DE10220772A1

DE10220772A1 - Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses

Info

Publication number: DE10220772A1
Application number: DE10220772A
Authority: DE
Inventors: Juergen Stoschek; Datong Wu; Silva Pedro Da; Hoi Yan Fong
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses vorgeschlagen mit einem Messfühler im Verbrennungsbereich, der in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Messsignal liefert, das einer Signalverarbeitung unterzogen und einer Regelung zugeführt wird, welche das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf einen Sollwert einstellt, wobei der Sollwert des Brennstoff-Luft-Verhältnisses von einer einzustellenden Luftzahl definiert wird. Aus dem Messsignal wird ein Regelsignal mit einem Extremwert bei der einzustellenden Luftzahl gewonnen. Mit dem Regelsignal wird eine Stellgröße zur Veränderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses generiert, die zumindest annähernd das Regelsignal im Extremwert hält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Eine Einrichtung zur Regelung eines Gasbrenners, dem Brenngas über ein Gasventil und Luft über ein Gebläse zugeführt wird und bei dem ein die Flamme überwachender Messfühler ein Steuersignal an eine Regelungsschaltung liefert und die Stellung des Gasventils und die Drehzahl des Gebläses steuert, ist aus der DE 196 01 517 A1 bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass die Regelungsschaltung bei im Brennerbetrieb sinkendem Gasnetzdruck zunächst das Gasventil weiter öffnet und bei Erreichen der maximalen Öffnungsstellung des Gasventils und weitersinkendem Gasnetzdruck die Gebläsedrehzahl reduziert. Die Regelungsschaltung ist so konzipiert, dass im Brennerbetrieb bei normalem Gasdruck das Gasventil und/oder die Gebläsedrehzahl so geregelt wird, dass sich ein Sollwert der Luftzahl bei der Leistungssteuerung des Brenners einstellt. Zur Regelung der Luftzahl ist somit sowohl die Nachführung des Gasventils als auch die Nachführung der Drehzahl des Gebläses notwendig.

Die bekannte absolute Sollwert-Regelung hat außerdem den Nachteil, dass das Flammensignal mehr oder wenig von der Gasbelastung abhängt und es dadurch aufwendig ist, diese Abhängigkeit in dem gesamten Leistungsbereich zu berücksichtigen. Dies führt meist zu einer ungenauen Regelung der Verbrennung. Ein weiteres Problem besteht in der Langzeitstabilität des Signalaufnehmers, wie der Ionisationselektrode, denn die Sollwertregelung ist dann anfällig, sobald bei der verwendeten Elektrode ein Alterungseffekt auftritt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass aufgrund der Tatsache, das keine absolute Sollwert-Regelung vorliegt, die damit verbundenen Nachteile bei der Regelung ausgeschaltet werden. So ist das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend unabhängig von der Gasbelastung und der Alterung der Messelektrode, so dass die Leistungsvariation und die Drift des Flammensignals im Wesentlichen keine Rolle spielen. Der auf relative Messungen beruhende Algorithmus des erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht somit eine robuste und genaue Regelung der Verbrennung und damit der Luftzahl.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Verbrennung bzw. der Luftzahl nutzt das breitbandige Signalrauschen des Messsignals, wobei festgestellt wurde, dass eine höhere Luftzahl ein höheres Flammenrauschen und eine niedrigere Luftzahl ein niedrigeres Flammenrauschen aufweist. Wesentlich für das Verfahren ist, dass für den verwendeten Brenner zunächst das Frequenzspektrum des von der dem Messfühler gewonnenen Flammensignals in unterschiedlichen Frequenzbändern bei den verschiedenen Luftzahlen und Leistungen untersucht wird. Weist der Signalverlauf einen Extremwert der Signalamplitude im einzuregelnden Bereich der gewünschten Luftzahl auf, wird für dieses Frequenzband ein elektronisches Filter aufgebaut, mit dem das stochastische Flammensignal einer Signalverarbeitung unterzogen wird. Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Stabilitätsregelung der Flamme herangezogen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Besonders vorteilhaft ist es, zusätzlich zu dem die Feinregelung im Bereich des einzuregelnden Brennstoff-Luft- Gemischs realisierenden Regelsignals zwei weitere Regelsignale zu verwenden, die ein Herausdriften der Luftzahl aus einem vorgegebenen Luftzahlbereich detektieren. So ist es beispielsweise zweckmäßig, ein zweites Regelsignal einzusetzen, das ein Überschreiten des Brennstoff-Luft-Verhältnisses bei hohen Luftzahlen, z. B. bei λ > 1,4 erkennt. Zusätzlich kann ein drittes Regelsignal eingesetzt werden, mit dem niedrige Luftzahlen von λ < 1,15 bestimmt werden. Dadurch ist es möglich, dass das Stellventil zum Nachführen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses bzw. der Luftzahl mit einer relativ großen Verstellung beaufschlagt wird, so dass eine schnelle Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in Richtung des Extremwerts des ersten Regelsignals erfolgt. Dies ist besonders wichtig, wenn die Gaszusammensetzung stark schwankt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelsystems eines Gasheizgerätes,
Fig. 2 einen Signalverlauf eines Regelsignals,
Fig. 3 eine Kennlinie zur Ansteuerung eines Stellventils und
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Regelverfahrens.

