EP2362145A2 - Verfahren zum Betreiben eines Brenners und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brenners und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung Download PDF

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EP2362145A2
EP2362145A2 EP11153824A EP11153824A EP2362145A2 EP 2362145 A2 EP2362145 A2 EP 2362145A2 EP 11153824 A EP11153824 A EP 11153824A EP 11153824 A EP11153824 A EP 11153824A EP 2362145 A2 EP2362145 A2 EP 2362145A2
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EP
European Patent Office
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max
air
fuel
burner
parameter
Prior art date
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Withdrawn
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EP11153824A
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Sungbae Park
Jan Westra
Hans Duetz
Jean-Pierre Hathout
Frank Lankhorst
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2362145A2 publication Critical patent/EP2362145A2/de
Publication of EP2362145A3 publication Critical patent/EP2362145A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/26—Measuring humidity
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods

Definitions

  • the invention relates to methods for operating a burner with air-number-controlled combustion of a fuel and air-frequency-controlled modulating a burner power Q.
  • Such burners are often installed in heaters or boilers and are used, for example, heat generation for domestic heating and domestic hot water.
  • a modulatable and / or switchable e.g. Variable speed fan to a combustion air amount V and doses a modulatable and / or switchable fuel control valve, a fuel quantity B.
  • a mixing device combustion air and fuel are combined and processed into a homogeneous fuel-air mixture.
  • a burner mouth e.g. a flat burner exit surface
  • the fuel-air mixture exits the burner is ignited and burns with heat.
  • An ionisation electrode detects an ionisation signal 1 generated as a result of a voltage applied to a burner flame.
  • a regulating device influences a supply of combustion air and / or fuel on the basis of operating data and / or desired specifications.
  • the ratio of fuel to combustion air is therefore of great importance for a trouble-free, but also for an efficient burner operation.
  • the air ratio control is often based on a signal from the combustion, the so-called lonisationssignal.
  • a suitable evaluation circuit makes use of the fact that flames conduct electricity when an electrical voltage is applied.
  • a known under the name SCOT (System Control Technology) evaluation circuit for air flow control is in the DE 44 33 425 C2 disclosed.
  • the ionization signal 1 measured in a flame of a fuel-air mixture is driven at a predetermined operating point by influencing the fuel quantity B or the quantity of combustion air V to its maximum signal l MAX .
  • the fuel-air mixture composition is controlled by a certain amount brought into the excess air until the adjusting ionisation signal l SOLL is smaller by a predeterminable factor than the measured signal maximum l MAx .
  • This SETPOINT setting determines the power modulation behavior of the burner until the next calibration. For air-gap controlled operation over a wider power modulation range, several correction factors are needed that take into account the effects of burner power dependency, fuel flow feasibility, and burner design.
  • Burners that can operate down to low heat requirements in a low-modulating continuous operation and with no clocking in and out.
  • the DE 199 36 696 A1 discloses a method with which an air ratio control in the lower part load range is possible. Again, an ionization signal is generated in the flame and derived from the current air ratio, which is then compared with a predetermined air ratio and, if the current air ratio differs from the predetermined air ratio, the current air ratio is set to the value of the predetermined air ratio. However, the current air ratio is determined at full load, since there is an area with a clear assignment between lonisationssignal and air ratio. In the partial load range of the burner is only controlled, ie unregulated operated.
  • the cited prior art has the disadvantage that an air-frequency-controlled burner operation over a wide power modulation range is not or only insufficiently possible.
  • the regulatory process requires a number of correction factors that have to be adapted to each new burner type.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for operating a burner with air-frequency controlled combustion of a fuel and the air-frequency-controlled modulating a burner power Q, which represents a true power control over a wide power modulation range and without a plurality of individual to get adjusted correction factors.
  • the inventive method according to claim 1 for operating a burner with air-number-controlled combustion of a fuel and the air-frequency-controlled modulating a burner power Q in which a modulatable and / or switchable fan supplying a combustion air V, a modulatable and / or switchable fuel control valve, a fuel quantity Dosed, an ionisation an detected due to a voltage applied to a burner flame voltage lonisationssignal l, and a controller affects a supply of fuel and / or combustion air due to operating data and / or target specifications is characterized by two steps.
