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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Regelung einer Brennerflamme eines Heizgerätebrenners unter Nutzung einer Ionisationselektrode in der Brennerflamme, wobei die Ionisationselektrode in Kontakt mit der Brennerflamme positioniert, über einen Spannungsgenerator eine Spannung über einen Flammenverstärker an die Ionisationselektrode geführt und ein von der Ionisationselektrode in der Brennerflamme gemessener Ionisationsstrom von dem Flammenverstärker gemessen und an das Steuergerät übermittelt wird.
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Ionisationsüberwachungen von Brennerflammen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und nutzen den Gleichrichtereffekt einer Flamme zur Erkennung des Vorhandenseins einer sicheren Verbrennung. Üblicherweise wird hierzu eine Wechselspannung über einen Verstärker an die Ionisationselektrode geführt, die mit der Flamme in Kontakt steht. Bei einer Verbrennung fließt durch die Flamme ein Gleichstrom, der von dem Flammenverstärker gemessen wird. Der Flammenverstärker ist so gestaltet, dass nur der Gleichstromanteil ausgewertet wird, ein möglicher Wechselstromanteil z.B. durch Übergangswiderstände bedingt durch Feuchtigkeit oder Ruß wird herausgefiltert. Das Steuergerät wertet das Signal des Flammenverstärkers zur Flammenüberwachung des Brenners oder zur Regelung der Verbrennungsgüte aus. Bedingt durch Oxidation an der Elektrodenoberfläche entsteht allerdings in dem Flammensignalstromkreis ein erhöhter Übergangswiderstand, der das Flammensignal soweit reduzieren kann, dass eine eindeutige Flammenüberwachung oder zuverlässige Verbrennungsregelung nicht mehr erfolgen kann. Zwar kann bei einer Oxidation der Flammenverstärker durch eine Erhöhung der Ionisationsspannung wieder in den zuverlässigen Arbeitsbereich gebracht werden, jedoch hat dies den Nachteil, dass bei einer späteren Abnahme der Oxidation, bedingt z.B. durch thermische Risse an der Elektrodenoberfäche, sich die Gemischregelung des Brenngas-Luftgemisches auf Basis des Ionisationsstromes verschlechtert.
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Bei einer in der Technik bekannten Variante erfolgt die Verbrennungsregelung nach dem sog. SCOT-Verfahren und die Steuerung der dem Brenner des Heizgerätes zugeführten Luftmenge entsprechend der Brennerleistung. Dabei wird eine Flammensignalmessung mittels eines Ionisationssensors durchgeführt und das Brenngas-Luftgemisch auf einen in einer Kennlinie hinterlegten Soll-Ionisationsmesswert geregelt. Beim SCOT-Verfahren ist jedoch nachteilig, dass bei kleinen Brennerleistungen das Flammensignal stark absinkt und die Regelung damit unzuverlässig wird. Dadurch führen höher werdende Überganswiderstände, die beispielsweise durch die beschriebene Oxidation an der Ionisationselektrode entstehen, zu kleinen Flammensignalen, die eine zuverlässige Regelung erschweren oder verhindern.
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Aber nicht nur im laufenden Betrieb sind variierende Zustände zu bewältigen. Der Fachmann steht generell vor dem Problem, dass beim Betrieb des Heizgerätes zwischen dem Startverfahren und der Regelung während des Betriebs sehr unterschiedliche Zustände an der Ionisationselektrode vorliegen. Insbesondere verändert sich über die Lebensdauer und die zunehmende Oxidierung der Ionisationselektroden deren Charakteristik bei der Erzeugung des Flammensignals, d.h. des an das Steuergerät zurückgegebenen Ionisationsstroms. Bei Nutzung neuer Ionisationselektroden wird nach dem Start der Brennerflamme unmittelbar oder zumindest sehr schnell der nötige Ionisationsstrom erreicht, der als Flammensignal zur Regelung der Brennerflamme und Modulation des Heizgerätes benötigt wird. Mit zunehmenden Betriebsstunden verzögert sich das Erreichen des benötigten Ionisationsstromes, bis schließlich kein ausreichender Ionisationsstrom innerhalb einer sicheren Startzeit vorliegt und die Ionisationselektrode unbrauchbar ist.
