DE19627857C2 - Verfahren zum Betrieb eines Gasgebläsebrenners - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gasgebläsebrenners mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist in der DE 39 37 290 A1 beschrieben. In der DE 44 33 425 A1 ist zur Verbesserung der Auswertbarkeit des über die Ionisationselektrode fließenden Stromes auf diese eine Wechselspannung aufgeschaltet. Es wird daraus ein Ionisationssignal abgeleitet, das ein ausreichend genaues Abbild der jeweiligen Flammentemperatur und damit der Luftzahl Lambda (Gas-Luftverhältnis) ist.

Es ist auch bekannt, die Heizleistung bei einem Gasgebläsebrenner eines Gasheizgeräts mittels eines Steuerautomaten entsprechend des Wärmebedarfs zu regeln, wobei der Steuerautomat die Gebläsedrehzahl in Abhängigkeit von einem Leistungssollwert steuert, der von einem Raumtemperatur-Sollwert und einer Heizungsvorlauftemperatur und/oder Heizungsrücklauftemperatur und einer Außentemperatur abhängt.

Die DE 37 12 392 C1 befaßt sich mit einem Verfahren zum Erhöhen der Betriebssicherheit von Brennerfeuerungsanlagen mit untereinander lastgradabhängig verknüpften Stelleinrichtungen für Brennstoff- und Luftzufuhr. Dies erfolgt über eine Verbundsteuerung (10). Bei diesem Verfahren wird zur Aufrechterhaltung optimaler Verbrennungsverhältnisse mittels einer ständigen Abgasmessung über einen Korrekturregler korrigierend auf die Luft- und/oder Brennstoffzufuhr eingegriffen. Eine solche Messung von Abgaskomponenten ist bei der Erfindung nicht vorgesehen. Bei dieser wird nicht das Abgas, sondern die Brennerflamme selbst, und zwar mittels einer Ionisationselektrode überwacht. Dies ist ein ausschlaggebender Unterschied, der zu völlig anderen Anforderungen bei der Regelung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Regelung im Hinblick auf eine emissionsarme Verbrennung dauerhaft zu verbessern, indem bei schnellen Änderungen des Leistungssollwertes, also schnellen Änderungen der Gebläsedrehzahl Instabilitäten der Regelschaltung möglichst vermieden werden.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Regelschaltung regelt in Abhängigkeit vom Ionisationssignal das Gasmengenventil so, daß die Verbrennung mit einem für einen emissionsarmen Betrieb gewünschten Lambda-Sollwert < 1, insbesondere zwischen 1,1 und 1,35, erfolgt. Die Regelschaltung selbst dient an sich nicht der wärmebedarfsabhängigen Leistungsverstellung. Eine Verstellung der Heizleistung des Brenners in Abhängigkeit von einem Leistungssollwert erfolgt in an sich bekannter Weise mittels des Steuerautomaten, der die Gebläsedrehzahl zwei- oder mehrstufig oder stufenlos einstellt. Bei schnellen Änderungen des Leistungssollwerts und dementsprechend schnellen Änderungen der Gebläsedrehzahl kann es zu sprunghaften Regelabweichungen an der Regelschaltung kommen. Diese könnten zu Instabilitäten in der Regelschaltung führen. Um zu vermeiden, daß die Regelschaltung große Regelabweichungen verarbeiten muß, wird aus der Drehzahländerung der Vorhalteanteil für das Steuersignal des Gasmengenventils unabhängig von der Regelschaltung bzw. parallel zu dieser abgeleitet. Die Regelschaltung muß dann nur noch eine Feinregelung mit vergleichsweise kleiner Regelabweichung vornehmen.

Der Vorhalteanteil des Steuersignals ist leicht zu gewinnen, weil die gerätespezifische Leistung-Steuersignal-Kennlinie herstellerseitig bekannt ist und damit in der Auswerteschaltung speicherbar ist.