  • a first parameter P1 of the parameter pair of combustion air quantity V and fuel quantity B is kept constant while the second parameter P2 is kept constant Parameter pair varies and set to a value P1 MAX , in which the ionization signal l has its maximum l MAX (calibration point).
  • the second parameter P2 is varied while the first parameter P1 MAX is kept constant and adjusted to a value P2 SOLL at which the ionization signal l is a fraction l SOLL of the maximum l MAX , where l SOLL is a product (multiplication) l MAX and a predeterminable factor F, where F is less than 1 (air ratio controlled operating point).
  • the first parameter P1 of said parameter pair formed from the combustion air quantity V and the fuel quantity B can therefore be either the quantity of combustion air V or the fuel quantity B. Accordingly, the second parameter P2 is then the fuel quantity B or the combustion air quantity V.
  • P1 MAX , P2 SOLL eg V MAX , B SOLL or B MAX , V SOLL
  • a modulated operating point with controlled air ratio ⁇ SOLL is selected set.
  • a second method according to claim 2 is characterized in that after an optional step corresponding to the first step of claim 1 in a first subsequent step, the fuel quantity B is set to a desired value B TARGET with the amount of combustion air V kept constant.
  • B AIM is the amount of fuel equivalent to the desired burner output (heat output) required to meet a given heat demand.
  • the combustion air quantity V is then initially reduced in a second sequential step and set to a value V MAX at which the ionization signal l has a maximum I MAX (calibration point).
  • V TARGET in which is the ionisation signal l be split l objective of maximum l max, where l OBJECTIVE is a product (multiplication) of L MAX, and a predetermined factor F, where F less than 1 (operating point approached by air ratio).
  • An advantageous embodiment of the method according to one of the preceding claims is characterized in that the first step, the second step, the first subsequent step and / or the second subsequent step are repeated until a desired burner performance Q TARGET is reached.
  • the factors F result from predefinable limit values and / or nominal values, data of a current operating point and / or past operating points, a direction and / or an amount of modulation of the burner power Q toward higher or lower values and / or a value of the ionization signal 1 and / or a frequency superimposed on the ionisation signal l.
  • Fig. 1 schematically shows the typical parabolic shape of a lonisationssignales l as a function of the air ratio ⁇ .
  • the ionization signal l as a signal from the combustion, is often the basis for air-fuel ratio control.
  • a suitable evaluation circuit makes use of the fact that flames conduct electricity when an electrical voltage is applied.
  • Fig. 3a shows the general procedure for modulating the burner output.
  • the amount of combustion air V at unchanged fuel quantity B is varied until the ionization signal l is maximum.
  • the amount of combustion air V is reduced.
  • the value of the ionization signal l increases as the fuel-air mixture becomes richer. Achieving the maximum l MAX , 1 is actually recognized by slightly exceeding the maximum and thereby l values falling.
  • the combustion air amount V is set to the value V MAX , 1 at which the ionization signal takes the maximum value I MAX , 1 .
  • the quantity of fuel B is then varied while the amount of combustion air V MAX , 1 is unchanged and adjusted to a value B SOLL , with the proviso that the ionization signal which changes as a result assumes a value l som resulting from the multiplication of l MAX , 1 with gives a predeterminable factor F.
  • the amount of fuel B is reduced.
  • the value of the ionization signal 1 falls as the fuel-air mixture becomes leaner.
  • the achievement of the desired operating point B SOLL is detected from reaching the calculated lonisationshongs l SOLL, the means to achieve an operating point with the air ratio ⁇ TARGET.
  • Fig. 3a also shows the advantageous embodiment of the method according to claim 4, after which a first step, a second step, another (repeated) first step, a first sequential step and a second sequential step are passed through until a desired burner performance Q TARGET is reached.
  • a step according to the first step explained above is performed with a reduction of the combustion air amount to V MAX , 2 .
