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Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine Brennereinrichtung. Die Brennereinrichtung weist einen in einer Brennkammer angeordneten Brenner auf.
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Eine solche Regeleinrichtung ist beispielsweise aus
DE 10 2011 002 324 A1 bekannt. Die Regeleinrichtung weist eine Drosseleinrichtung mit einem Verstellantrieb auf, so dass der Durchströmquerschnitt eines Durchgangskanals der Drosseleinrichtung eingestellt werden kann. Die Drosseleinrichtung sitzt in einer Brennstoffzufuhrleitung. Stromabwärts der einstellbaren Drosseleinrichtung ist eine weitere Drossel in Form einer Düse mit unveränderlichem Düsenquerschnitt angeordnet. Stromabwärts dieser Düse ist die Brennstoffzuführleitung an einen Mischer angeschlossen. Der Mischer mischt den Brennstoff aus der Brennstoffzufuhrleitung mit Luft, die von einem Gebläse zugeführt wird. Um unzulässige Mischungsverhältnisse zwischen dem Brennstoff und der Luft zu vermeiden, ist die Düse in die Brennstoffzufuhrleitung eingesetzt. Ein unzulässig hoher Brennstoffanteil wird dadurch unabhängig von der Einstellung an der einstellbaren Drossel vermieden.
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Dieses System arbeitet einwandfrei. Allerdings muss abhängig von der eingesetzten Brennereinrichtung eine jeweils daran anpasste Düse eingebaut werden. Somit bedarf die Regeleinrichtung der Vorhaltung unterschiedlicher Düsentypen abhängig von der Brennereinrichtung, an die die Regeleinrichtung angeschlossen werden soll. Dies verursacht nicht nur einen großen Aufwand. Es muss außerdem sichergestellt werden, dass Düsen mit zu großen Düsenquerschnitten für einen angeschlossenen Brenner nicht versehentlich eingebaut werden. Gegebenenfalls muss der Einbau zu großer Düsen durch bauliche Maßnahmen verhindert werden. Ansonsten kann nicht sichergestellt werden, dass der Brennstoffanteil im Brennstoff-Luft-Gemisch einen oberen Grenzwert nicht überschreitet.
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Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die bekannte Regeleinrichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Regeleinrichtung weist eine Drosseleinrichtung mit einem Drosselkörper auf. Im Drosselkörper ist ein Durchgangskanal vorhanden, der an die Brennstoffzufuhrleitung angeschlossen ist. Im Drosselkörper sitzt im Durchgangskanal ein erstes Einstellteil, dessen Position über einen gesteuerten Verstellantrieb veränderbar ist. Abhängig von der Position des ersten Einstellteils wird ein Durchströmquerschnitt im Durchgangskanal eingestellt. Der Verstellantrieb wird von einer Steuereinheit angesteuert. Der Durchströmquerschnitt bzw. die Position des ersten Einstellteils kann gesteuert oder geregelt werden.
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Der Verstellantrieb ist über ein Abtriebsteil mit dem ersten Einstellteil gekoppelt. Dem Verstellantrieb und/oder dem Abtriebsteil und/oder dem Drosselteil ist wenigstens ein mechanisch verstellbarere Anschlag zugeordnet. Jeder der verstellbaren Anschläge definiert eine Endlage des ersten Einstellteils. Es können vorzugsweise ein erster Anschlag und ein zweiter Anschlag vorhanden sein, um die beiden Endlagen des ersten Einstellteils zur Vorgabe des minimalen Durchströmquerschnitts und zur Vorgabe des maximalen Durchströmquerschnitts vorzugeben.
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Stromabwärts der Drosseleinrichtung bzw. des Drosselkörpers weist die Brennstoffzufuhrleitung einen Leitungsabschnitt auf, der die Drosseleinrichtung mit einem Mischer verbindet. Dem Mischer wird über ein durch die Steuereinheit ansteuerbares Gebläse Luft zugeführt. Der Leitungsabschnitt zwischen der Drosseleinrichtung und dem Mischer ist frei von Drosselstellen. In diesem Leitungsabschnitt sind keine die Strömung drosselnden Bauteile oder baulichen Maßnahmen vorhanden. Im Leitungsabschnitt zwischen der Drosseleinrichtung und dem Mischer findet daher keine weitere Strömungsdrosselung statt. Der Druckverlust in diesem Leitungsabschnitt ist im Wesentlichen gleich null.
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Eine Drossel mit unveränderlichem Drosselquerschnitt ist erfindungsgemäß in der Brennstoffzuführleitung nicht vorhanden. Durch den wenigstens einen verstellbaren Anschlag der Drosseleinrichtung kann ein unzulässig hoher und/oder unzulässig niedriger Brennstoffanteil im Brennstoff-Luft-Gemisch verhindert werden. Bei der Inbetriebnahme der Brennereinrichtung kann der wenigstens eine Anschlag eingestellt werden. Somit kann auch bei Stromausfall oder einem Defekt in der Steuereinheit ein unzulässiger Zustand der Brennereinrichtung mit zu großem oder zu geringem Brennstoffanteil vermieden werden.
