DE10246854A1

DE10246854A1 - Feuerungsautomat

Info

Publication number: DE10246854A1
Application number: DE10246854A
Authority: DE
Inventors: Cem Gümüs
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-29
Also published as: WO2004033964A1; AU2003276065A1

Abstract

Ein Feuerungsautomat (10) zur Steuerung von Aktuatoren (22, 24, 30, 32) und Sensoren (26, 28, 34), die für den Betrieb eines Brenners (12) einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage verwendbar sind, ist gekennzeichnet durch eine Betriebsspannung (50) im Niedervoltbereich bis 42 Volt DC und eine von dieser Betriebsspannung gespeiste Leistungselektronik, mit welcher die für die Aktuatoren und Sensoren erforderlichen Steuerspannungen erzeugbar sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Feuerungsautomat zur Steuerung von Aktuatoren und Sensoren, die für den Betrieb eines Brenners einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage verwendbar sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Brenner-Dampferzeugereinheit, einer Arbeitsmaschine und einem von der Arbeitsmaschine betreibbaren Stromgenerator.
In einem Brenner wird durch exotherme Verbrennung von Brenngas heißes Rauchgas erzeugt, mit welchem ein Dampferzeuger in Dampf-betriebenen Arbeitsmaschinen beaufschlagt wird. Das Fluid, beispielsweise Wasser oder Wasserdampf, wird durch einen Dampferzeuger mit einem oder mehreren Kanälen geleitet, der von dem Rauchgasstrom umströmt ist. Beim Umströmen der fluiddurchstömten Kanäle wird Wärme auf das Fluid übertragen. Dies kann dann in einer Arbeitsmaschine unter Expansion Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt und zum Betrieb eines Stromgenerators verwendet werden.
Der Feuerungsautomat dient zur Steuerung eines solchen Brenners, welcher Dampf für eine Arbeitsmaschine mit externer Verbrennung erzeugen soll. Dabei soll mit der Arbeitsmaschine neben Wärme auch Strom erzeugt werden. Solche Arbeitsmaschinen sind sowohl für den stationären Einsatz zum Beispiel in Häusern als auch im mobilen Einsatz zum Beispiel in Personenkraftfahrzeuge, Campingwagen, Lastkraftwagen, auf Schiffen und im Bereich mobiler Krankenhäuser oder Messstationen geeignet. Dies ist besonders sinnvoll, da sie sowohl Strom, als auch Wärme liefern.
Stand der Technik
Ein bekannter Feuerungsautomat wird unter der Bezeichnung "Serie EC7800 Feuerungsautomat" von der Firma Honeywell vertrieben. Wie im technischen Datenblatt für diesen Feuerungsautomat angegeben, arbeiten alle Bauteile mit einer Arbeitsspannung im Bereich um 230 Volt Wechselspannung. Die für die Steuerung des Brenners erforderliche Logik wird mittels einer Relaisschaltung verwirklicht, welche in einem "Sicherheitsrelaistest" überprüft werden kann. Die Schaltung ist nicht veränderbar und muss für jeden Brennertyp einzeln entwickelt werden. Das Gerät ist für den mobilen Einsatz nur dann verwendbar, wenn eine entsprechende Wechselspannung, z. B. aus einem Generator oder aus dem Netz zur Verfügung steht. Auch sind nicht alle wünschenswerten Diagnosefunktionen, wie die Überwachung der fließenden Ströme und die Ermittlung interner Temperaturen über eine Relaisschaltung realisierbar.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Feuerungsautomat zu schaffen, der auch in mobilen Anwendungen verwendbar ist und eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Anforderungen eines Brenners aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Feuerungsautomat der eingangs genannten Art gelöst durch eine Gleichspannungsquelle im Niedervoltbereich bis 42 Volt und eine von dieser Gleichspannungsquelle gespeiste Leistungselektronik, mit welcher die für die Aktuatoren und Sensoren erforderlichen Steuerspannungen erzeugbar sind.
Durch die Verwendung einer Leistungselektronik kann auf eine aufwendige und unflexible Relaisschaltung verzichtet werden und die notwendigen Funktionen in einem integrierten Baustein verwirklicht werden. Diese intelligente Leistungselektronik kann auf der Basis einer Bordnetzspannung, z.B. einer Batteriespannung von 12 V- Gleichspannung arbeiten. Eine solche Anordnung arbeitet aber auch auf der Basis höherer Bordnetzspannungen wie 42 V Gleichspannung, die für zukünftige Anwendungen geplant sind. Dadurch funktioniert die gesamte Anordnung auch im mobilen Einsatz.
