DE102021003932A1

DE102021003932A1 - Verfahren zur Optimierung eines Betriebs einer Brennvorrichtung und Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102021003932A1
Application number: DE102021003932.7A
Authority: DE
Inventors: Franz FICHTNER
Original assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung eines Betriebs einer Brennvorrichtung (1), in der ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Dabei werden ausgehend von Werten von Eingangsparametern durch ein neuronales Netz und/oder durch künstliche Intelligenz Ausgangswerte ermittelt, die zur Regelung des Betriebs der Brennvorrichtung dienen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Heizvorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Betriebs einer Brennvorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Heizvorrichtung mit einer Brennvorrichtung für die Umsetzung des Optimierungsverfahrens.
Im Stand der Technik ist es bekannt, thermische Energie aus der Verbrennung von beispielsweise Propan oder Butan zu gewinnen und auf eine Flüssigkeit oder Raumluft zu übertragen. Im Sinne der Ökologie sollte die Verbrennung im Sinne der Ressourcenschonung möglichst effektiv und im Sinne des Umweltschutzes mit möglichst wenig Rückständen im Rauchgas stattfinden. So ist es beispielsweise bekannt, mithilfe der lonisationsspannung den Lambda-Wert der Verbrennung einzustellen. Weiterhin ist es auch bekannt, Abgaswerte zu ermitteln, um die Verbrennung zu regeln.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens vorzuschlagen, durch welche eine Optimierung des Betriebs einer Brennvorrichtung realisiert ist.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zur Optimierung eines Betriebs einer Brennvorrichtung, wobei in der Brennvorrichtung ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, und wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:

a) dass Werte von Eingangsparametern erfasst werden, wobei sich die Eingangsparameter auf mindestens einen beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugten Messwert und/oder mindestens eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs und/oder mindestens einen für die Brennvorrichtung vorgebbaren Sollwert und/oder mindestens einen veränderbaren Einstellparameter der Brennvorrichtung und/oder mindestens eine in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung erzeugten Messwert beziehen,
b) dass anhand der Werte der Eingangsparameter Ausgangswerte ermittelt werden, wobei die Ausgangswerte sich auf mindestens ein beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugtes Produkt und/oder eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs und/oder mindestens einen optimierten Einstellparameter der Brennvorrichtung beziehen, wobei die Ausgangswerte durch ein neuronales Netz und/oder durch künstliche Intelligenz - vorzugsweise unter Ausnutzung von mathematischen Formeln und/oder hinterlegten Daten - ermittelt werden, und
c) dass die Ausgangswerte zur Regelung des Betriebs der Brennvorrichtung verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest folgende Schritte ausgeführt: Es werden Werte von Eingangsparametern erfasst. Anhand der Werte der Eingangsparameter werden Ausgangswerte ermittelt und die ermittelten Ausgangswerte werden zur Regelung des Betriebs der Brennvorrichtung, also für eine optimierte Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs verwendet. Dabei erfolgt die Ermittlung der Ausgangswerte durch ein neuronales Netz und/oder durch künstliche Intelligenz. In einer Ausgestaltung werden mathematische Formeln und/oder hinterlegte Daten bei der Ermittlung verwendet.
Die Eingangsparameter beziehen sich in einer Ausgestaltung auf mindestens einen beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugten Messwert. Es handelt sich also um einen Messwert, der unmittelbar im Zusammenhang mit der Verbrennung steht. In einer Ausgestaltung ist dies beispielsweise ein lonisationssignal, das z. B. von einer Ionisationselektrode abgegriffen wird. Dabei werden entweder die Messwerte als Rohdaten oder als verarbeitete Daten und damit von den Messwerten abhängige Daten verwendet. So ist beispielsweise der elektrische Widerstand eines Temperatursensor den Rohdaten und ist die davon abgeleitete Temperatur den verarbeiteten Daten zuzuordnen.
Alternativ oder ergänzend beziehen sich die Eingangsparameter auf mindestens eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs. Handelt es sich in einer Ausgestaltung bei dem Brennstoff um ein brennbares Gas (z. B. Propan oder Butan), so ist der Eingangsparameter beispielsweise der Druck, unter dem das Gas steht. Der Wert dieses Eingangsparameters kann dabei beispielsweise durch einen Sensor gemessen werden oder er kann ausgehend von den Spezifikationen des Systems, in welcher die Brennvorrichtung eingebunden ist, abgeleitet werden.
Alternativ oder ergänzend handelt es sich bei mindestens einem Eingangsparameter um einen für die Brennvorrichtung vorgebbaren Sollwert. Hierbei wird somit berücksichtigt, dass der Betrieb der Brennvorrichtung von Einstellungen durch einen Benutzer abhängig sein kann. In einer Ausgestaltung bezieht sich der Sollwert auf eine vorgebbare Heizleistung, die von der Brennvorrichtung erbracht werden soll.