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Vorzugsweise ist stromaufwärts der Drosseleinrichtung ein Druckregler in der Brennstoffzufuhrleitung angeordnet. Der Druckregler stellt an seinem Ausgang einen vorgegebenen Ausgangsdruck bereit. Vorzugsweise handelt es sich um einen Nulldruckregler, der an seinem Ausgang einen Ausgangsdruck des Brennstoffes von im Wesentlichen null Bar bereitstellt.
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Dabei können Abweichungen vom vorgegebenen Ausgangsdruck im Bereich von drei bis fünf Millibar auftreten.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in der Brennstoffzufuhrleitung stromabwärts des Druckreglers bis zum Mischer lediglich eine Drosselstelle vorhanden, an der die Drosseleinrichtung angeordnet ist. Ansonsten ist die Brennstoffzufuhrleitung frei von weiteren die Strömung drosselnden Bauteilen. Der Druckverlust in der Brennstoffzufuhrleitung zwischen dem Druckregler und dem Mischer wird insbesondere ausschließlich durch die Drosseleinrichtung bestimmt.
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Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Gassensor vorhanden, der insbesondere in der Brennkammer oder in einem Abgaskanal angeordnet sein kann. Der Gassensor erzeugt ein Sensorsignal. Das Sensorsignal charakterisiert einen Kohlendioxidanteil und/oder einen Sauerstoffanteil im Verbrennungsgas. Das Sensorsignal wird der Steuereinheit übermittelt. Dadurch kann der Kohlendioxidanteil und/oder der Sauerstoffanteil und/oder die Luftzahl des Verbrennungsgases geregelt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Verstellantrieb der Drosseleinrichtung durch einen Linearantrieb gebildet. Dabei kann es sich um einen elektromagnetischen Linearantrieb mit einer Spule und einem Anker handeln. Alternativ hierzu kann der Verstellantrieb auch einen Schrittmotor aufweisen.
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Vorzugsweise wird das erste Einstellteil der Drosseleinrichtung linear in einer Bewegungsrichtung durch den Verstellantrieb bewegt. Weist dieser einen Schrittmotor auf, kann ein Getriebe zur Umsetzung der Drehbewegung des Schrittmotors in eine lineare Bewegung des ersten Einstellteils vorhanden sein, beispielsweise ein Zahnstangengetriebe. Über einen Schrittmotor lassen sich sehr hohe Auflösungen erreichen, so dass das erste Einstellteil und mithin der Durchströmquerschnitt sehr exakt positioniert bzw. eingestellt werden kann.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erste Einstellteil wenigstens eine erste Durchgangsöffnung auf. Im Durchgangskanal des Drosselkörpers ist ein unbeweglich angeordnetes zweites Einstellteil mit wenigstens einer zweiten Durchgangsöffnung vorhanden. Die beiden Durchgangsöffnungen arbeiten zur Einstellung des Durchströmquerschnitts zusammen. Hierzu wird das erste Einstellteil relativ zum zweiten Einstellteil bewegt.
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Vorteilhafterweise weist der wenigstens eine verstellbare Anschlag ein Keilelement auf. Am Keilelement ist eine Keilfläche vorhanden, die schräg zur Bewegungsrichtung des ersten Einstellteils der Drosseleinrichtung ausgerichtet ist. Das Keilelement arbeitet insbesondere mit dem Abtriebsteil zusammen, wobei die Keilfläche dem Abtriebsteil zugeordnet ist. Die Keilfläche dient als Anschlagfläche für das Abtriebsteil und definiert dadurch eine Endlage des ersten Einstellteils, das mit dem Abtriebsteil verbunden ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Keilelement in einer Querrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Abtriebteils bewegbar gelagert. Vorzugsweise ist ein Positionierelement vorhanden, über das das Keilelement in der Querrichtung positionierbar bzw. arretierbar ist. Durch Verschieben des Keilelements in Querrichtung kann die Endlage variiert werden.
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Vorzugsweise definiert die durch den wenigstens einen verstellbaren Anschlag definierte Endlage des ersten Einstellteils den minimalen und/oder den maximalen Kohlendioxidanteil in Verbrennungsgas.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist sowohl ein erster, als auch ein zweiter verstellbarer Anschlag vorhanden. Jeder Anschlag gibt eine Endlage des ersten Einstellteils vor. Dadurch lässt sich sowohl der maximale, als auch der minimale Kohlendioxidanteil im Verbrennungsgas durch jeweils einen Anschlag unabhängig definieren.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb der Brennereinrichtung wird wie folgt vorgegangen:
Bei der Inbetriebnahme wird eine dem Mischer zugeführte Luftmenge mit Hilfe des einstellbaren Gebläses auf einen Luftmengenmaximalwert eingestellt. Während des Zuführens der maximalen Luftmenge wird ein Anschlag der Drosseleinrichtung so eingestellt, dass sich eine Endlage ergibt, bei der der Durchströmquerschnitt einen Maximalquerschnitt aufweist. Der Maximalquerschnitt wird dabei so eingestellt, dass der Kohlendioxidanteil im Verbrennungsgas höchstens einem vorgegebenen Kohlendioxidmaximalanteil entspricht.