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Mögliche bestehende Lösungen, um diesen Nachteil zu mindern, liegen in einer blockierten Modulation während einer Flammenstabilisierungsphase beim Start des Brenners, bis das Flammensignal bzw. der Ionisationsstrom eine vorgegebene Höhe erreicht hat. Dabei ist jedoch nachteilig, dass das Signal bei gealterten Elektroden zwar eine Flammenüberwachung, jedoch keine Modulation des Heizgerätes und Flammensignalregelung ermöglicht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Flammensignal in sehr großen Bereichen gemessen wird und die Schwellwerte aus Verfügbarkeitsgründen daher relativ niedrig liegen müssen. Eine über die Betriebsstunden schleichende Verschlechterung der Ionisationselektrode kann somit erst sehr spät erkannt werden. Die zwischenzeitliche Gemischregelung von Brenngas und Luft auf Basis der lonisationsstrommessung ist deutlich schlechter und ungenauer.
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Dem Fachmann ist ferner bekannt, dass die Zuverlässigkeit der Flammenregelung bei Verwendung von zwei unterschiedlichen an die Ionisationselektrode geführten Spannungen verbessert werden kann. Beispielsweise kann eine hohe Spannung zur Flammenerkennung bzw. Flammenüberwachung und nach der Flammenerkennung eine niedrigere Spannung zur Flammenregelung verwendet werden. Dies kann durch eine Ionisationsregelung mit zwei über ein Relais umschaltbaren oder elektronisch gesteuerten Spannungen für den Flammenstromregelungsbetrieb und den Flammenüberwachungsbetrieb erfolgen. Dabei ist beispielhaft eine hohe Spannung gut zur Überwachung geeignet, liefert aber im Flammenregelungsbetrieb schlechtere Ergebnisse. Eine niedrige Spannung ist im Regelbetrieb besser, aber für die Überwachung des Flammensignals schlechter geeignet.
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Auch bei diesen Verfahren wird zwischen der Phase des Brennerstarts mit einer Flammenüberwachung und einem Regelbetrieb zur Flammenregelung unterschieden, wobei die Flammenregelung nur bei einem erreichten Mindestwert oberhalb eines Schwellwertes des Ionisationsstromes erfolgt. Ferner ist nachteilig, dass für deren Funktion die einzelnen Betriebsphasen immer sicher und zuverlässig erkannt werden müssen, da sowohl die Spannung als auch die Ansprechschwelle des Flammensignalverstärkers gleichzeitig und nur um feste Werte umgeschaltet werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem kontinuierlich und fortwährend die Brennerflamme des Heizgerätebrenners in allen Betriebszuständen unter Nutzung der Ionisationsmessung überwacht wird, ohne dass zwischen den Phasen des Brennerstarts und der Brennerregelung Differenzierung erfolgt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Überwachung und Regelung einer Brennerflamme eines Brenners eines Heizgerätes mit einem Steuergerät vorgeschlagen, bei dem eine Ionisationselektrode in Kontakt mit der Brennerflamme positioniert, über einen Spannungsgenerator eine Spannung über einen Flammenverstärker an die Ionisationselektrode geführt und ein von der Ionisationselektrode in der Brennerflamme gemessener Ionisationsstrom von dem Flammenverstärker gemessen und an das Steuergerät übermittelt wird. Erfindungsgemäß versorgt hierbei der Spannungsgenerator während des gesamten Brennerbetriebs, d.h. während des Startvorgangs, der Brennerregelung und der Abschaltung, den Flammenverstärker und somit die Ionisationselektrode alternierend und fortlaufend mit mindestens zwei festgelegt unterschiedlich hohen Spannungen. Die mindestens zwei sich aus den unterschiedlich hohen Spannungen ergebenden Ionisationsströme werden durch die Ionisationselektrode gemessen und eine sich hieraus ergebende Differenz der lonisationsströme wird bestimmt. In Abhängigkeit der Höhe der Differenz erfolgt durch das Steuergerät eine Überwachung der Brennerflamme oder eine Regelung der Brennerflamme. Hierzu wird in dem Steuergerät ein Vergleichswert hinterlegt, ab welcher Höhe des lonisationsstromes die Regelung beginnt.
