DE102021110711A1 - Method and arrangement for igniting a fuel-air mixture in a heater that can be operated with different fuels - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbaren Heizgerät (1) mit einem Vormischbrenner (6), dem Luft (L) durch eine Luftzufuhr (2) und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr (3) in einem Mischungsverhältnis (lambda) vorgemischt zugeführt werden, wobei innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (Δt) zum Zünden das Mischungsverhältnis (lambda) von Brennstoff zu Luft (L) zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches variiert wird, und zwar durch Variation der Luftzufuhr (2). Bevorzugt wird in dem Zeitintervall (Δt) zum Zünden die Brennstoffzufuhr (3) konstant gehalten oder die Luftzufuhr (2) wird in maximal möglicher Weise variiert und die Brennstoffzufuhr (3) nur so stark variiert, wie zur Abdeckung des gesamten Gemischbereiches erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ein Heizgerät (1), welches mit unterschiedlichen Brennstoffen, insbesondere unterschiedlichen Brenngasen (G), betreibbar ist, zuverlässig zu zünden, ohne dabei das Risiko einer unerwünscht hohen Zündlast (Z) mit eventuellen Folgeschäden einzugehen.The invention relates to a method and an arrangement for igniting a fuel-air mixture in a heating device (1) that can be operated with different fuels, having a premix burner (6) which supplies air (L) through an air supply (2) and fuel through a fuel supply ( 3) are supplied premixed in a mixing ratio (lambda), with the mixing ratio (lambda) of fuel to air (L) being varied within a predeterminable time interval (Δt) for ignition to cover a predeterminable mixture range, specifically by varying the air supply (2 ). The fuel supply (3) is preferably kept constant in the time interval (Δt) for ignition or the air supply (2) is varied as much as possible and the fuel supply (3) varies only as much as is necessary to cover the entire mixture range. The present invention allows a heater (1) that can be operated with different fuels, in particular different combustible gases (G), to be reliably ignited without taking the risk of an undesirably high ignition load (Z) with possible consequential damage.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Heizgerät, das mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar ist. Insbesondere sogenannte adaptive Verbrennungssysteme, z. B. mittels eines lonisationsstromes geregelte Systeme, sind in der Lage, ein breites Spektrum von Brenngasen zu verbrennen. So können Erdgase aus unterschiedlichen Quellen oder auch mit Beimischungen von Wasserstoff genutzt werden. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser.The invention relates to a method and an arrangement for igniting a fuel-air mixture in a heater that can be operated with different fuels. In particular, so-called adaptive combustion systems, z. B. by means of an ionization controlled systems are able to burn a wide range of fuel gases. Natural gas from different sources or with admixtures of hydrogen can be used. It is not only a question of large systems, but also of wall-mounted units for heating water and, in general, heaters for heating buildings and/or providing hot water.
Die Verbrennung in solchen Systemen wird im Allgemeinen in einem geschlossenen Regelkreis ausgeführt, der für die Einhaltung eines gewünschten Brenngas-Luft-Gemisches (oft mit einem Lambda-Wert charakterisiert, der das Verhältnis von Luft zu Brenngas im Verhältnis zu einem stöchiometrischen Verhältnis angibt). Ein solcher Regelkreis verfügt typischerweise über eine Rückkopplungsschleife, in der die Charakteristika eines Brennstoffes berücksichtigt werden. So kann der Regelkreis unterschiedliche Brennstoffe erkennen und entsprechend reagieren und gleichermaßen sauber verbrennen.Combustion in such systems is generally performed in a closed-loop control system designed to maintain a desired fuel gas/air mixture (often characterized by a lambda value, which indicates the ratio of air to fuel gas relative to a stoichiometric ratio). Such a control circuit typically has a feedback loop in which the characteristics of a fuel are taken into account. In this way, the control circuit can recognize different fuels and react accordingly and burn them cleanly at the same time.