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Es ist dabei auch möglich, die dem Mischer zugeführte Luftmenge mit Hilfe des Gebläses auf einen Luftmengenminimalwert einzustellen und bei Zufuhr der minimalen Luftmenge über einen weiteren Anschlag eine weitere Endlage einzustellen, in der der Durchströmquerschnitt einen Minimalquerschnitt aufweist. Dieser Minimalquerschnitt ist so gewählt, dass der Kohlendioxidanteil im Verbrennungsgas mindestens einem vorgegebenen Kohlendioxidminimalanteil entspricht.
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Beim anschließenden Betrieb des Brenners kann die Steuereinheit über den Verstellantrieb den Durchströmquerschnitt höchstens auf den Maximalquerschnitt vergrößern und/oder auf den Minimalquerschnitt verringern. Somit wird ein Betriebsbereich definiert. Unzulässig hohe Brennstoffanteile im Brennstoff-Luft-Gemisch sind ausgeschlossen. Zusätzlich können unzulässig niedrige Brennstoffanteile ausgeschlossen werden, um ein Erlöschen des Brenners zu vermeiden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Regeleinrichtung,
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2 eine Darstellung des Kohlendioxidanteils abhängig von der Drehzahl des Gebläses und einen durch die Drosseleinrichtung definierten Arbeitsbereich der Regeleinrichtung,
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3 eine stark schematisierte Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Luftmenge und der Brennstoffmenge,
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4 und 5 jeweils eine schematische, lockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Drosseleinrichtung der Regeleinrichtung aus 1 und
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drosseleinrichtung aus 1 mit einem Schrittmotor in schematischer, teilweise geschnittener Darstellung.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Regeleinrichtung 10 sowie einer Brennereinrichtung 11. Die Brennereinrichtung 11 weist einen Brenner 12 auf, der in einer Brennkammer 13 angeordnet ist. Aus der Brennkammer 13 führte ein Abgaskanal 14 heraus, um das Verbrennungsgas V oder Rauchgas aus der Brennkammer 13 abzuführen.
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In der Brennkammer 13 und/oder im Abgaskanal 14 ist wenigstens ein Gassensor 15 angeordnet. Der Gassensor 15 misst den Sauerstoffanteil oder – wie beim Ausführungsbeispiel – den Kohlendioxidanteil K im Verbrennungsgas V und erzeugt ein entsprechendes Sensorsignal S, das einer Steuereinheit 16 übermittelt wird.
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Zum Zünden der Flamme in der Brennkammer 13 weist die Brenneinrichtung 11 eine Zündeinheit 17 auf. Die Zündeinheit 17 wird von der Steuereinheit 16 angesteuert, wenn eine Flamme am Brenner 12 gezündet werden soll.
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Zu der Regeleinrichtung 10 gehört ein Mischer 20. An den Mischer 20 ist eine Luftansaugleitung 21 angeschlossen, über die Luft L zugeführt bzw. angesaugt wird. Hierfür ist dem Mischer 20 ein Gebläse 22 zugeordnet, das Luft über die Luftansaugleitung 21 ansaugt und dem Mischer 20 zuführt. Das Gebläse weist einen steuerbaren oder regelbaren Gebläsemotor 23 auf, der von der Steuereinheit 16 angesteuert wird. Beispielsgemäß wird die Drehzahl U des Gebläsemotors 23 über ein Drehzahlsignal D durch die Steuereinheit 16 vorgegeben.
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An den Mischer 20 ist außerdem eine Brennstoffzufuhrleitung 26 angeschlossen. Über die Brennstoffzufuhrleitung 26 wird dem Mischer 20 Brennstoff und beispielsgemäß ein Gas G zugeführt. Bei dem Gas G kann es sich um Erdgas, Biogas oder ein anderes brennbares Gas bzw. Gasgemisch handeln. Durch das Ansaugen der Luft L über die Luftansaugleitung 21 wird aus der Brennstoffzufuhrleitung 26 eine Gasmenge MG in den Mischer 20 gesaugt. Die Luftmenge ML wird über die Drehzahl U des Gebläses 22 eingestellt. Die dazugehörige Gasmenge des Gases G wird über eine Drosseleinrichtung 27 in der Brennstoffzufuhrleitung 26 bestimmt. Die Drosseleinrichtung 27 weist einen Verstellantrieb 28 auf, der mittels eines Ansteuersignals A von der Steuereinheit 16 angesteuert wird, um einen Durchströmquerschnitt Q in der Drosseleinrichtung einzustellen.
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Stromaufwärts der Drosseleinrichtung 27 ist ein Druckregler 29 in der Brennstoffzufuhrleitung 26 angeordnet. Der Druckregler 29 ist beispielsgemäß durch die Steuereinheit 16 steuerbar. Er stellt an seinem Ausgang 30 einen durch die Steuereinheit 16 vorgebaren Ausgangsdruck p0 ein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Druckregler 29 als Nulldruckregler ausgeführt, so dass der Ausgangsdruck p0 im Wesentlichen null Bar entspricht. Die Reglergenauigkeit des Druckreglers 29 beträgt etwa 3 bis 5 Millibar.