Bei einer Leistungs- bzw. Gebläsedrehzahländerung wird also gleich - unabhängig von der Regelschaltung - das Steuersignal für das Gasmengenventil durch den dieses ändernden Vorhalteanteil verstellt. Bei einer Leistungserhöhung wird das Gasmengenventil weitergeöffnet; bei einer Leistungsreduzierung wird das Gasmengenventil weiter geschlossen. Die Regelschaltung selbst braucht dann nur noch eine Feinregelung auf den Lambda-Sollwert vorzunehmen. Sie muß also keine großen, sprunghaften, auf der Leistungsänderung beruhenden Regelabweichungen verarbeiten.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird um die Leistungs- Steuersignal-Kennlinie ein Toleranzband definiert und es wird dann, wenn das Ist-Steuersignal das Toleranzband verläßt, ein Abschaltsignal für den Brenner erzeugt. Das Toleranzband wird so bemessen, daß es im normalen Betrieb des Gasgebläsebrenners des Gasheizgeräts nicht verlassen wird und es verlassen wird, wenn im Laufe des Betriebs des Gasheizgeräts sich Kennlinien der Sensorik, speziell der Ionisationselektrode und/oder der Meßwertaufnahme, oder der Aktorik, speziell des Gasmengenventils oder des Luftweges des Lüfters oder des Abgasweges oder des Brenners, beispielsweise durch Verschmutzungen, ändern. Das Toleranzband wird auch bei stark schwankenden Wobbezahlen des Gases, stark schwankenden Gas-Anschlußdruck oder schwankenden Luftwiderständen oder bei Fehlfunktionen der Regelung verlassen werden. In allen solchen Fällen wird ein Abschaltsignal für den Brenner erzeugt so daß dieser nicht in einem für eine emissionsarme Verbrennung ungünstigen Bereich weiterarbeitet.

Dieses Abschaltsignal kann gleich oder vorzugsweise dann, wenn das Toleranzband für eine gewisse Zeitdauer, beispielsweise 5s, verlassen ist, wirksam werden. Es ist damit ein sicherer und emissionsarmer Betrieb des Brenners auch nach vielen Betriebsstunden gewährleistet. Abschaltsignale kann auch die Regelschaltung selbst erzeugen, wenn der vorgegebene Lambda-Sollwert nicht einhaltbar ist.

Eine gewisse Zeit nach dem Abschaltsignal schaltet der Steuerautomat den Gasgebläsebrenner wieder ein. Tritt das Abschaltsignal danach mehrmals auf, kann eine Störabschaltung vorgesehen sein, nach der der Gasgebläsebrenner erst wieder durch Servicemaßnahmen einschaltbar ist. Durch die Festlegung des Toleranzbandes können sich andere, bisher übliche Sicherheitseinrichtungen erübrigen.

Das Toleranzband kann symmetrisch oder asymmetrisch oder einer gewünschten Funktion entsprechend bezogen auf die Leistungs- Steuersignal-Kennlinie gelegt werden.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Regelung eines Gasgebläsebrenners und

Fig. 2 eine Leistungs-Steuersignal-Kennlinie mit Toleranzband.

An einen Brenner (1) eines Gasheizgeräts sind ein Gebläse (2) und eine Gasleitung (3) angeschlossen, in der ein Gasmagnetventil (4) als Gasmengenventil liegt. Im Flammenbereich des Brenners (1) ist eine Ionisationselektrode (5) angeordnet, die an eine Regelschaltung (7) angeschlossen ist. Über die Leitung (6) ist das Signal der Ionisationselektrode (5) auch an den unten näher beschriebenen Steuerautomaten (9) gelegt. Im Steuerautomaten (9) besteht so die Möglichkeit, den Brenner (1) auf Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein einer Flamme zu überwachen. Die Regelschaltung (7) steuert in Abhängigkeit von einem im Brennbetrieb über die Ionisationselektrode (5) fließenden Stroms und einem voreingestellten Lambda-Sollwert mittels eines Steuersignals (J), speziell Steuerstroms, den Öffnungsgrad des Gasmagnetventils (4). Die Regelschaltung (7) ist beispielsweise ein digitaler PI-Regler, der beispielsweise durch einen Mikroprozessor verwirklicht ist. Durch die Regelschaltung (7) wird eine emissionsarme Verbrennung, beispielsweise bei einem Lambda-Sollwert zwischen 1,1 und 1,35, vorzugsweise bei 1,15, gewährleistet.