Alternativ oder ergänzend handelt es sich bei mindestens einem Eingangsparameter um einen veränderbaren Einstellparameter der Brennvorrichtung. Ein solcher Einstellparameter wird in einer Ausgestaltung ausgehend von den ermittelten Ausgangswerten verändert bzw. auf einen neuen Wert - beispielsweise gerade auf einen ermittelten Ausgangswert - gesetzt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Einstellparameter um eine Drehzahl eines Gebläses zur Förderung der Luft, die das Brennstoff-Luft-Gemisch bildet. Der Einstellparameter bezieht sich somit auf die Menge der Verbrennungsluft, die zugeführt wird. Alternativ oder ergänzend bezieht sich der Einstellparameter auf die zugeführte Menge an Brennstoff.
Alternativ oder ergänzend ist ein Eingangsparameter abhängig von einem in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung erzeugten Messwert In dieser wird somit als ein Eingangsparameter einer solche Umgebungsgröße gemessen. Die Umgebung ergibt sich dabei aus der Anwendung der Brennvorrichtung. So ist beispielsweise die Brennvorrichtung Teil einer Heizvorrichtung, die in einem Wohnwagen oder einem Wohnmobil zur Anwendung kommt. Daher können beispielsweise die Umgebungsgrößen größeren Schwankungen als bei einer in einem festen Haus verbauten Heizvorrichtung unterliegen. So ist beispielsweise ein Messwert bezogen auf den Umgebungsluftdruck. Alternativ oder ergänzend bezieht sich mindestens ein Messwert auf die Verbrennungsluft, z. B. in Bezug auf die Temperatur und/oder die relative Feuchtigkeit der Luft, die das Brennstoff-Luft-Gemisch bildet.
Ein ermittelter Ausgangswert bezieht sich auf mindestens ein beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugtes Produkt. In einer Ausgestaltung handelt es sich dabei um eine Abschätzung eines CO-Werts eines Rauchgases, das beim Verbrennen erzeugt wird. Es wird also ein Näherungswert für den CO-Anteil ermittelt. Alternativ oder ergänzend handelt es sich um eine Abschätzung eines NOx-Werts des Rauchgases. Es wird somit als Ausgangswert eine Abschätzung des Stickoxidanteils am Rauchgas gegeben. Abhängig von den jeweiligen ermittelten Ausgangswerten kann daher beurteilt werden, wie schadstoffhaltig oder -arm die Verbrennung stattfindet. Davon ausgehend lässt sich die Verbrennung verbessern.
Alternativ oder ergänzend bezieht sich mindestens ein Ausgangswert auf eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs. Handelt es sich bei dem Brennstoff in einer Ausgestaltung um ein brennbares Gas, so ist in einer Variante der Ausgangswert eine Klassifikation des brennbaren Gases bzw. eines Gasgemisches in Bezug auf die Anteile von Propan und Butan.
Alternativ oder ergänzend bezieht sich mindestens ein Ausgangswert auf einen optimierten Einstellparameter der Brennvorrichtung oder ist ein Ausgangswert ein Einstellparameter. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei einem Ausgangswert um eine Soll-Drehzahl eines Gebläses zur Förderung von das Brennstoff-Luft-Gemisch bildender Luft.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Ausgangswerte vor der Regelung des Betriebs der Brennvorrichtung durch einen Sicherheitsalgorithmus bewertet werden, und dass ausgehend von der Bewertung die Regelung mit den Ausgangswerten vorgenommen oder neue Ausgangswerte ermittelt werden. In dieser Ausgestaltung wird darauf Rücksicht genommen, dass eine Brennvorrichtung und somit eine sicherheitskritische Einheit betrieben wird. Daher werden die Ausgangswerte durch einen Sicherheitsalgorithmus daraufhin überprüft, ob mit ihnen ein sicherer Betrieb der Brennvorrichtung möglich ist. So werden die Ausgangswerte beispielweise in Bezug auf Plausibilität oder die Einhaltung von Sicherheitsgrenzen überprüft. Erweisen sich dabei die Ausgangswerte als sicher (liegt also eine positive Bewertung vor), so wird mit ihnen die Brennvorrichtung geregelt. Sind die Ausgangswerte nicht sinnvoll (liegt also eine negative Bewertung vor), so werden neue Ausgangswerte ermittelt, wobei bei deren Ermittlung vorzugsweise vorgegeben wird, dass die ermittelten, d. h. „alten“ Werte nicht verwendet werden konnten.