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Ein erster Leitungsabschnitt 26a der Brennstoffzufuhrleitung 26 verbindet den Ausgang 30 des Druckreglers 29 mit der Drosseleinrichtung 27. Ein zweiter Leitungsabschnitt 26b der Brennstoffzufuhrleitung 26 verbindet die Drosseleinrichtung 27 mit dem Mischer 20.
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Bei dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste Leitungsabschnitt 26a, als auch der zweite Leitungsabschnitt 26b ohne Druckminderungsstellen ausgeführt. Ein Druckverlust in der Brennstoffzufuhrleitung 26 zwischen dem Druckregler 29 und dem Mischer 20 wird beispielsgemäß ausschließlich durch die Drosseleinrichtung 27 bewirkt. Weitere einen Druckverlust bewirkende oder die Strömung drosselnde Bauteile sind in den beiden Leitungsabschnitten 26a und 26b der Brennstoffzufuhrleitung 26 nicht angeordnet. Die einzige Drosselstelle zwischen dem Druckregler 29 und dem Mischer 20 ist durch die Drosseleinrichtung 27 erzeugt.
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In den 4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Drosseleinrichtung 27 veranschaulicht. Der Verstellantrieb 28 ist beispielsgemäß als Linearantrieb ausgeführt. Er weist eine Spule 35 auf, über die ein Magnetfeld in Abhängigkeit des Ansteuersignals A erzeugt werden kann. Die Spule 35 ist koaxial zu einem zylindrischen Anker 36 angeordnet. Der Anker 36 ist entlang seiner Längsachse in einer Bewegungsrichtung B bewegbar gelagert. Der Anker 36 wird durch ein Vorspannmittel 37, beispielsweise eine Feder, in eine Ruhelage gedrückt, die durch einen mechanisch verstellbaren ersten Anschlag 38 vorgegeben ist (4).
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Der Anker 36 stellt ein Abtriebsteil 39 des Verstellantriebs 28 dar, mit dem ein erstes Einstellteil 40 der Drosseleinrichtung 27 bewegungsgekoppelt ist. Beispielsgemäß ist das erste Einstellteil 40 relativ zum Anker 36 bzw. dem Abtriebsteil 39 unbeweglich mit diesem verbunden. Das erste Einstellteil 40 kann sich mithin gemeinsam mit dem Abtriebsteil 39 des Verstellantriebs 28 in Bewegungsrichtung B bewegen. Dabei nimmt das erste Einstellteil 40 in der Ruhelage des Ankers 36 bzw. des Abtriebsteils 39 eine durch den ersten Anschlag 38 vorgegebene erste Endlage E1 ein (4).
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Das erste Einstellteil 40 ist in Bewegungsrichtung B beweglich und beispielsgemäß verschiebbar in einem Durchgangskanal 41 eines Drosselkörpers 42 angeordnet. In diesen Durchgangskanal 41 sitzt ein zweites Einstellteil 43. Das zweite Einstellteil 43 ist unbeweglich am Drosselkörper 42 angeordnet. Im ersten Einstellteil 40 ist wenigstens eine Durchgangsöffnung 40a vorhanden. Bei dem schematisch in den 4 und 5 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind zwei erste Durchgangsöffnungen 40a veranschaulicht. Im zweiten Einstellteil ist wenigstens eine zweite Durchgangsöffnung 43a vorhanden. Beispielsgemäß sind drei zweite Durchgangsöffnungen 43a vorgesehen. Jeder zweiten Durchgangsöffnung 43a ist ein Schließabschnitt 40b des ersten Einstellteils 40 zugeordnet. Die Schließabschnitte 40b sind derart dimensioniert, dass sie die jeweils zugeordnete zweite Durchgangsöffnung 43a vollständig verschließen können. Der Durchströmquerschnitt Q ist in dann gleich null. Das erste Einstellteil 40 kann in eine Position relativ zum zweiten Einstellteil 43 bewegt werden, in der sich die ersten Durchgangsöffnungen 40a mit jeweils einer zweiten Durchgangsöffnung 43a in Durchströmrichtung gesehen maximal überdecken, so dass ein maximal möglicher Durchströmquerschnitt Q freigegeben ist. Dieser maximal mögliche Durchströmquerschnitt Q entspricht beispielsgemäß der Summe der Querschnitte der zweiten Durchgangsöffnungen 43a.
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Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein mechanisch verstellbarer zweiter Anschlag 47 vorhanden. Dieser zweite Anschlag 47 definiert eine maximal ausgelenkte Position des Ankers 36, in der er durch das Magnetfeld der Spule 35 entgegen der Kraft des Vorspannelements 37 in Bewegungsrichtung B aus seiner Ruhestellung ausgelenkt ist. Über die beiden Anschläge 38, 47 wird somit der maximal mögliche Bewegungsbereich für den Anker 36 bzw. das Abtriebsteil 39 definiert und mithin der maximale Bewegungsbereich für das erste Einstellteil 40 zwischen der ersten Endlage E1 (4) und einer zweiten Endlage E2 (5), die durch die maximal ausgelenkte Position des Ankers 36 bzw. des Abtriebsteils 39 aus der Ruhestellung definiert ist.
