelsignale erhält und somit den Gasmassenstrom bedarfsgerecht anpasst.
Bei dem Verfahren ist vorzugsweise ferner vorgesehen, aus der über den Gasmassensensor bestimmten Brenngasart den für die jeweilige Brenngasart zugehörigen Luftbedarf zu bestimmen und für die weitere Regelung des Betriebs des Heizgeräts zu nutzen. Hierfür werden im Steuergerät vorzugsweise entsprechende Werte oder Kennlinien hinterlegt, auf die für die Regelung oder zukünftige Startvorgänge zurückgegriffen werden kann. Dabei wird auch auf in der Technik bekannte Größen zurückgegriffen, beispielsweise einen zur Sicherstellung einer vollständigen Verbrennung um den Faktor 3 größeren Luftbedarf bei gleichem Volumen an Flüssiggas gegenüber Erdgas.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines Heizgerätes;
2 ein Diagramm zum Verfahrensablauf bei hochkalorischem Brenngas;
3 ein Diagramm zum Verfahrensablauf bei niederkalorischem Brenngas.

In 1 ist ein schematischer Aufbau eines Heizgerätes 100 zur Durchführung des Verfahrens mit einem modulierenden Vormischgebläse 5, das Umgebungsluft a ansaugt und mit Brenngas mischt. Das Brenngas wird dem Vormischgebläse 5 über eine Gasdüse 4 in der Gasleitung zugeführt, wobei in der Gasleitung vorgeschaltet ein Gassicherheitsventil 1, ein beispielhaft über einen Motor M elektronisch steuerbares Gasstellglied bzw. Gasventil 2 sowie ein thermischer Gasmassensensor 3 angeordnet sind. Der Gaseingangsdruck d wird auf den Gasregeldruck c angepasst. Nach der Mischung mit Umgebungsluft weist das Brenngas-Luft-Gemisch den Gemischdruck b auf. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 6 vorgesehen. Das Gemisch hat dann den Brennerdruck e. Daran schließt sich der Brenner 28 mit einer in der Brennerflamme angeordneten Elektrode 7 an, mit der eine Flamme am Brenner 28 detektiert und ein entsprechendes Signal an das Steuergerät 9 übermittelt wird. Um den Brenner 28 ist der Wärmetauscher 18 angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 8. Im Abgassystem herrscht der Abgasdruck f. Die Regelung der durch das Gasstellglied 2 strömende Brenngasmenge sowie der Gebläsedrehzahl und mithin der Luftzahl erfolgt über das Steuergerät 9, in dem entsprechende Regelungskennlinien hinterlegt und abspeicherbar sind. Die entsprechenden Signalleitungen zu dem und von dem Steuergerät 9 sind mit Pfeilen gekennzeichnet.
2 zeigt den Ablauf des Verfahrens zur Gasartenerkennung von hochkalorischem Brenngas, nachdem über den thermischen Gasmassensensor 3 die thermische Leitfähigkeit des anliegenden Brenngases gemessen und an das Steuergerät 9 übertragen wurde. Bei dem Verfahren wird zunächst im Zeitabschnitt t1-t2 der Luftvolumenstrom VL über das Gebläse 5 auf einen konstanten Wert geregelt. In der gezeigten Ausführung wird beim Erreichen des konstanten Luftvolumenstromes VL der über die Gasleitung durch das Gasstellglied 2 geregelte Gasmassenstrom VG auf den Start-Gasmassenstrom geregelt, der unterhalb einer unteren Zündgrenze z1 eines Zündbereichs HG des hochkalorischen Brenngases liegt. Das Steuergerät 9 regelt anschließend im Zeitabschnitt t2-t3 bei konstantem Luftvolumenstrom VL das Gasstellglied 2, um den dem Gebläse 5 zugeführten Gasmassenstrom VG ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom stetig unter ständigen Zündversuchen der Zündeinheit zu erhöhen, bis der Zündbereich HG des hochkalorischen Brenngases und eine obere Zündgrenze z2 des hochkalorischen Brenngases überschritten sind. Soweit keine außergewöhnlichen Rahmenbedingungen vorliegen, die einen Brennerstart verhindern, zündet der Brenner 28 im Zeitabschnitt t2-t3 und brennt anschließend im Zeitabschnitt t3-t4 bei konstant eingeregeltem Gasmassenstrom VG. Die für niederkalorisches Brenngas nötige Brenngasmenge und mithin der Zündbereich LG des niederkalorischen Brenngases werden nicht erreicht.
