DE4134058A1

DE4134058A1 - Proportionalverbrennungsregelungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4134058A1
Application number: DE4134058A
Authority: DE
Inventors: Yukuo Morohoshi
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 1992-04-30
Also published as: JP2680181B2; GB2249384B; GB9121738D0; JPH04165207A; GB2249384A; US5158261A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Proportionalver brennungsregelungsvorrichtung zur Einstellung der Brenn stoffzufuhr in eine Brennkammer für einen Boiler, eine Heißwasserbereitungseinheit etc., um die Verbrennung zu regeln.

Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Verbren nungsregelungsvorrichtung. Dabei sind ein Brennstofftank 1 und ein Brennstoffzufuhrrohr 2 vorgesehen, dessen eines Ende mit dem Brennstofftank 1 und dessen freies andere Ende eine Düse 3 mit einer festen Öffnung auf weist, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Außerdem sind eine Pumpe 4, die unter Druck Brennstoff 5 zur Düse 3 befördert, welche mitten im Brennstoffzufuhrrohr 2 ange ordnet ist, und ein Öffnungs- und Schließventil 6 zur Steuerung der Zuführung von Brennstoff an die Pumpe 4 vorgesehen.

Der Betrieb dieser Vorrichtung wird nachfolgend be schrieben. Wenn das Ventil 6 geöffnet wird, um die Pumpe 4 zu betätigen, wird der im Brennstofftank 2 befindliche Brennstoff 5 unter Druck an das äußere freie Ende des Brennstoffzufuhrrohres 2 befördert, und der Brennstoff 5 wird in zersprühter Form aus der Düse 3 herausgespritzt.

Wenn ein Boiler für weniger als 40 000 kcal und ein zur Zeit erhältlicher Heißwasserbereiter für den Heimge brauch verwendet werden und es sich bei dem Brennstoff um Öl handelt, muß der Brennstoffzufuhrdruck für eine proportionale Verbrennungsregelung geregelt werden, da die Düse 3 eine feste Öffnung besitzt. Wenn jedoch der Druck erheblich herabgesetzt wird, werden die Tröpfchen des herausgespritzten Öls groß, die Flamme ebenfalls groß und die Feuerung hart, oder Ruß wird erzeugt. Als Folge kann der Brennstoffzufuhrdruck nicht allzu stark herabgesetzt werden. Die Anzahl der Öffnungs- und Schließvorgänge des Ventils 6 pro Zeiteinheit wird ver ändert, um die Brennstoffzufuhr zu regeln. Jedoch kann die Verbrennung in eine indirekte Verbrennung umschla gen, wodurch das Problem entsteht, daß Zündgeräusche oder ein Knall zum Zeitpunkt des Zündens erzeugt werden.

Eine herkömmliche Verbrennungsregelungsvorrichtung, bei welcher der verwendete Brennstoff auf Öl allein be schränkt ist, ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei handelt es sich um eine Boilerregelungsvorrichtung, wie sie bei spielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 55 (1980)-3600 beschrieben ist. Die in Fig. 3 gezeigte Boilerregelungsvorrichtung 20 ist mit einem Ölbrenner 22 versehen, welcher eine Verbrennungskammer 24 besitzt. Das Heizöl 26 wird aus einer Überschalldüse 28 in die Verbrennungskammer 24 ausgegeben, wobei die Düse 28 das Heizöl 26 durch ein Loch 30 eines Flammenhalters 32 herausspritzt. Der Ölbrenner 22 ist mit einem Wärmetau scher 34 versehen, wie Fig. 3 erkennen läßt.

Bei der Überschalldüse 28 handelt es sich um eine Vibra tionsvorrichtung mit einem Schließelement eines Kugel ventils, wobei dieses Element durch Vibrationen der Vibrationsvorrichtung aus einer Stellung, in der der Öldurchlaßweg geschlossen ist, in eine Stellung bewegt wird, in der der Öldurchlaßweg geöffnet ist.

Wenn die Überschalldüse 28 das Verhältnis zwischen der Aus-Zeit und der Ein-Zeit elektronisch regelt, arbeitet die Boilerregelungsvorrichtung 20 so, daß sie mit hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet wird.

Ferner ist ein Thermostat 44 zur Erfassung der Tempera tur einer zu erhitzenden Flüssigkeit vorgesehen. Die Information vom Thermostaten 44 wird an eine Regelungs vorrichtung 42 über eine Leitung 46 übermittelt. Die Regelungsvorrichtung 42 regelt die Drehzahl eines Venti lators 52 und regelt die Menge des an die Überschalldüse 28 durch ein Heizölzufuhrrohr 60 zugeführten Heizöls.

