DE19502901C1

DE19502901C1 - Regeleinrichtung für einen Gasbrenner

Info

Publication number: DE19502901C1
Application number: DE19502901A
Authority: DE
Inventors: Hubert Nolte; Martin Herrs; Andree Wild
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2015-02-01
Also published as: DE19502901C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbesondere Gasgebläsebrenner, mit einer Ionisationselektrode als Meßelektrode im Flammenbereich, durch die in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Ionisationsstrom fließt und die an eine Regelschaltung angeschlossen ist, welche das Gas-Luftverhältnis (Lambda) des Verbrennungsgasgemisches nach einem Sollwert einstellt und/oder überwacht.

Eine derartige Regeleinrichtung ist in der DE 39 37 290 A1 beschrieben. Dort liegt die Ionisationselektrode in einem Gleichstromkreis. Die Auswertung des Ionisationsstromes ist in der Praxis problematisch, wenn ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Ionisationsstrom und der Luftzahl (Lambda) ermittelt werden soll.

In der DE 44 33 425 A1 ist ebenfalls eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art beschrieben. Es soll auch bei unterschiedlichen Gasqualitäten und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen eine optimale Verbrennung hinsichtlich der Emissionen und des feuerungstechnischen Wirkungsgrades erreicht werden. Hierfür ist auf die Meßelektrode eine Wechselspannung aufgeschaltet, wobei sich der Wechselspannung in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungsanteil überlagert. Zwischen die Meßelektrode und die Steuerschaltung ist ein Tiefpaß geschaltet, der den Wechselspannungsanteil ausfiltert. Der Gleichspannungsanteil, der dem jeweiligen Absolutwert des Ionisationsstromes entspricht, wird ausgewertet.

In dem Sonderdruck aus VDI-Berichte Nr. 1090/1993, S. 469/476 "Regelung von extrem NO_x-armen Brennern mit Luftüberschußkühlung mittels Flammensignalen" ist eine optische Erfassung von Flammen beschrieben. Die Flammensignale werden über einen Mikroprozessor aufbereitet und in einer Kennfeldregelung umgesetzt. Der Brenner soll dadurch im Bereich minimaler Schadstoffemissionen betreibbar sein. Die optische Erfassung der Strahlungsemission der Flamme erfordert eine optische Sonde, einen Lichtleiter und einen Photomultiplier. Der Aufbau der Regeleinrichtung und die Signalauswertung sind aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der die Erfassung des jeweiligen Verbrennungszustandes verbessert ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Regelschaltung eine Auswertestufe aufweist, welche die Schwankungen des Ionisationsstromes auswertet und zur Einstellung des Lambdawertes allein über die Luftzufuhr oder zusätzlich über die Gaszufuhr nutzt.

Es wurde gefunden, daß im interessierenden Lambdabereich zwischen etwa 1,05 und 1,5 eine lineare Abhängigkeit zwischen dem jeweiligen Lambdawert und den Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes besteht. Die Flammenstabilität nimmt mit zunehmender Luftzahl (Lambda) wegen des größer werdenden Sauerstoffanteils ab. Diese abnehmende Flammenstabilität ist ein "Flackern" der Flamme, das zu den genannten Schwankungen des über die Ionisationselektrode fließenden Ionisationsstrom führt. Durch die Erfindung werden diese für den Verbrennungszustand charakteristischen Schwankungen des Ionisationsstroms, insbesondere deren Amplituden, zur Regelung des Lambdawertes ausgenutzt, was wegen der genannten Linearität zu einer genauen Einstellung des Lambdawertes führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Regeleinrichtung,

Fig. 2 ein Meßprotokoll der Bandbreite der Schwankungen des Ionisationsstromes bei unterschiedlichen Lambdawerten und

Fig. 3 ein Diagramm der Schwankungen des Ionisationsstromes in Abhängigkeit vom Lambdawert.

An einen Gasbrenner (1) sind eine Gasleitung (2) und ein über einen Luftanschluß (3) luftförderndes, drehzahlsteuerbares Gebläse (4) angeordnet.

In den Flammenbereich (5) des Gasbrenners (1) ragt eine Ionisationselektrode (6). Auf die Ionisationselektrode (6) ist über ein kapazitives Koppelglied (7) eine Wechselspannung, im Beispielsfall die Netzwechselspannung (U), aufgeschaltet. Das Koppelglied (7) liegt über einen Widerstand (8) elektrisch, wie der Gasbrenner (1) an Erde. Die vom Flammenbereich (5) gebildete Ionisationsstrecke und der Widerstand (8) sind also elektrisch parallelgeschaltet.

An die Ionisationselektrode (6) ist ein Spannungsteiler (9) angeschlossen, der die an der Ionisationselektrode (6) auftretende Spannung beispielsweise um den Faktor 10 verringert. Mit dem Spannungsteiler (9) ist ein Filter (10) verbunden, das die Netzfrequenz (50 Hz) aussiebt.

Dem Filter (10) ist ein Bandpaßfilter (11) nachgeschaltet, das im wesentlichen nur diejenigen Schwankungen des Signals der Ionisationselektrode (6) durchläßt, die auf dem "Flackern" der Flammen im Flammenbereich (5) infolge unterschiedlicher Lambdawerte beruhen. Die Durchlaß- Bandbreite des Bandpaßfilters (11) beträgt etwa 0,5 bis 10 Hz.

