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Die Erfindung betrifft ein brenngasbetriebenes Heizgerät mit Regelung des Gasgemisches.
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Gattungsbildende Heizgerät sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenbarung gemäß der Druckschrift
WO2006/000366A1 .
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Stand der Technik ist zudem eine Verbrennungsregelung nach dem sog. SCOT-Verfahren, bei dem die Steuerung der dem Brenner des Heizgerätes zugeführte Luftmenge entsprechend der Brennerleistung erfolgt. Dabei wird eine Flammensignalmessung mittels eines Ionisationssensors durchgeführt und das Gas-Luftgemisch auf einen in einer Kennlinie hinterlegten Soll-Ionisationsmesswert geregelt. Beim SCOT-Verfahren ist jedoch nachteilig, dass bei kleinen Brennerleistungen das Flammensignal stark absinkt und die Regelung damit unzuverlässig wird. Zudem ist der Adaptionsaufwand, insbesondere zur Anpassung der Brennergeometrie hoch und die Brennerleistung kann nur ungenau über die Gebläsedrehzahl eines den Luftvolumenstrom für das Gas-Luft-Gemisch liefernden Gebläses bestimmt werden.
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Ferner ist im Stand der Technik eine auf die Anmelderin zurückgehende elektronische Gemischregelung bei Heizgeräten durch einen thermischen Gasmassenstromsensor bekannt, mit dem die Brenngaseigenschaften erfasst werden können. Dabei misst der Gasmassenstromsensor im Brenngas den Brenngas-Volumenstrom und über ein Steuergerät wird über die thermische Leitfähigkeit aus einer Referenztabelle die Brenngasart ermittelt. Anschließend wird die erforderliche Luftmenge entsprechend dem ermittelten Luftbedarf errechnet und eingeregelt. Dabei ist jedoch aufwendig, dass alle Eingangsgrößen, d.h. der Gasvolumenstrom, der Luftvolumenstrom und die Brenngaseigenschaften gemessen und mithin überwacht werden müssen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät mit weniger aufwendiger und dennoch genauer Regelung eines Gasgemisches bereitzustellen, das zudem robust gegen äußere Einflüsse wie Staub ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Heizgerät mit Regelung eines Gasgemisches gebildet aus einem Gas und einem Brenngas bei einem brenngasbetriebenen Heizgerät vorgeschlagen, bei dem das Gasgemisch erzeugt wird, indem über ein erstes Stellglied eine Gasmenge und über ein zweites Stellglied eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden. Ein mikrothermischer Gasgemischsensor, der mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches erfasst, wird mit dem Gasgemisch beaufschlagt und übermittelt kontinuierlich ein von dem jeweiligen Gasgemisch abhängiges Sensorsignal an ein Steuergerät. Das Steuergerät vergleicht das erfasste Sensorsignal mit einem Sollwert des Sensorsignals und steuert bei einer Abweichung des erfassten Sensorsignals mit dem Sollwert des Sensorsignals mindestens eines der ersten und zweiten Stellglieder an. Dadurch wird das Gasgemisch durch Erhöhung oder Verringerung der Gasmenge und/oder Erhöhung oder Verringerung der Brenngasmenge angepasst, bis der Sollwert des Sensorsignals erreicht ist.
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Ein wesentlicher Punkt ist die Messung der mindestens einen stofflichen Eigenschaft des Gasgemisches. Eine Veränderung der Gasmenge oder der Brenngasmenge würde sofort durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften am Gasgemischsensor erkannt werden. Eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften des Gasgemisches am Gasgemischsensor kann über das Steuergerät unmittelbar ausgeregelt werden.
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Die von dem mikrothermischen Gasgemischsensor erfasste stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches ist vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit, die Temperaturleitfähigkeit oder die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches. Es können jedoch auch mehrere dieser stofflichen Eigenschaften erfasst werden, so dass eine genauere Zuordnung der Mehrzahl der Eigenschaften auf das Gasgemisch möglich ist.
