EP1239220A2 - Gasverbrennungsgerät, insbesondere Gasheizgerät - Google Patents

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EP1239220A2
EP1239220A2 EP01129917A EP01129917A EP1239220A2 EP 1239220 A2 EP1239220 A2 EP 1239220A2 EP 01129917 A EP01129917 A EP 01129917A EP 01129917 A EP01129917 A EP 01129917A EP 1239220 A2 EP1239220 A2 EP 1239220A2
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control system
actuator
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combustion device
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F23N5/006—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties the detector being sensitive to oxygen

Definitions

  • the invention relates to a gas combustion device, especially a gas heater.
  • a gas combustion device usually has an actuator in Form of a gas valve with which a mixing ratio of fuel gas and air is adjustable, the so set mixture of fuel gas and air a burner of the device is supplied for combustion.
  • an actuator in Form of a gas valve with which a mixing ratio of fuel gas and air is adjustable, the so set mixture of fuel gas and air a burner of the device is supplied for combustion.
  • a sensor in the exhaust system e.g. a ⁇ probe, arranged so as to sense a ⁇ value, which correlates with the oxygen content of the exhaust gas.
  • This ⁇ sensor is connected to a control system that also is coupled to the actuator.
  • This control system now enables ⁇ -guided control of the actuator, i.e.
  • control system carries out a target / actual comparison of one actual ⁇ value determined by the ⁇ sensor with an am Control system set or stored ⁇ setpoint by and actuates depending on this target-actual comparison the actuator to get the desired ⁇ setpoint regulate.
  • the predetermined ⁇ setpoint corresponds to this an optimal working point of each Gas combustion device in which, for example, a minimal Pollutant emissions and a long lifespan for that Gas combustion device can be reached.
  • the gas combustion device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the Knowledge of the point in time at which the manipulated variable of their limit values, timely maintenance or Inspection of the gas combustion device can be carried out may, before the device can be operated outside the optimal working point and before there is a failure of the Device is coming.
  • the operational safety of the invention Gas combustion device can be increased overall.
  • the control system generate a warning signal when the calculated Failure time within a predetermined Minimum period is. This will ensure that a maintenance or inspection of the device before it Failure is carried out, additionally increased since that Warning signal to the operator or user of the device warns in time.
  • a warning signal can for example by a corresponding light signal a display of the device.
  • control system can also do so generate a warning signal when the downtime has already occurred has been reached or exceeded. This measure can the operator or user of the gas combustion device increased urgency to carry out an inspection or Maintenance be signaled.
  • control system from a historical course of the manipulated variable a future course of the manipulated variable over time calculate and use it to calculate the time of failure. For example, in the historical course of time a straight line is interpolated from the manipulated variable Extrapolation of the future course of time Manipulated variable results. From the length of the extrapolated straight line up to an intersection with the respective limit of The time of failure can then be determined using manipulated variables.
  • Gas combustion device 1 has a burner 2, which in a Combustion chamber 3 is arranged.
  • the gas combustion device 1 can For example, be designed as a gas heater and in a heating system in a building.
  • the Gas combustion device 1 also has an actuator 4, which is formed here by a gas mixing valve.
  • the Actuator 4 is on the input side to an air line 5 and a fuel gas line 6 connected via which Actuator 4 is supplied with air or fuel gas.
  • a mixture line 7 is on the output side to the actuator 4 connected, the fuel gas-air mixture generated by the actuator 4 feeds the burner 2.
  • An exhaust pipe 8 is connected to the combustion chamber 3, in which a sensor 9 is arranged.
  • This sensor 9 is designed as a ⁇ probe, for example Oxygen content ⁇ of the exhaust pipe 8 from the Determine combustion chamber 3 exhausted combustion exhaust gas.
  • the gas combustion device 1 also has a control system 10 on that via a signal line 11 with the sensor 9 and connected to the actuator 4 via a control line 12 is.
  • the control system 10 includes, for example Microprocessor 13 and a cooperating with it Memory 14.
  • Control system 10 may also be a first Signal light 15 and a second signal light 16 exhibit.
  • the manipulated variable y of the actuator 4 is plotted on the ordinate and the time t on the abscissa.
  • the upper limit value and the lower limit value of the manipulated variables y which can be set on the actuator 4 are denoted by y max and y min .
  • the gas combustion device 1 works like follows:
  • the control system 10 is designed such that it regulates an optimal operating point for the gas combustion device 1 or for the burner 2 during operation. A certain setpoint for the ⁇ value in the exhaust gas is assigned to this operating point. This ⁇ setpoint is stored in memory 14, for example. Accordingly, the control system 10 carries out a ⁇ -guided control of the actuator 4 by the control system 10 actuating the actuator 4 as a function of a target-actual comparison between the stored ⁇ target value and the actual ⁇ value currently determined by the probe 9. The actuability of the actuator 4 is limited by the limit values y min and y max of the manipulated variables y adjustable on the actuator 4.
