EP0646752A1 - Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer - Google Patents

Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer Download PDF

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EP0646752A1
EP0646752A1 EP94115246A EP94115246A EP0646752A1 EP 0646752 A1 EP0646752 A1 EP 0646752A1 EP 94115246 A EP94115246 A EP 94115246A EP 94115246 A EP94115246 A EP 94115246A EP 0646752 A1 EP0646752 A1 EP 0646752A1
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EP
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exhaust gas
fuel
air ratio
control system
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EP94115246A
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Walter Dipl.-Ing. Daniel (Fh)
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2233/00—Ventilators
    • F23N2233/06—Ventilators at the air intake
    • F23N2233/08—Ventilators at the air intake with variable speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2235/00—Valves, nozzles or pumps
    • F23N2235/12—Fuel valves
    • F23N2235/16—Fuel valves variable flow or proportional valves

Definitions

  • the invention is based on a control system according to the type of the main claim.
  • a solid electrolyte is provided as the sensor, which detects the oxygen content of the exhaust gas and in which the oxygen content is monitored by minimizing the air ratio (fuel-air ratio) and thus the exhaust gas losses.
  • the arrangement according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that a safety margin to at least one of the exhaust gas components mentioned is eliminated, so that the combustion at or as close as possible to the permissible Limit of this component is regulated and the energy and exhaust gas loss from the combustion or the pollutant emission can be kept as small as possible.
  • two measuring sensors are provided in the exhaust gas path of the heat generator, one of which is designed to detect the CO content and the other to detect the NO x content. This ensures that neither of the two exhaust gas components mentioned can exceed the permissible limit.
  • the invention provides a sensor that detects the CO content in the exhaust gas, and that the air ratio is regulated back to an operating point just before the steep rise in the CO content. At this operating point, at which the NO x content is below the permissible limit, the combustion takes place almost stoichiometrically, with minimal emission values.
  • a sensor which detects the NO x content in the exhaust gas can additionally be provided and the sum of the two measured exhaust gas components can be regulated to a minimum.
  • each component can be evaluated with a factor before the sum is formed.
  • FIG. 1 shows a valid one for both exemplary embodiments Control system in a schematic representation and Figures 2 and 3 functional diagrams of a conventional and a catalytic burner, in which the exhaust gas emissions of CO and NO x of the burner are plotted against the air ratio of the supplied fuel-air mixture.
  • the control system according to the invention for a preferably gas-operated heat generator 10, for example a water heater for heating and / or hot water preparation, has in the exhaust gas path 12 a sensor 14 which detects the CO content of the exhaust gases and a sensor 16 which detects their NO x content. Both sensors 14 , 16 are connected to a controller 18 which acts on an actuator 20 on a fuel line 22 and an actuator 24 on an air line 26. The two lines 22, 26 lead to a mixing device in the heat generator 10, which is connected upstream of the burner.
  • the controller 18 controls the fuel-air ratio (the air ratio) so that the combustion takes place at the limit value of one exhaust gas component CO or NO x , which is lower than the limit value of the other exhaust gas component.
  • the fuel-air ratio the air ratio
  • FIG. 2 the diagram according to FIG. 2, in which the exhaust gas emissions of NO x are plotted with a fully extended characteristic curve 30 and those of CO with a dashed curve 32 over the air ratio lambda.
  • the limit lines 34 for the permissible NO x content and the limit value line 36 for the permissible CO content are also plotted in the diagram.
  • the setpoint of the control is placed on the operating point P, whose ordinate 38 intersects the characteristic curve 30 for the NO x content at that point 40 through which the limit value line 34 for this exhaust gas component also passes.
  • the control deviation is set in the direction of the increase in the air ratio, so that the permissible limit value of NO x is certainly not exceeded.
  • the characteristic curve 32 of the CO content can run through appropriate training or design of all variables influencing the combustion such that the ordinate 38 of the operating point P also the characteristic curve 32 together with the limit value line 36 of this exhaust gas component in one intersects common point 42.
  • the combustion is near stoichiometric with the air number 1.
  • the exhaust emission of NO x with a fully drawn characteristic curve 46 and the CO emission at the dashed curve 48 plotted against the air ratio lambda.
  • the limit lines 34 and 36 for NO x and CO content are also shown in this diagram.
  • the CO characteristic curve 48 drops to a value close to zero and, as the characteristic curve 46 shows, the NO x emission is also greatly reduced with the value 1 of the air ratio.
  • the control is advantageously carried out in such a way that, starting from an air ratio slightly above the value 1, the air volume is steadily reduced until the CO content in the exhaust gas suddenly increases. The combustion then takes place in regulated manner in the operating range 50, in which both exhaust gas components do not exceed the permissible limit values or are below these limit values and the emission values reach a minimum.
  • the NO x content can also be recorded and the sum of the two exhaust gas components can be regulated to a minimum.
  • each component can be weighted with a factor when forming the sum.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer, mit einer Mischeinrichtung für das dem Brenner zugeführte Brennstoff-Luftgemisch und einem mit einem Meßfühler im Abgasweg versehenen Regler, der das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne einer Minimierung der Abgasverluste beeinflußt. Es wird vorgeschlagen, daß der Meßfühler (14, 16) auf CO beziehungsweise NOx im Abgas ansprechend und den Volumengehalt dieser Abgaskomponenten erfassend ausgebildet ist, und daß der Regler (18) das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne der Einhaltung beziehungsweise kleinstmöglichen Unterschreitung der zulässigen Grenzwerte von CO beziehungsweise NOx steuernd ausgeführt ist. Dadurch ist erreicht, daß ein Sicherheitsabstand zu mindestens einer der Abgaskomponenten CO beziehungsweise NOx entfällt und dadurch der Abgasverlust beziehungsweise die Schadstoffemission der Verbrennung möglichst klein gehalten wird. <IMAGE>

