DE19839160A1 - Verfahren und Schaltung zur Regelung eines Gasbrenners - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners erfaßt eine Ionisationselektrode 6 ein dem Lambda-Wert der Verbrennung entsprechendes Ionisationssignal Ui1. Es wird ein zweites Ionisationssignal Ui2 erzeugt und ausgewertet, welches zum ersten Ionisationssignal Ui1 gegenläufig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Regelung eines Gasbrenners, insbesondere Gasgebläsebrenners mit einer Ionisationselektrode, die ein dem Lambda-Wert des jeweiligen Verbrennungszustandes entsprechendes erstes elektrisches Ionisationssignal an eine Regelschaltung gibt, in der ein einem Lambda- Sollwert entsprechender Regelwert gespeichert ist.

In der EP 0 770 824 A2 ist ein Verfahren zur Regelung eines Gasgebläsebrenners beschrieben. Eine Ionisations-Elektrode legt eine von dem Lambda-Wert des Verbrennungsvorgangs abgeleitete elektrische Größe (Ionisationssignal) an eine Regelschaltung. Diese vergleicht diese Größe mit einem gewählten, elektrischen Sollwert und stellt das Luft-Gas-Verhältnis (Lambdawert) auf einen entsprechenden Lambda-Sollwert ein.

Im Betrieb kann sich die thermische Kopplung zwischen der Ionisations- Elektrode und dem Gasbrenner ändern, beispielsweise durch Verbiegen, Verschleiß und Verschmutzung der Ionisations-Elektrode oder Verrußung des Brenners. Dies führt dazu, daß sich trotz an sich gleichbleibenden Lambda-Wertes der Ionisationsstrom und damit die daraus abgeleitete Meßgröße (Ionisationssignal) ändert. Es ändert sich also der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Lambda-Wert und der daraus abgeleiteten elektrischen Größe. Da diese geänderte Meßspannung an einem Vergleicher der Regelschaltung liegt, auf den auch der - unveränderte - Sollwert wirkt, wird die Regelschaltung das Luft-Gas-Gemisch, also den Lambda-Wert, verstellen, wodurch es zu einer Abweichung des Lambda-Istwertes vom Lambda-Sollwert kommt, was unerwünscht ist.

Um dieses Problem zu lösen, ist in der EP 07 70 824 A2 vorgeschlagen, nach einer gewissen Betriebszeit oder in regelmäßigen Intervallen zwangsweise einen Kalibrierungszyklus zu durchfahren. Im Kalibrierungszyklus wird der Lambda-Wert von einem Wert < 1, beispielsweise einem gewünschten Lambda-Sollwert zwischen 1,15 und 1,3, reduziert. Die sich ergebende elektrische Größe (Ionisationssignal) wird gemessen. Diese Größe durchläuft bei dem Lambda-Wert = 1 einen Maximalwert. Dieser wird gespeichert und mit ihm wird der elektrische Sollwert nachgestellt, damit die Regelschaltung auf den gewünschten Lambda-Sollwert regelt. Es ist also eine Kalibrierung in der Weise erreicht, daß abhängig vom jeweiligen Zustand der Ionisations-Elektrode die Regelschaltung immer so nachregelt, daß im Regelbetrieb der Lambda-Istwert auf den gewünschten Lambda-Sollwert geregelt wird. Betriebsbedingte Zustandsänderungen der Ionisations-Elektrode bzw. des Gasbrenners sind also ausgeglichen.

Im Kalibrierverfahren nach der EP 07 70 824 A2 wird zwangsläufig der Lambda-Wert = 1 und kleiner durchfahren. Dies bedeutet, daß die Verbrennung zumindest kurzzeitig, während des Kalibrierzyklusses, nicht besonders schadstoffarm ist. Im Vergleich zur Gesamtbetriebszeit sind diese Zeiten zwar kurz. Jedoch würde es den über die Betriebszeit gesehenen Schadstoffausstoß verringern, wenn nicht der Lambda-Wert = 1 durchfahren werden müßte.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltung zur Verbesserung der Regelung der eingangs genannten Art vorzuschlagen.

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

Durch die Erzeugung und Verarbeitung des zweiten Ionisationssignals ist die Möglichkeit gegeben, den jeweiligen Verbrennungszustand zu überwachen.