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Der mikrothermische Gasgemischsensor ist als Gasmassensensor ausgebildet, der sowohl die an den Brenner des Heizgerätes zugeführte Gasgemischmasse als auch weitere stoffliche physikalische Eigenschaften erfasst. Beispielsweise werden hierfür aus dem Stand der Technik bekannte kalorimetrische Mikrosensoren eingesetzt, die neben der Wärmeleitfähigkeit die Temperaturleitfähigkeit des Gasgemisches erfassen. Eine andere Möglichkeit besteht in wenigstens einem Gasmassensensor basierend auf dem Funktionsprinzip der Ultraschallmessung zur Ermittlung der Gasgemischmasse und der jeweils gasgemischabhängig vorliegenden spezifischen Schallgeschwindigkeit.
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Das Heizgerät ist in einer Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert des Sensorsignals in Abhängigkeit einer Zusammensetzung des Gases oder des Brenngases durch das Steuergerät angepasst wird. Ändert sich die Zusammensetzung des Brenngases (z.B. von Propan auf Butan), verändern sich die gemessenen Eigenschaften des Gasgemisches. Zusätzlich benötigen andere Zusammensetzungen an Brenngas für eine optimale Verbrennung auch andere Luftmengen. Es ist somit auch ein neues Mischungsverhältnis zwischen Gas und Brenngas erforderlich.
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Eine derartige Anpassung des Sollwerts des Sensorsignals erfolgt durch einen Kalibrierprozess. Hierfür werden vom Steuergerät das erste Stellglied der Gasmenge oder das zweite Stellglied der Brenngasmenge soweit verändert, bis das gewünschte Ergebnis erreicht wird. Der ursprüngliche Sollwert wird für die weitere Gemischregelung durch das neue gemessene Sensorsignal ersetzt.
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Insbesondere erfolgt der Kalibrierprozess durch eine Ionisationsstromregelung eines Flammensignals eines Brenners des Heizgerätes, bis ein Ionisationssollwert erreicht ist. Hierfür wird zunächst eine stöchiometrische Verbrennung des Brenners des Heizgerätes eingestellt. Über eine Ionisationssonde werden das Flammensignal des Brenners des Heizgerätes und dadurch ein entsprechender Ionisationsstrom erfasst. Bei der stöchiometrischen Verbrennung ist der Ionisationsstrom maximal. Aus diesem Wert des Ionisationsstroms wird mit einer labortechnisch ermittelten Prozentzahl ein Ionisationssollwert berechnet und als künftiger Ionisationsstromsollwert abgespeichert, der bei der gewünschten Verbrennung erreicht werden muss. Anschließend wird ausschließlich die Gasmenge um einen vorbestimmten Faktor reduziert, um den Brenner mit dem gewünschten Gasgemisch bei dem vorbestimmten Ionisationssollwert zu betreiben.
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Das Heizgerät ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen des Ionisationssollwerts die mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches mittels des Gasgemischsensors gemessen und als neuer Sollwert des Sensorsignals im Steuergerät hinterlegt wird. Der neue Sollwert wird für die weitere Regelung verwendet und ersetzt den bisherigen Sollwert.
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Der Kalibrierprozess erfolgt vorzugsweise bei Unplausibilitäten des Sensorsignals des Gasgemischsensors oder in zyklischen vorbestimmten Abständen. Die Feststellung von Unplausibilitäten des Sensorsignals geschieht in einer Ausführung bei einem Start des Heizgerätes, indem zunächst ausschließlich das bekannte Gas zugeführt und der Gasgemischsensor damit beaufschlagt wird. Eine Unplausibilität liegt dann vor, wenn das von dem Gasgemischsensor gemessene Sensorsignal der stofflichen Eigenschaft, z.B. die Wärmeleitfähigkeit oder die Temperaturleitfähigkeit, nicht einem Sensorsignal für das bekannte Gas entspricht. Bei Heizgeräten dient als Gas üblicherweise die Umgebungsluft, deren stoffliche Eigenschaften bekannt sind.