Ausführungsbeispiel

Das in der Fig. 1 dargestellte Regelsystem für ein Heizgerät weist einen Brenner 10 mit einer dargestellten Flammenfront 11 auf. Dem Brenner 10 wird über eine Brenngas- Luftgemisch-Leitung 12 ein Brenngas-Luft-Gemisch mit Hilfe eines Gebläses 13 zugeführt. Dem Gebläse 13 ist eine Mischdose 17 vorgeschaltet, in die Verbrennungsluft 15 und über eine Brenngasleitung 14 Brenngas eingeleitet wird. Die Brenngasleitung 14 ist über eine weitere Brenngasleitung 14' und eine Gasarmatur 16, die beispielsweise als ein mit der Druckdose 17 zusammenwirkender pneumatischer Verbund arbeitet, an ein Gasnetz 22 angeschlossen. Das Gebläse 13 saugt das Brenngas-Luft-Gemisch an und drückt es über die Brenngas-Luftgemisch-Leitung 12 zum Brenner 10, wo das Brenngas- Luft-Gemisch als Flammenfront 11 verbrennt.
Die weitere Brenngasleitung 14' verzweigt sich in Strömungsrichtung des Brenngases hinter dem Gasventil 16 in einen Hauptgaszufuhrkanal 18 und einen als Bypass ausgeführten, verstellbaren Gaszufuhrkanal 19. Vor der Einmündung der Brenngasleitung 14 in das Gebläse 12 vereinigen sich die beiden Gaszufuhrkanäle 18, 19 wieder zur Brenngasleitung 14.
Im Hauptgaszufuhrkanal 18 befindet sich eine Verstelleinrichtung 35, mit der beispielsweise eine Anpassung der Brenngaszufuhr an die entsprechende Gasart bzw. Gasfamilie erfolgt, wobei die Einstellung werksseitig vorgenommen wird. Im verstellbaren Gaszufuhrkanal 19 ist ein Stellventil 36angeordnet, das beispielsweise von einem Schrittmotor 37 betätigt wird.
In die Flammenfront 11 des Brenners 10 ragt als Messfühler beispielsweise eine als passive Elektrode wirkende Ionisationselektrode 20, die üblicherweise zur Flammenüberwachung eingesetzt wird. Die Ionisationselektrode 20 dient hierbei als Messfühler zum Erfassen des Verbrennungszustandes der Flamme, wobei über den Verbrennungszustand auf die Luftzahl (Lambda-Wert) des Abgases geschlussfolgert werden kann. Die Ionisationselektrode 20 kann dabei gleichzeitig zur Flammenüberwachung dienen.
Die Ionisationselektrode 20 ist über eine Signalleitung 21 mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 23 verbunden, die beispielsweise drei Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 aufweist. Die Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 enthalten an sich bekannte analoge oder digitale Bandpassfilter zur Erzeugung von Regelsignalen 41, 42, 43 aus dem von der Ionisationselektrode 20 bereitgestellten stochastischen Flammensignal. Die Signalverarbeitungsanordnung 25 liefert dabei ein. DC-Signal als Regelsignal 43, die Signalverarbeitungsanordnung 26 ein erstes AC-Signal als Regelsignal 41 und die Signalverarbeitungsanordnung 27 ein zweites AC-Signal als Regelsignal 42.
Eine Steuergerät 30 enthält eine Regelungsschaltung 31 für eine Verbrennungs- bzw. Luftzahl-Regelung, deren Algorithmus in Fig. 4 dargestellt ist und später noch näher erläutert wird. Die Regelungsschaltung 31 dient zur Verarbeitung der Regelsignalen 41, 42, 43, wobei die verarbeitbaren Regelsignal 41, 42, 43 über jeweilige Signalleitungen 25', 26', 27' an die Regelungsschaltung 31 des Steuergeräts 30 übermittelt werden.