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Die Erfindung berücksichtigt, dass das Flammensignal, d.h. die an der lonisationselektrode gemessenen Ionisationsströme nicht nur von der Flamme selbst, sondern auch von der Höhe, der Form und der Frequenz der lonisationsspannung abhängt. Insbesondere in den Bereichen, in denen höhere Übergangswiderstände im Flammensignalstromkreis durch veränderte Rahmenbedingungen vorzufinden sind, ergeben sich bei unterschiedlichen Spannungen deutlich unterschiedliche lonisationsströme. Dadurch, dass der Spannungsgenerator während des gesamten Brennerbetriebs, fortwährend beim Startvorgang wie auch im Regelbetrieb des Brenners den Flammenverstärker und somit die lonisationselektrode in wiederkehrenden identischen Zyklen mit vorzugsweise zwei festgelegt unterschiedlich hohen Spannungen versorgt, ergeben sich unterschiedliche lonisationsströme, die sich in ihrer Höhe annähern, sobald der Brenner einen Zustand erreicht hat, der sich für die Regelung der Brennerflamme eignet. Eine aktive Feststellung der Phasen wird durch die kontinuierliche, zyklische Änderung der Spannungen über den gesamten Brennerbetrieb vermieden. Auch ist ein vergleichsweise einfacher Schaltungsaufbau ohne Umschaltrelais möglich.
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Bei einer geringen Differenz der lonisationsströme kann der Ionisationsstrom unabhängig von fest vorgegebenen Schwellwerten und kontinuierlich während des gesamten Brennerbetriebes zur Regelung der Brennerflamme, bei einer großen Stromdifferenz zu deren Überwachung genutzt werden. Wenn sich im Laufe des Brennerbetriebes der Zustand der Ionisationselektrode durch eine schleichende Oxidation verändert, wird dies durch eine Abweichung der aus den zwei unterschiedlichen Spannungen resultierenden lonisationsströme erkannt. Auch wird die Differenz beispielsweise während des Startvorgangs des Brenners dazu genutzt, dass keine Regelung der Brennerflamme erfolgt, wenn die Differenz der Ionisationsströme zu hoch ist. Die Erzeugung des Brenngas-Luftgemisches wird dann über das Steuergerät ausschließlich gesteuert und nicht geregelt, bis der Differenzwert unter einen Grenzwert fällt.
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In einer vorteilhaften Ausführung werden die zwei festgelegt unterschiedlichen Spannungen von einem umschaltbaren Spannungsgenerator erzeugt werden.
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In einer Weiterbildung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsgenerator eine Höhe, Frequenz und/oder Form der zwei festgelegt unterschiedlichen Spannungen stufenlos in Abhängigkeit eines Parameters einer Güte der Brennerflamme anpasst. Der Parameter ist in einem Ausführungsbeispiel die Brennerflammenstabilität, die sich in einer absoluten Höhe des Ionisationsstroms wiederspiegelt.
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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 zur Durchführung des Verfahrens;
- 2 ein Diagramm mit vier Kennlinien des lonisationsstromes von vier Ionisationselektroden unterschiedlichen Zustands;
- 3 ein Diagramm zur Darstellung der Differenz der lonisationsströme bei den alternierenden lonisationsspannungen.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau eines Heizgerätes zur Durchführung des offenbarten Verfahrens mit einem Brenner 1, einer in der Brennerflamme des Brenners 1 positionierten lonisationselektrode 2, einem Steuergerät 7, einem Spannungsgenerator 5 und einem Flammenverstärker 3 dargestellt. Die lonisationselektrode 2 ist mit dem Flammenverstärker 3, dem Spannungsgenerator 5 und dem Steuergerät 7 über die Signalleitung 6 verbunden. Die lonisationselektrode 2 misst einen lonisationsstrom und gibt den gemessenen Wert an den Flammenverstärker 3 sowie das Steuergerät 7 zurück, dargestellt durch den Pfeil 4.