  • the actuator 4 and the control system 10 are designed and connected to one another such that the control system 10 always knows the manipulated variable y currently set on the actuator 4. In addition, the control system 10 knows the limit values y min and y max .
  • the control can be carried out permanently or cyclically.
  • the control system 10 is designed such that it records a historical time course V h of the manipulated variables y set on the actuator 4.
  • the various control interventions of the control system 10 result, for example, in the serpentine line shown in FIG. 2 for the historical profile V h .
  • the control system 10 can now calculate a future time profile V z for the manipulated variables y to be set on the actuator 4 for a current time t 0 from the historical time profile V h .
  • a straight line is laid through the historical profile V h for this purpose (interpolated).
  • This future time profile V z is now intersected with that limit value y max or y min to which the historical time profile V h is moving.
  • a future time t 2 can now be determined.
  • a warning time t 1 can then be determined, which results from a predetermined minimum time period t min , which is identified in FIG. 2 by a curly bracket.
  • This minimum period of time t min is stored in the control system 10 and can result from maintenance intervals and can be, for example, a period of two to three months.
  • the control system 10 now checks whether a time period t v remaining from the current time t 0 to the calculated failure time t 2 is greater than the predetermined minimum time period t min .
  • the remaining time period t v is also identified in FIG. 2 by a curly bracket. In other words: The control system 10 checks whether, starting from the current time t 0 and after the minimum period t min has elapsed, the failure time t 2 has been reached.
  • the control system 10 As soon as the historical course V h has progressed to such an extent that the current point in time t 0 lies within the minimum time period t min , the control system 10 generates a warning signal, for example by a flashing actuation of the first signal lamp 15.
  • the selection of the minimum time period t min ensures that sufficient time is available to be able to carry out an inspection or maintenance of the heater 1 in good time.
  • the minimum time period t min results in a safety reserve y r for the manipulated variables y which can still be set on the actuator 4 up to the upper limit value y max .
  • the second signal lamp 16 provided here is activated by the control system 10 when the historical time course V h reaches or exceeds the time of failure t 2 , that is to say the interface I. That is, if the current time t 0 coincides with the failure time t 2 . From this point in time t 2 at the latest, proper operation of burner 2 or device 1 at the optimum operating point can no longer be guaranteed.
  • the manipulated variable y can also decrease in the course of time t, the same then correspondingly applying to the lower limit value y min .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasverbrennungsgerät (1), insbesondere ein Gasheizgerät, mit einem Stellglied (4), mit dem ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft einstellbar ist, mit einem Sensor (9), mit dem ein λ-Wert sensierbar ist, der mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases korreliert, und mit einem Regelsystem (10), das mit dem Stellglied (4) und dem Sensor (9) gekoppelt ist und das eine λ-geführte Regelung des Stellgliedes (4) ermöglicht, wobei das Regelsystem (10) die am Stellglied (4) eingestellte Stellgröße und die Grenzwerte der am Stellglied (4) einstellbaren Stellgrößen kennt und wobei das Regelsystem (10) aus dem historischen zeitlichen Verlauf der Stellgröße einen Ausfallzeitpunkt berechnet, bei dem die Stellgröße einen ihrer Grenzwerte erreicht. <IMAGE>

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Gasverbrennungsgerät, insbesondere ein Gasheizgerät. Ein solches Gasverbrennungsgerät weist üblicherweise ein Stellglied in Form einer Gasarmatur auf, mit dem ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft einstellbar ist, wobei die so eingestellte Mischung aus Brenngas und Luft einem Brenner des Gerätes zur Verbrennung zugeführt wird. Bei modernen Gasverbrennungsgeräten ist im Abgasstrang ein Sensor, z.B. eine λ-Sonde, angeordnet, um so einen λ-Wert zu sensieren, der mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases korreliert. Dieser λ-Sensor ist mit einem Regelsystem verbunden, das außerdem mit dem Stellglied gekoppelt ist. Dieses Regelsystem ermöglicht nun eine λ-geführte Regelung des Stellgliedes, d.h. das Regelsystem führt einen Soll-Ist-Vergleich eines vom λ-Sensor ermittelten λ-Istwertes mit einem am Regelsystem eingestellten oder darin gespeicherten λ-Sollwert durch und betätigt in Abhängigkeit dieses Soll-Ist-Vergleichs das Stellglied, um so den gewünschten λ-Sollwert einzuregeln. Der vorgegebene λ-Sollwert entspricht dabei einem optimalen Arbeitspunkt des jeweiligen Gasverbrennungsgerätes, bei dem beispielsweise eine minimale Schadstoffemission und eine lange Lebensdauer für das Gasverbrennungsgerät erreicht werden.