3 stellt das Verfahren anhand desselben Diagramms aus 2 dar, soweit über den thermischen Gasmassensensor 3 festgestellt wurde, dass es sich um für niederkalorisches Brenngas handelt. Dann wird der Gasmassenstrom VG bei konstantem Luftvolumenstrom VG von Anfang an über den Zündbereich HG des hochkalorischen Brenngases erhöht, wobei der Start-Gasmassenstrom unterhalb der unteren Zündgrenze z3 eines Zündbereichs LG des niederkalorischen Brenngases liegt. Das Steuergerät 9 regelt anschließend im Zeitabschnitt t2-t3 bei konstantem Luftvolumenstrom VL das Gasstellglied 2, um den dem Gebläse 5 zugeführten Gasmassenstrom VG ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom stetig unter ständigen Zündversuchen der Zündeinheit zu erhöhen, bis der Zündbereich LG des niederkalorischen Brenngases und eine obere Zündgrenze z4 des niederkalorischen Brenngases überschritten sind. Soweit keine außergewöhnlichen Rahmenbedingungen vorliegen, die einen Brennerstart verhindern, zündet der Brenner 28 im Zeitabschnitt t2-t3 und brennt anschließend im Zeitabschnitt t3-t4 bei konstant eingeregeltem Gasmassenstrom VG.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017126137 [0003]

Claims

Verfahren zur Brenngasartenerkennung beim Startvorgang eines brenngasbetriebenen Heizgeräts (100) mit elektronischem Gas-Luftverbund, wobei das Heizgerät (100) zumindest ein Gebläse (5) zur Förderung eines Luftvolumenstromes, eine Gaszuführung mit einem Gasstellglied (2) zur geregelten Zuführung eines Brenngases, einen Brenner (28), eine Zündeinheit zur Zündung des Brenners (28), einen in der Gaszuführung angeordneten und von dem Brenngas angeströmten Sensor, und ein Steuergerät (9) zur Regelung zumindest des durch das Gebläse (5) geförderten Luftvolumenstromes und des einen Gasmassenstrom an Brenngas bestimmenden Gasstellglieds (2) umfasst, wobei a. der Sensor als Gasmassensensor zur Ermittlung der Brenngasmasse und einer der Brenngasmasse zugeordneten physikalischen Eigenschaft ausgebildet ist, b. die physikalischen Eigenschaft des Brenngases durch den Gasmassensensor (3) gemessen und an das Steuergerät (9) übertragen wird, c. das Steuergerät (9) aus der gemessenen physikalischen Eigenschaft des Brenngases die Brenngasart bestimmt; d. das Steuergerät (9) an dem Gasstellglied (2) in Abhängigkeit von der bestimmten Brenngasart einen ersten Start-Gasmassenstrom regelt, der unterhalb einer Zündgrenze des Brenngases der bestimmten Brenngasart liegt, e. der zugeführte Gasmassenstrom bei konstantem Luftvolumenstrom ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom unter Zündversuchen der Zündeinheit erhöht wird, bis ein Zündbereich der bestimmten Brenngasart überschritten ist, f. während den Zündversuchen eine Zündung des Brenners (28) überwacht und erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Nichtzündung das Steuergerät (9) an dem Gasstellglied (2) in Abhängigkeit von der bestimmten Brenngasart einen zweiten Start-Gasmassenstrom regelt, der geringer ist als der erste Gasmassenstrom und weiter unterhalb der Zündgrenze des Brenngases der bestimmten Brenngasart liegt, wobei im Anschluss die Schritte e) bis f) des Anspruchs 1 erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Gasmassenstrom bei konstantem Luftvolumenstrom ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom stetig unter Zündversuchen der Zündeinheit erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startvorgang des brenngasbetriebenen Heizgeräts (100) nach dessen Erstinstallation zunächst eine Entlüftung einer Gasleitung der Gaszuführung durchgeführt wird, wobei das Steuergerät das Gasstellglied (2) öffnet und über den Gasmassensensor (3) ein Signal an das Steuergerät (9) gleitet wird, sobald Brenngas detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startvorgang des brenngasbetriebenen Heizgeräts (100) nach dessen Erstinstallation zunächst eine Entlüftung einer Gasleitung der Gaszuführung durchgeführt wird, wobei der Startvorgang mit den Schritten b)-f) solange wiederholt wird, bis eine Zündung des Brenners erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) den tatsächlichen Luftvolumenstrom über eine von dem Steuergerät (9) gemessene Gebläsedrehzahl, einer labortechnisch vorab ermittelten Kennlinie und einer Stromaufnahme des Gebläses (5) errechnet.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom durch das elektrische modulierende Gasstellglied (2) geregelt wird, wobei das Gasstellglied (2) über das Steuergerät (9) Regelsignale erhält.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der über den Gasmassensensor (3) bestimmten Brenngasart der für die jeweilige Brenngasart zugehörige Luftbedarf bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassensensor zur Ermittlung der Brenngasmasse und einer der Brenngasmasse zugeordneten physikalischen Eigenschaft als thermischer Gasmassensensor (3) ausgebildet ist, der eine thermische Leitfähigkeit des Brenngases misst.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassensensor zur Ermittlung der Brenngasmasse und einer der Brenngasmasse zugeordneten physikalischen Eigenschaft als Ultraschall-Gasmassensensor (3) ausgebildet ist, der eine brenngasspezifische Schallgeschwindigkeit misst.
Brenngasbetriebenes Heizgerät (100) mit elektronischem Gas-Luftverbund, wobei das Heizgerät (100) zumindest ein Gebläse (5) zur Förderung eines Luftvolumenstromes, eine Gaszuführung mit einem Gasstellglied (2) zur geregelten Zuführung eines Brenngases, einen Brenner (28), eine Zündeinheit zur Zündung des Brenners (28), einen in der Gaszuführung angeordneten und von dem Brenngas angeströmten Sensor, und ein Steuergerät (9) zur Regelung zumindest des durch das Gebläse (5) geförderten Luftvolumenstromes und des einen Gasmassenstrom an Brenngas bestimmenden Gasstellglieds (2) umfasst, wobei a. der Sensor als Gasmassensensor zur Ermittlung der Brenngasmasse und einer der Brenngasmasse zugeordneten physikalischen Eigenschaft ausgebildet ist, b. die physikalischen Eigenschaft des Brenngases durch den Gasmassensensor (3) gemessen und an das Steuergerät (9) übertragen wird, c. das Steuergerät (9) aus der gemessenen physikalischen Eigenschaft des Brenngases die Brenngasart bestimmt; d. das Steuergerät (9) an dem Gasstellglied (2) in Abhängigkeit von der bestimmten Brenngasart einen ersten Start-Gasmassenstrom regelt, der unterhalb einer Zündgrenze des Brenngases der bestimmten Brenngasart liegt, e. der zugeführte Gasmassenstrom bei konstantem Luftvolumenstrom ausgehend von dem Start-Gasmassenstrom unter Zündversuchen der Zündeinheit erhöht wird, bis ein Zündbereich der bestimmten Brenngasart überschritten ist, f. während den Zündversuchen eine Zündung des Brenners (28) überwacht und erfasst wird.