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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Toleranzbereichs einer Regelungskennlinie einer elektronischen Gemischregelung unter Nutzung einer lonisationsstromregelung bei einem Gasheizgerät.
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Aus dem Stand der Technik sind elektronische Gemischregelungen für Gasheizgeräte basierend auf dem Verbrennungsergebnis, beispielsweise einem lonisationssignal oder einem Kohlenmonoxidwert im Abgas, bekannt. Alternativ sind Gemischregelungen bekannt, welche die Ausgangsstoffe der Gemischbildung (Gas, Brenngas) erfassen und diese für die Gemischregelung nutzen. Bei allen eingesetzten Verfahren ist für den Einsatz an Gasheizgeräten eine Fehlersicherheit der Gemischbildung erforderlich, damit aufgrund einer schlechten oder falschen Gemischbildung keine gefährlichen Zustände, wie z.B. eine überhöhte Kohlenmonoxidbildung, auftreten können. Aus dem Stand der Technik sind dafür Toleranzbereichsüberwachungen zwischen den Aktoren, d.h. z.B. dem Gebläse oder dem Brenngasstellglied vorgesehen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie einen großen Arbeitsbereich der Aktoren (Brenngasstellglied, Gebläse) abdecken müssen und daher vergleichsweise große Toleranzbereiche um die Regelungskennlinie gewährleistet sein müssen. Sie bieten damit nur eine eingeschränkte Sicherheit.
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Ein weiterer Aspekt ist, dass die Regelungskennlinien im Kennfeld sich bei verschiedenen Gasarten, z.B. Flüssiggas oder Erdgas, deutlich unterscheiden. Ein Toleranzbereich um die Regelungskennlinien, der für verschiedene Gasarten Anwendung findet, muss entsprechend breit um alle Regelungskennlinien ausgelegt werden. Bei einer Plausibilisierungsprüfung von Sensorwerten werden dann konforme Ergebnisse geliefert, obwohl eine deutliche Abweichung von der eigentlichen Regelungskennlinie vorliegt, da z.B. eine andere Gasart zum Einsatz kommt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Toleranzbereich um die Regelungskennlinie enger gefasst und somit die Sicherheit des Gasheizgeräts vergrößert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Optimierung eines Toleranzbereichs einer Regelungskennlinie einer elektronischen Gemischregelung von Gas und einem bestimmten Brenngas unter Nutzung einer lonisationsstromregelung bei einem Gasheizgerät mit einem Brenner und einem Gebläse vorgeschlagen. Dabei werden eine dem Brenner zugeführte Gasmenge des Gases über das Gebläse und eine Brenngasmenge durch ein elektronisch gesteuertes Brenngasstellglied über ein Steuergerät geregelt. Das Verfahren umfasst die Schritte einer kurzzeitigen, d.h. zeitlich begrenzten Erhöhung der Brenngasmenge zur Anfettung eines dem Brenner zugeführten Brenngas-Gasgemisches während eines beliebigen Betriebspunktes des Heizgerätes, bis ein an einer Brennerflamme des Brenners erfasstes lonisationssignal ein Maximum aufweist. Bei dem Maximum des lonisationssignals ist die Luftzahl des Brenngas-Gasgemisches gleich 1,0 (Lambdawert). Aus dem Maximum des lonisationssignals wird anschließend ein lonisationssignal-Sollwert für das bestimmte Brenngas, beispielsweise Flüssiggas oder Erdgas, errechnet. Dieser Lambdawert ist häufig mit einem Gasüberschuss (Luftüberschuss), insbesondere bei 1,3 festgelegt. Danach erfolgt die Anpassung des Brenngas-Gasgemisches bis zum Erreichen des errechneten lonisationssignal-Sollwerts über das oder die Stellglieder (Brenngasstellglied, Gebläse). Bei Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts erfolgt eine Zuordnung der Gebläsedrehzahl des Gebläses zu der Stellung des Brenngasstellglieds und die Ermittlung der Regelungskennlinie in einem Kennfeld gebildet aus der Gebläsedrehzahl und der Stellung des Brenngasstellglieds. Um die ermittelte Regelungskennlinie bei dem bestimmten Brenngas wird der gewünschte Toleranzbereich festgelegt.
