DE3607386A1 - Verfahren und vorrichtung zur gas-luft-mengenregelung fuer gasgeblaesebrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des einem Gasge­ bläsebrenner zuzuführenden Gemisches aus Verbrennungsgas und Luft, bei dem die Luftzufuhr entsprechend dem Lastgrad geregelt und die Gaszufuhr von der Luftzufuhr abhängig ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung des Ver­ fahrens sind aus der DE-OS 28 34 242 bekannt. Die Gaszufuhr wird dabei der Luftzufuhr so nachgeführt, dass bei Teillast diejenige Gemischzusammensetzung erhalten bleibt, die zuvor bei der Einregu­ lierung des Vollastbetriebes hinsichtlich optimaler Gemischzusammen­ setzung eingestellt wurde. Dabei ist nicht berücksichtigt, dass der Brennwert des Verbrennungsgases und damit sein Sauerstoffbedarf ebenso schwanken kann wie die Wirksamkeit der Verbrennungsluft bei­ spielsweise dadurch, dass in Abhängigkeit von der Lufttemperatur die Sauerstoffmenge pro Volumenteil variiert. Somit ist weder die vollständige Ausnützung des Brennwertes des Verbrennungsgases noch die Erzielung möglichst schadstoffarmer Abgase garantiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei denen die Güte der Verbrennung beeinflussende Parameter erfasst und auf einfache Weise das Verhältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge so variiert wird, dass in allen Lastbereichen des Brenners eine vollständige Ausnutzung des Brennwertes des Verbrennungsgases ebenso erreicht wird wie ein möglichst schadstoffarmer Abgasausstoss.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Massnahmen.

Nachfolgend wird die Erfindung beschrieben und eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der einzi­ gen Figur erläutert.

Die Erfindung beruht auf der grundsätzlichen Überlegung, dass die Gasmenge nicht allein aufgrund dar Luftmenge nachgeregelt werden darf, sondern dass wesentliche, die Güte der Verbrennung beeinflussen­ de oder die Güte der Verbrennung charakterisierende Parameter erfasst werden müssen. Das Verhältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge kann nach Massgabe dieser Parameter variiert werden.

Wenn ein Verhältnisregler zur Nachführung des Gasdrucks in Abhängig­ keit vom Druck der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft verwendet werden soll, dann muss der auf den Gasdruckregler einwirkende Druck der Verbrennungsluft entsprechend den Parametern variiert werden. Auf einfache Weise lässt sich das dadurch realisieren, dass zwischen die Luftleitung und den Verhältnisregler ein Druckteiler geschaltet wird, der eine Drossel, ein Hilfsventil und einen Antrieb für das Hilfsventil enthält. Die die Güte der Verbrennung beeinflussenden oder die Güte der Verbrennung charakterisierenden Parameter wirken über einen Hilfsregler auf den Antrieb für das Hilfsventil ein und variieren auf diese Weise den auf den Verhältnisregler wirkenden Luftdruck.

Die Grundeinstellung des Verhältnisreglers wird dabei so vorgenommen, dass das Verhältnis des Gasdrucks zum Luftdruck mindestens so gross ist wie das grösste über den Arbeitsbereich des Brenners vorkommende Verhältnis des Gasdrucks zum Luftdruck bei jeweils optimaler Verbren­ nung. Durch die Variation des auf den Verhältnisregler wirkenden Luftdrucks mittels des Hilfsventils wird dann der Gasdruck von diesem grössten Verhältniswert auf den bei der jeweiligen Last gerade erfor­ derlichen Wert abgesenkt.

Als wesentliche die Güte der Verbrennung beeinflussende Parameter kommen beispielsweise die Zulufttemperatur und der Brennwert des Verbrennungsgases in Betracht. Je grösser die Zulufttemperatur ist, desto geringer ist die pro Volumenteil der Zuluft darin enthaltene Menge von Sauerstoffmolekülen. Um eine optimale Verbrennung zu er­ zielen, muss deshalb die Verbrennungsgasmenge mit steigender Zuluft­ temperatur reduziert werden.

Der Brennwert des Verbrennungsgases stellt die wesentlichste Einfluss­ grösse dar, nach der das Verhältnis von Verbrennungsmenge und Luft­ menge geregelt werden müsste. Da einfache, kontinuierlich arbei­ tende Messgeräte zur Bestimmung des Brennwertes eines Verbrennungs­ gases nicht zur Verfügung stehen, ist es zweckmässig, anstelle des Brennwertes des Verbrennungsgases solche Parameter zur Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge heranzu­ ziehen, die die Güte der Verbrennung charakterisieren.