Zur zwei- oder mehrstufigen oder zur stufenlosen Steuerung der Gebläsedrehzahl ist ein Steuerautomat (9) vorgesehen, wie er beispielsweise unter dem Handelsnamen "Furimat" marktbekannt ist. Mittels des Steuerautomaten (9) ist ein Sicherheitsventil (10) ein- und ausschaltbar, wogegen mit dem Gasmagnetventil (4) der Gasvolumenstrom stufenlos einstellbar ist. An den Steuerautomaten (9) ist ein Sollwertgeber (8) angeschlossen, der ein von einer Soll-Raumtemperatur und/oder einer Heizungsvorlauftemperatur und/oder einer Heizungsrücklauftemperatur und einer Außentemperatur abhängiges Signal an den Steuerautomaten (9) legt.

In der Gasleitung (3) liegt ein Gasdruckwächter (11), der über den Steuerautomaten (9) den Brennbetrieb bei ungenügendem Gasdruck abschaltet. In der Regelschaltung (7) ist ein Abschalter (12) integriert, der über den Steuerautomaten (9) den Brennbetrieb unterbricht, wenn der gewünschte Lambda-Sollwert nicht zu gewährleisten ist.

Über eine Leitung (13) gibt der Steuerautomat (9) bei jedem Einschalten einen Zündimpuls an eine Zündelektrode (14) des Brenners (1). Ein die Drehzahl des Gebläses (2) bestimmendes Signal ist von dem Steuerautomaten (9) über eine Leitung (17) einerseits an das Gebläse (2) und andererseits an eine Auswerteschaltung (18) gelegt.

In der Auswerteschaltung (18) ist die gerätespezifische Drehzahl-, d. h. Leistungs-Steuersignal-Kennlinie (K) abgelegt. Diese Kennlinie stellt - unabhängig von der jeweiligen Einstellung der Regelschaltung (7) - den Zusammenhang zwischen der bei einer jeweiligen Lüfterdrehzahl für das Erreichen der gewünschten Brennerleistung notwendigen Öffnungsgrad des Gasmagnetventils (4) dar. Die Auswerteschaltung (18) erzeugt entsprechend der Kennlinie (K) ein Bezugssignal (J'). In einem Schaltungsteil (19) erfaßt sie die Änderung des Bezugssignals (J') jeweils gegen dem vorherigen Zustand. Diese der Änderung der Drehzahl entsprechende Änderung (dJ') prägt sie positiv oder negativ über einen Addierer (20) als Vorhalteanteil dem Steuersignal (J) auf. Dadurch wird das Steuersignal (J) entsprechend der Drehzahländerung parallel zur Regelschaltung (7) an die gewünschte Leistung bzw. die Gebläsedrehzahl vorangepaßt. Das Gasmagnetventil (4) wird um einen der gewünschten Leistungsänderung etwa entsprechenden Betrag weitergeöffnet oder weitergeschlossen. Die Regelschaltung (7) muß also die gewünschte Leistungsänderung selbst nicht verarbeiten. Sie regelt bei der jeweiligen Leistungseinstellung das Gasmagnetventil (4) auf den für eine emissionsarme Verbrennung notwendigen Lambda-Sollwert.

Das Bezugssignal (J') und das um den Vorhalteanteil (dJ') geänderte Steuersignal (J) werden an einen Vergleicher (21) gelegt. Dieser ist mit einem Korrelator (22) verbunden, in welchem ein Toleranzband mit einer oberen Toleranzgrenze (To) und einer unteren Toleranzgrenze (Tu) gespeichert ist (vgl. Fig. 2). Der Korrelator (22) erfaßt, ob der jeweilige Wert noch innerhalb des Toleranzbandes (To,Tu) liegt, oder nach außerhalb des Toleranzbandes gewandert ist. Ist der jeweilige Wert des um den Vorhalteanteil (dJ') geänderten Steuersignals (J) aus dem um die Kennlinie (K) liegenden Toleranzband gewandert, dann ist dies ein Zeichen dafür, daß aufgrund irgendwelcher Störungen eine emissionsarme Verbrennung im gewünschten Maße nicht mehr gewährleistet ist. Dies kann beispielsweise auf Ablagerungen oder Abnutzungen im Bereich des Brenners (1), der Ionisationselektrode (5), dem Gebläse (2), des Gasmagnetventils (4) oder Luftführung oder auf in der Elektronik entstehenden Fehlfunktionen oder auf den Gasverhältnissen beruhen. Jedenfalls gibt der Korrelator (22) bei solchen Störungen ein Abschaltsignal über die Leitung (23) an den Steuerautomaten (9). Dies muß nicht gleich bei Beginn der Störung erfolgen. Vorzugsweise wird erst dann abgeschaltet, wenn die Störung eine gewisse Zeit, beispielsweise 5s, dauert.