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Nachdem über die Erfassung der stöchiometrischen Verbrennung bei dem Maximum des lonisationssignals und anschließende Errechnung des lonisationssignal-Sollwerts die Gasart bestimmt ist, kann der Toleranzbereich um eine einzige, eindeutig definierte Regelungskennlinie festgelegt und mithin deutlich kleiner ausgelegt werden. Der Toleranzbereich wird um mindestens 50% enger im Bereich der maximalen Gebläsedrehzahl gegenüber einem Toleranzbereich, der mindestens zwei Gasarten berücksichtigt.
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Der Betrieb außerhalb des Toleranzbereichs kann ein Abschaltsignal auslösen, welches zum Abschalten des Gasheizgerätes führt. Alternativ kann die Kalibrierung erneut erfolgen, d.h. die Verfahrensschritte beginnend mit der Anfettung werden erneut durchgeführt und eine wieder neue Regelungskennlinie wird festgelegt. Der Toleranzbereich dient zudem zur Plausibilisierungskontrolle zwischen der Steuerung des Gebläses und des Brenngasstellglieds und den tatsächlich erfassten lonisationssignalen zur Überprüfung der Verbrennung. Auch können etwaige genutzte Sensoren, beispielsweise ein Brenngasmengensensor, ein Gasmengensensor und/oder ein Gasgemischsensor hinsichtlich ihrer gemessenen Sensorwerte plausibilisiert werden.
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Bei dem Verfahren ist zudem vorteilhaft, dass die Optimierung des Toleranzbereichs dynamisch unmittelbar in Abhängigkeit der ermittelten Gasart im laufenden Betrieb des Gasheizgeräts erfolgt. Als „dynamisch“ wird dabei die Möglichkeit definiert, dass nicht mit einer festgelegten Regelungskennlinie geregelt wird, sondern auf neue Situationen durch die Kalibrierung anpassbare Regelungskennlinie reagiert wird und ein hierzu optimierter Toleranzbereich festlegbar ist.
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Bei dem Verfahren ist als Ausführungsvarianten vorgesehen, dass das Anpassen des Brenngas-Luftgemisches bis zum Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts vorzugsweise durch eine Anpassung der Brenngasmenge über das Brenngasstellglied oder alternativ eine Anpassung der Gasmenge über das Gebläse erfolgt. Dabei wird entweder das Brenngasstellglied und mithin seine Öffnungsstellung variiert oder die Gebläsedrehzahl verändert.
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Das Brenngas-Gasgemisch ist vorzugsweise ein Brenngas-Luftgemisch.
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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 eine Darstellung eines Gasheizgeräteaufbaus zur Verwendung des Verfahrens;
- 2 ein Diagramm mit Regelungskennlinien und einem Toleranzbereich gemäß dem Stand der Technik,
- 3 ein Diagramm zur Darstellung des lonisationssignals;
- 4 ein Diagramm mit einem optimierten Toleranzbereich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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In 1 ist der schematische Aufbau eines Gasheizgerätes 200 zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird als Gas stets Luft angenommen, auch wenn theoretisch auch andere Gase verwendet werden können.
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Über das Steuergerät 9 werden das als Vormischgebläse ausgebildete Gebläse 5 und insbesondere die Gebläsedrehzahl zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Luft b und das über einen Schrittmotor M angetriebene Brenngasstellglied bzw. Gasventil 2 zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Brenngas c geregelt, um das Brenngas-Luftgemisch e in einem bestimmten Brenngas-Luftgemisch-Verhältnis zu erzeugen.