Insbesondere weist diese Boilerregelungsvorrichtung einen Ölbrenner, eine elektrisch betriebene Ölausstoß einrichtung, die mit Vibrationsmitteln mit einem Kugel ventilschließelement versehen ist, welches mittels Vi bration von einer Stellung, in der der Öldurchlaßweg geschlossen ist, in eine Stellung bewegt wird, in der der Öldurchlaßweg geöffnet ist, um eine geeignete Menge an Öl in die Verbrennungskammer des Ölbrenners zu lei ten, und eine Schalteinrichtung zur Regelung der Ein- und Ausschaltzeit der Ölausstoßeinrichtung auf, wodurch die Verbrennung in einem einfachen Verfahren ohne Ver wendung einer komplizierten, teuren Brennerdüse geregelt wird. Jedoch ist in der herkömmlichen Vorrichtung der Brennstoff auf Öl allein beschränkt, wie bereits zuvor erwähnt wurde, und Gas kann in nachteiliger Weise nicht verwendet werden.

Im Fall von Gas als Brennstoff fallen die bei Öl auftre tenden, zuvor beschriebenen Umstände weg, so daß ent sprechende Maßnahmen nicht getroffen werden müssen. Jedoch ist ein Herabsetzungsverhältnis (turndown ratio) von 1/5 bis 1/10 notwendig, um die Brennstoffzufuhrrege lung zu verbessern. Falls dies von einem Regler bewirkt wird, sollte der Brennstoffzufuhrdruck auf 1/25 bzw. 1/100 bei einem Herabsetzungsverhältnis von 1/5 bzw. 1/10 gesetzt werden. Falls der Brennstoffzufuhrdruck 100 mmH₂O beträgt, ist der Druck 1/100 und sollte auf 1 mmH₂O geändert werden. Deshalb ist es unmöglich, mit Hilfe einer einzigen Druckzuführungseinrichtung auf 1 : 10 zu regeln. Im Hinblick darauf ist zu erwarten, daß zwei Druckzuführungseinrichtungen verwendet werden und der Arbeitsbereich der Druckzuführeinrichtungen für den Gebrauch geteilt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Proportionalver brennungsregelungsvorrichtung zu schaffen, bei welcher mit Öl oder Gas als Brennstoff eine proportionale Ver brennung und ein Herabsetzungsverhältnis von 1/5 bis 1/10 möglich wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Er findung, daß die genannte Vorrichtung einen einfachen und preiswerten Aufbau ohne Verwendung von komplizier ten, teuren Teilen erhält.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Proportionalver brennungsregelungsvorrichtung mit einer Düse, einem Brennstoffzuführungsrohr, wobei die Düse an dessen einem Ende vorgesehen und der Brennstofftank mit dem anderen Ende verbunden ist, ein Öffnungs- und Schließventil, das in der Mitte des Brennstoffzuführungsrohres vorgesehen ist, um eine Menge an der Düse zugeführten Brennstoff zu regeln, und ein Regelventil aufweist, das in der Nach barschaft eines Abschnittes des Brennstoffzuführungsroh res vorgesehen ist.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 skizzenhaft eine herkömmliche Verbrennungsregelungsvorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch das freie Ende des Brenn stoffzufuhrrohres der herkömmli chen Vorrichtung;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer herkömmlichen Boilerrege lungsvorrichtung;

Fig. 4 schematisch eine Proportionalver brennungsregelungsvorrichtung in einer besonderen Ausführung der Erfindung;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch das freie äußere Ende eines Brennstoffzufüh rungsrohrs,

Fig. 6 die Verläufe eines Antriebsimpul ses mit veränderter Frequenz; und

Fig. 7 ein Diagramm, in der die Durch flußgeschwindigkeit in Abhängig keit vom Tastverhältnis bei kon stanter Frequenz aufgetragen ist.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Proportionalverbrennungs regelungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung. In Fig. 4 werden die gleichen Bezugszei chen für die gleichen Elemente wie in Fig. 1 verwendet, so daß an dieser Stelle auf die Beschreibung dieser Elemente verzichtet werden kann. Ferner ist ein Regel ventil 7 zur proportionalen Regelung des Ausstoßes von Brennstoff aus der Düse vorgesehen.

Wie Fig. 5 erkennen läßt, weist dieses Regelventil 7 einen Stift 7a, der mit seinem spitzen Ende in die Düse 3 hinein und aus dieser heraus bewegt wird, mitten im Stift 7a vorgesehenes magnetisches Material 7b und eine Erregerspule 7c auf, um eine Antriebskraft zur Bewegung des Stiftes 7a in axialer Richtung gegen die Rückstell kraft zu erzeugen.

Der Betrieb dieser Ausführung soll nachfolgend beschrie ben werden. Wenn das Öffnungs- und Schließventil 6 ge öffnet wird, um die Pumpe 4 zu betätigen, wird der im Brennstofftank 2 befindliche Brennstoff 5 unter Druck zum äußeren freien Ende des Brennstoffzuführungsrohres 2 geleitet.

Wenn dabei ein Antriebsimpuls von einem nicht darge stellten Impulsgenerator an die Erregerspule 7c über tragen wird, wird der Stift 7a durch die Wirkung einer nicht dargestellten Rückholfeder axial hin- und herbe wegt, um die Düse 3 zu öffnen und zu schließen, so daß der Brennstoff intermittierend ausgestoßen wird.

Der ausgestoßene Brennstoff 5 wird innerhalb der Ver brennungszone 9 vor der Düse mit Luft vermischt. Als Ergebnis erhält man eine momentane kontinuierliche Ver brennung, auch wenn das Ausstoßen des Brennstoffes 5 intermittierend stattfindet.

