DE19905788C1

DE19905788C1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen

Info

Publication number: DE19905788C1
Application number: DE19905788A
Authority: DE
Inventors: Kersten Wehmeier; Marcus Bienzle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2019-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen, insbesondere für Gasbrenner, mit einer Zündvorrichtung (8) und einer Sensoranordnung (14). Es wird vorgeschlagen, daß mit Hilfe einer Spulenanordnung (14) ein Magnetfeld erzeugt wird, das zur Auswertung für das Vorhandensein einer Flamme und/oder zur Auswertung für die Güte der Verbrennung zumindest teilweise in die Verbrennungszone gerichtet ist. Damit steht ein berührungsloses Meßverfahren zur Verfügung, welches die Nachteile der hohen Temperaturbelastung der Sensorik bei elektrischen oder optischen Meßverfahren nicht aufweist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Anordnung zur Regelung von Verbrennungsprozessen nach der Gattung der Hauptansprüche. Für die Flammenüberwachung können verschiedene Eigenschaften der Gasflamme genutzt werden. Bei der Ionisationsflammenüberwachung werden die elektrischen Eigenschaften der Gasflamme ausgenutzt, wobei wie z. B. aus der DE 44 33 425 A1 bekannt, bei einer im Flammenbereich angeordneten Ionisations-Meßelektrode der in Abhängigkeit von der Verbrennung fließende Ionisationsstrom auch zur Regelung des Brenngas-Luftverhältnis herangezogen wird. Darüberhinaus sind optische Verfahren bekannt (siehe DE 196 50 972 A1), bei denen optische Sensoren aufgrund der von der Verbrennungsflamme erzeugten elektromagnetischen Strahlung zur Regelung des Verbrennungsprozesses verwendet werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen der Hauptansprüche haben den Vorteil, daß ein berührungsloses Meßverfahren zur Verfügung steht, bei dem die Sensorelemente außerhalb des Flammenbereiches bzw. der Verbrennungszone angeordnet werden können und somit nicht den hohen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Regelverfahrens sowie der Anordnung zur Durchführung eines derartigen Regelverfahrens möglich.

Das Magnetfeld wird durch eine Spule erzeugt. Je nach Art und Beschaffenheit des verbrannten Gasgemisches ändert sich deren Permeabilität und damit die Induktivität der Spule, welches meßtechnisch ausgewertet werden kann. Wird die Spule in einem Schwingkreis angeordnet, so kann die mit der Induktivitätsänderung verbundene Änderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises zur Auswertung des Vorhandenseins einer Flamme bzw. zur Auswertung der Verbrennungsgüte (Luftzahl λ) herangezogen werden.

Änderungen in der Verbrennungsgüte können bestimmt werden, indem die neue Eigenfrequenz des Schwingkreises ermittelt wird. Alternativ zu dieser Auswertungsmethode besteht die Möglichkeit, den Schwingkreis durch Änderung seines kapazitiven Anteils so weit zu verstimmen, daß die Eigenfrequenz auf den ursprünglichen Wert gehalten wird, wodurch über die Veränderung zur Eigenfrequenzanpassung eine Aussage über die Verbrennungsgüte getroffen werden kann. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, Änderungen in der Schwingungsamplitude zur Auswertung heranzuziehen.

Das Verfahren zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen kann auch bei modulierender Betriebsweise eines Gasbrenners, bei dem sich unter Umständen die Lage der Flammenfront ändert, eingesetzt werden. Dazu wird in vorteilhafter Weise bei der Auswertung der Eigenfrequenzänderung bzw. der Amplitudenänderung des Schwingkreises eine Kennlinie mit einer von der Belastung bzw. der Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Luftgemisches abhängigen Charakteristik zugrundegelegt. Dabei werden während des Betriebs des Gasbrenners die vom Schwingkreis erzeugten Eigenfrequenzen bzw. die Schwingungsamplituden mit Referenzwerten verglichen und bei Abweichungen durch ein entsprechendes Korrektursignal, z. B. an das Gebläse für die Luftzufuhr, das Brennstoff-Luftverhältnis angepaßt.

Da es unter Umständen wünschenswert ist, für verschiedene Brennertypen unterschiedliche Luftzahlen λ zu verwenden, kann das Regelverfahren an den Betrieb mit unterschiedlichen Luftzahlen angepaßt werden, indem aus einem vorher z. B. experimentell bestimmten Eigenfrequenz-Kennlinienfeld des Schwingkreises die gewünschte Kennlinie vorgewählt wird.

Die zur Erzeugung des Magnetfeldes eingesetzte Spule wird in vorteilhafter Weise über eine Isolationswand vom Flammenbereich abgetrennt, so daß die Spule hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit keinen hohen Anforderungen genügen muß.

Das erfindungsgemäße Regelverfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich besonders gut bei Gasbrennern einsetzen, bei denen die Verbrennung innerhalb einer porösen Struktur erfolgt, da hier die optischen und elektrischen Meß- und Regelverfahren nur noch bedingt einsetzbar sind.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen eine erste und zweite Ausführung einer Spulenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der über eine Zündeinrichtung 8 ein Brenngas-Luftgemisch gezündet und verbrannt wird. Der Flammenbereich 10 bzw. die Verbrennungszone ist von einer Isolationswand 12 abgetrennt, hinter der eine Spule 14 angeordnet ist, die in einem nicht dargestellten Schwingkreis eingebunden ist. Der Schwingkreis gewährleistet, daß die Spule periodisch von einem Strom durchflossen wird und daß die Magnetfeldlinien 16 des erzeugten Magnetfelds zumindest teilweise in Wechselwirkung mit dem Flammenbereich 10 treten bzw. in die Verbrennungszone gerichtet sind.