In der Weiterbildung nach Anspruch 2 wird das zweite Ionisationssignal für die Kalibrierung des Regelkreises verwendet. Es ist dabei nicht notwendig, für die Kalibrierung den Lambda-Wert abzusenken. Es treten also durch die Kalibrierung keine zusätzlichen Emissionen auf. Günstig ist auch, daß es im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik nicht notwendig ist, für die Kalibrierung den Verbrennungsprozeß zu unterbrechen. Die Kalibrierung bzw. Justierung kann im Brennerbetrieb parallel erfolgen.

In Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite Ionisationssignal mittels einer zweiten Ionisationselektrode gewonnen. Damit ist zugleich eine erhöhte Sicherheit für die Flammenerkennung erreicht.

Eine Schaltung zur Lösung obiger Aufgabe ist in weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 ein Schaltbild eines Brenners,

Fig. 2 gegenläufige Ionisationssignale Ui in Abhängigkeit von Lambda L.

Ein Gasbrenner 1 weist ein drehzahlregelbares Gebläse 2 auf, das Verbrennungsluft fördert. An den Gasbrenner 1 ist eine Gasleitung 3 angeschlossen, in der ein steuerbares Gasmagnetventil 4 angeordnet ist. Das Gebläse 2 und/oder das Gasmagnetventil 4 ist/sind von einer Regelschaltung 5 steuerbar, die beispielsweise mit einem Mikrocontroller arbeitet.

Im Bereich einer oder mehrerer Flammen F sind eine erste Ionisationselektrode 6 und eine zweite Ionisationselektrode 7 angeordnet. Die beiden Ionisationselektroden 6, 7 ragen, vorzugsweise wenn der Brenner 1 elektrisch geerdet ist, in die gleiche Flamme F.

Auf die Ionisationselektrode 6 ist über einen Kondensator C1 eine Wechselspannung, im Beispielsfalle einfach die Netzwechselspannung, aufgeschaltet. Der Kondensator C1 ist über einen Widerstand R1 an Erde gelegt. An der Ionisationselektrode 6 wird die ungefilterte Ionisationsspannung Ui1' abgegriffen, die am Widerstand R1 abfällt.

Die Ionisationselektrode 7 ist über einen Widerstand R2 an Erde gelegt. An ihr wird die ungefilterte Ionisationsspannung Ui2' abgegriffen, die am Widerstand R2 abfällt. Die ungefilterten Ionisationsspannungen Ui1' und Ui2' sind an Tiefpässe TP und gegebenenfalls Spannungsteiler einer Auswerteelektronik 10 gelegt, die mit der Regelschaltung 5 verbunden ist. An den Ausgängen der Tiefpässe TP liegen die gefilterten Ionisationsspannungen Ui1 und Ui2 an (vgl. Fig. 2). Die Auswerteelektronik 10 kann auch nur eine einzige anaIonge Signalerfassung haben. Die analogen Ionisationssignale Ui1 und Ui2 werden dann in einem Multiplexverfahren verarbeitet.

Die Ionisationselektroden 6, 7 ragen beim Ausführungsbeispiel in die gleiche Flamme F. Die Flamme F bildet dann einen Ersatzwiderstand Rb zwischen der ersten Ionisationselektrode 6 und der zweiten Ionisationselektrode 7. Weiterhin bildet die Flamme F einen Ersatzwiderstand Ra zwischen der ersten Ionisationselektrode 6 und dem Brenner 1 sowie einen ersten Ersatzwiderstand Rc zwischen der zweiten Ionisationselektrode 7 und dem Brenner 1. Die Ersatzwiderstände haben polaritätsabhängige Komponenten.

In Fig. 2 sind die Ionisationsspannungen Ui1 und Ui2 in Abhängigkeit vom jeweiligen Lambda-Wert L gezeigt. Ersichtlich sind die beiden Spannungsverläufe Ui1 und Ui2 gegenläufig. Beim Lambda-Wert L = 1 hat die Ionisationsspannung Ui1 ihr Maximum.