Wesentlicher Vorteil bei der Verwendung von Gleichspannung ist, dass die gesamte aus der Steuergeräteentwicklung für Kraftfahrzeuge bekannte und höchsten Sicherheitsanforderungen entsprechende Technik mit ihren vielfältigen Sensor- und Aktuatoranwendungen in der Heizungs- und Feuerungstechnik eingesetzt werden kann.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
l ist eine schematische Darstellung eines Feuerungsautomaten mit angeschlossenem Brenner
2 ist eine schematische Darstellung einer Steuereinheit für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In l ist mit 10 allgemein ein Feuerungsautomat bezeichnet. Der Feuerungsautomat steuert einen Brenner 12. Der Brenner 12 ist mit einer Zuleitung 14 für ein Gemisch aus Brenngas und Luft versehen. Das Brenngas wird durch eine Leitung 16 zugeführt. Die Luft wird über die Lufteinlassschlitze in der Leitung 14 zugeführt.
Das Brenngas wird über ein Sicherheitsventil 22 und ein nachfolgendes Brennstoffventil 24 aus einem Brenngasreservoir (nicht dargestellt) zugeführt. Dabei wird mittels eines Gasdruckwächters 26 ermittelt, ob der am Brennstoffventil 24 anliegende Gasdruck des Brenngases oberhalb eines Grenzwertes liegt. Der Gasdruckwächter 26 ist als Druckschalter ausgebildet. Wenn der Grenzwert unterschritten wird, wird ein entsprechendes Signal vom Druckschalter ausgelöst. Das System schließt dann das Sicherheitsventil 22 und Brennstoffventil 24. Dadurch wird ein Betrieb bei unzulässigem Gasdruck vermieden. Das Sicherheitsventil 22 und das Brennstoffventil 24 sind aus sicherheitstechnischen Gründen redundant ausgeführt.
Die Luft wird über ein Verbrennungsluftgebläse 30, welches an der Leitung 20 anliegt, zugeführt. Ähnlich wie der Gasdruckwächter 26 ist ein Luftdruckwächter 28 vorgesehen. Der Luftdruckwächter 28 dient der Überwachung des anliegenden Luftdrucks. Auch der Luftdruckwächter 28 ist als Druckschalter ausgebildet. Der Druckschalter spricht an, wenn die Druckerhöhung durch das Gebläse unter einem bestimmten Minimalwert liegt. Dann wird keine ausreichend große Verbrennungsluftmenge gefördert. In diesem Fall gibt der Luftdruckwächter 28 die Ventile 22 und 24 nicht frei.
Mit der dargestellten Anordnung ist eine Gas/Luft-Verhältnisregelung nach dem so genannten Nulldruckverfahren möglich. Der herrschende Umgebungsdruck dient dabei dem Servodruckregler als Führungsgröße. Das bedeutet, daß der Druck in der Erdgasleitung stets bis auf den Nulldruck, d.h. den Umgebungsdruck gedrosselt wird. Das Gas steht dann unabhängig von der momentanen Drehzahl des Gebläses stets bei Umgebungsdruck zur Verfügung. Schließt man das Gas unter Umgebungsdruck an die Saugseite des Verbrennungsluftgebläses an, so wird durch dessen Saugwirkung ein Gasstrom gefördert. Die Saugwirkung ist dabei mit der momentanen Gebläsedrehzahl korreliert. Der geförderte Gasstrom steht stets in einem bestimmten Verhältnis zum Förderstrom des Gebläses steht. Die Höhe dieses Verhältnisses kann durch geeignete Ventile bzw. Verstelleinrichtungen maßgeblich beeinflusst werden.
Ebenso ist mit den beschriebenen Komponenten der Betrieb einer so genannten Gleichdruckregelung möglich, bei der als Führungsgröße für den Servodruckregler der Förderdruck des Gebläses dient. Dadurch wird das Gas immer auf den Druck entspannt, der gerade vom Gebläse erzeugt wird. In einer nach dem Gebläse angeordneten Mischkammer werden Gas und Luft bei gleichem Druck zusammengeführt und gemischt.
Wiederum durch Wahl geeigneter Ventile und Verstelleinrichtungen kann die Höhe des Verhältnisses aus Gas und Luft beeinflusst werden.
Das Brenngas-Luft-Gemisch wird im Brenner 12 mittels eines Glühzünders 32 gezündet. Ein ebenfalls im Brenner angeordneter Flammenfühler 34 überprüft das Vorhandensein einer Flamme. Als Flammenfühler wird ein Ionisationsfühler oder ein optischer Detektor verwendet.
Die verwendeten Aktuatoren, d. h. das Verbrennungsluftgebläse 30, der Glühzünder 32 und die Ventile 22 und 24, sowie die Sensoren, d. h. der Flammenfühler 34, der Gasdruckwächter 26 und der Luftdruckwächter 28 sind über Leitungen und einen lösbaren Steckverbinder 36 mit dem Feuerungsautomat 10 verbunden. Dieser Feuerungsautomat 10 ist an die unterschiedlichen Brenner jeweils angepasst und stellt ein brennerspezifisches Bauteil dar.
