EP1672280A1 - Verfahren zum Brennerstart eines Gasheizgeräts - Google Patents

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EP1672280A1
EP1672280A1 EP05024386A EP05024386A EP1672280A1 EP 1672280 A1 EP1672280 A1 EP 1672280A1 EP 05024386 A EP05024386 A EP 05024386A EP 05024386 A EP05024386 A EP 05024386A EP 1672280 A1 EP1672280 A1 EP 1672280A1
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Uwe Deptolla
Frank Kutschbach
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Elster GmbH
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G Kromschroeder AG
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/02—Starting or ignition cycles

Definitions

  • the invention relates to a method for burner start of a gas heater, wherein activated in response to a heat request, a burner ignition and the burner is ignited by subsequent supply of gas and generating a gas-air mixture at the location of the action of the ignition device.
  • a starting power is already specified by the manufacturer.
  • the gas quantity is varied between an upper limit value of maximum heating power (maximum load, gas quantity 100%) and a lower limit value of minimum heating power (minimum load, typically 35-50% gas volume).
  • maximum load maximum heating power
  • minimum load typically 35-50% gas volume
  • the invention is based on the consideration that the ignition point and the burner starting process are substantially dependent on the ambient conditions.
  • the ambient conditions prevailing for the burner start-up process include the backpressure in the exhaust system (e.g., wind forces acting on the exhaust pipe which may cause back pressure or suction) and the temperature of the supplied air.
  • the invention is therefore based on the object to improve the aforementioned method so that a simple adaptation of the starting power to the respective environmental conditions is possible.
  • the amount of gas supplied to the burner (gas volumetric flow rate) is first set to an initial value below a gas amount corresponding to a predetermined minimum load, the initial value is chosen so low that the gas-air mixture can not ignite yet , Subsequently, the amount of gas is increased as long as the minimum load corresponding gas amount until a predetermined target gas amount that is greater than the minimum load corresponding amount of gas is reached, the rate of increase during the increase is chosen so that at any time sufficient mixing of Gas-air mixture is ensured.
  • the amount of gas is first set to an initial value, preferably abruptly raised to this. In this condition there is an excess of air.
  • the initial value of the amount of gas is chosen so that the gas-air mixture at the location of the action of the ignition device (for example, at the location of a spark) is not present in an ignitable mixing ratio, the gas concentration is therefore too low for ignition.
  • the gas quantity is increased until an ignitable gas-air mixture is present at the location of the action of the ignition device.
  • the increase in the amount of gas per time is chosen such that there is always sufficient mixing of gas and air in the combustion chamber.
  • an ignitable mixture is present, it is ignited with the aid of the ignition device, for example a generated spark sequence, resulting in a soft or gentle ignition without excessive pressure surge. Subsequently, the amount of gas slowly increased to the target value.
  • a dynamic adaptation of the starting power to the respective ambient conditions is possible with the method according to the invention and on the other hand, the previously considered unavoidable pressure surges in the combustion chamber and thus a loud ignition of the burner can be excluded.
  • An ignition of the gas heater can be detected by means of a suitable detection device (eg ionization sensor or temperature sensor).
  • the amount of gas supplied to the burner is initially set abruptly to the initial value, before, following a ramp function, it is slowly increased. Ignition occurs within the change in gas flow along the ramp function.
  • the initial sudden increase in the amount of gas takes place with the maximum possible actuating speed of a valve used in a valve.
  • the valve opens in a time of about 100 ms to the predetermined initial value.
  • the amount of gas is increased, with a predetermined increase in gas quantity is maintained per time. Based on a maximum opening of the valve in the burner operation with 100% gas amount (maximum load), the amount of gas in this phase (ramp) is e.g. increased by 5% per second.
  • the slope of the ramp function is preferably set so that the gas-air mixture is made to ignite, taking into account ambient conditions of the burner insert location within a predetermined safety time. By these measures it is ensured that an ignition of the burner takes place before an undesirably large amount of gas has flowed into the combustion chamber. Is e.g. the initial value is 35% and if the valve is adjusted at a rate of 5% per second, the gas quantity is 45% after two seconds and 60% after a safety time of 5 seconds.