  • the value of the ionization signal l increases to a value 1 MAx, 2 .
  • the combustion air amount V is set to the value V MAX , 2 at which the ionization signal takes the maximum value I MAX , 2 .
  • the fuel quantity B is set to a desired value B TARGET while the amount of combustion air V MAX , 2 is kept constant.
  • Fig. 4a shows the general procedure for highly modulating the burner power Q.
  • the amount of fuel B is changed with unchanged combustion air quantity V until the ionization signal 1 becomes maximum.
  • the amount of fuel B is increased.
  • the value of ionization signal 1 increases as the fuel-air mixture becomes richer. Achieving the maximum l MAX, 1 is actually detected by slightly exceeding the maximum and thereby l values falling.
  • the quantity of combustion air V is then varied with the fuel quantity B MAX unchanged and set to a value V SOLL with the specification that the ionization signal changing thereby assumes a value I SOLL resulting from the multiplication of I MAX, 1 with a predefinable Factor F results.
  • the amount of combustion air V is increased.
  • the value of the ionization signal l drops as the fuel-air mixture becomes leaner.
  • the achievement of the desired operating point V SOLL is detected from reaching the calculated lonisationshongs l SOLL, the means to achieve an operating point with the air ratio ⁇ TARGET.
  • Fig. 4b The further procedure for approaching the TARGET operating point is more detailed Fig. 4b refer to.
  • the fuel quantity B is set to a desired value B TARGET while the amount of combustion air V SOLL is kept constant.
  • the amount of combustion air V is increased and set to a value V TARGET in which the ionization signal 1 is a fraction I TARGET of the maximum I MAX, 2 , where I TARGET is a product of I MAX, 2 and a predeterminable factor F, where F is less than 1.
  • the air ratios ⁇ SOLL and ⁇ TARGET do not necessarily coincide with each other. Similarly, the factors F in the individual steps may differ.

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit Luftzahl-geregelter Verbrennung eines Brennstoffs und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch zwei Schritte gekennzeichnet. In einem ersten Schritt wird ein erster Parameter P1 des Parameterpaares Verbrennungsluftmenge V und Brennstoffmenge B bei konstant gehaltenem zweiten Parameter P2 desselben Parameterpaares variiert und auf einen Wert P1 MAX eingestellt, bei dem das lonisationssignal l ein Maximum l MAX aufweist. In einem folgenden zweiten Schritt wird der zweite Parameter P2 bei konstant gehaltenem ersten Parameter P1 MAX variiert und auf einen Wert P2 SOLL eingestellt, bei dem das lonisationssignal l ein Bruchteil l SOLL des Maximums l MAX beträgt, wobei l SOLL ein Produkt aus l MAX und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist. Mit diesem neuen kalibrierten Betriebspunkt P1 MAX , P2 SOLL ist ein modulierter Betriebspunkt bei kontrolliert eingestellter Luftzahl » SOLL eingestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit Luftzahl-geregelter Verbrennung eines Brennstoffs und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung Q. Solche Brenner sind häufig in Heizgeräten oder Heizkesseln eingebaut und dienen beispielsweise der Wärmeerzeugung zur Wohnraumbeheizung und Trinkwarmwasserbereitung.
  • Bei gattungsgemäßen Verfahren führt ein modulierbares und/oder schaltbares, z.B. Drehzahl-variables Gebläse eine Verbrennungsluftmenge V zu und dosiert ein modulierbares und/oder schaltbares Brennstoffregelventil eine Brennstoffmenge B. In einer Mischvorrichtung werden Verbrennungsluft und Brennstoff zusammengeführt und zu einem homogenen Brennstoff-Luft-Gemisch aufbereitet. An einer Brennermündung, z.B. eine ebene Brenneraustrittsfläche, tritt das Brennstoff-Luft-Gemisch aus dem Brenner aus, wird gezündet und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Eine lonisationselektrode erfasst ein aufgrund einer an einer Brennerflamme angelegten Spannung entstehendes lonisationssignal 1. Ein Regelgerät beeinflusst eine Zufuhr von Verbrennungsluft und/oder Brennstoff aufgrund von Betriebsdaten und/oder Sollvorgaben.