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In der ersten Endlage E1 wird jede zweite Durchgangsöffnung 43a vollständig oder teilweise durch den zugeordneten Schließabschnitt 40b freigegeben, so dass an der Drosseleinrichtung 27 im Durchgangskanal 41 an jeder zweiten Durchgangsöffnung 43a ein erster Teilquerschnitt DQ1 freigegeben ist. Die Summe der ersten Teilquerschnitte DQ1 ergeben einen ersten Durchströmquerschnitt Q1 in der ersten Endlage E1 des ersten Einstellteils 40.
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Entsprechend ist in der zweiten Endlage E2 des ersten Einstellteils 40 jede zweite Durchgangsöffnung 43a durch den zugeordneten Schließabschnitt 40b teilweise abgedeckt und stellt lediglich einen zweiten Teilquerschnitt DQ2 für das Durchströmen des Gases G durch die Drosseleinrichtung 27 bereit. Die Summe der zweiten Teilquerschnitte DQ2 an allen zweiten Durchgangsöffnungen 43a ergibt einen zweiten Durchströmquerschnitt Q2 in der zweiten Endlage E2 des ersten Einstellteils 40. Der Betrag des zweiten Durchströmquerschnitts Q2 ist kleiner als der Betrag des ersten Durchströmquerschnitts Q1.
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Der erste und der zweite Durchströmquerschnitt Q1, Q2 sind somit durch jeweils einen Anschlag 38 bzw. 47 definiert. Über die Steuereinheit 16 kann die Drosseleinrichtung 27 Durchströmquerschnitte einstellen, die im Bereich vom zweiten Durchströmquerschnitt Q2 bis zum ersten Durchströmquerschnitt Q1 liegen. Größere oder kleinere Durchströmquerschnitte sind nicht einstellbar. Somit wird durch die Drosseleinrichtung 27 ein minimaler Druckverlust in der ersten Endlage E1 und ein maximaler Druckverlust in der zweiten Endlage E2 des ersten Einstellteils 40 vorgegeben. Dieser Druckverlust entspricht der Steigung einer linearen Funktion F, die das Verhältnis zwischen Luftmenge ML und Gasmenge MG beschreibt (3). Die Luftmenge ML kann durch die Drehzahl U des Gebläses 22 bzw. des Gebläsemotors 23 eingestellt werden. Dabei wird durch die Einstellung des ersten Anschlags 38 für die erste Endlage E1 des ersten Einstellteils 40 sichergestellt, dass die linearen Funktionen F nicht in einem unzulässigen Betriebsbereich X liegen, bei dem der Gasanteil im Gas-Luft-Gemisch zu groß würde. Über den optional vorhandenen zweiten Anschlag 47 kann der Anteil der Luft L im Gas-Luft-Gemisch begrenzt werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Gasmenge im Luft-Gas-Gemisch vorhanden ist, um ein Erlöschen der Flamme zu vermeiden. Dieser durch den zweiten Anschlag 47 ausschließbare Betriebsbereich Y ist in 3 schraffiert schematisch veranschaulicht.
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Durch die beiden Anschläge 38, 47 ist somit sichergestellt, dass auch dann, wenn in der Steuereinheit 16 ein Fehler auftritt oder der Strom ausfällt, die Drosseleinrichtung 27 keinen Zustand einnimmt, der einen unzulässigen oder unerwünschten Betrieb der Brennereinrichtung 11 verursacht. Deswegen sind zusätzliche Drosseln oder Sicherheitsmaßnahmen in den Leitungsabschnitten 26a, 26b der Brennstoffzufuhrleitung 26 unnötig und können entfallen.
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Anhand von 2 wird ein Verfahren zur Inbetriebnahme der Regeleinrichtung 10 mit der Brennereinrichtung 11 erläutert.
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Zunächst veranlasst die Steuereinheit 16, dass das Gebläse 22 mit einer Minimaldrehzahl Umin und somit mit einem Luftmengenminimalwert arbeitet. Die Drosseleinrichtung 27 wird ausgehend von einer vollständig geschlossenen Stellung durch die Steuereinheit 16 schrittweise geöffnet, so dass der Durchströmquerschnitt Q schrittweise zunimmt und die Flamme wird gezündet. Der Querschnitt wird schrittweise solange erhöht, bis ein Durchströmquerschnitt Q erreicht ist, bei dem der Kohlendioxidanteil K im Verbrennungsgas V einem Kohlendioxidminimalanteil Kmin entspricht(Schnittpunkt P1 in 2). Der Kohlendioxidminimalanteil Kmin wird der Steuereinheit 16 vorgegeben und kann beim Ausführungsbeispiel 7% betragen. Der Kohlendioxidanteil K wird vom Gassensor 15 erfasst und über das Sensorsignal S der Steuereinheit 16 übermittelt. Ist der Kohlendioxidminimalanteil Kmin im Verbrennungsgas V erreicht, entspricht die aktuelle Stellung des ersten Einstellteils 40 der zweiten Endlage E2, so dass sich der zweite Durchströmquerschnitt Q2 ergibt. Der zweite verstellbare Anschlag 47 kann in die ermittelte Position bewegt werden, beispielsweise durch eine Bedienperson.