Weiterhin löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Heizvorrichtung mit einer Brennvorrichtung und mit einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung derartig ausgestaltet ist, das Verfahren nach einer der vorgenannten oder folgenden Ausgestaltungen zur Optimierung eines Betriebs der Brennvorrichtung auszuführen, und wobei die Heizvorrichtung zur Verwendung in einem Wohnwagen oder Wohnmobil ausgestaltet ist. Die Ausführungen zu dem Verfahren gelten entsprechend für die Heizvorrichtung, sodass auf eine Wiederholung verzichtet wird. Die Steuervorrichtung empfängt die Eingangsparameter, ermittelt die Ausgangswerte und wirkt entsprechend auf die Brennvorrichtung ein.
Eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung besteht darin, dass ein Gebläse zur Förderung von das Brennstoff-Luft-Gemisch bildender Luft vorhanden ist, und dass die Steuervorrichtung mit dem Gebläse kontaktiert ist.
Eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung sieht vor, dass ein interner Sensor zum Erzeugen eines Messwerts beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs vorhanden ist, und wobei die Steuervorrichtung mit dem internen Sensor kontaktiert ist.
Eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung besteht darin, dass der interne Sensor einen von einer Ionisationsspannung abhängigen Messwert erzeugt.
Eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung sieht vor, dass ein externer Sensor zum Erzeugen eines Messwerts in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung vorhanden ist, und dass die Steuervorrichtung mit dem externen Sensor kontaktiert ist.
Eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung besteht darin, dass der externe Sensor ein Luftdrucksensor oder ein Feuchtigkeitssensor oder ein Temperatursensor ist.
Eine Ausgestaltung der Heizvorrichtung sieht vor, dass eine Eingabevorrichtung zur Eingabe mindestens eines Sollwerts für die Brennvorrichtung vorhanden ist, und dass die Steuervorrichtung mit der Eingabevorrichtung kontaktiert ist.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Heizvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung der Heizvorrichtung.

In der 1 sind von der Heizvorrichtung, die beispielsweise heißes Wasser zur Verfügung stellt und als Raumheizung dient, für die Übersichtlichkeit lediglich die Brennvorrichtung 1 und eine Steuervorrichtung 2 dargestellt. Die Brennvorrichtung 1 verbrennt ein Brennstoff-Luft-Gemisch. Die dabei freiwerdende thermische Energie wird über einen - hier nicht dargestellten - Wärmetauscher auf die Flüssigkeit bzw. die Luft übertragen.
Bei dem Brennstoff handelt es sich hier beispielsweise um ein brennbares Gas, z. B. Propan, Butan oder eine Mischung aus Propan und Butan. Für die Optimierung der Verbrennung sowie für die Regelung der Brennvorrichtung 1 erhält die Steuervorrichtung 2 mehrere Werte von Eingangsparametern. Dies sind hier die Messdaten eines internen Sensors 4, welcher Messdaten direkt aus dem Verbrennungsprozess in der Brennvorrichtung 1 erfasst. In der gezeigten Ausführung handelt es sich um eine Elektrode zur Erfassung der lonisationsspannung. Weiterhin ist ein externer Sensor 5 vorgesehen, der Messdaten aus der Umgebung um die Heizvorrichtung herum erfasst. Hierbei handelt es sich in dem gezeigten Beispiel um einen Luftdrucksensor. Weiterhin ist ein Gebläse 3 vorhanden, welches die Verbrennungsluft mit einer einstellbaren Drehzahl fördert. Diese Drehzahl bzw. die damit einhergehende Luftmenge ist ein Beispiel für veränderbare Einstellparameter der Brennvorrichtung 1. Schließlich ist noch eine Eingabevorrichtung 6 vorhanden, über welche ein Benutzer eine Sollleistung oder Solltemperatur der Heizvorrichtung eingeben kann. Diese Werte sind die Ist- bzw. Solldaten, anhand derer die Steuervorrichtung die Optimierung des Betriebs der Brennvorrichtung 1 vornimmt.
Die Steuervorrichtung 2 erzeugt durch ein neuronales Netz aus den Werten der Eingangsparameter Ausgangswerte, anhand derer der Betrieb der Brennvorrichtung 1 optimierbar ist. Daher wirkt die Steuervorrichtung 2 auf die Brennvorrichtung 1 ein und nimmt Änderungen an den Einstellparametern vor. Dies ist hier beispielsweise die Einstellung der Drehzahl des Gebläses 3.