  • Bei der Brennerkonstruktion und dem Brennerbetrieb besteht eine wichtige Anforderung, dass nämlich die Flamme stabil bleibt. Das bedeutet, dass die Flamme bzw. die Flammen nicht in die Brennermündung zurückschlagen noch von der Brennermündung abheben. Beides wären gefährliche Zustände mit dem potentiellen Risiko der Verpuffung oder sonstigen Störung. Flammen eines mageren Brennstoff-Luft-Gemischs neigen zum Abheben, Flammen eines fetten Gemisches neigen zum Rückschlag.
  • Das Mengenverhältnis von Brennstoff zu Verbrennungsluft ist also von großer Bedeutung für einen störungsfreien, aber auch für einen effizienten Brennerbetrieb. Im Hinblick auf eine optimierte Verbrennung mit stabiler Flamme, minimalem Schadstoffausstoß und hohem feuerungstechnischen Wirkungsgrad auch bei wechselnden Brennstoff-Beschaffenheiten (Brennstoffarten, -qualitäten, -zusammensetzungen) werden moderne Brenner mit Luftzahl-geregelter Verbrennung betrieben, wobei ein Brennstoff-Luft-Gemisch gewünschter Zusammensetzung im mageren Bereich mit etwa 10 % bis 30 % Luftüberschuss gegenüber einem stöchiometrischen Gemisch liegt, also eine Luftzahl λ = λSOLL = 1,10...1,30 aufweist.
  • Die Luftzahlregelung basiert häufig auf einem Signal aus der Verbrennung, dem sogenannten lonisationssignal. Eine geeignete Auswerteschaltung macht sich den Umstand zu Nutze, dass Flammen bei Anlegen einer elektrischen Spannung Strom leiten. Der Verlauf des lonisationssignales zeigt eine klare Abhängigkeit von der Luftzahl λ des Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Signalmaximum bei λ = 1,0 (stöchiometrische Reaktion, Fig. 1).
  • Eine unter dem Namen SCOT (System Control Technology) bekannte Auswerteschaltung zur Luftzahlregelung ist in der DE 44 33 425 C2 offenbart. Bei dem entsprechenden Regelungsverfahren wird das in einer Flamme eines Brennstoff-Luft-Gemischs gemessene lonisationssignal 1 an einem vorgegebenen Betriebspunkt durch Beeinflussung der Brennstoffmenge B bzw. der Verbrennungsluftmenge V auf sein Signalmaximum lMAX gefahren. Bei der sich daran anschließenden Kalibrierung der Mischvorrichtung wird die Brennstoff-Luft-Gemischzusammensetzung kontrolliert um einen bestimmten Betrag in den Luftüberschuss gebracht, bis das sich einstellende lonisationssignal lSOLL um einen vorgebbaren Faktor kleiner als das gemessene Signalmaximum lMAx ist. Diese SOLL-Einstellung bestimmt dann das Leistungsmodulationsverhalten des Brenners bis zur nächsten Kalibrierung. Für einen Luftzahl-geregelten Betrieb über einen weiteren Leistungsmodulationsbereich sind mehrere Korrekturfaktoren erforderlich, die die Einflüsse aus der Brennerleistungsabhängigkeit, dem realisierbaren Brennstoffdurchsatz und der Brennerkonstruktion berücksichtigen.
  • Diese Art des Brennerbetriebes ist zuverlässig nur bei Volllast (Nennleistung) QNENN oder in einem eingeschränkten Leistungsmodulationsbereich Minimalleistung QMIN zu Nennleistung QNENN von etwa 1 : 3 bis 1 : 4 möglich. Darunter bei kleineren Brennerleistungen nimmt das lonisationssignal l in seiner Intensität stark ab und verliert seine eindeutige Zuordnung zur Luftzahl λ (Fig. 2). Dies liegt an den geringen flächenbezogenen Brennerleistungen, den geringeren Flammenlängen und der stärkeren Interaktion der Flammen mit der Brennermündung.