Der für jeden Brennertyp individuell ausgewählte Feuerungsautomat 10 wird auf die Platine einer Steuereinheit 38 (2) für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen aufgesteckt und steht mit einem programmierbaren, zentralen Mikrocontroller 40 über einen I²C-Bus 41 (Inter IC-Bus) und den Steuerleitungen 43 in Verbindung. Der I²C-Bus 41 und die Steuerleitungen 43 dienen zur direkten Steuerung der in dem Feuerungsautomat 10 verwendeten Bausteine.
Der Mikrokontroller 40 steuert außerdem ein Heiz- und Leistungsmodul 42 und die eigentliche Arbeitsmaschine, welche hier nicht näher dargestellt ist. Das Heiz- und Leistungsmodul 42 ist mit dem Mikrocontroller 40 ebenfalls über den I²C-Bus 41 und den Steuerleitungen 43 verbunden. Der Mikrocontroller verfügt über eine Schnittstelle 46 für einen CAN-Bus 48 (Controlled Area Network-Bus). Die Arbeitsweise eines CAN-Busses 48 ist aus der Automobiltechnik bekannt. Es handelt sich dabei um einen seriellen Bus mit eigenem Protokoll, welcher mit "intelligenten" weiteren Bauteilen kommunizieren kann. Über den CAN-Bus kann die Leistung mit weiteren Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen abgestimmt werden und weitere Verbraucher angesteuert werden. Weiterhin kann der CAN-Bus die Kommunikation mit Heizungsanlagen herstellen, die ebenfalls über eine CAN-Schnittstelle verfügen. Bei Verwendung z.B. in Personenkraftwagen besteht die Möglichkeit über die CAN-Schnittstelle eine Kommunikation zum Motorsteuergerät auszubauen.
Die Betriebsspannung für den Feuerungsautomaten 10 wird über den Steckverbinder X2 der Schaltung zugeführt. Die Spannungsversorgungseinheit 50 generiert die entsprechende Spannungen für den Microkontroller. Die Leistungselektronik umfasst eine auf MOS-FET-Technik basierende, intelligente Schaltung, die in einem oder mehreren IC's integriert ist. Die Schaltung empfängt die Steuersignale von dem Mikrocontroller 40. Diese werden durch die Schaltung zu Spannungen umgesetzt, welche die Aktuatoren (Ventile, Glühzünder etc.) für den Betrieb des Brenners aktivieren. Von den Sensoren (Flammenfühler etc.) erhaltene Signale in Form von Spannungen und Strom werden über den I²C-Bus und den Steuerleitungen an den Mikrocontroller zurückgeliefert. Dabei sind in der Leistungselektronik verschiedene Überwachungs- und Schutzfunktionen integriert.
Eine Überspannungsschutzschaltung 11 (Schutzschaltung) erkennt und vermeidet Überspannungen in der Elektronik. Weiterhin ist eine Übertemperaturschutzschaltung 13 vorgesehen, die Temperaturen (und damit verbundene Ströme) oberhalb eines Grenzwertes erkennt und den Feuerungsautomat und den Brenner abschaltet, wenn der Grenzwert überschritten wird.
Weiterhin ist ein Überlastschutzschaltung 15 vorgesehen. Dieser erkennt, wenn ein Aktuator einen zu hohen Strom abfragt. Dies kann auftreten, wenn ein falscher Aktuator eingebaut wurde, eine Spule defekt ist oder ein Aktuator klemmt. Dann wird die Spannung reduziert um die Elektronik zu schützen.
Der Feuerungsautomat ist ferner kurzschlussfest ausgebildet. Das bedeutet, dass das Überschreiten eines Stromgrenzwerts verhindert wird, indem die Elektronik abgeschaltet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird diese Funktion ebenfalls durch die Leistungselektronik verwirklicht und nicht durch eine Relaisschaltung.
Die Leistungselektronik ist darüber hinaus mit einer Lastabrissschutzschaltung 17 versehen und kann einen Lastabriss erkennen. Als Lastabriss werden alle Effekte bezeichnet, bei denen ein Aktuator oder Sensor plötzlich keine Leistung abfragt. Dies tritt zum Beispiel bei Kabelbruch auf, bei Abreißen von Steckverbindungen durch Vibration oder Entfernung eines Aktuators. Wie bei den anderen möglichen Defekten wird bei dieser Erkennung eine Abschaltprozedur, d. h. Abschalten der Elektronik und des Brenners, Erzeugen eines Fehlersignals etc. eingeleitet. Die dabei erzeugten Fehlersignale können über eine Schnittstelle von dem Feuerungsautomat an den Mikrocontroller kommuniziert werden. Dort wird eine Fehlermeldung erzeugt, angezeigt, ggf. gespeichert und weiterverarbeitet.
Der beschriebene Feuerungsautomat dient zur Steuerung eines Brenners, welcher Rauchgas und damit über einen Dampferzeuger Dampf für eine Arbeitsmaschine mit externer Verbrennung erzeugen soll. Dabei soll mit der Arbeitsmaschine neben Wärme auch Strom mittels eines Generators erzeugt werden. Solche Arbeitsmaschinen sind neben einer stationären Verwendung auch besonders für den mobilen Einsatz zum Beispiel in Campingwagen, Personen- und Lastkraftwagen, auf Schiffen und im Bereich mobiler Krankenhäuser oder Messstationen geeignet.