Das Steuergerät 30 ist über eine erste Signalleitung 33 mit dem Gebläse 13 und über eine zweite Signalleitung 34 mit dem Schrittmotor 37 des Stellventils 36 verbunden, wobei über die Signalleitung 34 eine Stellgröße y zum Ansteuern des Schrittmotors 37 und damit zum Nachführen des Stellventils 36 übermittelt wird. Im Steuergerät 30 ist ferner eine Leistungssteuerung oder eine Leistungsregelung für die vom Wärmebedarf abhängige Steuerung des Brenners 10 integriert. Dabei wird in Abhängigkeit von einer Ist-Temperatur und einer Solltemperatur das Gasventil 16 und/oder die Drehzahl des Gebläses 13 gesteuert. Zur Einstellung der Soll-Temperatur ist beispielsweise ein Sollwertsteller 40 vorgesehen, der mit der Leistungssteuerung bzw. Leistungsregelung des Steuergerätes 30 zusammenwirkt.
Zur Durchführung des Regelverfahrens ist es zunächst notwendig, für mindestens eines der Regelsignale 41, 42, 43 einen Extremwert des Signalverlaufs zu ermitteln. Dazu wird im Labor aus dem stochastischen Flammensignal der Ionisationselektrode 20 mittel einer Fourier-Transformation eine spektrale Verteilung des Flammensignals bei verschiedenen Luftzahlen ermittelt. Die Auswertung des Frequenzspektrum des stochastischen Flammensignals ergab, das in einem bestimmten Frequenzband der Verlauf eines Regelsignals in dem einzuregenden Brennstoff-Luft-Verhältnis (z. B. bei λ = 1,3) ein Minimum aufweist. Es ist aber genauso denkbar, dass unter bestimmten technischen Gegebenheiten, wie eingesetzter Brenner und/oder eingesetzter Messfühler, ein Frequenzband auszuwählen ist, das bei der bestimmten Luftzahl ein Maximum aufweist.
Anhand der spektralen Analyse des stochastischen Flammensignals wird die Signalverarbeitungseinrichtung 23 mit einem entsprechenden Bandpassfilter ausgerüstet, das dieses Frequenzband bei der Signalverarbeitung herausfiltert. Dies ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Signalverarbeitungsanordnung 26, die das erste AC-Signal als Regelsignal 41 liefert. Das ermittelte Minimum des Signalverlaufs des Regelsignals 41 wird dann zur Regelung der Verbrennung herangezogen.
Signalverläufe 5 des transformierten Flammensignals sind in Fig. 2 dargestellt. Eine in Fig. 3 dargestellte Kennlinie verdeutlicht die Position Z des Schrittmotors 37 über der Luftzahl X. Diese Kennlinie ist ebenfalls im Steuergerät 30 abgelegt. Gemäß Fig. 2 weist bei einer bestimmten Brennerleistung der transformierte Signalverlauf eine Kurve SO auf, die bei λ = 1,3 das Minimum S_min besitzt. Bei einer höheren Brennerleistung verschiebt sich das Minimum des Signalsverlauf bei gleicher Position Z des Schrittmotors 37 lediglich zu einem höheren Signalwert S, wie die Kurve 51 verdeutlicht. Die Kurve 52 hingegen verdeutlicht einen Gaswechsel, wobei das Minimum des Signalverlaufs weiterhin bei λ = 1,3 bleibt, jedoch bei einer veränderten Schrittmotorposition Z gemäß Fig. 3. Dieser Zusammenhang zeigt, dass mittels der Kennlinie in Fig. 3 ein Nachführen der Position Z des Schrittmotors bei einem Gaswechsel notwendig ist. Durch das Nachführen der Schrittmotorposition Z gemäß Fig. 3 wird somit das Regelungsverfahren an eine neue Gaszusammensetzung angepasst.
Das Regelungsverfahren wird nachfolgend anhand Fig. 4 näher erläutert. Das vorliegende Regelungsverfahren benutzt, wie bereits beschrieben, drei Regelsignale 41, 42, 43. Das Regelsignal 41 dient dabei zum Einregeln des Brennstoff-Luft- Verhältnisses auf eine vorgegebene Luftzahl von beispielsweise λ = 1,3. Die beiden weiteren Regelsignale 42, 43 werden jeweils mittels einer Sollwert-Regelung verarbeitet, wobei für das Regelsignal 43 ein Sollwert X1 für λ < 1,15 und für das Regelsignal 42 ein Sollwert X2 für λ > 1,4 festgelegt wurde. Die Regelsignale 42, 43 werden ebenfalls mittels Bandbassfilter gemäß den Signalverarbeitungsanordnungen 25 und 27 ermittelt.