Es ist bekannt, daß die Induktivität einer Spule und damit die magnetische Induktion auch von der relativen Permeabilität µ_r abhängig ist. Da zumindest ein Teil des durch die Spule 14 erzeugten Magnetfeldes in Wechselwirkung mit dem Flammenbereich 10 bzw. mit der Verbrennungszone tritt, ändert sich die Permeabilität und somit die magnetische Induktion in Abhängigkeit davon, ob eine Verbrennung stattfindet oder nicht. Ändert sich die Zusammensetzung des Brenngas-Luftgemisches (Luftzahl λ), ändert sich ebenfalls die Permeabilität der mit den Magnetfeldlinien durchsetzten Verbrennungsprodukte. Die Änderung der Permeabilität wird dadurch hervorgerufen, daß sich bei einer Luftzahländerung die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit der Verbrennungsgase ändern. Die Änderung der Permeabilität im Brennraum bewirkt eine Änderung der Induktivität der Spule 14, wodurch sich die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert. Das Maß der Luftzahländerung bzw. das Maß der Eigenfrequenzänderung des Schwingkreises kann bestimmt werden, indem die neue Eigenfrequenz des Schwingkreises ermittelt wird. Alternativ dazu ist es möglich, den Schwingkreis in seinem kapazitiven Anteil so weit zu verstimmen, daß die Eigenfrequenz auf den ursprünglichen Wert gehalten wird, wodurch über die Veränderung zur Eigenfrequenzanpassung eine Aussage über die Änderung der Luftzahl λ und damit über die Verbrennungsgüte getroffen werden kann. Eine dritte Auswertungsmöglichkeit besteht darin, die Dämpfung der Amplitude des Schwingkreises bei Luftzahländerungen zu betrachten.

Die Tatsache, daß die Lage der Verbrennungsfront von der Belastung bzw. der Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas- Luftgemisches abhängig ist, wird in einer entsprechend hinterlegten Kennlinie für das Korrektursignal zur Luftzahlanpassung berücksichtigt.

Da es unter Umständen wünschenswert ist, das Brenngas- Luftverhältnis in Abhängigkeit vom eingesetzten Brennertyp vorzuwählen, kann eine entsprechende Kennlinie aus einem hinterlegten Kennlinienfeld ausgewählt werden.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 1 ist der Kupferdraht der Spule 14 auf ein Weicheisenelement 18 aufgewickelt. Da im Eisenkern die magnetische Induktion um das µ-fache größer ist, tritt die Änderung in der Permeabilität der Flamme prozentual wesentlich stärker in Erscheinung. Hierdurch wird die Verbrennung mit einem größerem Anteil detektiert. Gleichzeitig werden durch den Eisenkern die Magnetfeldlinien primär auf die Verbrennungszone ausgerichtet.

Das beschriebene Verfahren bzw. die Anordnung läßt sich besonders gut bei einem Gasbrenner einsetzen, bei dem die Verbrennung innerhalb einer porösen Struktur erfolgt, da die Sensorelemente (Schwingkreis) außerhalb dieser Struktur angeordnet werden können. Für eine bessere Erfassung der Verbrennungsgüte aufgrund von Permeabilitätsänderungen im Brennraum kann man den porösen Brennerkörper aus einem z. B. metallischen oder keramischen Stoff bilden bzw. ihn mit einem Überzug versehen, der paramagnetisch, d. h. µ < 1, ist. Bei paramagnetischen Stoffen ist die Permeabilität stark temperaturabhängig, so daß eine Luftzahländerung über Veränderungen in der Temperatur der Verbrennungsgase besonders gut erfaßt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen, insbesondere für einen Gasbrenner, mit einer Zündvorrichtung und einer Sensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld erzeugt wird, das zur Auswertung für das Vorhandensein einer Flamme und/oder zur Auswertung für die Güte der Verbrennung zumindest teilweise in die Verbrennungszone gerichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch eine Spule erzeugt wird, die in einem Schwingkreis eingebunden ist, wobei Änderungen der Eigenfrequenz des Schwingkreises aufgrund von Änderungen der Induktivität der Spule zur Auswertung herangezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Verbrennungsgüte die neue Eigenfrequenz des Schwingkreises ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis so weit verstimmt wird, daß die Eigenfrequenz auf den ursprünglichen Wert gehalten wird, wodurch über die Veränderung zur Eigenfrequenzanpassung eine Aussage über die Verbrennungsgüte getroffen werden kann.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Veränderungen in der Dämpfung des Schwingkreises zur Auswertung der Verbrennungsgüte herangezogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensorsignal eine Kennlinie mit einer von der Belastung bzw. der Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Luftgemisches abhängigen Charakteristik zugrunde gelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie aus einem Kennlinienfeld vorgewählt wird, wobei sich unterschiedliche Kennlinien für verschiedene Brenngas-Luftverhältnisse (Luftzahl λ) und/oder verschiedene Brennertypen ergeben.

8. Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen mit einer Zündvorrichtung und einer Sensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spulenanordnung (14) vorgesehen ist, die so ausgerichtet ist, daß zumindest ein Teil des Flammenbereiches (10) bzw. der Verbrennungszone in Wechselwirkung mit den Magnetfeldlinien der Spulenanordnung (14) tritt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spulenanordnung (14) und der Verbrennungszone eine Isolationswand (12) vorgesehen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (14) in einem Schwingkreis integriert ist.