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Regelsystem nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten Regelsystemen dieser Gattung (DE 28 55 012 A1) ist als Meßfühler ein Feststoffelektrolyt vorgesehen, der den Sauerstoffgehalt des Abgases erfaßt und bei welchem durch Überwachung des Sauerstoffgehaltes eine Minimierung der Luftzahl (Brennstoff-Luftverhältnis) und damit der Abgasverluste angestrebt wird. Bei dieser Anordnung muß jedoch ein gewisser Sicherheitsabstand zu den Grenzwerten von CO und NOx-Gehalt eingehalten werden, um unterschiedlichen Brennstoffzusammensetzungen, Luftdruck- und Temperaturänderungen, mechanischen Toleranzen der Geräte und anderen Einflüssen Rechnung zu tragen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Sicherheitsabstand zu mindestens einer der genannten Abgaskomponenten entfällt, so daß die Verbrennung an oder möglichst nahe an dem zulässigen Grenzwert dieser Komponente geregelt und dadurch der Energie- und Abgasverlust der Verbrennung beziehungsweise die Schadstoffemission möglichst klein gehalten werden kann.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß im Abgasweg des Wärmeerzeugers zwei Meßfühler vorgesehen sind, von denen der eine den CO-Gehalt und der andere den NOx-Gehalt erfassend ausgebildet ist. Dadurch ist sichergestellt, daß keine der beiden genannten Abgaskomponenten den zulässigen Grenzwert überschreiten kann.
  • Bei Regelsystemen mit katalytischen Brennern beziehungsweise katalytischer Abgasreinigung sieht die Erfindung einen den CO-Gehalt im Abgas erfassenden Meßfühler vor, und daß die Luftzahl auf einen kurz vor dem Steilanstieg des CO-Gehalts liegenden Betriebspunkt zurückgeregelt ist. Bei diesem Betriebspunkt, bei dem auch der NOx-Gehalt unter dem zulässigen Grenzwert liegt, läuft die Verbrennung annähernd stöchiometrisch ab, wobei sich minimale Emissionswerte ergeben.
  • In weiterer Ausgestaltung dieser Anordnung kann zusätzlich ein den NOx-Gehalt im Abgas erfassenden Meßfühler vorgesehen und die Summe aus beiden gemessenen Abgaskomponenten auf ein Minimum geregelt sein. Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Grenzwerte beider Abgaskomponenten kann vor der Summenbildung jede Komponente mit einem Faktor gewertet werden.
    • Zeichnung
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein für beide Ausführungsbeispiele gültiges Regelsystem in schematischer Darstellung und die Figuren 2 und 3 Funktionsschaubilder eines konventionellen und eines katalytischen Brenners, in welchen die Abgasemissionen von CO und NOx des Brenners über der Luftzahl des zugeführten Brennstoff-Luftgemisches aufgetragen sind.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Das erfindungsgemäße Regelsystem für einen vorzugsweise mit Gas betriebenen Wärmeerzeuger 10, zum Beispiel einen Wassererhitzer für Heizung und/oder Warmwasserbereitung hat im Abgasweg 12 einen den CO-Gehalt der Abgase erfassenden Meßfühler 14 und einen deren NOx-Gehalt erfassenden Meßfühler 16. Beide Meßfühler 14, 16 sind mit einem Regler 18 verbunden, der über ein Stellglied 20 auf eine Brennstoffleitung 22 und ein Stellglied 24 auf eine Luftleitung 26 einwirkt. Die beiden Leitungen 22, 26 führen zu einer Mischeinrichtung im Wärmeerzeuger 10, welche dessen Brenner vorgeschaltet ist.
  • Der Regler 18 steuert bei einem Wärmeerzeuger 10 mit konventionellem Brenner das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) so, daß die Verbrennung an dem Grenzwert der einen Abgaskomponente CO beziehungsweise NOx erfolgt, der niedriger als der Grenzwert der anderen Abgaskomponente ist. Das ist im Schaubild nach Figur 2 verdeutlicht, in welchem die Abgasemissionen von NOx mit einer voll ausgezogenen Kennlinie 30 und jene von CO mit einer gestrichelten Kennlinie 32 über der Luftzahl Lambda aufgetragen sind. In das Schaubild sind ferner die Grenzwertlinien 34 für den zulässigen NOx-Gehalt und die Grenzwertlinie 36 für den zulässigen CO-Gehalt aufgetragen.
  • Der Sollwert der Regelung ist erfindungsgemäß auf den Betriebspunkt P gelegt, dessen Ordinate 38 die Kennlinie 30 für den NOx-Gehalt an jenem Punkt 40 schneidet, durch den auch die Grenzwertlinie 34 für diese Abgaskomponente geht. Die Regelabweichung ist in Richtung des Luftzahlanstiegs gelegt, so daß der zulässige Grenzwert von NOx mit Sicherheit nicht überschritten wird. Wie das Schaubild nach Figur 2 ferner zeigt, kann durch entsprechende Ausbildung beziehungsweise Auslegung aller die Verbrennung beeinflussenden Größen die Kennlinie 32 des CO-Gehalts so verlaufen, daß die Ordinate 38 des Betriebspunktes P auch die Kennlinie 32 gemeinsam mit der Grenzwertlinie 36 dieser Abgaskomponente in einem gemeinsamen Punkt 42 schneidet.
  • Beim katalytischen beziehungsweise mit einer katalytischen Abgasreinigung arbeitenden Brenner nach dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbrennung nahezu stöchiometrisch mit der Luftzahl 1. Im Schaubild nach Figur 3 ist die Abgasemission von NOx mit einer voll ausgezogenen Kennlinie 46 und die CO-Emission mit der gestrichelten Kennlinie 48 über der Luftzahl Lambda aufgetragen. Ferner sind auch in dieses Schaubild die Grenzwertlinien 34 und 36 für NOx- und CO-Gehalt eingezeichnet.
  • Bei der Luftzahl 1 fällt die CO-Kennlinie 48 auf einen nahe Null liegenden Wert ab und auch die NOx-Emission ist, wie die Kennlinie 46 zeigt, beim Wert 1 der Luftzahl stark vermindert. Die Regelung erfolgt vorteilhaft so, daß ausgehend von einer etwas über dem Wert 1 liegenden Luftzahl die Luftmenge stetig vermindert wird, bis der CO-Gehalt im Abgas plötzlich ansteigt. Die Verbrennung erfolgt danach geregelt in dem Betriebsbereich 50, in welchem beide Abgaskomponenten die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten beziehungsweise unterhalb diesen Grenzwerten liegen und die Emissionswerte ein Minimum erreichen.
  • Zusätzlich zum CO-Gehalt des Abgases kann auch der NOx-Gehalt erfaßt und die Summe aus beiden Abgaskomponenten auf ein Minimum geregelt werden. Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Grenzwerte der beiden Abgaskomponenten kann bei der Summenbildung jede Komponente mit einem Faktor gewichtet werden. Bei kontinuierlicher Messung und Regelung bleibt der als ideal erkannte Betriebspunkt auch bei Änderung der die Verbrennung beeinflussenden Faktoren erhalten.