  • both the limit value and the slope of the ramp function or both may be varied.
  • the temperature of the air supplied to the burner detected and as Influence variable is used for varying the limit value and / or the slope of the ramp function.
  • the air temperature can be integrated into the process for burner start of a gas heater as a predictor control.
  • the other ambient conditions, in particular the exhaust gas pressure, can be taken into account, for example, in the course of a test start of the burner by subsequent correction of the slope of the ramp function.
  • a particularly simple procedure can be achieved in a further development of the invention in that a substantially linear ramp function is set.
  • a gas amount of 100% and at minimum load, a gas amount of 35% -50% is supplied, so for example, set as an initial value, a gas amount of 3% -15%, preferably 5%, below the minimum load corresponding amount of gas, the amount of gas is then increased by 2% -20% per second, preferably 5% per second, and wherein the increase in the amount of gas at the burner start to a target gas amount of 5% -20%, preferably 10% above which the minimum load corresponding gas quantity is limited.
  • the ignition device can be activated by igniting a pilot flame or by annealing a glow wire.
  • the pilot flame can also continue to burn after ignition.
  • the ignition device is activated by a spark sequence is started, wherein the gas-air mixture ignites at the location of the spark. The spark sequence may then be terminated upon detection of the ignition.
  • Fig. 1 four curves are shown schematically over a time axis t, of which the curve A is a heat request, the curve B the Zündfunken Avenue generated at the burner start, the curve C modulator drive, ie the amount of gas supplied to the burner and the curve D the a flame indicating ionization signal of an ionization sensor.
  • the curve A is a heat request
  • the curve B the Zündfunken Avenue generated at the burner start
  • the curve C modulator drive ie the amount of gas supplied to the burner
  • the curve D the a flame indicating ionization signal of an ionization sensor.
  • This procedure allows on the one hand a consideration of environmental influences and on the other hand a very quiet startup process without pressure surges.
  • both the amplitude of the initial gas amount C2 and the slope of the ramp function i. the duration of the relatively slow increase in gas quantity to be changed.
  • the amplitude of the sudden opening of the gas valve in the first starting phase i. the amount of gas C2 be set to zero or near zero.

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Abstract

In Abhängigkeit von einer Wärmeanforderung wird eine Brenner-Zündeinrichtung aktiviert, und der Brenner wird unter Zufuhr eines Gas-Luft-Gemisches am Ort des Einwirkens der Zündeinrichtung gezündet. Die dem Brenner zugeführte Gasmenge wird zunächst auf einen Anfangswert (C2) unterhalb einer vorgegebenen Minimallast-Gasmenge eingestellt, bei der der Anfangswert so gering ist, daß das Gas-Luft-Gemisch noch nicht zünden kann. Danach wird die zugeführt Gasmenge solange über die der Minimallast entsprechende Gasmenge hinaus gesteigert, bis eine vorgegebene Ziel-Gasmenge (C4) erreicht ist. Die Steigerungsrate während der Steigerung wird so gewählt, daß jederzeit eine ausreichende Durchmischung des Gas-Luft-Gemisches gewährleistet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Brennerstart eines Gasheizgeräts, wobei in Abhängigkeit von einer Wärmeanforderung eine Brenner-Zündeinrichtung aktiviert und der Brenner durch anschließende Zufuhr von Gas und Erzeugen eines Gas-Luft-Gemisches am Ort des Einwirkens der Zündeinrichtung gezündet wird.