Die Verwendung einer an sich bekannten Sauerstoffsonde ermöglicht es, die Verbrennungsgasmenge im Verhältnis zur Luftmenge so zu re­ geln, dass ein einen möglichst geringen Schadstoffgehalt des Abgases charakterisierender Sauerstoffüberschuss im Abgas erzielt wird. Die Grösse dieses Sauerstoffüberschusses kann konstant gehalten werden.

Eine Verbesserung des Verfahrens besteht jedoch darin, dass der Sauerstoffüberschuss im Abgas nicht konstant gehalten wird, sondern seinerseits nach Massgabe des Lastgrades des Brenners variiert wird. Damit wird eine weitergehende Minimierung des Schadstoffgehaltes erreicht.

Statt der Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas, allenfalls auch in Ergänzung dazu, kann auch die Messung der Ionisation der Flamme erfolgen und zur Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge herangezogen werden.

Nachfolgend wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mässen Verfahrens beschrieben, bei der eine Sauerstoffsonde zur Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge verwendet wird.

In der Figur ist ein Brenner 1 dargestellt, dem über eine Gaslei­ tung 2 das Verbrennungsgas und über eine Luftleitung 3 die von einem Gebläse 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Im Zuge der Gasleitung 2 ist ein Verhältnisregler 5 bekannter Bauart enthalten. In der Luft­ leitung 3 ist eine Luftklappe 6 vorhanden, die zur Steuerung des Lastgrades von einem Leistungsregler 7 über einen nicht dargestell­ ten Luftklappenantrieb betätigt wird. Zwischen der Luftleitung 3 und einem Steueranschluss 8 des Verhältnisreglers 5 ist ein Druck­ teiler 9 montiert, der eine Drossel 10, ein Hilfsventil 11 und einen auf das Hilfsventil 11 wirkenden Antrieb 12 enthält. Die Drossel 10 liegt dabei im Zuge der Verbindung zwischen der Luftleitung 3 und dem Steueranschluss 8, während das Hilfsventil 11 mit seiner Eingangs­ seite an die Verbindung zwischen der Drossel 10 und dem Steueran­ schluss 8 angeschlossen ist und seine Ausgangsseite mit der umgeben­ den Atmosphäre in Verbindung steht. Der Antrieb 12 steht in Wirk­ verbindung mit einem Hilfsregler 13. In eine an den Brenner 1 an­ schliessende Abgasleitung 14 ist eine Sauerstoffsonde 15 eingebaut, deren Signal an den Hilfsregler 13 übermittelt wird. Der Hilfsreg­ ler 13 wandelt dieses Signal in ein für den Antrieb 12 erforder­ liches Stellungssignal. Ausserdem kann zwischen dem Leistungsregler 7 und dem Hilfsregler 13 eine Steuerleitung 16 vorhanden sein, über die der Leistungsregler 7 dem Hilfsregler 13 den Lastgrad mitteilt, so dass der Hilfsregler 13 in der Lage ist, bei der Formierung des Stellungssignals für den Antrieb 12 des Hilfsventils 11 den Lastgrad zu berücksichtigen.

Die dargestellte Vorrichtung funktioniert wie folgt: Das Gebläse 4 erzeugt einen Luftstrom, der gross genug ist, um die für die maxi­ male Leistung des Brenners 1 benötigte Luftmenge bereitzustellen. Entsprechend dem tatsächlichen Leistungsbedarf erzeugt der Leistungs­ regler 7 ein Stellungssignal für die Luftklappe 6, mit der der Luft­ strom entsprechend dem tatsächlichen Leistungsbedarf gesteuert wird. In der Luftleitung 3 wird auf diese Weise ein mit dem Lastgrad zusam­ menhängender Luftdruck erzeugt, der über die Drossel 10 auf den Steuereingang 8 des Verhältnisreglers 5 einwirkt und in bekannter Weise den Druck in der Gasleitung 2 und damit die dem Brenner 1 zuströmende Menge des Verbrennungsgases bestimmt. Die Einstellung der Drossel 10 und des Verhältnisreglers 5 ist dabei derart, dass bei geschlossenem Hilfsventil 11 die vom Verhältnisregler 5 einge­ regelte Gasmenge mindestens geringfügig grösser ist als dies der auf die durchgesetzte Luftmenge bei optimaler Verbrennung zugeord­ neten Gasmenge entspricht. Würde der Brenner 1 so betrieben, dann würde die in der Abgasleitung 14 angeordnete Sauerstoffsonde 15 feststellen, dass kein Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Der Hilfs­ regler 13 wird dann aufgrund des Signals der Sauerstoffsonde 15 aus der Abweichung zwischen dem Soll und dem Istwert ein Stellungs­ signal für den auf das Hilfsventil 11 wirkenden Antrieb 12 ableiten und somit das Hilfsventil 11 entsprechend der Istabweichung öffnen. Durch das Öffnen des Hilfsventils 11 sinkt der am Steuereingang 8 des Verhältnisreglers 5 wirksame Druck, was zur Folge hat, dass der Druck in der Gasleitung 2 und damit die dem Brenner 1 zuströmende Menge des Verbrennungsgases abnimmt. Damit besteht ein Regelkreis, der die Gasmenge immer genau so gross hält, dass im Abgas ein gemäss der Sollwertvorgabe im Hilfsregler 13 bestimmter Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Der Hilfsregler 13 muss dabei so beschaffen sein, dass er die Eigenschaften der Regelstrecke hinsichtlich ihres Regel­ verhaltens berücksichtigt, was entsprechend den bekannten Algorithmen der Regelungstechnik zu realisieren ist.