Durch Verschmutzung und/oder Alterung des Gasverbrennungsgerätes kann es im Laufe der Betriebszeit des Gerätes dazu kommen, daß ein oberer oder unterer Grenzwert für die am Stellglied einstellbare Stellgröße erreicht wird. Eine über diese Grenzwerte hinausgehende Regelung ist nicht realisierbar, so daß das Gasverbrennungsgerät zunehmend in einem Arbeitspunkt betrieben wird, der sich mehr und mehr vom optimalen Arbeitspunkt entfernt. Dementsprechend können die Schadstoffe im Abgas die zulässigen Grenzwerte überschreiten; gleichzeitig kann sich dadurch die Lebensdauer des Brenners bzw. des gesamten Gasverbrennungsgerätes reduzieren. Schließlich kann das Gasverbrennungsgerät ausfallen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Gasverbrennungsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Kenntnis des Ausfallzeitpunkts, bei dem die Stellgröße einen ihrer Grenzwerte erreicht, rechtzeitig eine Wartung oder Inspektion des Gasverbrennungsgerätes durchgeführt werden kann, bevor es zu einem Betrieb des Gerätes außerhalb des optimalen Arbeitspunktes und bevor es zu einem Ausfall des Gerätes kommt. Die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Gasverbrennungsgerätes kann dadurch insgesamt erhöht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Regelsystem ein Warnsignal erzeugen, wenn der berechnete Ausfallzeitpunkt innerhalb einer vorbestimmten Mindestzeitspanne liegt. Hierdurch wird die Sicherheit, daß eine Wartung oder Inspektion des Gerätes noch vor seinem Ausfall durchgeführt wird, zusätzlich erhöht, da das Warnsignal den Betreiber oder Verwender des Gerätes rechtzeitig warnt. Ein solches Warnsignal kann beispielsweise durch ein entsprechendes Lichtzeichen an einem Display des Gerätes realisiert sein.
Zusätzlich oder alternativ kann das Regelsystem auch dann ein Warnsignal erzeugen, wenn der Ausfallzeitpunkt bereits erreicht oder überschritten ist. Durch diese Maßnahme kann dem Betreiber oder Verwender des Gasverbrennungsgerätes die erhöhte Dringlichkeit zur Durchführung einer Inspektion oder Wartung signalisiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Regelsystem aus einem historischen zeitlichen Verlauf der Stellgröße einen zukünftigen zeitlichen Verlauf der Stellgröße berechnen und daraus den Ausfallzeitpunkt berechnen. Beispielsweise kann in den historischen zeitlichen Verlauf der Stellgröße eine Gerade interpoliert werden, deren Extrapolation den zukünftigen zeitlichen Verlauf der Stellgröße ergibt. Aus der Länge der extrapolierten Geraden bis zu einem Schnittpunkt mit dem jeweiligen Grenzwert der Stellgrößen kann dann der Ausfallzeitpunkt ermittelt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1
eine schaltplanartige Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Gasverbrennungsgerätes und
Fig. 2
ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Stellgrößen eines Stellgliedes des Gasverbrennungsgerätes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Entsprechend Fig. 1 weist ein nur teilweise dargestelltes Gasverbrennungsgerät 1 einen Brenner 2 auf, der in einem Brennraum 3 angeordnet ist. Das Gasverbrennungsgerät 1 kann beispielsweise als Gasheizgerät ausgebildet sein und in einer Heizungsanlage eines Gebäudes zum Einsatz kommen. Das Gasverbrennungsgerät 1 weist außerdem ein Stellglied 4 auf, das hier durch eine Gasmischarmatur gebildet ist. Das Stellglied 4 ist eingangsseitig an eine Luftleitung 5 und an eine Brenngasleitung 6 angeschlossen, über die das Stellglied 4 mit Luft bzw. Brenngas versorgt wird. Ausgangsseitig ist an das Stellglied 4 eine Gemischleitung 7 angeschlossen, die das vom Stellglied 4 erzeugte Brenngas-Luft-Gemisch dem Brenner 2 zuführt.
An die Brennkammer 3 ist eine Abgasleitung 8 angeschlossen, in der ein Sensor 9 angeordnet ist. Dieser Sensor 9, der beispielsweise als λ-Sonde ausgebildet ist, kann den Sauerstoffgehalt λ des über die Abgasleitung 8 aus dem Brennraum 3 abgeführten Verbrennungsabgases ermitteln.