Bei der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches, die zum größten Teil gesteuert und ohne Rückkopplung abläuft, liegt eine Information zum zugeführten Brenngas jedoch (noch) nicht vor. Da aber unterschiedliche Brenngase nur bei unterschiedlichen Lambda-Werten zuverlässig zünden, wird bei der Zündung innerhalb eines Zeitintervalls der Lambda-Wert über einen vorgebbaren Bereich (Gemischbereich) variiert, innerhalb dessen eine Zündung für alle vorkommenden Brenngase zu erwarten ist. Dies wird nach dem Stand der Technik durch Variation der Brenngaszufuhr bei konstanter Luftzufuhr erreicht. Die Brenngaszufuhr lässt sich sehr schnell verändern, was bei typischerweise sehr kurzen Zeitintervallen zur Zündung (z. B. 0,5 bis 5 s [Sekunden]) und damit zur Variation des Gemisches von Vorteil ist.However, when the fuel-air mixture is ignited, which for the most part takes place in a controlled manner and without feedback, information on the fuel gas supplied is not (yet) available. However, since different combustible gases only ignite reliably with different lambda values, the lambda value is varied over a definable range (mixture range) during ignition within a time interval, within which ignition can be expected for all combustible gases that occur. According to the prior art, this is achieved by varying the supply of fuel gas with a constant supply of air. The supply of fuel gas can be changed very quickly, which is advantageous given the typically very short time intervals for ignition (e.g. 0.5 to 5 s [seconds]) and thus for varying the mixture.
Ein Nachteil ist jedoch, dass mit einer Änderung der Brenngaszufuhr sich auch die Brennstoffenergie (Zündbelastung) ändert, die angibt, wieviel Energie bei einer Zündung zur Verfügung steht und (schlagartig) frei wird. Wird mehr Brennstoff zugeführt, so ändert sich die Energie, die während einer Zündung freigesetzt wird, entsprechend, was bei einer hohen Zündbelastung und zeitlich verzögerter Zündung zu heftigen Verpuffungen oder sogar Beschädigungen an Komponenten führen kann. Abschätzungen ergeben, dass sich die Zündbelastung bei typischen Variationen der Brenngaszufuhr um mehr als 30 % [Prozent] nach oben (oder unten) verändern kann.One disadvantage, however, is that changing the fuel gas supply also changes the fuel energy (ignition load), which indicates how much energy is available and (suddenly) released during ignition. If more fuel is supplied, the energy that is released during ignition changes accordingly, which can lead to violent explosions or even damage to components in the case of a high ignition load and delayed ignition. Estimates show that the ignition load can increase (or decrease) by more than 30 % [percent] with typical variations in the fuel gas supply.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Anordnung geschaffen werden, bei denen sich die Zündbelastung trotz Variation des Lambda-Wertes während eines Zeitintervalls zur Zündung nicht oder nur wenig ändert.The object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art. In particular, a method and an arrangement are to be created in which the ignition load does not change or changes only slightly despite a variation in the lambda value during a time interval for ignition.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.A method and an arrangement as well as a computer program product according to the independent claims serve to solve this task. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the respective dependent claims. The description, in particular in connection with the drawing, illustrates the invention and specifies further exemplary embodiments.
Hierzu trägt ein Verfahren bei zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen, insbesondere mit unterschiedlichen Brenngasen, betreibbaren Heizgerät. Dieses Heizgerät hat einen Vormischbrenner, dem Luft durch eine Luftzufuhr und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr in einem Mischungsverhältnis vorgemischt zugeführt werden kann. Dabei wird innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls zum Zünden das Mischungsverhältnis von Brennstoff zu Luft zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches variiert, und zwar (allein) durch Variation der Luftzufuhr.A method for igniting a fuel-air mixture in a heating device that can be operated with different fuels, in particular with different combustible gases, contributes to this. This heater has a premixed burner to which air can be supplied premixed through an air supply and fuel through a fuel supply in a mixing ratio. In this case, the mixing ratio of fuel to air is varied within a predeterminable time interval for ignition in order to cover a predeterminable mixture range, specifically (solely) by varying the air supply.
Das Verfahren kann zur Zündung verschiedener Brennstoff-Luft-Gemische eingesetzt werden. Der Brennstoff kann z. B. flüssig (Öl, etc.) und/oder fest (Pellets, etc.) und/oder gasförmig bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt, handelt es sich bei dem Brennstoff um ein Brenngas, so dass dieser Anwendungsfall hier besonders hervorgehoben wird - ohne damit den Einsatz des Verfahrens beschränken zu wollen.The method can be used to ignite various fuel-air mixtures. The fuel can B. liquid (oil, etc.) and / or solid (pellets, etc.) and / or gaseous. The fuel is particularly preferably a combustible gas, so that this application is particularly emphasized here—without wanting to limit the use of the method.
Die Luftzufuhr wird im Allgemeinen durch ein Gebläse bewirkt, welches einen von seiner Drehzahl abhängigen Volumenstrom erzeugt. Durch Variation der Drehzahl kann daher der Volumenstrom und damit die Luftzufuhr verändert werden. Dies ist ein bevorzugter Weg der Variation der Luftzufuhr, jedoch schließt dies andere Wege, wie z. B. die Veränderung der Stellung einer Drosselklappe, Blende oder dergleichen nicht aus.The air supply is generally effected by a blower, which generates a volume flow dependent on its speed. The volume flow and thus the air supply can therefore be changed by varying the speed. This is a preferred way of varying the air supply, but this excludes other ways such as e.g. B. the change in the position of a throttle valve, aperture or the like.