  • Bei bekannten Verfahren dieser Art wird bereits herstellerseitig eine Startleistung fest vorgegeben. Dies bedeutet, daß das Gasventil des Brenners zum Brennerstartvorgang sprunghaft auf einen vorgegebenen Wert geöffnet wird und eine vorgegebene Gasmenge (Gasvolumenstromstärke) nahezu schlagartig in einen Verbrennungsraum einströmt, die mit einer zuströmenden Luftmenge ein zündfähiges Gemisch ergibt, so daß eine Zündung erfolgen kann. Im Lastbetrieb wird die Gasmenge zwischen einem oberen Grenzwert maximaler Heizleistung (Maximallast; Gasmenge 100%) und einem unteren Grenzwert minimaler Heizleistung (Minimallast; typ. Gasmenge 35-50%) variiert. Der beim Start des Brenners sprunghaft vorgegebene Wert liegt oberhalb der Minimallast, d.h. oberhalb des für den Betrieb vorgesehenen unteren Grenzwerts der Gasmenge, so daß die Zündung einen Sprung in den Lastbetrieb hinein darstellt. Dies führt zu unerwünschten Druckstößen im Brennraum und damit verbundenen lauten Geräuschen.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß der Zündpunkt und der Brennerstartvorgang wesentlich von den Umgebungsbedingungen abhängig sind. Zu den für den Brennerstartvorgang maßgeblichen Umgebungsbedingungen gehören insbesondere der Gegendruck im Abgassystem (z.B. auch auf das Abgasrohr wirkende Windeinflüsse, die einen Gegendruck oder eine Saugwirkung hervorrufen können) und die Temperatur der zugeführten Luft.
  • Eine vorgegebene Startleistung, wie sie der Stand der Technik vorsieht, stellt immer nur eine Kompromißlösung dar, da sich die Umgebungsbedingungen sowohl zwischen den Brenner-Einsatzorten als auch durch äußerer Einflüsse (Wind) stark ändern können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß eine einfache Anpassung der Startleistung an die jeweiligen Umgebungsbedingungen möglich wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren wird die dem Brenner zugeführte Gasmenge (Gasvolumenstromstärke) zunächst auf einen Anfangswert unterhalb einer Gasmenge, die einer vorgegebenen Minimallast entspricht, eingestellt, wobei der Anfangswert so gering gewählt wird, daß das Gas-Luft-Gemisch noch nicht zünden kann. Anschließend wird die Gasmenge solange über die der Minimallast entsprechende Gasmenge hinaus gesteigert, bis eine vorgegebene Ziel-Gasmenge, die größer als die der Minimallast entsprechende Gasmenge ist, erreicht ist, wobei die Steigerungsrate während der Steigerung so gewählt wird, daß jederzeit eine ausreichende Durchmischung des Gas-Luft-Gemisches gewährleistet ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gasmenge zunächst auf einen Anfangswert eingestellt, vorzugsweise sprunghaft auf diesen angehoben. In diesem Zustand liegt ein Luftüberschuß vor. Der Anfangswert der Gasmenge wird so gewählt, daß das Gas-Luft-Gemisch am Ort des Einwirkens der Zündeinrichtung (beispielsweise am Ort eines Zündfunkens) noch nicht in einem zündfähigen Mischungsverhältnis vorliegt, die Gaskonzentration also zu gering für eine Zündung ist. Ausgehend von diesem Anfangswert wird die Gasmenge solange erhöht, bis ein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch am Ort des Einwirkens der Zündeinrichtung vorliegt. Die Erhöhung der Gasmenge pro Zeit wird dabei derart gewählt, daß jederzeit eine ausreichende Durchmischung von Gas und Luft im Brennraum vorliegt. Sobald ein zündfähiges Gemisch vorliegt, wird dieses mit Hilfe der Zündeinrichtung, beispielsweise einer generierten Zündfunkenfolge, gezündet, wobei es zu einem weichen bzw. sanften Zünden ohne übermäßigen Druckstoß kommt. Anschließend wird die Gasmenge bis zum Zielwert langsam weiter gesteigert. Einerseits ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine dynamische Anpassung der Startleistung an die jeweiligen Umgebungsbedingungen möglich und andererseits können die bisher als unvermeidbar erscheinenden Druckstöße im Brennraum und somit ein lautes Zünden des Brenners ausgeschlossen werden. Ein Zünden des Gasheizgerätes kann mit Hilfe einer geeigneten Erfassungseinrichtung erkannt werden (z.B. Ionisations-Sensor oder Temperatur-Sensor).