Statt der Sauerstoffsonde 15 kann eine Ionisationssonde vorhanden sein, allenfalls kann die Ionisationssonde auch zusätzlich zur Sauer­ stoffsonde 15 vorhanden sein. Bei Einsatz einer Ionisationssonde muss der Hilfsregler 13 entsprechend ausgebildet sein, um die von der Ionisationssonde abgegebenen Signale in Stellbefehle für den Antrieb 12 umsetzen zu können.

Anstelle der Sauerstoffsonde 15 oder in Ergänzung dazu kann auch eine Temperatur in der Luftleitung 3 fühlende Sonde vorhanden sein, die mit dem Hilfsregler 13 wirkverbunden ist.

Bei allen diesen Ausführungsformen der Erfindung bleibt der Druck­ teiler g mit allen seinen seine Wirkung bestimmenden Elementen, der Drossel 10, dem Hilfsventil 11 und dem Antrieb 12, unverändert.

Der Antrieb 12 kann elektrothermisch, elektromotorisch oder auch elektromagnetisch, beispielsweise als Tauchmagnetsystem, ausgebildet sein. Vorteilhaft beim elektromotorischen und beim elektromagneti­ schen Antrieb ist, dass er sehr schnell reagiert und die Zeitpara­ meter der Regelstrecke praktisch nicht beeinflusst. Von Vorteil kann ein elektrothermischer Antrieb dann sein, wenn seine Zeitpara­ meter aufgrund der Bauart dem Zeitverhalten der übrigen Teile der Regelstrecke angepasst sind oder leicht angepasst werden können.

Claims (13)

1. Verfahren zur Regelung der Zusammensetzung des einem Gasgebläse­ brenner zuzuführenden Gemisches aus Verbrennungsgas und Luft, bei dem die Luftzufuhr entsprechend dem Lastgrad geregelt und die Gas­ zufuhr von der Luftzufuhr abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge variiert wird nach Massgabe der die Güte der Verbrennung beeinflussenden und/oder die Güte der Verbrennung charakterisierenden Parameter.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge variiert wird durch das Signal einer die Sauerstoffkonzentration im Abgas messen­ den Sonde.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge variiert wird durch das Signal einer die Ionisation der Flamme messenden Sonde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ hältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge variiert wird durch das Signal einer die Zulufttemperatur messenden Sonde.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Regeleinrichtungen (9, 13) vorhanden sind, mit denen die von der Luftzufuhr durch einen Verhältnisregler (5) abhängige Gaszufuhr zusätzlich von die Güte der Verbrennung beeinflussenden und/oder die Güte der Verbrennung charakterisierenden Parametern abhängig gemacht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen eine Luftleitung (3) und einen Steueranschluss (8) des die Verbrennungsgasmenge nach Massgabe der Luftmenge regelnden Verhältnis­ reglers (5) ein Druckteiler (9) geschaltet ist, der die Variation des auf den Steuereingang (8) des Verhältnisreglers (5) wirkenden Luft­ druckes dadurch bewirkt, dass ein auf den Druckteiler (9) wirkender Hilfsregler (13) das Signal wenigstens einer Sonde (15) zur Erfassung der die Güte der Verbrennung beeinflussenden oder die Güte der Ver­ brennung charakterisierenden Parameter in ein Stellsignal für den Druckteiler (9) wandelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckteiler (9) aus einer Drossel (10), einem Hilfsventil (11) und einem das Hilfsventil (11) betätigenden Antrieb (12) aufgebaut ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (12) ein elektromotorischer Antrieb ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (12) ein elektromagnetischer Antrieb ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (12) ein elektrothermischer Antrieb ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Hilfsregler (13) das Steuersignal für den Antrieb (12) aus dem Signal einer in die Abgasleitung (14) eingebauten Sauer­ stoffsonde (15) ableitet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Hilfsregler (13) das Steuersignal für den Antrieb (12) aus dem Signal einer in der Luftleitung (3) angeordneten, die Temperatur der Luft fühlenden Sonde ableitet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Hilfsregler (13) das Steuersignal für den Antrieb (12) aus dem Signal einer Ionisationssonde ableitet.