Das Gasverbrennungsgerät 1 weist außerdem ein Regelsystem 10 auf, das über eine Signalleitung 11 mit dem Sensor 9 und über eine Steuerleitung 12 mit dem Stellglied 4 verbunden ist. Das Regelsystem 10 enthält beispielsweise einen Mikroprozessor 13 sowie einen damit zusammenwirkenden Speicher 14. Das Regelsystem 10 kann außerdem eine erste Signalleuchte 15 sowie eine zweite Signalleuchte 16 aufweisen.
In dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm sind auf der Ordinate die Stellgröße y des Stellglieds 4 und auf der Abzisse die Zeit t aufgetragen. Der obere Grenzwert und der untere Grenzwert der am Stellglied 4 einstellbaren Stellgrößen y sind mit ymax und ymin bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Gasverbrennungsgerät 1 arbeitet wie folgt:
Das Regelsystem 10 ist so ausgebildet, daß es für das Gasverbrennungsgerät 1 bzw. für den Brenner 2 im Betrieb einen optimalen Arbeitspunkt einregelt. Diesem Arbeitspunkt ist eine bestimmte Sollgröße für den λ-Wert im Abgas zugeordnet. Dieser λ-Sollwert ist beispielsweise im Speicher 14 abgelegt. Dementsprechend führt das Regelsystem 10 eine λ-geführte Regelung des Stellgliedes 4 durch, indem das Regelsystem 10 in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen dem gespeicherten λ-Sollwert und dem von der Sonde 9 aktuell ermittelten λ-Istwert das Stellglied 4 betätigt. Die Betätigbarkeit des Stellgliedes 4 ist durch die Grenzwerte ymin und ymax der am Stellglied 4 einstellbaren Stellgrößen y begrenzt. Das Stellglied 4 und das Regelsystem 10 sind so ausgebildet und so miteinander verbunden, daß das Regelsystem 10 stets die aktuell am Stellglied 4 eingestellte Stellgröße y kennt. Außerdem kennt das Regelsystem 10 die Grenzwerte ymin und ymax. Die Regelung kann permanent oder zyklisch getaktet durchgeführt werden.
Das Regelsystem 10 ist so ausgebildet, daß es einen historischen zeitlichen Verlauf Vh der am Stellglied 4 eingestellten Stellgrößen y erfaßt. Durch die verschiedenen Regelungseingriffe des Regelsystems 10 ergibt sich für den historischen Verlauf Vh beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Schlangenlinie. Das Regelsystem 10 kann nun für einen aktuellen Zeitpunkt t0 aus dem historischen zeitlichen Verlauf Vh einen zukünftigen zeitlichen Verlauf Vz für die am Stellglied 4 einzustellenden Stellgrößen y berechnen. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird hierfür eine Gerade durch den historischen Verlauf Vh gelegt (interpoliert). Dieser zukünftige zeitliche Verlauf Vz wird nun mit demjenigen Grenzwert ymax oder ymin geschnitten, auf den sich der historische zeitliche Verlauf Vh zubewegt. Im vorliegenden Fall steigt der historische Verlauf Vh an, so daß der zukünftige Verlauf Vz den oberen Grenzwert ymax bei I schneidet. Aus diesem Schnittpunkt I kann nun ein in der Zukunft liegender Ausfallzeitpunkt t2 bestimmt werden. Ausgehend von diesem Ausfallzeitpunkt t2 kann dann ein Warnzeitpunkt t1 ermittelt werden, der sich aus einer vorbestimmten Mindestzeitspanne tmin ergibt, die in Fig. 2 durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist. Diese Mindestzeitspanne tmin ist im Regelsystem 10 gespeichert und kann sich aus Wartungsintervallen ergeben und beispielsweise eine Zeitspanne von zwei bis drei Monate betragen.
Das Regelsystem 10 überprüft nun, ob eine vom aktuellen Zeitpunkt t0 bis zum errechneten Ausfallzeitpunkt t2 verbleibende Zeitspanne tv größer ist als die vorbestimmte Mindestzeitspanne tmin. Die verbleibende Zeitspanne tv ist in Fig. 2 ebenfalls durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet. Mit anderen Worten: Das Regelsystem 10 überprüft, ob ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt t0 nach Ablauf der Mindestzeitspanne tmin der Ausfallzeitpunkt t2 erreicht ist.