  • Vorzugsweise wird die dem Brenner zugeführte Gasmenge zunächst sprunghaft auf den Anfangswert eingestellt, bevor sie, einer Rampenfunktion folgend, langsam gesteigert wird. Der Zündvorgang findet innerhalb der Änderung der Gasmenge entlang der Rampenfunktion statt. Die anfängliche sprunghafte Erhöhung der Gasmenge findet mit der maximal möglichen Stellgeschwindigkeit eines verwendeten Ventils einer Armatur statt. Üblicherweise öffnet das Ventil in einer Zeit von etwa 100ms bis zum vorgegebenen Anfangswert. In der zweiten Phase wird die Gasmenge gesteigert, wobei eine vorgegebene Gasmengenerhöhung pro Zeit eingehalten wird. Bezogen auf eine maximale Öffnung des Ventils im Brennerbetrieb mit 100% Gasmenge (Maximallast) wird die Gasmenge in dieser Phase (Rampe) z.B. um 5% pro Sekunde gesteigert.
  • Die Steigung der Rampenfunktion wird vorzugsweise so eingestellt, daß das Gas-Luft-Gemisch unter Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen des Brennereinsatzorts innerhalb einer vorgegebenen Sicherheitszeit zum Zünden gebracht wird. Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß ein Zünden des Brenners stattfindet, bevor eine unerwünscht große Gasmenge in den Brennraum eingeströmt ist. Beträgt z.B. der Anfangswert 35% und wird das Ventil mit einer Steigerungsrate von 5% pro Sekunde verstellt, so beträgt die Gasmenge nach zwei Sekunden 45% und nach einer Sicherheitszeit von 5 Sekunden 60%.
  • Zum Zwecke der zeitlichen Änderung des Zündpunkts innerhalb der Sicherheitszeit kann sowohl der Grenzwert als auch die Steigung der Rampenfunktion oder beide variiert werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Temperatur der dem Brenner zugeführten Luft erfaßt und als Einflußgröße zur Variation des Grenzwerts und/oder der Steigung der Rampenfunktion verwendet wird. Die Lufttemperatur kann so als Einflußgröße regelungstechnisch in das Verfahren zum Brennerstart eines Gasheizgeräts eingebunden werden. Die anderen Umgebungsbedingungen, insbesondere der Abgasdruck, können beispielsweise im Verlauf eines Probestarts des Brenners durch nachfolgende Korrektur der Steigung der Rampenfunktion berücksichtigt werden.
  • Eine besonders einfache Verfahrensführung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß eine im wesentlichen lineare Rampenfunktion eingestellt wird.
  • Geht man beispielsweise davon aus, daß bei Maximallast des Brenners eine Gasmenge von 100% und bei Minimallast eine Gasmenge von 35%-50% zugeführt wird, so wird beispielsweise als Anfangswert eine Gasmenge eingestellt, die 3%-15%, vorzugsweise 5%, unterhalb der der Minimallast entsprechenden Gasmenge liegt, wobei die Gasmenge anschließend um 2%-20% pro Sekunde, vorzugsweise 5% pro Sekunde, gesteigert wird und wobei die Steigerung der Gasmenge beim Brennerstart auf eine Ziel-Gasmenge von 5%-20%, vorzugsweise 10%, über der der Minimallast entsprechenden Gasmenge begrenzt wird.
  • Die Zündeinrichtung kann beispielsweise aktiviert werden, indem eine Zündflamme gezündet oder ein Glühdraht zum Glühen gebracht wird. Die Zündflamme kann nach dem Zünden auch dauerhaft weiterbrennen. Vorzugsweise wird jedoch die Zündeinrichtung aktiviert, indem eine Zündfunkenfolge gestartet wird, wobei das Gas-Luft-Gemisch am Ort der Zündfunken zündet. Die Zündfunkenfolge kann danach bei Erfassen des Zündens beendet werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in Figur 1 dargestellten Kurvendiagramms näher erläutert.
  • In Fig. 1 sind über einer Zeitachse t schematisch vier Kurven dargestellt, von denen die Kurve A eine wärmeanforderung, die Kurve B die beim Brennerstart erzeugte Zündfunkenfolge, die Kurve C die Modulator-Ansteuerung, d.h. die dem Brenner zugeführte Gasmenge und die Kurve D das eine Flamme anzeigende Ionisationssignal eines Ionisations-Sensors darstellt.
