DE10220773A1

DE10220773A1 - Verfahren und Einrichtung zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere eines Brenners

Info

Publication number: DE10220773A1
Application number: DE10220773A
Authority: DE
Inventors: Bernulf Goesling; Juergen Stoschek; Datong Wu; Silva Pedro Da
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 und eine Einrichtung zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere eines Brenners, vorgeschlagen mit einem Messfühler (20) im Flammenbereich (11) des Brenners (10), der in Abhängigkeit von der Verbrennung ein stochastisches Messsignal liefert, das einer Signalverarbeitung unterzogen und einer Regelung zugeführt wird, welche das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf einen Sollwert einstellt. Zur Signalverarbeitung ist mindestens eine Signalverarbeitungsanordnung (25, 26, 27) vorgesehen, mit der das von dem Messfühler (20) gewonnene Messsignal mittels einer spektralen Frequenzanalyse in mindestens ein Regelsignal (41, 42, 43) transformiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere eines Brenners nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Für Verbrennungsprozesse in Heizgeräten spielt die über die Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches erzielte Luftzahl eine entscheidende Rolle im Hinblick auf den Schadstoffausstoß, auf die Flammenstabilität, auf den Wirkungsgrad des Heizgerätes sowie auf die Brennermodulation. Statt einer einmaligen Luftzahleinstellung ist eine luftzahlgeregelte Verbrennung erforderlich, da die Zusammensetzung des gelieferten Brenngases stark schwanken kann. Bei einer luftzahlgeregelten Verbrennung kann die Luftzahl (Lambda- Wert) mit Hilfe von verschiedenen Messgrößen bestimmt werden.
Aus der DE 195 02 901 C1 ist bekannt, die Luftzahl über das mit Hilfe einer Ionisationselektrode erfasste Ionisationssignal zu bestimmen. Dabei wird an die Ionisationselektrode eine Wechselspannung angelegt. Als Ionisationssignal dient die von der Luftzahl abhängige Schwankung des Ionisationsstroms, der mittels einer speziellen Signalverarbeitungsanordnung ausgewertet und zur Einstellung der vorgegebenen Luftzahl die Luftzufuhr oder zusätzlich die Gaszufuhr verändert wird.
Der thermische Alterungseffekt der Ionisationselektrode, die geometrische Veränderung aufgrund thermischer Spannung während des Betriebes sowie die Luftfeuchtigkeit beeinflussen zusätzlich das Ionisationssignal. Deshalb benötigen die Verfahren, die den Ionisationsstrom auswerten, einen aufwändigen Kalibriervorgang sowohl beim Starten als auch nach bestimmten Betriebszeiten (vgl. DE 195 39 568 C1).
Aus der DE 199 32 546 A1 ist ferner bekannt, unter Ausnutzung des an sich bekannten Langumir-Effekts das an einer Ionisationselektrode sich in einer Flamme ausbildende elektrische Spannungspotential zur Erfassung der Luftzahl eines Gasbrenner heranzuziehen und als Signal zum Regeln des Brenngas-/Luftgemischs heranzuziehen. Das Problem bei der Nutzung des elektrischen Spannungspotentials der Ionisationselektrode als Ionisationssignal besteht jedoch darin, dass das aus der Flamme aufgenommene Messsignal ein breitbandiges Rauschen aufweist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass aus einem stochastischen Flammensignal ein Regelsignal gewonnen wird, mit dem auf einfache Weise eine luftzahlgeregelte Verbrennung möglich ist. Das Verfahren ist robust und erfordert keine Kalibrierung vor oder während des Verbrennungsprozesses. Auch mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist sowohl eine schnelle als auch eine stabile Regelung der Verbrennung und damit der Luftzahl möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Besonders vorteilhaft ist es, aus dem aufgenommenen Frequenzspektrum des stochastischen Messsignals für mindesten zwei Frequenzen und/oder Frequenzbänder jeweils ein Regelsignal herauszufiltern, die insbesondere in dem zu regelnden Luftzahl-Bereich zwischen beispielsweise 1,15 und 1,4 einen unterschiedlichen Signalverlauf aufweisen. Dadurch können Änderungen der Luftzahl während des Verbrennungsprozesses schnell erfasst werden und mittels eines sofortigen Eingriffs kann die Regelung der Verbrennung eine Nachführung der Luftzahl durchführen. Außerdem kann dadurch auch auf starke Änderungen der Luftzahl, die z. B. durch eine plötzliche Änderung der Brenngasqualität auftreten, schnell reagiert werden.