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Im Anschluss daran erhöht die Steuereinheit 16 die Drehzahl U des Gebläses 22 auf eine Maximaldrehzahl Umax. Optional kann jetzt nochmals der Kohlendioxidanteil K bestimmt werden. Er soll dem Kohlendioxidminimalanteil Kmin entsprechen (Schnittpunkt P2 in 2). Anschließend wird die Drosseleinrichtung 27 über das Ansteuersignal A angesteuert und der Durchströmquerschnitt ausgehend vom zweiten Durchströmquerschnitt Q2 schrittweise erhöht, bis sich ein Kohlendioxidanteil K im Verbrennungsgas V einstellt, der einem vorgegebenen Kohlendioxidmaximalanteil Kmax entspricht (Schnittpunkt P3 in 2). In dieser Stellung ergibt sich für die Drosseleinrichtung 27 der erste Durchströmquerschnitt Q1, wobei sich das zweite Einstellteil 40 in der ersten Endlage E1 befindet. Der erste Anschlag 38 kann jetzt durch eine Bedienperson verstellt werden, so dass er die erste Endlage E1 des ersten Einstellteils 40 vorgibt. Optional kann die Steuereinheit 16 im Anschluss daran die Drehzahl U des Gebläses 22 auf eine Minimaldrehzahl Umin verringern. Jetzt kann nochmals der Kohlendioxidanteil K bestimmt werden. Er soll dem Kohlendioxidmaximalanteil Kmax entsprechen (Schnittpunkt P4 in 2).
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Somit sind die beiden Endlagen E1, E2 und die zugehörigen Durchströmquerschnitte Q1, Q2 definiert. Wie erwähnt ist es möglich, nach dem Erhöhen der Drehzahl U in der zweiten Endlage E2 vor dem schrittweisen Vergrößern des Durchströmquerschnitts Q zu kontrollieren, ob auch bei sich ändernder Drehzahl U jeweils der vorgegebene Kohlendioxidminimalanteil Kmin erhalten bleibt. Entsprechend ist es nach dem Einstellen der ersten Endlage E1 möglich, die Drehzahl U von der Maximaldrehzahl Umax bis zur Minimaldrehzahl Umin zu verringern und zu kontrollieren, ob der vorgegebene Kohlendioxidmaximalanteil Kmax erhalten bleibt. Dadurch ergeben sich die vier Schnittpunkte P1 bis P4 in dem Diagramm aus 2. Diese begrenzen den Betriebsbereich der Regeleinrichtung 10 bzw. der Brenneinrichtung 11. Die ersten beiden Schnittpunkte P1, P2 entsprechen der zweiten Endlage E2 und dem zweiten Durchströmquerschnitt Q2, während die beiden anderen Schnittpunkte P3, P4 der ersten Endlage E1 bzw. dem ersten Durchströmquerschnitt Q1 entsprechen.
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Dadurch, dass in den beiden Leitungsabschnitten 26a, 26b stromaufwärts und stromabwärts der Drosseleinrichtung 27 keine weitere Drosselstelle vorhanden ist, bleibt der Zusammenhang zwischen einer Volumen- oder Massenstromänderung des Gases G durch die Brennstoffzufuhrleitung 26 in Bezug auf eine Stellungsänderung des ersten Einstellteils 40 oder eine Änderung des Durchströmquerschnitts Q erhalten. Ist dieser Zusammenhang beispielsweise linear, bleibt die Steigung unabhängig von den durch die Anschläge 38, 47 definierten Endlagen E1, E2 gleich. Im Unterschied dazu ergibt sich durch eine in die Brennstoffzufuhrleitung 26 eingesetzte weitere Drossel oder Düse für die einstellbare Drosseleinrichtung 27 ein veränderter Zusammenhang zwischen der Volumenstrom- oder Massenstromänderung und der Änderung des Durchströmquerschnitts Q. Durch eine solche weitere Drossel oder Düse würde der Volumenstrom oder der Massenstrom begrenzt. Dadurch würde sich die Steilheit einer den Zusammenhang zwischen dem Durchströmquerschnitt Q und dem Volumen- oder Massenstrom angebenden Funktion ändern. Durch das vorliegende erfindungsgemäße Konzept bleibt der Zusammenhang zwischen einer Querschnittsänderung des Durchströmquerschnitts Q und einer Volumen- oder Massenstromänderung erhalten, was die Regelung bzw. Steuerung vereinfacht.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Drosseleinrichtung 27 in teilgeschnittener Querschnittsdarstellung veranschaulicht. Die beiden Einstellteile 40, 43 entsprechen im Prinzip dem im Zusammenhang mit den 4 und 5 erläuterten Aufbau. Nachfolgend werden Einzelheiten im Bezug auf die beiden verstellbaren Anschläge 38, 47 sowie den abgewandelten Verstellantrieb 28 erläutert.
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Der mechanisch verstellbare zweite Anschlag 47 ist beispielsgemäß durch eine Schraube 48 gebildet, deren Position sich in Bewegungsrichtung B beim Schrauben um ihre Längachse ändert. Die Schraube 48 ist beispielsgemäß entlang der Längsachse des Abtriebsteils 39 angeordnet. Das Abtriebsteil 39 zugeordnete Ende der Schraube 48 bildet die Anschlagfläche für das Abtriebsteil 39.