  • Aus dem Diagramm gemäß Fig. 1 ist zu sehen, daß bei Erkennen einer Wärmeanforderung (Kurve A) zum Zeitpunkt t1 sofort die zündfunkenfolge (Kurve B) generiert wird. Zu einem gegenüber t1 zeitverschobenen Punkt t2 wird die Gasmenge sprunghaft auf einen Anfangswert C2 erhöht, der unterhalb der Minimallast liegt. Danach wird das Gasventil relativ langsam entsprechend einer Rampenfunktion weiter gebffnet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahrensbeispiel findet die Zündung zum Zeitpunkt t3 bei der Gasmenge C3 statt, was sich durch eine sprunghafte Änderung des Ionisationssignals (Kurve D) erkennen läßt. Hinter dem Zündpunkt C3 wird das Gasventil weiter entlang der Rampenfunktion geöffnet, bis C4 oberhalb der Minimallast erreicht ist.
  • Diese Verfahrensführung ermöglicht einerseits eine Berücksichtigung der Umgebungseinflüsse und andererseits einen sehr leisen Startvorgang ohne Druckstöße.
  • Zum Zweck der Anpassung der Startleistung an die Umgebungsbedingungen können sowohl die Amplitude des Gasmengenanfangswerts C2 als auch die Steigung der Rampenfunktion, d.h. die Dauer der relativ langsamen Gasmengenzunahme, geändert werden. Im Extremfall kann die Amplitude der sprunghaften Öffnung des Gasventils in der ersten Startphase, d.h. die Gasmenge C2, auf Null oder nahe Null eingestellt werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Brennerstart eines Gasheizgeräts, wobei in Abhängigkeit von einer Wärmeanforderung eine Brenner-Zündeinrichtung aktiviert und der Brenner durch anschließende Zufuhr von Gas und Erzeugen eines Gas-Luft-Gemisches am Ort des Einwirkens der Zündeinrichtung gezündet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die dem Brenner dabei zugeführte Gasmenge
    zunächst auf einen Anfangswert (C2) unterhalb einer Gasmenge, die einer vorgegebenen Minimallast entspricht, eingestellt wird, wobei der Anfangswert(C2) so gering gewählt wird, daß das Gas-Luft-Gemisch noch nicht zünden kann, und
    anschließend solange über die der Minimallast entsprechende Gasmenge hinaus gesteigert wird, bis eine vorgegebene Ziel-Gasmenge (C4), die größer als die der Minimallast entsprechenden Gasmenge ist, erreicht ist, wobei die Steigerungsrate während der Steigerung so gewählt wird, daß jederzeit eine ausreichende Durchmischung des Gas-Luft-Gemisches gewährleistet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Brenner zugeführte Gasmenge zunächst sprunghaft auf den Anfangswert (C2) eingestellt wird, bevor sie, einer Rampenfunktion folgend, langsam gesteigert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenfunktion so gewählt wird, daß das Gas-Luft-Gemisch unter Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen des BrennerEinsatzorts innerhalb einer vorgegebenen Sicherheitszeit zum Zünden gebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Änderung des Zündpunkts innerhalb der Sicherheitszeit der Anfangswert (C2) und/oder die Steigung der Rampenfunktion variiert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der dem Brenner zugeführten Luft erfaßt und als Einflußgräße zur Variation des Grenzwerts und/oder der Steigung der Rampenfunktion verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine lineare Rampenfunktion eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die einer Maximallast des Brenners entsprechende Gasmenge 100% und die der Minimallast entsprechende Gasmenge 35%-50% entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß als Anfangswert (C2) eine Gasmenge eingestellt wird, die 3%-15%, vorzugsweise 5%, unterhalb der der Minimallast entsprechenden Gasmenge liegt,
    daß die Gasmenge anschließend um 1%-20% pro Sekunde, vorzugsweise 5% pro Sekunde, gesteigert wird, und
    daß die vorgegebene Ziel-Gasmenge 5%-20%, vorzugsweise 10%, über der der Minimallast entsprechenden Gasmenge liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung aktiviert wird, indem eine Zündfunkenfolge gestartet wird, wobei das Gas-Luft-Gemisch am Ort der Zündfunken gezündet wird.
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