Als besonders zweckmäßig hat sich herausgestellt, für die Regelung der Verbrennung aus dem Frequenzspektrum drei Regelsignale herauszufilter, wobei zur Regelung neben dem ersten Regelsignal zwei weitere Regelsignale herangezogen werden, die insbesondere in dem kritischen Luftzahl- Regelbereich von λ < 1,15 und λ > 1,4 jeweils eine identifizierbare und unterscheidbare Signaländerung aufweisen. Dadurch wird sofort ein diese Luftzahl-Grenzwerte nach unten und nach oben unterschreitendes bzw. überschreitendes Regelsignal erkannt, das durch eine entsprechender Veränderung des Brenngas-Luft-Verhältnisses korrigiert werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelsystem eines Gasheizgerätes,
Fig. 2 ein von der Ionisationselektrode aufgenommenes stochastische Flammensignal und eine davon abgeleitete Frequenzbereich-Darstellung,
Fig. 3 eine Darstellung von drei Signalverläufen, die aus dem Flammensignal gemäß Fig. 2 gewonnen wurden,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungseinrichtung.

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. In der Brenngasleitung 14 ist ein steuerbares Gasventil 16 angeordnet, das an ein Gasnetz 18 angeschlossen ist. 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.
In die Flammen 11 des Brenners 10 ragt als Messfühler eine Ionisationselektrode 20, die üblicherweise zur Flammenüberwachung eingesetzt wird. An Stelle der Ionisationselektrode 20 ist auch die Verwendung eines optischen oder akustischen Sensors denkbar. Die Ionisationselektrode 20 dient hierbei als Messfühler zum Erfassen des Verbrennungszustandes der Flamme. Über den Verbrennungszustand kann auf die Luftzahl des Abgases geschlussfolgert werden. 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, wobei jeder Signalverarbeitungsanordnung 25, 26 27 die Signalleitung 21 zugeführt ist. Die Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 enthalten analoge oder digitale Bandpassfiltern zur Ermittlung von verarbeitbaren Regelsignalen 41, 42, 43. Eine Prinzipschaltung mit analogen Bandpassfiltern wird in Verbindung mit Fig. 4 später noch näher beschrieben. Der Ausgang jeder Signalverarbeitungsanordnung 25, 26, 27 ist jeweils über weitere Signalleitungen 25', 26', 27' an ein Steuergerät 30 angeschlossen.
Das Steuergerät 30 enthält eine nicht näher dargestellte Lambda-Regelung 35, die die Regelsignale 41, 42, 43 verarbeitet und die mit einem ebenfalls nicht dargestellten Mikroprozessor zusammenarbeitet. Das Steuergerät 30 steht ferner über eine Signalleitung 33 mit dem Gebläse 12 und einer weiteren Signalleitung 34 mit dem Gasventil 16 in Verbindung.
Das Steuergerät 30 enthält ferner eine Steuerung oder eine weitere Regelung für die von Wärmebedarf abhängige Leistungsmodulation des Brenners 10. Dabei wird in Abhängigkeit von einer Ist-Temperatur und einer Soll- Temperatur der Heizung vom Steuergerät 30 das Gasventil 16und/oder die Drehzahl des Gebläses 12 gesteuert. Weiterhin erfasst das Steuergerät 30 den Zustand der Öffnungsstellung des Gasventils 16 sowie die aktuelle Drehzahl des Gebläses 12. Zur Einstellung der Soll-Temperatur ist beispielsweise ein Sollwertsteller 31 vorgesehen, der mit der Steuerung bzw. der weiteren Regelung des Steuergerätes 30 zusammenwirkt.