Sobald der historische Verlauf Vh soweit fortgeschritten ist, daß der aktuelle Zeitpunkt t0 innerhalb der Mindestzeitspanne tmin liegt, erzeugt das Regelsystem 10 ein Warnsignal, beispielsweise durch eine blinkende Betätigung der ersten Signalleuchte 15. Durch die Auswahl der Mindestzeitspanne tmin wird einerseits gewährleistet, daß hinreichend Zeit zur Verfügung steht, um rechtzeitig eine Inspektion oder Wartung des Heizgerätes 1 durchführen zu können. Andererseits ergibt sich durch die Mindestzeitspanne tmin eine Sicherheitsreserve yr für die bis zum oberen Grenzwert ymax noch am Stellglied 4 einstellbaren Stellgrößen y. Hierdurch kann eine sichere Regelung des Stellglieds 4 und somit ein ordnungsgemäßer Betrieb des Brenners 2 bzw. des Gerätes 1 zumindest zu Beginn der Mindestzeitspanne tmin gewährleistet werden. Die genannte Sicherheitsreserve yr ergibt sich dabei aus einer Schnittstelle II des Warnzeitpunktes t1 mit dem zukünftigen zeitlichen Verlauf Vz.
Die hier vorgesehene zweite Signalleuchte 16 wird vom Regelsystem 10 dann aktiviert, wenn der historische zeitliche Verlauf Vh den Ausfallzeitpunkt t2, also die Schnittstelle I erreicht oder übersteigt. Das heißt, wenn der aktuelle Zeitpunkt t0 mit dem Ausfallzeitpunkt t2 zusammenfällt. Spätestens ab diesem Zeitpunkt t2 kann ein ordnungsgemäßer Betrieb des Brenners 2 bzw. des Geräts 1 im optimalen Arbeitspunkt nicht mehr gewährleistet werden.
Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform ein ansteigender zeitlicher Verlauf V der Stellgröße y beschrieben worden ist, kann die Stellgröße y im Verlaufe der Zeit t auch abfallen, wobei dann Entsprechendes für den unteren Grenzwert ymin gilt.
Bezugszeichenliste
1
Gasverbrennungsgerät
2
Brenner
3
Brennraum
4
Stellglied
5
Luftleitung
6
Brenngasleitung
7
Gemischleitung
8
Abgasleitung
9
Sensor
10
Regelsystem
11
Signalleitung
12
Steuerleitung
13
Mikroprozessor
14
Speicher
15
erste Signalleuchte
16
zweite Signalleuchte
y
Stellgröße
ymax
oberer Grenzwert
ymin
unterer Grenzwert
yr
Sicherheitsreserve
t
Zeit
t0
aktueller Zeitpunkt
t1
Warnzeitpunkt
t2
Ausfallzeitpunkt
tmin
Mindestzeitspanne
tv
verbleibende Zeitspanne
Vh
historischer zeitlicher Verlauf
Vz
zukünftiger zeitlicher Verlauf

Claims (4)

  1. Gasverbrennungsgerät, insbesondere Gasheizgerät, mit einem Stellglied (4), mit dem ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft einstellbar ist, mit einem Sensor (9), mit dem ein λ-Wert sensierbar ist, der mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases korreliert, und mit einem Regelsystem (10), das mit dem Stellglied (4) und mit dem Sensor (9) gekoppelt ist und das eine λ-geführte Regelung des Stellgliedes (4) ermöglicht, wobei das Regelsystem (10) die am Stellglied (4) eingestellte Stellgröße (y) und die Grenzwerte (ymax, ymin) der am Stellglied (4) einstellbaren Stellgrößen (y) kennt und wobei das Regelsystem (10) aus dem historischen zeitlichen Verlauf (Vh) der Stellgröße (y) einen Ausfallzeitpunkt (t2) berechnet, bei dem die Stellgröße (y) einen ihrer Grenzwerte (ymax, ymin) erreicht.
  2. Gasverbrennungsgerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem (10) ein Warnsignal erzeugt, wenn der berechnete Ausfallzeitpunkt (t2) innerhalb einer vorbestimmten Mindestzeitspanne (tmin) liegt.
  3. Gasverbrennungsgerät nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem (10) ein Warnsignal erzeugt, wenn der Ausfallzeitpunkt (t2) erreicht oder überschritten ist.
  4. Gasverbrennungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem (10) aus dem historischen zeitlichen Verlauf (Vh) der Stellgröße (y) einen zukünftigen zeitlichen Verlauf (Vz) der Stellgröße (y) berechnet und daraus den Ausfallzeitpunkt (t2) berechnet.
EP01129917A 2001-03-08 2001-12-15 Verfahren zur Regelung eines Gasverbrennungsgerätes, insbesondere eines Gasheizgerätes Expired - Lifetime EP1239220B1 (de)

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