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Verschiedene Brenngasarten bzw. Brenngasfamilien (Erdgas, Flüssiggas) beeinflussen die stofflichen Eigenschaften des Gasgemisches auf unterschiedliche Weise. Beispielsweise nimmt bei einer Zudosierung von Flüssiggas zu Luft die Wärmeleitfähigkeit ab, bei einer Zudosierung von Erdgas zu Luft nimmt die Wärmeleitfähigkeit zu. In einer Weiterbildung des Heizgeräts ist deshalb vorgesehen, dass bei einem Start des Heizgerätes zunächst ausschließlich das bekannte Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt und der Gasgemischsensor damit beaufschlagt wird. Anschließend wird das Brenngas zugeführt, das Gasgemisch erzeugt und der Gasgemischsensor mit dem Gasgemisch beaufschlagt. Aus der Änderung des Sensorsignals bei der Zuführung des Brenngases wird die Gasart des Brenngases festgestellt. Anschließend passt das Steuergerät das Gasgemisch in Abhängigkeit von der festgestellten Gasart des Brenngases an, bis der Sollwert des Sensorsignals erreicht ist. Vorteilhafterweise kann damit die Startleistung sofort nach Erkennen der Gasfamilie vom Steuergerät über die Stellung des Stellglieds des Brenngases auf einen günstigen Startpunkt gesteuert werden und das Zündgemisch zum Brennerstart wird schneller und präziser erreicht.
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Das Heizgerät macht sich ferner den vorstehend beschriebenen Effekt zu Zunahme bzw. Abnahme des Sensorsignals bei verschiedenen Brenngasen zunutze und sieht vor, dass aus der Änderung des Sensorsignals bei der Zuführung des Brenngases die Wirkungsrichtung der Regelung erfasst und daraus festgelegt wird, ob zur Erreichung des Sollwert des Sensorsignals die zugeführte Brenngasmenge erhöht oder erniedrigt wird. Ziel ist stets eine saubere Verbrennung mit dem dafür nötigen Gasgemisch.
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Das Gas ist vorzugsweise Luft, das Brenngas vorzugsweise Flüssiggas oder Erdgas.
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Eine Weiterbildung des Heizgeräts umfasst ferner eine Ausführung für den Fall, dass die thermischen Eigenschaften des Brenngases zu dicht an den thermischen Eigenschaften der Luft liegen und keine zuverlässige Gemischregelung möglich ist, da jede Veränderung sowohl der Luftmenge als auch der Gasmenge keine Signalveränderung am Gasgemischsensor bewirkt. Dieser Fall kann vorliegen, wenn beispielhaft Mischbrenngase zur Verbrennung eingesetzt werden, die zufällig die gleichen physikalischen stofflichen Eigenschaften wie Luft haben. Dieser Zustand wird von dem Steuergerät sowohl beim Start des Heizgerätes wie auch bei einer Kalibration durch eine Plausibilitätskontrolle dadurch erkannt, dass bei beliebiger Änderung der Luft oder der Gasmenge keine wesentliche Änderung am Sensorsignal gemessen wird. In diesem Fall kann das Steuergerät die Gemischregelung über den Gasgemischsensor vorübergehend ausschalten und mit reduziertem Modulationsbereich ausschließlich über die für die Kalibration beschriebene Ionisationsstromregelung steuern. Sobald die Brenngasbeschaffenheit wieder eine Regelung über den im Gasgemisch positionierten Gasgemischsensor ermöglicht, wird die Gemischregelung über den Gasgemischsensor fortgesetzt.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein prinzipieller Aufbau zur Durchführung des Heizgeräts,
- 2 einen Aufbau eines Heizgerätes zur Durchführung des Heizgeräts,
- 3 eine Regelungskennlinie des Sensorsignals des Gasgemischsensors,
- 4 eine Regelungskennlinie des Sensorsignals des Gasgemischsensors,
- 5 Reglungskennlinien vor und nach einer Veränderung der Brenngaseigenschaften,
- 6 eine Kennlinie der Ionisationsstromregelung.