Die im Steuergerät 30 gespeicherten Sollwerte X1 und X2 geben Grenzwerte für die Signalamplitude S vor, um ein zu weites Abdriften von der einzuregelnden Luftzahl festzustellen und eine schnelles Rückführen der Regelgröße auf die einzuregelnde Luftzahl zu ermöglichen. Liegt gemäß einem ersten Schritt das DC-Regelsignal 43 unter dem Sollwert X1 bedeutet dies, dass das Brenngas-Luft-Verhältnis die untere Grenze von λ = 1,15 überschritten hat. In diesem Fall wird mit der Entscheidung Y sofort der Schrittmotor 37 so angesteuert, dass mit einem großen Schritt das Stellventil 36 die Brenngaszufuhr drosselt. Im zweiten Schritt wird überprüft, ob das Regelsignal 42 über dem Sollwert X2 liegt. Ist dies der Fall, wurde die obere Grenze von λ = 1,4 überschritten und es liegt ein Brenngasmangel bzw. Luftüberschuss des Brenngas-Luft-Gemischs vor. Der Schrittmotor 37 wird angesteuert, so dass mit einem großen Schritt das Stellventil 36 die Brenngaszufuhr erhöht.
Als dritter Schritt wird das Regelsignal 41, das bei der einzuregelnden Luftzahl von λ = 1,3 ein Minimum der Signalamplitude aufweist, mittels eines Minimum-Suchalgorithmus überprüft. Entspricht das Regelsignal 41 der Signalhöhe S_min, liegt der einzustellende bzw. einzuregelnde Luftzahl-Wert vor, wobei die Stellgröße mit Δy = 0 vorliegt, d. h., der Schrittmotor 37 erfährt keine Verstellung. Befindet sich das Regelsignal 41 außerhalb von S_min, wird der Schrittmotor 37 so verstellt, dass das Stellventil 36 sich in Richtung Schließen oder Öffnen bewegt. Dabei ist gemäß einem vierten Schritt vorgesehen, dass eine positive Stellgröße Δy generiert wird, wenn die Signalamplitude 5 des Regelsignals 41 größer als S_min ist und sich das Regelsignal 41 bei λa > λS befindet, wobei λS die einzustellende bzw. einzuregelnde Luftzahl und λa die Luftzahl der aktuellen Signalgröße bedeuten. Der Betrag der Stellgröße Δy ergibt sich hierbei aus der Multiplikation der Signaländerung ΔS zwischen dem jetzigen und letzten Schritt des Schrittmotors 37 multipliziert mit einem ersten Faktor K1. Dadurch öffnet der Schrittmotor 37 das Regelventil 36 weiter und Brenngas-Luft-Gemisch wird mit Brenngas angereichert. Liegt das Regelsignal 41 auf der linken Seite des Minimums, d. h. bei λa < λS, wird eine negative Stellgröße Δy generiert, die sich aus der Signaländerung ΔS zwischen dem jetzigen und dem letzten Schritt des Schrittmotors 37 multipliziert mit einem zweiten Faktor K2 ergibt. Dadurch wird der Schrittmotor 37 so angesteuert, dass das Regelventil 36 die Brennstoffzufuhr drosselt. Die Faktoren K1 und K2 repräsentieren dabei die unterschiedlichen Steigungen des Signalverlaufs des Regelsignals 41 bei λ > 1,3 und λ < 1,3. Der Minimum-Suchalgorithmus wird ständig wiederholt, so dass sich das Regelsignal 41 um λ = 1,3 bewegt.
Mit der beschriebenen Luftzahl-Regelung ist es ebenso möglich, die Flammenstabilität des Brenners zu überwachen. Die Flammeninstabilität in einem Heizkessel kann direkt zu hörbaren und lästigen Schwingungsgeräuschen (Dröhnen, Pfeifen) in der Brennkammer führen. Für die Flammeninstabilität spielt die Luftzahl die entscheidende Rolle. Die Wechselwirkung des Brenners 10 mit dessen Abgasweg kann bei ungünstigen Fällen zusätzlich die Brennkammerschwingungen verstärken.
Mit dem von der Ionisationselektrode 20 gelieferten Ionisationssignal lässt sich ebenso eine instabile Flamme erfassen und damit ein instabiler Betriebszustand des Heizgerätes frühzeitig erkennen, so dass Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.