  • Heute werden bevorzugt Brenner mit hohen Leistungsmodulationsbereichen verwendet, die ganz unterschiedliche Wärmeanforderungen befriedigen können, wie sie zum Beispiel aus der Wohnraumbeheizung bei verschiedenen Außentemperaturen oder aus der Trinkwarmwasserbereitung für kleine und große Zapfmengen entstehen. Gesucht sind solche Brenner, die bis hinunter zu niedrigen Wärmeanforderungen in einem niedrig modulierenden Dauerbetrieb und ohne Ein- und Austaktungen arbeiten können.
  • Die DE 199 36 696 A1 offenbart ein Verfahren, mit dem eine Luftzahlregelung im niedrigeren Teillastbereich möglich ist. Auch hier wird in der Flamme ein lonisationssignal erzeugt und daraus die aktuelle Luftzahl abgeleitet, die dann mit einer vorgegebenen Luftzahl verglichen wird und, sofern die aktuelle Luftzahl von der vorgegebenen Luftzahl abweicht, die aktuelle Luftzahl auf den Wert der vorgegebenen Luftzahl eingestellt wird. Die aktuelle Luftzahl wird allerdings bei Volllast ermittelt, da hier ein Bereich mit eindeutiger Zuordnung zwischen lonisationssignal und Luftzahl vorliegt. Im Teillastbereich wird der Brenner nur gesteuert, d.h. ungeregelt, betrieben.
  • Der genannte Stand der Technik zeigt den Nachteil, dass ein Luftzahl-geregelter Brennerbetrieb über einen weiten Leistungsmodulationsbereich nicht oder nur unzureichend möglich ist. Zudem bedarf das Regelungsverfahren etlicher Korrekturfaktoren, die an jeden neuen Brennertyp angepasst werden müssen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit Luftzahl-geregelter Verbrennung eines Brennstoffs und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung Q zu schaffen, das über einen weiten Leistungsmodulationsbereich eine echte Regelung der Luftzahl darstellt und ohne eine Mehrzahl an individuell anzupassenden Korrekturfaktoren auskommt.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zum Betreiben eines Brenners mit Luftzahl-geregelter Verbrennung eines Brennstoffs und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung Q, bei dem ein modulierbares und/oder schaltbares Gebläse eine Verbrennungsluftmenge V zuführt, ein modulierbares und/oder schaltbares Brennstoffregelventil eine Brennstoffmenge B dosiert, eine lonisationselektrode ein aufgrund einer an einer Brennerflamme angelegten Spannung entstehendes lonisationssignal l erfasst, und ein Regelgerät eine Zufuhr von Brennstoff und/oder Verbrennungsluft aufgrund von Betriebsdaten und/oder Sollvorgaben beeinflusst, ist durch zwei Schritte gekennzeichnet. In einem ersten Schritt wird ein erster Parameter P1 des Parameterpaares Verbrennungsluftmenge V und Brennstoffmenge B bei konstant gehaltenem zweiten Parameter P2 desselben Parameterpaares variiert und auf einen Wert P1 MAX eingestellt, bei dem das lonisationssignal l sein Maximum lMAX aufweist (Kalibrierpunkt). In einem folgenden zweiten Schritt wird der zweite Parameter P2 bei konstant gehaltenem ersten Parameter P1 MAX variiert und auf einen Wert P2SOLL eingestellt, bei dem das lonisationssignal l ein Bruchteil lSOLL des Maximums lMAX beträgt, wobei lSOLL ein Produkt (Multiplikation) aus lMAX und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist (Luftzahl-geregelt angefahrener Betriebspunkt). Der erste Parameter P1 des genannten, aus der Verbrennungsluftmenge V und der Brennstoffmenge B gebildeten Parameterpaares kann also entweder die Verbrennungsluftmenge V oder die Brennstoffmenge B sein. Dementsprechend ist der zweite Parameter P2 dann die Brennstoffmenge B oder die Verbrennungsluftmenge V. Mit diesem neuen kalibrierten Betriebspunkt P1MAX, P2SOLL (z.B. VMAX, BSOLL bzw. BMAX, VSOLL) ist ein modulierter Betriebspunkt bei kontrolliert eingestellter Luftzahl λSOLL eingestellt.
  • Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Patentanspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass nach einem optionalen Schritt entsprechend dem ersten Schritt aus Anspruch 1 in einem ersten Folgeschritt die Brennstoffmenge B bei konstant gehaltener Verbrennungsluftmenge V auf einen gewünschten Wert BZIEL eingestellt wird. BZIEL ist die Brennstoffmenge, die der gewünschten Brennerleistung (Wärmeleistung) entspricht, die zur Erfüllung einer vorliegenden Wärmeanforderung erforderlich ist. Bei konstant gehaltener Brennstoffmenge BZIEL wird dann in einem zweiten Folgeschritt die Verbrennungsluftmenge V zunächst verringert und auf einen Wert VMAX eingestellt wird, bei dem das lonisationssignal l ein Maximum IMAX aufweist (Kalibrierpunkt). Anschließend wird die Verbrennungsluftmenge V erhöht und auf einen Wert VZIEL eingestellt wird, bei dem das lonisationssignal l sein Bruchteil lZIEL des Maximums lMAX beträgt, wobei lZIEL ein Produkt (Multiplikation) aus lMAX und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist (Luftzahl-geregelt angefahrener Betriebspunkt). Mit diesem kalibrierten Betriebspunkt BZIEL, VZIEL wird die vorliegende Wärmeanforderung bei kontrolliert eingestellter Luftzahl λZIEL erfüllt. Auf diese Weise kann jeder mögliche Betriebspunkt innerhalb des verfügbaren Leistungsmodulationsbereiches kalibriert und Luftzahl-geregelt angefahren werden.
  • Eine geeignete Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des zweiten Parameters P2 im zweiten Schritt dann, wenn P2 identisch mit der Brennstoffmenge B ist, eine Verringerung der Brennstoffmenge B darstellt. Wenn P2 identisch mit der Verbrennungsluftmenge V ist, stellt die Variation des zweiten Parameters P2 eine Erhöhung der Verbrennungsluftmenge V dar. Somit ist gewährleistet, dass ein aus Brennstoff und Verbrennungsluft sich bildendes Brennstoff-Luft-Gemisch eine überstöchiometrische Zusammensetzung mit einer Luftzahl λ = λSOLL aufweist, wobei λSOLL größer 1 ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt, der zweite Schritt, der erste Folgeschritt und/oder der zweite Folgeschritt wiederholt werden, bis eine gewünschte Brennerleistung QZIEL erreicht wird.
  • Die Faktoren F ergeben sich aus vorgebbaren Grenz- und/oder Sollwerten, Daten eines aktuellen Betriebspunktes und/oder zurückliegender Betriebspunkte, einer Richtung und/oder einem Betrag einer Modulation der Brennerleistung Q hin zu höheren oder niedrigeren Werten und/oder einem Wert des lonisationssignals l und/oder einer dem lonisationssignal l überlagerten Frequenz.
  • Mit der hier beschriebenen Erfindung ist es nun möglich, den Betrieb eines Brenners in einem weiten Leistungsmodulationsbereich Luftzahl-geregelt durchzuführen. Das Regelungsverfahren braucht keine weiteren Korrekturfaktoren, da beispielsweise der Einfluss der Brennerleistung auf das lonisationssignal bei der Luftzahl-geregelten Modulation kompensiert wird. Durch die bei jeder Modulation neu angefahrenen Kalibrierpunkte mit daraus abgeleiteten Luftzahl-geregelt angefahrenen Betriebspunkten kann der Modulationsbereich sehr weit ausgedehnt werden, da der Luftzahl-geregelte Zustand in jedem Betriebspunkt eine sehr stabile Flammenbildung bewirkt.