Bezugszeichenliste

1: Brennvorrichtung
2: Steuervorrichtung
3: Gebläse
4: interner Sensor
5: externer Sensor
6: Eingabevorrichtung

Claims

Verfahren zur Optimierung eines Betriebs einer Brennvorrichtung (1), wobei in der Brennvorrichtung (1) ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, und wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: dass Werte von Eingangsparametern erfasst werden, wobei sich die Eingangsparameter auf mindestens einen beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugten Messwert und/oder mindestens eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs und/oder mindestens einen für die Brennvorrichtung (1) vorgebbaren Sollwert und/oder mindestens einen veränderbaren Einstellparameter der Brennvorrichtung (1) und/oder mindestens einen in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung (1) erzeugten Messwert beziehen, dass anhand der Werte der Eingangsparameter Ausgangswerte ermittelt werden, wobei die Ausgangswerte sich auf mindestens ein beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugtes Produkt und/oder eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs und/oder mindestens einen optimierten Einstellparameter der Brennvorrichtung (1) beziehen, wobei die Ausgangswerte durch ein neuronales Netz und/oder durch künstliche Intelligenz - vorzugsweise unter Ausnutzung von mathematischen Formeln und/oder hinterlegten Daten - ermittelt werden, und dass die Ausgangswerte zur Regelung des Betriebs der Brennvorrichtung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Eingangsparameter, der sich auf einen beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugten Messwert bezieht, eine gemessene lonisationsspannung ist, und/oder wobei ein Eingangsparameter, der sich auf eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs bezieht, ein Druck von Gas, das als Brennstoff dient, ist, und/oder wobei ein Eingangsparameter, der sich auf einen für die Brennvorrichtung (1) vorgebbaren Sollwert bezieht, eine vorgegebene Heizleistung ist, und/oder wobei ein Eingangsparameter, der sich auf einen veränderbaren Einstellparameter der Brennvorrichtung (1) bezieht, eine Drehzahl eines Gebläses (3) zur Förderung von das Brennstoff-Luft-Gemisch bildender Luft ist, und/oder wobei ein Eingangsparameter, der sich auf einen in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung (1) erzeugte Messwert bezieht, ein Umgebungsluftdruck ist, und/oder wobei ein Eingangsparameter, der sich auf einen in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung (1) erzeugte Messwert bezieht, eine Temperatur der das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Luft ist, und/oder wobei ein Eingangsparameter, der sich auf einen in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung (1) erzeugte Messwert bezieht, eine relative Feuchtigkeit der das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ausgangswert, der sich auf ein beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugtes Produkt bezieht, eine Abschätzung eines CO-Werts eines Rauchgases ist, und/oder wobei ein Ausgangswert, der sich auf ein beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugtes Produkt bezieht, eine Abschätzung eines NOx-Werts eines Rauchgases ist, und/oder wobei ein Ausgangswert, der sich auf eine Eigenschaft eines das Brennstoff-Luft-Gemisch bildenden Brennstoffs bezieht, eine Abschätzung über einen Anteil von Propan oder Butan am Brennstoff ist, und/oder wobei ein Ausgangswert, der sich auf einen optimierten Einstellparameter der Brennvorrichtung (1) bezieht, eine Soll-Drehzahl eines Gebläses (3) zur Förderung von das Brennstoff-Luft-Gemisch bildender Luft ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ausgangswerte vor der Regelung des Betriebs der Brennvorrichtung durch einen Sicherheitsalgorithmus bewertet werden, und wobei ausgehend von der Bewertung die Regelung mit den Ausgangswerten vorgenommen oder neue Ausgangswerte ermittelt werden.
Heizvorrichtung mit einer Brennvorrichtung (1) und mit einer Steuervorrichtung (2), wobei die Steuervorrichtung (2) derartig ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Optimierung eines Betriebs der Brennvorrichtung (1) auszuführen, und wobei die Heizvorrichtung zur Verwendung in einem Wohnwagen oder Wohnmobil ausgestaltet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Gebläse (3) zur Förderung von das Brennstoff-Luft-Gemisch bildender Luft vorhanden ist, und wobei die Steuervorrichtung (2) mit dem Gebläse (3) kontaktiert ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein interner Sensor (4) zum Erzeugen eines Messwerts beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs vorhanden ist, wobei die Steuervorrichtung (2) mit dem internen Sensor (4) kontaktiert ist, und wobei der interne Sensor (4) einen von einer Ionisationsspannung abhängigen Messwert erzeugt.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein externer Sensor (5) zum Erzeugen eines Messwerts in Bezug auf eine Umgebung der Brennvorrichtung (1) vorhanden ist, wobei die Steuervorrichtung (2) mit dem externen Sensor (5) kontaktiert ist, und wobei der externe Sensor (5) ein Luftdrucksensor oder ein Feuchtigkeitssensor oder ein Temperatursensor ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine Eingabevorrichtung (6) zur Eingabe mindestens eines Sollwerts für die Brennvorrichtung (1) vorhanden ist, und wobei die Steuervorrichtung (2) mit der Eingabevorrichtung (6) kontaktiert ist.