Claims

1. Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere eines Brenners, mit einem Messfühler im Verbrennungsbereich, der in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Messsignal liefert, das einer Signalverarbeitung unterzogen und einer Regelung zugeführt wird, welche das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf einen Sollwert einstellt, wobei der Sollwert des Brennstoff-Luft-Verhältnisses von einer einzustellenden Luftzahl definiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Messsignal ein Regelsignal mit einem Extremwert bei der einzustellenden Luftzahl gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung das Regelsignal dem Extremwert nachführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Regelsignal eine Stellgröße zur Veränderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses generiert wird, die zumindest annähernd das Regelsignal im Extremwert hält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Frequenzband des Messsignals spektrale Verteilungsdichten ausgewählt werden, in denen das Regelsignal bei der einzustellenden Luftzahl einen Extremwert aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Extremwert ein Minimum des Signalverlaufs des Regelsignals bei der einzustellenden Luftzahl darstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Regelsignal mit dem Extremwert bei der einzustellenden Luftzahl mindestens ein weiteres Regelsignal aus dem Frequenzband des Messsignals gewonnen wird, welches das Überschreiten einer Luftzahl-Grenze detektiert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Regelsignal mittels eines Sollwertvergleich verarbeitet wird und dass anhand des Sollwertvergleichs eine weitere Stellgröße zum sprunghaften Nachführung des ersten Regelsignals an die einzustellenden Luftzahl generierte wird.

8. Verfahren nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Regelsignale verwendet werden, wobei ein erstes Regelsignal eine Abweichung in Richtung kleinerer Luftzahl-Werte und ein zweites Regelsignal eine Abweichung in Richtung größerer Luftzahl-Werte detektiert, und dass beim Überscheiten des größeren Luftzahl-Wertes eine sprunghafte Nachführung des Regelsignals durch ein sprunghaftes Öffnen eines Brennstoff-Stellventils und bei einem Überschreiten des kleineren Luftzahl-Wertes eine sprunghafte Nachführung des Regelsignals durch ein sprunghaftes Drosseln des Brennstoff-Stellventils realisiert wird.

9. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsignal ein Spannungspotential an einer passiven Elektrode aufgenommen wird.