Es kann vorgesehen sein, daß der Steuerautomat (9) nach einer gewissen Zeit nach dem Abschalten den Brenner (1) erneut startet. Tritt danach das Abschaltsignal vom Korrelator (22) mehrmals, beispielsweise dreimal, auf, dann wird der Steuerautomat (9) auf Störung geschaltet, so daß der Brenner (1) erst durch Servicepersonal wieder eingeschaltet werden kann.

Die Funktionen der Auswerteschaltung (18) mit der Speicherung der Kennlinie (K), dem Schaltungsteil (19), dem Addierer (20), dem Vergleicher (21) und dem Korrelator (22) können in einem Mikroprozessor verwirklicht sein, der zugleich auch die Funktionen der Regelschaltung (7) übernimmt.

In Fig. 2 ist die Kennlinie (K) gezeigt, wobei in derem Punkt I das Gebläse (2) mit einer Drehzahl (D1) für eine niedrige Leistungsstufe läuft. Dies entspricht im idealen Fall - ohne die durch die Regelschaltung (7) notwendigen Nachregelung - einem Steuer­ signal-Bezugssignal (J'1). Bei einer höheren Drehzahl (D2) für eine größere Leistungsstufe ergibt sich über die Kennlinie (K) (vgl. Punkt II) entsprechend ein Bezugssignal (J'2). Zwischen den Punkten I und II verläuft die Kennlinie (K) im wesentlichen linear. Dies muß aber nicht unbedingt sein, vielmehr kann sie auch eine abknickende Kurve aufweisen. Oberhalb und unterhalb der Kennlinie (K) liegt das Toleranzband mit seiner oberen Toleranzgrenze (To) und seiner unteren Toleranzgrenze (Tu). Innerhalb der Toleranzgrenzen liegt der von der Regelschaltung (7) zu beherrschende Regelbereich. Das Toleranzband muß nicht symmetrisch zur Kennlinie (K) verlaufen. Es kann je nach den spezifischen Geräteeigenschaften auch asymmetrisch oder auch gespreizt oder auch nach besonderen Funktionen definiert sein.

Solange das am Gasmagnetventil (4) wirksame Steuersignal (J+dJ') innerhalb des Toleranzbandes liegt, leitet der Korrelator (22) kein Abschaltsignal ein. Kommt dieser Wert jedoch bei der Drehzahl (D1) oder der Drehzahl (D2) oder einer dazwischenliegenden Drehzahl außerhalb des Toleranzbandes, dann wird das Abschaltsignal eingeleitet.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb eines Gasgebläsebrenners, wobei von einer Regelschaltung ein von einer im Flammenbereich angeordneten Ionisationselektrode abgeleitetes Ionisationssignal erfaßt wird und von der Regelschaltung ein Steuersignal für ein Gasmengenventil zur Regelung des Gas-Luftverhältnisses (Lambda) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerautomat (9) die Gebläsedrehzahl entsprechend einem Leistungssollwert steuert und daß von einer Auswerteschaltung (18), in der die gerätespezifische Gebläsedrehzahl-Steuersignal-Kennlinie (K) abgespeichert ist, aus der jeweiligen Änderung der Gebläsedrehzahl ein Vorhalteanteil (dJ') für das Steuersignal (J) des Gasmengenventils erzeugt wird, wobei der Vorhalteanteil (dJ') bei zunehmender Gebläsedrehzahl das Steuersignal (J) in Richtung eines größeren Gasvolumenstromes und bei abnehmender Gebläsedrehzahl in Richtung eines kleineren Gasvolumenstromes ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um eine gerätespezifische Gebläsedrehzahl-Steuer­ signal-Kennlinie (K) ein Toleranzband definiert wird, und daß dann, wenn das am Gasmengenventil wirksame Ist-Steuersignal (J+dJ') das Toleranzband verläßt, ein Abschaltsignal für den Brenner erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltsignal wirksam wird, wenn das am Gasmengenventil wirksame Ist-Steuersignal (J+dJ') das Toleranzband länger als eine vorgegebene Zeitdauer verläßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störabschaltung erfolgt, wenn das Abschaltsignal mehrmals hintereinander auftritt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Toleranzband symmetrisch oder asymmetrisch zur Gebläsedrehzahl-Steuersignal-Kennlinie definiert wird.