Bevorzugt wird in dem Zeitintervall zum Zünden die Brennstoffzufuhr konstant gehalten. Dies ist immer dann der einfachste und bevorzugte Weg, wenn die Möglichkeiten zur Veränderung des Volumenstromes an Luft ausreichen, um den ganzen Gemischbereich innerhalb des Zeitintervalls zu durchfahren bzw. abzudecken.The fuel supply is preferably kept constant in the time interval for ignition. This is always the easiest and preferred way when the possibilities to change the Volu flow rate of air is sufficient to pass through or cover the entire mixture range within the time interval.
In einer speziellen Variante wird in dem Zeitintervall die Luftzufuhr in maximal möglicher Weise variiert und die Brennstoffzufuhr bzw. Brenngaszufuhr nur so stark variiert, wie zur Abdeckung des gesamten Gemischbereiches erforderlich ist. Dies kann insbesondere notwendig sein, wenn ein Gebläse, dessen rotierende Teile sich nicht beliebig schnell beschleunigen oder abbremsen lassen (dessen sogenannte Drehzahldynamik also nicht für eine gewünschte schnelle Änderung ausreicht), allein für die notwendige Gemischveränderung in dem Zeitintervall nicht ausreicht. Dann wird auch die Zufuhr von Brennstoff bzw. Brenngas variiert, aber wegen des beschriebenen Nachteils dieser Vorgehensweise nur im geringstmöglichen Maße. Dazu kann bevorzugt die Stellung eines Brenngasventil geändert werden, aber auch hier sind prinzipiell andere Wege zur Veränderung der Brenngaszufuhr möglich.In a special variant, the air supply is varied in the maximum possible way in the time interval and the fuel supply or fuel gas supply varies only as much as is required to cover the entire mixture range. This may be necessary in particular if a blower whose rotating parts cannot be accelerated or decelerated at any speed (the so-called speed dynamics are therefore not sufficient for a desired rapid change) alone is not sufficient for the necessary mixture change in the time interval. The supply of fuel or fuel gas is then also varied, but only to the smallest possible extent because of the described disadvantage of this procedure. For this purpose, the position of a fuel gas valve can preferably be changed, but other ways of changing the fuel gas supply are also possible here in principle.
Insbesondere werden das Zeitintervall und der Gemischbereich so gewählt, dass bis zum Ende des Zeitintervalls eine maximale Zündlast unabhängig von der Art des zugeführten Brennstoffes bzw. Brenngases nicht überschritten wird. Dies stellt sicher, dass es auch unter ungünstigsten Bedingungen mit dem Brennstoff bzw. Brenngas, welches die höchste Zündlast erzeugt, keine zu heftigen (harten) Zündungen geben kann, so dass ein sicheres Zünden erfolgreich durchgeführt oder aber eine Wiederholung des Zündvorganges eingeleitet werden kann.In particular, the time interval and the mixture range are selected in such a way that a maximum ignition load is not exceeded by the end of the time interval, regardless of the type of fuel or combustible gas supplied. This ensures that even under the most unfavorable conditions with the fuel or fuel gas that generates the highest ignition load, there can be no violent (hard) ignitions, so that reliable ignition can be carried out successfully or the ignition process can be repeated.
Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbaren Heizgerät mit einem Vormischbrenner, dem Luft durch eine Luftzufuhr und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr in einem Mischungsverhältnis vorgemischt zuführbar ist, wobei eine Zündsteuerung vorhanden ist, die eingerichtet ist, während eines Zeitintervalls zum Zünden die Luftzufuhr zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches zu variieren.The task is also solved by an arrangement for igniting a fuel-air mixture in a heating device that can be operated with different fuels, with a premix burner to which air can be fed premixed through an air supply and fuel through a fuel supply in a mixing ratio, with an ignition control being present, which is set up to vary the air supply to cover a predeterminable mixture range during a time interval for ignition.
In einer besonderen Ausführungsform ist die Zündsteuerung eingerichtet, ein Gebläse zur Luftzufuhr mit einer maximalen Drehzahldynamik zu variieren und zusätzlich die Brennstoffzufuhr zu variieren, wenn die Drehzahldynamik nicht für eine Abdeckung eines Gemischbereiches innerhalb des Zeitintervalls ausreicht.In a particular embodiment, the ignition controller is set up to vary a blower for air supply with maximum speed dynamics and also to vary the fuel supply if the speed dynamics are not sufficient to cover a mixture range within the time interval.
Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Durchführung des beschriebenen Ablaufs der Zündung benötigt ein Programm und Daten, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.A further aspect also relates to a computer program product comprising instructions which cause the arrangement described to carry out the method described. Carrying out the ignition sequence described requires a program and data, both of which must be updated from time to time.
Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.The explanations for the method can be used for a more detailed characterization of the arrangement, and vice versa. The arrangement can also be set up in such a way that the method is carried out with it.
Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
-
1 : ein Heizgerät mit einer Zündautomatik und -
2 Diagramme zur Veranschaulichung der Zündlast des hier vorgeschlagenen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik.
-
1 : a heater with an automatic ignition and -
2 Diagrams to illustrate the ignition load of the method proposed here compared to the prior art.
Im mittleren Diagramm ist wiederum auf der X-Achse die Zeit t aufgetragen, auf der rechten Y-Achse ein Massenstrom an Luft L und auf der linken Y-Achse ein Massenstrom an Brenngas G. Gemäß der Erfindung wird hier die Brenngaszufuhr 3 (Kurve C) konstant gehalten, dafür aber die Luftzufuhr 2 (Kurve D) im Zeitintervall Δt abgesenkt.In the middle diagram, the time t is again plotted on the X-axis, on the right Y-axis a mass flow of air L and on the left Y-axis a mass flow of fuel gas G. According to the invention, the fuel gas supply 3 (curve C ) is kept constant, but the air supply 2 (curve D) is lowered in the time interval Δt.
Das Ergebnis ist aus dem unteren Diagramm zu erkennen, in dem die Zündlast Z (Kurve E) konstant bleibt, während sich das Mischungsverhältnis lambda (Kurve F) ändert (und zwar in gleicher Weise wie im oberen Diagramm nach dem Stand der Technik). Die Darstellung im unteren Diagramm entspricht der im oberen, und man erkennt, dass bei Durchfahren des gleichen Mischungsbereiches die Zündlast Z konstant und damit deutlich geringer ist als beim Stand der Technik. Auch hier verhält sich die Zündlast Z praktisch proportional zur Brenngaszufuhr 3 und diese bleibt während des gesamten Zeitintervalls Δt konstant.The result can be seen from the lower diagram, in which the ignition load Z (curve E) remains constant while the mixture ratio lambda (curve F) changes (in the same way as in the upper diagram according to the prior art). The representation in the lower diagram corresponds to that in the upper one, and it can be seen that the ignition load Z is constant and therefore significantly lower than in the prior art when passing through the same mixing range. Here, too, the ignition load Z is practically proportional to the fuel gas supply 3 and this remains constant over the entire time interval Δt.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ein Heizgerät 1, welches mit unterschiedlichen Brenngasen G betreibbar ist, sicher zu zünden, ohne dabei das Risiko einer unerwünscht hohen Zündlast Z mit eventuellen Folgeschäden einzugehen.The present invention allows a heater 1, which can be operated with different fuel gases G, to be safely ignited without taking the risk of an undesirably high ignition load Z with possible consequential damage.
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Heizgerätheater
- 22
- Luftzufuhrair supply
- 33
- Brenngaszufuhrfuel gas supply
- 44
- Gebläsefan
- 55
- Brenngasventilfuel gas valve
- 66
- (Vormisch-)Brenner(Premix) burner
- 77
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 88th
- Abgasanlageexhaust system
- 99
- Wärmetauscherheat exchanger
- 1010
- Zündeinrichtungignition device
- 1111
- Steuer- und Regeleinheitcontrol and regulation unit
- 1212
- Zündsteuerungignition control
- 1313
- Steuerleitungencontrol lines
- 1414
- Zündleitung ignition wire
- AA
- Kurve Zündlast nach Stand der TechnikIgnition load curve according to the prior art
- BB
- Kurve Gemischverhältnis (lambda) bei Änderung der BrenngaszufuhrMixture ratio (lambda) curve when changing the fuel gas supply
- CC
- Kurve BrenngasFuel gas curve
- DD
- Kurve Luftcurve air
- EE
- Kurve Zündlast bei Änderung der LuftzufuhrIgnition load curve when changing the air supply
- Ff
- Kurve Gemischverhältnis (lambda) bei Änderung der LuftzufuhrMixture ratio (lambda) curve when changing the air supply
- GG
- Brenngasfuel gas
- LL
- LuftAir
- ZZ
- Zündlastignition load
- tt
- Zeittime
- Δ tΔt
- (Delta t) Zeitintervall(Delta t) time interval
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