Als Ionisationselektrode 20 dient eine stabförmige Sonde, die in die Flammen gelegt und gegenüber dem Brennergehäuse elektrisch isoliert montiert wird. Im Gegensatz zu den bekannten Lambda-Regelungen mittels Ionisationselektroden wird keine Fremdspannung an die Ionisationselektrode 20 angelegt. Vielmehr wird der Verbrennungszustand der Flammen 11 des Brenners 10 über ein sich in der Flamme bzw. im Plasma der Flamme an der Ionisationselektrode 20 aufbauendes elektrische Spannungspotential erfasst, das gegen die Brennermasse als Hess-Spannung abgegriffen wird. Die verwendete Ionisationselektrode 20 wirkt somit als passive Elektrode.
Eine alternative Lösung mit zwei Ionisationselektroden in unterschiedlichen Flammenpositionen ist ebenfalls denkbar. Durch eine Differenzbildung oder Quotientenbildung zweier Signale aus unterschiedlich spektralen Bereichen kann dann ebenfalls ein eindeutiges Regelsignal gewonnen werden, das für die Verbrennungsregelung eingesetzt werden kann.
Der Verlauf des Spannungspotential der Ionisationselektrode 20 ist in Fig. 2 als stochastisches Flammensignal 36 dargestellt. Das gemessene Flammensignal 36 verhält sich wie ein breitbandiges Rauschen, ähnlich dem 1/f-Rauschen in der Elektronik. Das Rauschsignal weist charakteristische Verteilungsdichten in dem Frequenzspektrum auf. Es wurde gefunden, dass die Bewegungsamplitude und die Frequenz der Flammenfront und damit das stochastische Flammensignal 36 eng mit der Luftzahl im Abgas zusammenhängt. Die spektrale Verteilung des Flammensignals 36 spiegelt dabei den luftzahlbedingten Verbrennungszustand wider.
In Fig. 2 ist ferner ein über eine Fourier-Transformation des Flammensignal 36 ermitteltes transformierte Signal 37 bei einer bestimmten Luftzahl dargestellt. Aus dieser Frequenz-Darstellung ist die spektrale Verteilung des Flammensignals 36 ersichtlich. Der Verlauf der Frequenzbereich-Darstellung des Signals 37 zeigt, dass in verschiedenen Frequenzbändern unterschiedliche Signalhöhen vorliegen. Diesen Zustand nutzt die vorliegende Regelung aus, indem das stochastische Flammensignal 36 in der. Signalverarbeitungseinrichtung 23 einer entsprechenden spektralen Frequenzanalyse unterzogen wird.
Zur spektralen Frequenzanalyse wird das Frequenzspektrum in drei Frequenzbändern, die eine typische Verteilungsdichte des in Fig. 2 dargestellten Flammensignals repräsentieren, ausgewertet. Dazu sind die Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 gemäß Fig. 4 für diese drei Frequenzbänder mit entsprechenden Frequenzfiltern ausgerüstet, die das stochastische Flammensignal 36 filtern und die in Fig. 3 dargestellten transformierten Signalverläufe 41', 42', 43' der entsprechenden Regelsignale 41, 42, 43 liefern, wobei in Fig. 3 die transformierte Signalhöhe S in Volt über der Luftzahl λ dargestellt ist.
Der erste Signalverlauf 41' repräsentiert dabei ein erstes AC-Signal, der zweite Signalverlauf 42' ein weiteres AC- Signal und der dritte Signalverlauf 43' ist ein DC-Signal. Aus diesen, im Labor aufgenommenen Signalverläufen 41', 42', 43' wird beispielsweise für jedes Regelsignal 41, 42, 43 ein Sollwert ermittelt, der jeweils im Steuergerät 30gespeichert ist. Gemäß Fig. 3 liegt für eine einzuregelnde Luftzahl von 1,25 für das Regelsignal 41 ein Sollwert S1, für das Regelsignal 42 ein Sollwert S2 bei λ = 1,4 und für das Regelsignal 43 ein Sollwert S3 bei λ = 1,15 vor. Die drei Regelsignale 41, 42, 43 besitzen dabei im Luftzahl- Regelbereich von 1,15 bis 1,4 unterschiedliche Signalhöhen. Zusätzlich weisen die Signalverläufe 42' und 43' im kritischen Luftzahl-Regelbereich von λ < 1,15 und λ > 1,4 identifizierbare und unterscheidbare Signaländerungen auf, die zur Erkennung einer Überschreitung dieser Luftzahl- Grenzen einfach detektiert werden können.