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Der verstellbare erste Anschlag 38 weist ein Keilelement 49 auf, das in einer Querrichtung T verschiebbar gelagert im Drosselkörper 42 angeordnet ist. Das Keilelement 49 hat eine Keilfläche 50, die schräg zur Bewegungsrichtung B und schräg zur Querrichtung T ausgerichtet ist. Die Keilfläche 50 arbeitet mit einer Anschlagfläche am Abtriebsteil 39 zusammen. In der ersten Endlage E1 liegt die Anschlagfläche des Abtriebsteils 39 an der Keilfläche 50 an.
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Das Keilelement 49 ist mit einer Hülse 51 fest verbunden. In der Hülse 51 ist ein Innengewinde vorhanden, in das eine Positionierschraube 52 eingreift. Die Positionierschraube 52 ist in Querrichtung T unbeweglich am Drosselkörper 42 gelagert. Beispielsgemäß sitzt die Positionierschraube 52 in einem Loch 53, das sich in Querrichtung T bis zum Abtriebsteil 39 hin erstreckt. Beim Drehen der Positionierschraube 52 verschiebt sich die Hülse 51 in Querrichtung T relativ zur Positionierschraube 52, wodurch das Keilelement 49 in Querrichtung T verschoben wird. Gleichzeitig wird die Position des Keilelements 49 über die Hülse 51 und die Positionierschraube 52 auch bei Krafteinwirkung auf die Keilfläche 50 gesichert. Die drehbar, aber in Querrichtung T unverschiebbar angeordnete Positionierschraube 52 bildet somit ein Positioniermittel 54, mittels dem das Keilelement 49 in Querrichtung T positionierbar ist und in der eingestellten Position gegen eine Verschiebung in Querrichtung T gesichert ist.
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Im Drosselkörper 42 ist ein Sicherungsteil 55 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel kann das Sicherungsteil 55 durch einen zylindrischen Sicherungszapfen gebildet sein. Im Keilelement 49 ist eine Sicherungsnut 56 vorhanden, in die das Sicherungselement 55 eingreift bzw. die das Sicherungselement 55 durchsetzt. Beispielsgemäß erstreckt sich das Sicherungselement 55 parallel zur Längsachse des Ankers 36 in Bewegungsrichtung B. Die Sicherungsnut 56 ist parallel zu einer Ebene ausgerichtet, die durch die Bewegungsrichtung B und die Querrichtung T definiert ist.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Sicherungselement 55 gleichzeitig als Verdrehsicherung für das Abtriebsteil 39 um seine Längsachse eingesetzt. Zu diesem Zweck ragt das Sicherungselement 55 in eine Aussparung 57 hinein. Beispielsgemäß ist das Sicherungselement 55 mit einem Ende in einem Loch am Drosselkörper 42 angeordnet und unbeweglich mit diesem verbunden. Ausgehend von diesem Ende durchgreift das Sicherungselement 55 die Sicherungsnut 56 am Keilelement 49 und ragt in die Aussparung 57 hinein. Es dient mithin gleichzeitig zur Verhinderung einer Drehung des Keilelements 49 um eine sich in Querrichtung T erstreckende Achse beim Drehen der Positionierschraube 52 und sichert das Abtriebsteil 39 gegen eine Drehung um seine Längsachse.
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In Abwandlung zu den Ausführungsbeispielen gemäß der 4 und 5 wird bei der in 6 dargestellten Ausführungsform anstelle eines elektromagnetischen Linearantriebs ein Verstellantrieb 28 mit einem Schrittmotor 60 verwendet werden. In diesem Fall wird die Drehbewegung des Schrittmotors 60 über ein Getriebe des Verstellantriebs 28 in eine lineare Bewegung des ersten Einstellteils 40 umgesetzt. Das Getriebe kann beispielsweise ein Zahnstangengetriebe sein, bei dem ein vom Schrittmotor 60 angetriebenes Antriebszahnrad 61 mit einer Zahnstange 62 in Eingriff steht. Die Zahnstange 62 bildet dabei das Abtriebsteil 39. Wie bei den anderen Ausführungsformen wird das Abtriebsteil 39 linear verschoben.
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In einer weiteren Abwandlung kann der Durchströmquerschnitt Q auch durch eine Relativverdrehung des ersten Einstellteils 40 gegenüber dem zweiten Einstellteil 43 eingestellt werden.