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In 1 ist ein prinzipieller Aufbau zur Durchführung des Heizgeräts aufgezeigt. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird als Gas stets Luft angenommen, auch wenn theoretisch auch andere Gase verwendet werden können.
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Über das Steuergerät 7 werden das Stellglied 4 zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Luft 2 und das Stellglied 3 zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Brenngas 1 in ihren jeweiligen Öffnungsstellungen geregelt, um das Gasgemisch 5 in einem bestimmten Brenngas-Luftgemisch-Verhältnis zu erzeugen. Im Bereich des Gasgemisches 5 ist der Gasgemischsensor 6 positioniert und wird mit dem Gasgemisch 5 beaufschlagt. Über eine Prozessüberwachungseinheit 8 werden das Steuergerät 7 und die Regelung überwacht.
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2 zeigt eine konkrete Ausführungsform eines brenngasbetriebenen Heizgerätes 200 mit einem Gassicherheitsventil 101, einem Gasregelventil 102 als Stellglied der Menge an Brenngas 103, einem Mischgebläse 107 zur Ansaugung von Luft 104 und Mischung mit dem Brenngas 103 zur Erzeugung des Gasgemisches 105. Über die Drehzahl des Mischgebläses 107 ist die Luftmenge anpassbar; es stellt mithin das Stellglied für die Luftzufuhr. Das Heizgerät 200 umfasst den mikrothermischen Gasgemischsensor 106, wobei ein zweiter Gasgemischsensor 108 als alternative Einbauposition im Ausblasbereich des Mischgebläses 107 dargestellt ist. Grundsätzlich wird jedoch kein zweiter Gasgemischsensor benötigt. Das Mischgebläse 107 fördert das Gasgemisch 105 zum Brenner 109, an dem die Ionisationselektrode 111 verbaut ist, um die Brennerflamme zu überwachen. Zudem sind über Pfeile die Signalleitungen zu dem und von dem Steuergerät 100 gezeigt, welches die Regelung des Gasgemisches 105 verarbeitet.
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Im Folgenden wird auf die Bauteile des prinzipiellen Aufbaus gemäß 1 Bezug genommen, die jedoch unmittelbar auf das Heizgerät 200 gemäß 2 übertragbar sind.
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In 3 ist in einem Diagramm 30 ein für die Regelung verwendeter vereinfachter linearer Zusammenhang zwischen dem von dem Gasgemischsensor 6 erfassten Sensorsignal 31 bei reiner Luft 2 (Bezugszeichen 34 entspricht 100% Luft) und dem Sensorsignal 32 bei reinem Brenngas 1 (Bezugszeichen 36 entspricht 100% Brenngas) dargestellt. Für das Gasgemisch 5 (Bezugszeichen 35 entspricht 40% Luft und 60% Brenngas) liegt das Sensorsignal 33 dazwischen. Die Mengen an Luft 2 und Brenngas 1 werden über die jeweiligen Stellglieder 3 und/oder 4 solange angepasst, bis die vom Prozess erforderlichen Gemischeigenschaften des gewünschten Mischungsverhältnisses vom Gasgemischsensor 6 detektiert werden. 3 zeigt einen linearen Verlauf der Kennlinie des Sensorsignals, es sind jedoch auch nicht-lineare Kennlinien möglich, die beispielsweise über Wertetabellen eine Regelung zu den entsprechenden Positionen der Stellglieder 3, 4 ermöglichen.