Claims

Feuerungsautomat (10) zur Steuerung von Aktuatoren (22, 24, 30, 32) und Sensoren (26, 28 34), die für den Betrieb eines Brenners (12) einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage verwendbar sind, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle im Niedervoltbereich bis 42 Volt und eine von dieser Gleichspannungsquelle gespeiste Leistungselektronik, mit welcher die für die Aktuatoren und Sensoren erforderlichen Steuerspannungen erzeugbar sind.
Feuerungsautomat (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schutzschaltung zur Begrenzung von Überspannungen in der Leistungselektronik.
Feuerungsautomat (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Erkennung von Temperaturen oberhalb einer Grenztemperatur und Mittel zur Erzeugung eines Abschaltsignals.
Feuerungsautomat (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Erkennung von Strömen oberhalb eines Grenzwertes und Mittel zur nachfolgenden Reduktion der Ausgangsspannung.
Feuerungsautomat (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Erkennung von Spannungen oberhalb eines Grenzwertes und Mittel zur Erzeugung eines Abschaltsignals.
Feuerungsautomat (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Erkennung von Lastabriss und Mittel zur Erzeugung eines Abschaltsignals.
Feuerungsautomat (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung von Fehlermeldungen und Mittel (41, 43) zu ihrer Übermittlung an einen Mikrocontroller (40).
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Brenner-Dampferzeugereinheit, einer Arbeitsmaschine und einem von der Arbeitsmaschine betreibbaren Stromgenerator gekennzeichnet durch einen Feuerungsautomat (10) nach einem 'der vorgehenden Ansprüche.
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie als mobile Einheit ausgebildet ist.
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (38) vorgesehen ist und der Feuerungsautomat (10) als auswechselbares Modul auf der Platine der Steuereinheit (38) angeordnet und mit dieser verbunden ist.
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerungsautomat (10) mit dem Mikrocontroller (40) der Steuereinheit (38) über einen I²C-Bus (41) in Verbindung steht.
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (38) über eine Schnittstelle (46) zu einem CAN-Bus (48) verfügt, über welchen eine Kommunikation zu den Steuereinheiten weiterer Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Zusatzgeräte ermöglicht wird.