Bei Fig. 2 ist davon ausgegangen, daß der Lambda-Sollwert LS 1, 2 betragen soll. Der diesem Lambda-Sollwert entsprechende Grund- Regelwert UR hängt vom Verlauf der Ionisationsspannung Ui1 des betreffenden Brenners ab und wird herstellerseitig in der Elektronik 5, 10 gespeichert. Außerdem wird herstellerseitig der beim Lambda-Sollwert LS auf dem Verlauf der Ionisationsspannung Ui2 auftretende Kontrollwert UC gespeichert, welcher im Beispielsfalle 80 V beträgt. Außerdem wird herstellerseitig der Kalibrierwert UK ermittelt und in die Elektronik 5, 10 gespeichert, der sich in dem Punkt P ergibt, in dem sich die Ionisationsspannungen Ui1 und Ui2 schneiden, ihre Differenz also Null ist. Im Beispielsfalle liegt dieser Kalibrierwert UK bei 120 V. Statt den Kalibrierwert UK auf den Schnittpunkt P zu legen, könnte auch vorgesehen sein, den Kalibrierwert UK auf einen Wert festzulegen, bei dem die Ionisationsspannungsverläufe Ui1 und Ui2 einen bestimmten, festen Differenzwert erreichen bzw. in einer bestimmten mathematischen Abhängigkeit stehen.

Außerdem wird in der Elektronik 5, 10 ein Toleranzband X1 für den Regelwert UR und ein Toleranzband X2 für den Kontrollwert UC festgelegt. Die Toleranzbänder X1, X2 können gleich sein und beispielsweise +/- 10 V betragen. Solange sich der Regelwert UR und/oder der Kontrollwert UC innerhalb der Toleranzbänder X1 bzw. X2 bewegen, erfolgt keine Kalibrierung und erst recht keine Störabschaltung des Brenners.

Weiterhin wird bei der werksseitigen Erstkalibrierung der ermittelte Kalibrierwert UK und der Regelwert UR über einen Faktor F1 ins Verhältnis gebracht. Danach legt ein Faktor F2 den Kontrollwert UC ebenfalls in ein Verhältnis zum Kalibrierwert UK. Damit ist die Grundeinstellung der Brennerregelung festgelegt.

Im normalen Regelbetrieb arbeitet der Brenner um den Regelwert UR innerhalb des Toleranzbandes X1. Gleichzeitig wird auch der Kontrollwert UC abgefragt und erfaßt, ob sich dieser noch innerhalb des Toleranzbandes X2 befindet. Wandert dann der Kontrollwert UC aus dem Toleranzband X2 aus, was beispielsweise im Punkt P1 (vgl. Fig. 2) der Fall ist, dann ist dies ein Zeichen dafür, daß sich an einer oder beiden Ionisationselektroden eine die weitere Regelung verfälschende Änderung ergeben hat. Eine Neukalibrierung ist also notwendig.

Um die Neukalibrierung vorzunehmen, wird der Lambda-Wert vergrößert, was insbesondere durch Erhöhung der Drehzahl des Gebläses erfolgt. Dadurch verschiebt sich der Verlauf der Ionisationsspannung in Richtung Ui1n (in Fig. 2 strichliert). Wenn sich dann die Ionisationsspannungen Ui1n und Ui2 schneiden, was in Fig. 2 im Punkt P' der Fall ist, wird dieser neue Kalibrierwert UKn gemessen und gespeichert. Im Beispielsfalle beträgt er 130 V. Mit den genannten Faktoren F1 und F2 wird aus dem neuen Kalibrierwert UKn der neue Regelwert URn errechnet. Innerhalb der Kalibrierprozedur wird dann auf den Wert URn geregelt und dabei der Kontrollwert UC gemessen bzw. daraus der Faktor 2 berechnet. Diese neuen Werte werden abgespeichert. Um die Werte URn und UCn wird erneut ein Toleranzband X1 bzw. X2 gelegt, innerhalb welchem ein störungsfreier Brennerbetrieb regelbar ist. Mit den neuen Werten erfolgt dann die weitere Regelung. Ersichtlich liegt der Punkt P2 des Verlaufes der neuen Ionisationsspannung Ui1n beim neuen Regelwert URn wieder bei dem Lambda-Sollwert 1, 2. Trotz betriebsbedingter Veränderungen an den Ionisationselektroden 6, 7 wird also weiterhin auf den Lambda- Sollwert LS (1, 2) geregelt.

Sollte ein Kalibrieren nicht dazu führen, daß der gewünschte Lambda- Sollwert einhaltbar ist, dann erfolgt eine Störabschaltung.