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Das Brenngas wird dem Gebläse 5 über eine Gasdüse 4 in der Gasleitung zugeführt, wobei in der Gasleitung dem Brenngasstellglied 2 vorgeschaltet ein Gassicherheitsventil 1 angeordnet ist. Der Gaseingangsdruck d wird auf den Gasregeldruck angepasst. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 6 vorgesehen. Daran schließt sich der Brenner 28 mit einer in der Brennerflamme angeordneten Ionisationselektrode 7 an, mit der eine Flamme am Brenner 28 detektiert und ein entsprechendes lonisationssignal an das Steuergerät 9 übermittelt wird. Um den Brenner 28 ist ein Wärmetauscher 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.
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2 zeigt zur Veranschaulichung ein Diagramm 30 einer Öffnungsstellung 32 des Brenngasstellglieds 2 gegenüber der Gebläsedrehzahl 31 mit Regelungskennlinien 36, 37 für die Gasarten Flüssiggas und Erdgas und einem Toleranzbereich 38, 39 bei hohen Gebläsedrehzahlen 34 und geringen Gebläsedrehzahlen 35 gemäß dem Stand der Technik. Der Toleranzbereich ist über die punktgestrichelte Linien gekennzeichnet und überstreckt beide Gasarten. Somit ist die durch den Toleranzbereich eingeschlossene Fläche vergleichsweise groß und die damit einhergehende Sicherheit zur Plausibilisierung gering.
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Bezugnehmend auf die 3 und 4 sind für das erfindungsgemäße Verfahren genutzte Diagramme dargestellt. Zur Optimierung des Toleranzbereichs, d.h. praktisch die Verkleinerung der im Diagramm 40 gemäß 4 eingeschlossenen Fläche der die Regelungskennlinie 48 umgebenden gestrichelten Toleranzbandlinien wird unter Nutzung der lonisationselektrode 7 der lonisationsstromregelung die Brenngasmenge zur Anfettung des dem Brenner 28 zugeführten Brenngas-Luftgemisches e während eines Betriebspunktes des Gasheizgerätes 200 erhöht, bis das lonisationssignal lo-Signal ein Maximum lo-max aufweist, wie es in 3 dargestellt ist. Von diesem Wert ausgehend wird der lonisationssignal-Sollwert lo-soll für das bestimmte Brenngas errechnet. In der gezeigten Ausführung ist der beispielhaft errechnete Lambdawert 1,3. Das lonisationssignal wird dadurch von dem bisherigen Signalwert lo-alt auf den errechneten Signalwert lo-neu geändert und das Brenngas-Luftgemisch bis zum Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts lo-Soll angepasst. Der Wert von 1,3 ist bevorzugt, gleichwohl exemplarisch.
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Bei Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts lo-Soll wird die Gebläsedrehzahl 43 des Gebläses 5 zu einer Stellung 48 des Brenngasstellglieds 4 zugeordnet. Hieraus wird die Regelungskennlinie 49 in dem Kennfeld des Diagramms 40 ermittelt und der Toleranzbereich 46, 47 um die ermittelte Regelungskennlinie 49 für das ermittelte Brenngas festgelegt. Gut zu erkennen ist die Verkleinerung, d.h. Optimierung des Toleranzbereichs 46 insbesondere bei hohen Gebläsedrehzahlen 44, jedoch auch im Bereich geringere Drehzahlen 45 ist der Toleranzbereich 47 kleiner als derjenige Toleranzbereich 39 gemäß 2. Im Ergebnis ist der gesamte Toleranzbereich der gestrichelten Linie deutlich geringer ist als derjenige der für ein Verfahren mit unbestimmter Gasart vorzusehen ist, wie es in 2 gezeigt ist. Die punktgestrichelte Linie aus 2 ist zur Veranschaulichung auch in 4 eingetragen. Die Breite des Toleranzbereichs um die Regelungskennlinie 49 wird bedarfsgerecht festgelegt. Diese Art der Kalibrierung der Regelungskennlinie und Festlegung des Toleranzbereichs erfolgt dynamisch und insbesondere bei Verlassen des Toleranzbereichs zur Festlegung einer neuen Regelungskennlinie.