Gemäß Fig. 4 wird das von der Ionisationselektrode 20 gelieferte Flammensignal als Spannungssignal einem Vorverstärker 51 zugeführt, der einen großen Eingangswiderstand besitzt. Das vom Vorverstärker 51 mit kleinem Ausgangswiderstand abgegebene Signal wird zur Signalverarbeitung den einzelnen Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 zugeführt.
Die Signalverarbeitungsanordnung 26 enthält zum Herausfiltern des DC-Signals als Regelsignal 43 einen Tiefpassfilter 52, der den arithmetischen Mittelwert der Eingangsspannung erzeugt, so dass dieser dem Gleichstromanteil entspricht.
In die Signalleitung zu den Signalverarbeitungsanordnungen 26 und 27 ist ein Kondensator 53 geschaltet, der den Gleichstromanteil unterdrückt und die Wechselstromanteile des Spannungssignals durchlässt.
In der zweiten Signalverarbeitungsanordnung 26 gelangt der Wechselstromanteil zu einem Tiefpassfilter 54, das alle Frequenzen beispielsweise unter 25 Hz unterdrückt. Das Ausgangssignal wird von einem Messgleichrichter 55gleichgerichtet und einem weiteren Tiefpassfilter 56 zugeführt. Das weitere Tiefpassfilter 56 unterdrückt Signalschwankungen, so dass das erstes AC-Signal als Regelsignal 41 entsteht.
Das über den Kondensator 53 bereitgestellte Wechselspannungssignal wird ebenfalls der dritten Signalverarbeitungsanordnung 27 zugeführt. Dort ist ein Bandpassfilter 57 angeordnet, das nur Frequenzen beispielsweise zwischen 65 und 85 Hz passieren lässt. Dieses Signal wird dann mittels eines Messgleichrichters 58 gleichgerichtet und einem weiteren Tiefpassfilter 59 zugeführt, mit dem ebenfalls Signalschwankungen unterdrückt werden. Die Signalverarbeitungsanordnung 27 liefert das weitere AC-Signal, das als Regelsignal 42 dem Steuergerät 30 zugeführt wird.
Die im Steuergerät 30 integrierte Luftzahl-Regelung 35 vergleicht ständig die aktuellen Regelsignale 41, 42, 43 mit den entsprechenden Sollwerten 51, 52, 53 der aufgenommenen Signalverläufe 41', 42', 43'. Beim vorliegenden Verfahren zur Regelung der Luftzahl wird beispielsweise zunächst nur das Regelsignal 41 mit dem Sollwert S1 verglichen. Die beiden weiteren Regelsignale 42 und 43 greifen erst im kritischen Luftzahl-Regelbereich von λ ≤ 1,15 und λ ≥ 1,4 ein, um ein Herauslaufen des Regelsignals 41 aus dem Regelbereich zu erkennen.
Fig. 3 zeigt, dass im einzuregelnden Luftzahl-Bereich von 1,15 bis 1,4 der Signalverlauf 41' des Regelsignals 41 im Wesentlichen die gleiche Signalhöhe S aufweist. Unterschreitet das Regelsignal 41 beispielsweise den Luftzahl-Grenzwert λ = 1,15 wird mittels des Regelsignals 43 und eines Sollwertvergleichs mit dem Sollwert S3 bei dieser Luftzahl eine starke Signaländerung detektiert, so dass die Luftzahl-Regelung 35 eine Stellgröße generierte, die das Brenngas-Luft-Verhältnis in Richtung λ = 1,25 verändert. Wird der andere Luftzahl-Grenzwert von λ = 1,4 überschritten, wird dies mittels des Regelsignals 42 und eines Sollwertvergleichs mit dem Sollwert S2 festgestellt. In diesem Fall wird das Brenngas-Luft-Verhältnis ebenfalls in Richtung λ = 1,25 verändert. Dadurch kann die Regelung schnell auf eine starke Änderung des Brenngas-Luft- Verhältnisses reagieren, wenn das Brenngas-Luft-Gemisch die Luftzahl-Grenzwerte überschreiten sollte. Durch entsprechende Maßnahmen kann dann die Lambda-Reglung 35 beispielsweise eine sprunghafte Änderung des Brenngas-Luft- Verhältnisses bewirken, wodurch das Regelsignal 41 schnell wieder in Richtung des Sollwertes S1 bei λ = 1,25 geführt werden kann.