Claims (5)

  1. Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer, mit einer Mischeinrichtung für das den Brenner zugeführte Brennstoff-Luftgemisch und einem mit einem Meßfühler im Abgasweg versehenen Regler, der das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne einer Minimierung der Abgasverluste beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (14, 16) auf CO beziehungsweise NOx im Abgas ansprechend und den Volumengehalt dieser Abgaskomponenten erfassend ausgebildet ist, und daß der Regler (18) das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne der Einhaltung beziehungsweise kleinstmöglichen Unterschreitung der zulässigen Grenzwerte von CO beziehungsweise NOx steuernd ausgeführt ist.
  2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg zwei Meßfühler (14, 16) vorgesehen sind, von denen der eine den CO-Gehalt und der andere den NOx-Gehalt erfassend ausgebildet ist.
  3. Regelsystem nach Anspruch 1, für einen Wärmeerzeuger, der mit einem katalytischen Brenner beziehungsweise einer katalytischen Abgasreinigung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein den CO-Gehalt im Abgas erfassender Meßfühler (14) vorgesehen und die Luftzahl auf einen kurz vor dem Steilanstieg des CO-Gehalts liegenden Betriebspunkt P zurückgeregelt ist.
  4. Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den NOx-Gehalt im Abgas erfassender Meßfühler (16) vorgesehen und die Summe aus den gemessenen Werten der beiden Abgaskomponenten auf ein Minimum geregelt ist.
  5. Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Summenbildung jede gemessene Komponente mit einem Faktor gewichtet ist.
EP94115246A 1993-10-04 1994-09-28 Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer Withdrawn EP0646752A1 (de)

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