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Gemäß 3 sinkt das Sensorsignal, je mehr Brenngas 1 zugeführt wird. Das Sensorsignal wird beispielhaft als abhängig von der Wärmeleitfähigkeit als stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches 5 dargestellt, wobei das Brenngas beispielsweise Flüssiggas ist und die Wärmeleitfähigkeit von Flüssiggas niedriger ist als diejenige von Luft. Es gibt jedoch auch Gasarten, bei denen die Wirkrichtung der Regelung umgekehrt ist, wie in 4 gezeigt. Hier ist das Brenngas 1 Erdgas, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als diejenige von Luft. Im Diagramm 40 gemäß 4 ein für die Regelung verwendeter vereinfachter linearer Zusammenhang zwischen dem von dem Gasgemischsensor 6 erfassten Sensorsignal 41 bei reiner Luft 2 (Bezugszeichen 44 entspricht 100% Luft) und dem Sensorsignal 42 bei reinem Brenngasas 1 (Bezugszeichen 46 entspricht 100% Brenngas/Erdgas) dargestellt. Für das Gasgemisch 5 (Bezugszeichen 45 entspricht 75% Luft und 25% Brenngas/Erdgas) liegt das Sensorsignal 43 dazwischen, jedoch nahe dem Sensorsignal 41 reinen Brenngases 1. Für eine Regelung mit Erdgas wird vom Steuergerät 7 aus der Signaländerung des Gasgemischsensors 6 bei der Erhöhung der Brenngasmenge die Wirkungsrichtung der Regelung bestimmt und für die weitere Gemischregelung zu Grunde gelegt.
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5 zeigt ein Diagramm 60 zur Darstellung der Kalibration, wenn sich beispielsweise die Beschaffenheit des Brenngases 1 so ändert, dass eine neue Gasgemischzusammensetzung erforderlich ist, um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten. In 5 verändert sich das Brenngas als Beispiel von Propan auf Butan. Die Bezugszeichen 66 und 68 bestimmen den Bereich zwischen 100% Luft und 100% Brenngas, wobei der Signalwert 61 bei 100% Luft vorliegt. Bei einer Änderung der Eigenschaften des Brenngases 2 (Propan entspricht Bezugseichen 62) auf die neuen Eigenschaften (Butan entspricht Bezugszeichen 65) würde bei dem ursprünglichen Mischungsverhältnis 67 eine Signaländerung auf den Arbeitspunkt 71 mit einem Signalwert 70 bedeuten. Da aber zusätzlich ein neues Mischungsverhältnis 69 erforderlich wird, liegt der notwendige Arbeitspunkt bei 72. Bei der Kalibrierung wird das Gasgemisch 5 von dem ursprünglichen Mischungsverhältnis 67 mit dem zugehörigen Signalwert 63 auf das neue Mischungsverhältnis 69 mit dem zugehörigen Signalwert 64 verändert. In 5 ist die Situation der ursprünglichen Beschaffenheit des Brenngases gestrichelt, die neue Situation mit durchgezogenen Linien und Pfeilen dargestellt.
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6 zeigt ein Diagramm 20 zur Kalibrierung mittels Ionisationsstromregelung mit einer Kennlinie des von der Ionisationselektrode in der Brennerflamme erfassten Ionisationssignals (lo-Signal) gegenüber dem Brenngas-Luftverhältnis λ. Da der prinzipielle Aufbau gemäß 1 keine Ionisationselektrode zeigt, wird nachfolgend auf das Heizgerät 200 gemäß 2 verwiesen. Vom Steuergerät 100 wird während des Brennerbetriebes die Menge an Luft 104 auf einen vorgegebenen Wert gesteuert, das Ionisationssignal an der Ionisationselektrode 111 des Brenners 109 gemessen und die Menge an Brenngas 103 soweit erhöht, bis das Ionisationssignal von dem ursprünglich vorhandenen Ionisationswert 21 bei einem Brenngas-Luftverhältnis 24 auf das Maximum 22 angestiegen ist. Aus diesem Wert wird mit einer labortechnisch ermittelten Prozentzahl der Ionisationssollwert 23 berechnet und als künftiger Ionisationsstrom-Sollwert abgespeichert, der das gewünschte Brenngas-Luftverhältnis 25 mit höherem Luftüberschuss erreicht werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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