Die von der Luftzahl-Regelung im Steuergerät 30 generierte Stellgröße wird über die Signalleitungen 34 dem Gasventil 16 und/oder über die Signalleitung 33 dem Gebläse 12 zugeführt. Durch die Verstellung des Gasventils 16 wird eine Veränderung der Brenngaszufuhr vorgenommen. Durch die Verstellung der Drehzahl des Gebläses 12 kann eine Veränderung der Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs zur Verbrennung im Brenner 10 bewirkt werden. Dadurch kann Einfluss auf den Verbrennungsprozess genommen und die Luftzahl im Abgas wird auf den vorgegeben Wert gehalten.
Es ist darüber hinaus möglich, die beschriebene Signalverarbeitung und Lambda-Regelung auch bei anderen Verbrennungsprozessen einzusetzen.

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, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Messfühler gewonnene Messsignal mittels einer spektralen Frequenzanalyse in mindestens ein Regelsignal transformiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der spektralen Frequenzanalyse aus dem Frequenzspektrum des Messsignals eine Frequenz oder ein Frequenzband ausgewählt wird, bei der bzw. bei dem das transformierte Regelsignal eine für eine ausgewählte Luftzahl verarbeitbare Signalgröße aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Frequenz oder des Frequenzbandes anhand von spektralen Verteilungsdichten des Messsignals erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Frequenzspektrum des Messsignals anhand von mindesten zwei ausgewählten Frequenzen und/oder Frequenzbändern mindestens zwei Regelsignale ermittelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Frequenzen und/oder der Frequenzbänder für die mindestens zwei Regelsignale derart erfolgt, dass die transformierten Regelsignale im zu regelnden Luftzahl-Bereich einen unterschiedlichen Signalverlauf aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsignal ein Flammensignal aufgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsignal ein Spannungspotential aufgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsignal mit einem Sollwert verglichen wird, der einen Signalwert bei der einzuregelnden Luftzahl repräsentiert.

9. Einrichtung zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere eines Brenners, mit einem im Verbrennungsbereich angeordneten Messfühler, 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung (23) mindestens eine Signalverarbeitungsanordnung (25, 26, 27) aufweist, mit der das von dem Messfühler (20) gewonnene Messsignal (36) mittels einer spektralen Frequenzanalyse in mindestens ein Regelsignal (41, 42, 43) transformierbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Signalverarbeitungsanordnungen (25, 26, 27) vorgesehen sind, die aus dem Frequenzspektrum des Messsignals (36) spektrale Verteilungsdichten auswählen, aus denen das jeweilige Regelsignal (41, 42, 43) ermittelt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Impedanzwandler wirkender Verstärker (51) vorgesehen ist, dem das Messsignal (36) zugeführt wird, dass der Ausgang des Verstärkers (51)an einen Kondensator (53) geführt ist, der nur den Wechselstromanteil passieren lässt, dass ein Tiefpassfilter oder Bandpassfilter (54) vorgesehen ist, um nur den niederfrequenten Anteil des Messsignals (36) passieren zu lassen, und dass ein Messgleichrichter (55) angeordnet ist, in dem ein gleichgerichtetes Signal erzeugt wird, das der Regelung als Regelsignal (41) zuführbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Messfühler eine Elektrode (20) angeordnet ist, deren Spannungspotential als Messsignal (36) dient.