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Bei dem beschriebenen Verfahren zur Inbetriebnahme der Regeleinrichtung 10 sind die Totzeiten in der Regelstrecke zu beachten. Eine Änderung des Durchströmquerschnitts Q führt erst nach Ablauf einer systemabhängigen Totzeit zu einer Veränderung des Kohlendioxidanteils K im Verbrennungsgas V. Wenn die Steuereinheit 16 daher den Durchströmquerschnitt Q ändert, muss zunächst der Ablauf der Totzeit abgewartet werden, um einen aussagekräftigen Wert für den sich daraus ergebenden Kohlendioxidanteil K zu erhalten. Um eine schnellere Regelung zu erhalten, kann in der Steuereinheit 16 eine Tabelle abgelegt sein, in der Ausgangswertepaare abgelegt sind, die einer Regelgröße bestimmten Drosselstellungen der Drosseleinrichtung 27 zuordnen. Als Regelgröße kann beispielsweise eine Luftzahl, ein Kohlendioxidanteil K oder ein Sauerstoffanteil des Verbrennungsgases V verwendet werden. Durch diese Ausgangswertepaare kann sehr schnell eine zumindest näherungsweise Einstellung erfolgen (Steuerung) und ausgehend von dieser angenäherten Einstellung dann eine exakte Regelung der Regelgröße anhand des tatsächlich gemessenen Wertes für die Regelgröße durchgeführt werden. Während des Betriebs können die Ausgangswerte in der Tabelle aktualisiert werden, um die Regelzeiten zu verkürzen und die abgespeicherten Werte an die tatsächlichen Gegebenheiten des Systems anzupassen. Auf diese Weise können auch sich ändernde Betriebszustände, Alterungserscheinungen, Verschleiß und weitere Effekte berücksichtigt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung 10 für eine Brenneinrichtung 11 mit einem in einer Brennkammer 13 angeordneten Brenner 12. Eine Brennstoffzufuhrleitung 26 und eine Luftansaugleitung 21 sind an einen Mischer 20 angeschlossen. Über ein Gebläse 22 wird Luft L durch die Luftansaugleitung 21 angesaugt und dem Mischer 20 zugeführt. Dabei wird Brennstoff und beispielsweise Gas G aus der Brennstoffleitung 26 angesaugt. In der Brennstoffleitung 26 ist im Anschluss an einen Druckregler 29 lediglich an einer Drosselstelle eine einstellbare Drosseleinrichtung 27 angeordnet. Weitere Drosselstellen, die einen Druckverlust innerhalb der Brennstoffzufuhrleitung 26 stromabwärts des Druckreglers 29 erzeugen, sind nicht vorhanden. Die Drosseleinrichtung 27 weist wenigstens einen mechanisch einstellbaren Anschlag 38, 47 auf. Dieser wenigstens eine Anschlag 38, 47 definiert eine zugeordnete Endlage E2 bzw. E1 eines bewegbaren Einstellteils 40 der Drosseleinrichtung 27. Die Position des Einstellteils 40 gibt einen Durchströmquerschnitt Q in einem Durchgangskanal 41 der Drosseleinrichtung 27 für den Brennstoff frei. Dadurch, dass wenigstens eine Endlage E1, E2 definiert sind, kann zumindest ein Betriebsbereich X, Y ausgeschlossen werden, bei dem dem Brenner ein Luft-Gas-Gemisch mit zu großem Gasanteil MG und/oder zu großem Luftanteil ML zugeführt würde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Regeleinrichtung
- 11
- Brennereinrichtung
- 12
- Brenner
- 13
- Brennkammer
- 14
- Abgaskanal
- 15
- Gassensor
- 16
- Steuereinheit
- 20
- Mischer
- 21
- Luftansaugleitung
- 22
- Gebläse
- 23
- Gebläsemotor
- 26
- Brennstoffzufuhrleitung
- 27
- Drosseleinrichtung
- 28
- Verstellantrieb
- 29
- Druckregler
- 30
- Ausgang
- 35
- Spule
- 36
- Anker
- 37
- Vorspannelement
- 38
- erster Anschlag
- 39
- Abtriebsteil
- 40
- erstes Einstellteil
- 40a
- erste Durchgangsöffnung
- 40b
- Schließabschnitt
- 41
- Durchgangskanals
- 42
- Drosselkörper
- 43
- zweites Einstellteil
- 43a
- zweite Durchgangsöffnung
- 47
- zweiter Anschlag
- 48
- Schraube
- 49
- Keilelement
- 50
- Keilfläche
- 51
- Hülse
- 52
- Positionierschraube
- 53
- Loch
- 54
- Positionierelement
- 55
- Sicherungselement
- 56
- Sicherungsnut
- 57
- Aussparung
- 60
- Schrittmotor
- 61
- Antriebszahnrad
- 62
- Zahnstange
- A
- Ansteuersignal
- B
- Bewegungsrichtung
- D
- Drehzahlsignal
- DQ1
- erster Teilquerschnitt
- DQ2
- zweiter Teilquerschnitt
- G
- Gas
- K
- Kohlendioxidanteil
- Kmin
- Kohlendioxidminimalanteil
- Kmax
- Kohlendioxidmaximalanteil
- L
- Luft
- MG
- Gasmenge
- ML
- Luftmenge
- p0
- Ausgangsdruck
- P1
- erster Schnittpunkt
- P2
- zweiter Schnittpunkt
- P3
- dritter Schnittpunkt
- P4
- vierter Schnittpunkt
- Q
- Durchströmquerschnitt
- Q1
- erster Durchströmquerschnitt
- Q2
- zweiten Durchströmquerschnitt
- S
- Sensorsignal
- T
- Querrichtung
- U
- Drehzahl des Gebläses
- Umin
- Minimaldrehzahl
- Umax
- Maximaldrehzahl
- V
- Verbrennungsgas
- X
- unzulässiger Betriebsbereich
- Y
- gesperrter Betriebsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011002324 A1 [0002]