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2 zeigt ein Diagramm des lonisationsstromes 10 über die Zeit 11, wobei vier Kennlinien 20, 21, 23, 24 zum Startverhalten von vier Ionisationselektroden unterschiedlichen Betriebsalters und Zustands eingetragen sind. Die Kennlinie 20 zeigt den ausgegebenen lonisationsstrom einer neuer lonisationselektrode, die Kennlinie 21 den ausgegebenen Ionisationsstrom einer bereits teilweise oxidierten Ionisationselektrode, Kennlinie 23 den lonisationsstrom einer stark oxidierten lonisationselektrode und Kennlinie 24 den lonisationsstrom einer verschlissenen, unbrauchbaren Ionisationselektrode. Bei der Kennlinie 20 steigt der Ionisationsstrom nach dem Brennerstart und der Flammenbildung steil an und überläuft schnell die Abschaltschwelle 25 sowie die Regelungsschwelle 26, so dass bereits nach kurzer Zeit eine Regelung der Brennerflamme im Bereich 27 erfolgen kann. Bei der Kennlinie 21 steigt der Ionisationsstrom nach dem Brennerstart und der Flammenbildung ebenfalls steil an und überläuft in einem zur Kennlinie 20 im Wesentlichen parallelen Verlauf schnell die Abschaltschwelle 25 und die Regelungsschwelle 26. Kurz nach dem Start des Brenners 1 sinkt der Ionisationsstrom zwar kurz unterhalb die Regelgrenze 26 ab, steigt danach jedoch wieder an und bleibt stets oberhalb der Abschaltgrenze 25. Somit kann nach einer gewissen Zeit die Regelung der Brennerflamme im Bereich 27 erfolgen. Das Startverhalten der stärker oxidierten lonisationselektrode gemäß Kennlinie 23 ist deutlich schlechter. Der lonisationsstrom sinkt kurz nach der Flammenbildung am Brenner 1 unterhalb die Abschaltgrenze 25. Dies wird von dem Steuergerät 7 als Flammensignalausfall erfasst, was zu einem Abbruch des Startvorgangs führen kann. Gemäß der Kennlinie 24 der unbrauchbaren lonisationselektrode wird innerhalb der Sicherheitszeit 28 zum Start des Brenners 1 kein ausreichend hoher lonisationsstrom erreicht, der für eine Regelung und Modulation des Brenners 1 nötig ist.
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In 3 ist am Beispiel der Kennlinie 21 aus 2 des ausgegebenen Ionisationsstroms der bereits teilweise oxidierten Ionisationselektrode das offenbarte Verfahren verdeutlicht.
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Über den Spannungsgenerator 5 wird während des Startverfahrens und den nachfolgenden gesamten Brennerbetrieb, welche im Diagramm über die Zeit 11 aufgetragen sind, der Flammenverstärker 3 und die Ionisationselektrode 2 alternierend und fortlaufend mit zwei festgelegt unterschiedlich hohen lonisationsspannungen 32, 33 in Form einer Rechteckspannung versorgt. Parallel hierzu werden ebenfalls über den gesamten Brennbetrieb im identischen Zyklus die zwei sich jeweils ergebenden lonisationsströme gemessen und die sich aus den beiden lonisationsströmen ergebende Differenz 34 der lonisationsspannungen bestimmt. Bei der ersten Ionisationsspannung 32 ergibt sich der lonisationsstrom gemäß Kennlinie 21, bei der zweiten lonisationsspannung 32 der lonisationsstrom gemäß Kennlinie 31. Beim Brennerstart ist die Differenz 34 der Spannungen zunächst gleich Null, steigt jedoch im Bereich des Abfalls des Ionisationsstromes nach dem Start erkenntlich an und nähert sich wieder dem Wert Null, sobald der Brenner 1 einen Zustand erreicht hat, der für die Regelung der Brennerflamme oberhalb der Regelgrenze 26 (siehe 2) geeignet ist. Solange der lonisationsstrom unterhalb der Regelgrenze 26 liegt und die Differenz 34 der Ionisationsspannungen hoch ist, erfolgt eine Überwachung der Brennerflamme, wobei die Gemischbildung von Brenngas und Luft über das Steuergerät ausschließlich gesteuert wird. Im Bereich oberhalb der Regelgrenze 26 erfolgt im Zeitraum 35 die Regelung der Gemischbildung und mithin der Brennerflamme zur Modulation des Heizgerätes.
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3 betrifft das Startverfahren des Brenners 1. Das offenbarte Verfahren ist jedoch auch anwendbar zur fortlaufenden Überwachung des Brennerbetriebs, da sich durch die stets fortlaufende zyklische Änderung der zwei Spannungen 32, 33 sowohl eine schleichende Veränderung der Ionisationselektrode 2 beispielsweise durch Oxidation als auch eine akut auftretende Veränderung der lonisationselektrode 2 beispielsweise durch einen spontanen Aufbruch der Oxidationsschicht auf der lonisationselektrode 2 in einer sich verändernden Differenz 34 des Ionisationsstroms feststellen lassen. Das Steuergerät 7 kann jederzeit die Höhe der lonisationsspannungen 32, 33 und mithin die Höhe der Ionisationsströme anpassen, um einen fortlaufend sicheren Betrieb auf gleichbleibend hohem Niveau sicherzustellen.