Die Ionisationselektroden 6, 7 können zugleich auch als Zündelektroden verwendet werden. Hierfür ist ein Transformator 11 vorgesehen, der die Zündspannung auf die eine und/oder andere Ionisationselektrode 6, 7 ankoppelt. Außerdem sind parallel zu den Widerständen R1, R2 Varistoren VDR1 und VDR2 geschaltet. Bei der Zündspannung geht deren Widerstand gegen Null. Die Zündspannung ist höher als die an den Kondensator C1 gelegte Wechselspannung.

Um besonders schnell auf Änderungen von Abweichungen zu reagieren bzw. einer zu erwartenden Kalibrierung in einem begrenzten Bereich entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, bei Abweichungen des Kontrollwertes UC diesen zur Verwendung des Regelwertes UC zu nutzen, indem dieser zur Einhaltung des Lambda-Sollwertes verstellt wird. Diese Verstellung erfolgt also zu einem so frühen Zeitpunkt, an dem der Regelwert UR durch Neukalibrierung noch nicht beeinflußt wurde.

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners, insbesondere Gasgebläsebrenners, mit einer Ionisationselektrode, die ein dem Lambda-Wert des jeweiligen Verbrennungszustandes entsprechendes erstes elektrisches Ionisationssignal an eine Regelschaltung gibt, in der ein einem Lambda-Sollwert entsprechender Regelwert gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Ionisationssignal (Ui2) erfaßt wird, das einen zum ersten Ionisationssignal (Ui1) gegenläufigen Verlauf hat, daß ein dem Regelwert (UR) entsprechender Kontrollwert (UC) des zweiten Ionisationssignals (Ui2) gespeichert ist und daß im Regelbetrieb überwacht wird, ob das jeweilige erste Ionisationssignal (Ui1) vom Regelwert (UR) und/oder das jeweilige zweite Ionisationssignal (Ui2) vom Kontrollwert (UC) über ein bestimmtes Maß (Toleranzband) abweicht/abweichen und daß bei einer solchen Abweichung die Verbrennung unterbrochen oder der Regelwert (UR) kalibriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung des Regelwertes (UR) ein Grund-Kalibrierwert (UK) definiert und gespeichert ist, bei dem das erste Ionisationssignal (Ui1) und das zweite Ionisationssignal (Ui2) in einer bestimmten mathematischen Beziehung zueinander stehen, insbesondere gleich sind,
daß der den Grund-Regelwert (UR) zum Grund-Kalibrierwert (UK) in Bezug setzende erste Faktor (F1) und der den Grund-Kontrollwert (UC) zum Grund-Kalibrierwert (UK) in Bezug setzende zweite Faktor (F2) ermittelt und gespeichert werden,
daß, wenn im Regelbetrieb der Regelwert (UR) und/oder der Kontrollwert (UC) das Toleranzband (X1, X2) über- oder unterschreiten, das Luft/Gas-Verhältnis (Lambdawert) so geändert wird, daß wieder die feste Beziehung, insbesondere Gleichheit von Ui1 und Ui2 erreicht wird und dieser neue Kalibrierwert (UKn) erfaßt und gespeichert wird und aus ihm mittels des ersten Faktors (F1) der neue Regelwert (URn) errechnet und der sich dabei ergebende Kontrollwert (UCn) ermittelt wird, beide Werte (URn und UCn) erneut gespeichert und mit einem Toleranzband umgeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ionisationssignal (Ui2) mittels einer zweiten Ionisationselektrode (7) gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ionisationselektrode (7) in die gleiche Brennerflamme (F) ragt, wie die erste Ionisationselektrode (6).

5. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über ein kapazitives Koppelglied (C1) eine Wechselspannung an die ersten Ionisationselektrode (6) gelegt ist, wobei ein Widerstand (R1) an der Ionisationselektrode (6) und an Erde liegt, daß an die zweite Ionisationselektrode (7) ein gegen Erde geschalteter Widerstand (R2) angeschIonssen ist, und daß die an beiden Ionisationselektroden (6, 7) anliegenden Ionisationssignale (Ui1, Ui2) an eine Auswerteelektronik (10) gelegt sind.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste und/oder zweite Ionisationselektrode (6, 7) eine Zündspannung angekoppelt ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Widerständen (R1, R2) Varistoren parallelgeschaltet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abweichung des Kontrollwertes (UC) innerhalb des Toleranzbandes (X2) zu einer Beeinflussung des Regelwertes (UR) zur Einhaltung der Soll-Luftzahl herangezogen wird.