Die Öffnungszeit des Ventils 6 ist auf 5 ms festgelegt, und die Frequenz des Antriebsimpulses ändert sich inner halb des Bereiches von 20 bis 200 Hz, wie in den Fig. 6 (a) bis 6 (e) dargestellt ist. Dann kann das Umkehr verhältnis kontinuierlich von 1 bis 1/10 verändert wer den.

Falls entgegen dem vorstehend Gesagten die Frequenz beispielsweise auf 50 Hz oder 66,7 Hz festgelegt ist und das Tastverhältnis (duty ratio) geändert wird, kann theoretisch der Ausstoß des Brennstoffes von 0 bis 100% geregelt werden. Da jedoch das Ventil tatsächlich bewegt wird, sind 2 bis 3 ms erforderlich. Deshalb kann der Ausstoß von Brennstoff nicht für den zuvor erwähnten Zeitbereich geregelt werden, wie Fig. 7 erkennen läßt. Dementsprechend kann die Zeitdauer zum Öffnen und Schließen der Düse, verursacht von der Veränderung der Frequenz oder des Tastverhältnisses und der Öffnungszeit des Ventils 6, gleichzeitig entsprechend den Eigenschaf ten des Ventils verändert werden. In Fig. 7 stellen die Eigenschaften A und B Fälle dar, in denen die Frequenzen 50 Hz und 66,7 Hz betragen.

Die Zeitdauer zum Öffnen und Schließen der Düse und die Öffnungszeit des Ventils sind proportional zur erforder lichen Verbrennungsmenge. Dennoch wird die Drehzahl des Verbrennungsventilators durch ein Signal zur Bildung der Zeitdauer zum Öffnen und Schließen der Düse oder der Öffnungszeit des Ventils bestimmt, um die Drehzahl pro portional zur Zeitdauer des Öffnens und Schließens der Düse oder der Öffnungszeit des Ventils zu erhalten. Alternativ kann die Zeitdauer zum Öffnen und Schließen der Düse oder die Öffnungszeit des Ventils durch Messung der Menge an Luft oder der Geschwindigkeit der Luft des Verbrennungsventilators und durch Setzen ins richtige Verhältnis festgestellt werden.

Während in der zuvor beschriebenen Ausführung Öl als Brennstoff verwendet wird und die Brennstoffzuführungs pumpe 4 mitten im Brennstoffzuführungsrohr angeordnet ist, soll darauf hingewiesen werden, daß bei Gas als Brennstoff diese Pumpe 4 nicht erforderlich ist.

Wie zuvor beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Regelventil zur proportionalen Regelung des Ausstoßes von Brennstoff aus der am äußeren freien Ende des Brennstoffzuführungsrohres vorgesehenen Düse geschaffen. Deshalb ist es möglich, den Ausdruckstoß des Brennstoffes hoch zu halten. Sogar in dem Falle, in dem der Brennstoff aus Öl besteht, werden die zerstäubten Tröpfchen von der Fließgeschwindigkeit nicht verändert. Somit erhält man eine stabilisierte Verbrennung unabhän gig von der Art des Brennstoffes, d. h. unabhängig davon, ob es sich dabei um Öl oder Gas handelt.

Verändert wird gemäß dieser Erfindung der Stift inter mittierend in einem Bereich bewegt, in welchem eine kontinuierliche Verbrennung stattfindet, um die Düse zu öffnen und zu schließen. Selbst bei Öl oder Gas als Brennstoff kann deshalb der Ausstoß des Brennstoffes proportional mit einem Herabsetzungsverhältnis von 1/5 bis 1/10 proportional geregelt werden. Dadurch erhält man eine stabilisierte proportionale Verbrennung.

Claims

1. Proportionalverbrennungsregelungsvorrichtung mit einer Düse (7), einem Brennstoffzuführungsrohr (2), wobei die Düse (7) an dessen einem Ende vorgesehen und der Brennstofftank (1) mit dem anderen Ende verbunden ist, ein Öffnungs- und Schließventil, das in der Mitte des Brennstoffzuführungsrohres (2) vorgesehen ist, um eine Menge an an die Düse (7) zugeführten Brennstoff zu regeln, und ein Regelventil aufweist, das in der Nach barschaft eines Abschnittes des Brennstoffzuführungsroh res (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) vorgesehen ist, um eine Öffnungsfläche zu variieren, durch die Brenn stoff geleitet wird, um den Ausstoß des Brennstoffes aus der Düse (7) proportional zu regeln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil einen Stift (7a), der sich mit seiner Spitze in die Düse (7) hinein und aus dieser hinaus bewegt, in der Mitte des Stiftes (7a) vorgesehenes magnetisches Material (7b) und eine Erregerspule (7c) aufweist, um eine Antriebskraft zur intermittierenden axialen Bewegung des Stiftes (7a) gegen eine Rückholkraft zu erzeugen, wodurch eine konti nuierliche Verbrennung stattfindet, während die Erreger spule (7c) auf das magnetische Material (7b) einwirkt.