Ausgangsseitig liegt am Bandpaßfilter (11) ein Gleichrichter (12), der die positiven und negativen Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes gleichrichtet. Dem Gleichrichter (12) ist ein Tiefpaß (13) nachgeschaltet, der die gleichgerichteten Schwankungen des Ionisationsstromes ausmittelt, so daß an seinem Ausgang ein den Schwankungen entsprechendes, dem jeweiligen Lambdawert proportionales Ausgangssignal ansteht. Dieses ist an eine Steuerschaltung (14) gelegt, der über einen Eingang (15) auch ein Lambda-Sollwert zugeführt ist. Eine Ausführung für die Steuerschaltung (14) ist in der DE 44 33 425 A1 näher beschrieben. Die Steuerschaltung (14) steuert die Drehzahl des Gebläses (4) und damit die Luftzufuhr zum Brenner. Es ist hierbei der Lambdawert über die Luftzufuhr geregelt. Es wäre jedoch auch möglich, den Lambdawert allein oder zusätzlich über die Gaszufuhr an der Gaszuleitung (2) zu steuern.

Das Meßprotokoll nach Fig. 2 zeigt die Bandbreite der Schwankungen der am Eingang des Spannungsteilers (9) anliegenden Spannungen (60 V bis 240 V) in zeitlicher Abhängigkeit vom Lambdawert in drei Prüfungsmessungen. Der Verlauf des Lambdawertes in Abhängigkeit von der Meßzeit ist in Fig. 2 mit A bezeichnet. Der daraus resultierende Verlauf des Ionisationssignals (in Volt am Eingang des Teilers 9) ist mit B bezeichnet. Beispielsweise ist ersichtlich, daß sich bei einem Lambdawert von 1,58 (vgl. Linie a) eine mittlere Spannung von 122 V ergibt (vgl. Hilfslinien b und c). Ersichtlich sind die mittleren Spannungen (vgl. B) jeweils von Schwankungen überlagert, welche bei den unterschiedlichen Lambdawerten unterschiedliche Amplituden aufweisen. Geht man beispielsweise im Meßprotokoll nach Fig. 2 bei dem Lambdawert 1,1 (Linie d) zum Lambdaverlauf A und über die Hilfslinie e zum resultierenden Verlauf des Ionisationssignals (B), dann ergibt sich über die Linie f eine Mittelwertspannung von etwa 235 V. Ersichtlich sind die Amplitudenschwankungen beim Lambdawert von 1,1 kleiner als beim Lambdawert von 1,58. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei einem kleineren Luft- bzw. Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases die Flammen weniger flackern als bei einem größeren Lambdawert.

Die Fig. 3 zeigt in als Punkte dargestellten Meßwerten die Amplituden (Schwankungsbreiten in V) bei unterschiedlichen Lambdawerten. Die mit Quadraten bezeichnete Linie ist eine Linearisierung der Meßwerte. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Schwankungen der Amplituden des Ionisationssignals (Schwankungsbreite in V) zumindest im interessierenden Bereich zwischen Lambda 1,05 und 1,5 praktisch linear verläuft. Dies ist eine überraschende Eigenschaft, welche mit der beschriebenen Regeleinrichtung eine zuverlässige Regelung des Verbrennungsvorgangs möglich macht.

Es ist nicht notwendig, daß für die Regelung des Gasbrenners (1) nur die genannten Amplitudenschwankungen ausgenutzt werden. Es kann auch zusätzlich noch der vom Lambdawert abhängige Absolutwert bzw. Mittelwert verwendet werden, wobei mit zunehmenden Lambdawert der Absolutwert des Ionisationssignals (in V) sinkt (vgl. Verläufe A und B in Fig. 2). Diese zusätzliche Auswertung kann beispielsweise für eine Steuerung der Luftzufuhr und/oder der Gaszufuhr bei Grenzbedingungen, beispielsweise beim Start des Brenners, vorteilhaft sein.

Claims

1. Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbesondere Gasgebläsebrenner, mit einer Ionisationselektrode als Meßelektrode im Flammenbereich, durch die in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Ionisationsstrom fließt und die an eine Regelschaltung angeschlossen ist, welche das Gas-Luftverhältnis (Lambda) des Verbrennungsgasgemisches nach einem Sollwert einstellt und/oder überwacht, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung eine Auswertestufe (11, 12) aufweist, welche die Schwankungen des Ionisationsstromes auswertet und zur Einstellung des Lambdawertes allein über die Luftzufuhr oder zusätzlich über die Gaszufuhr nutzt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertestufe (11, 12) die Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes auswertet.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertestufe (11, 12) mit einem Bandpaß (11) arbeitet, dessen Durchlaßbereich auf die Frequenzen der genannten Schwankungen ausgelegt ist.

4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertestufe (11, 12) einen Gleichrichter (12) aufweist, der die genannten Schwankungen gleichrichtet.

5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaß (13) vorgesehen ist, der die gleichgerichteten Amplitudenschwankungen ausmittelt.

6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ionisationselektrode (6) die Netzwechselspannung aufgeschaltet ist und daß die Auswertestufe ein Filter (10) aufweist, das die Netzwechselspannung aussiebt.

7. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Schwankungen des Ionisationsstromes der Absolutwert des Ionisationsstromes für die Regelung ausgewertet wird.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambdawert unter Auswertung des Absolutwertes des Ionisationsstromes eingestellt wird und daß diese Einstellung unter Auswertung der Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes überwacht und gegebenenfalls nachgeregelt wird.