  • Die Zeichnungen stellen den Stand der Technik sowie mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
    • Fig. 1
    den charakteristischen parabelförmigen Zusammenhang zwischen dem lonisationssignal l und der Luftzahl λ,
    Fig. 2
    den beispielhaften Zusammenhang zwischen dem lonisationssignal l und der Brennerleistung Q für verschiedene Luftzahlen λ,
    Fig. 3a
    die allgemeine Vorgehensweise beim Heruntermodulieren der Brennerleistung (hier: Reduzieren der Brennstoffmenge B),
    Fig. 3b
    das Detail aus Fig. 3a zum Anfahren des ZIEL-Betriebspunktes,
    Fig. 4a
    die allgemeine Vorgehensweise beim Hochmodulieren der Brennerleistung (hier: Erhöhen der Brennstoffmenge B),
    Fig. 4b
    das Detail aus Fig. 4a zum Anfahren des ZIEL-Betriebspunktes.
  • Fig. 1 zeigt schematisch den typischen parabelförmigen Verlauf eines lonisationssignales l in Abhängigkeit von der Luftzahl λ. Das lonisationssignal l ist als ein Signal aus der Verbrennung oft die Basis für eine Luftzahlregelung. Eine geeignete Auswerteschaltung macht sich den Umstand zu Nutze, dass Flammen bei Anlegen einer elektrischen Spannung Strom leiten. Der Verlauf des lonisationssignales zeigt eine klare Abhängigkeit von der Luftzahl λ des Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Signalmaximum bei λ = 1,0 (stöchiometrische Reaktion). In Richtung fetterer Gemische (λ < 1) und magerer Gemische (λ > 1) fällt das lonisationssignal.
  • Fig. 2 zeigt schematisch den typischen Verlauf dreier lonisationssignale l bei verschiedenen Luftzahlen λ in Abhängigkeit einer Brennerleistung Q. Wiederzuerkennen ist, dass die lonisationssignale l bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1) am höchsten sind und zum mageren Gemischbereich (λ > 1) hin abfallen. Auffällig ist der in etwa konstante lonisationssignalverlauf bei höheren Brennerleistungen Q und der an Intensität abnehmende Verlauf bei kleineren Brennerleistungen Q - hier verliert das lonisationssignal l seine eindeutige Zuordnung zur Luftzahl λ.
  • Fig. 3a zeigt die allgemeine Vorgehensweise beim Heruntermodulieren der Brennerleistung. Zur Erläuterung des ersten Schrittes aus Patentanspruch 1 wird zum Beispiel die Verbrennungsluftmenge V bei unveränderter Brennstoffmenge B solange variiert, bis das lonisationssignal l maximal wird. Beispielsweise wird die Verbrennungsluftmenge V reduziert. Nach diesem Beispiel steigt dabei der Wert des lonisationssignales l, da das Brennstoff-Luft-Gemisch fetter wird. Das Erreichen des Maximums lMAX,1 wird genau genommen am geringfügigen Überschreiten des Maximums und dabei fallenden l-Werten erkannt. Die Verbrennungsluftmenge V wird auf den Wert VMAX,1 eingestellt, bei dem das lonisationssignal den Maximalwert lMAX,1 annimmt. An diesem Betriebspunkt eines maximalen lonisationssignales weist das Brennstoff-Luft-Gemisch die Luftzahl λ = 1,0 auf. Im zweiten Schritt wird nun die Brennstoffmenge B bei unveränderter Verbrennungsluftmenge VMAX,1 variiert und auf einen Wert BSOLL eingestellt unter der Vorgabe, dass das sich dabei ändernde lonisationssignal einen Wert lsom annimmt, der sich aus der Multiplikation von lMAX,1 mit einem vorgebbaren Faktor F ergibt. Beispielsweise wird die Brennstoffmenge B reduziert. Nach diesem Beispiel fällt dabei der Wert des lonisationssignales 1, da das Brennstoff-Luft-Gemisch magerer wird. Das Erreichen des SOLL-Betriebspunktes BSOLL wird am Erreichen des berechneten lonisationswertes lSOLL erkannt, der das Erreichen eines Betriebspunktes mit der Luftzahl λSOLL bedeutet. Die gewünschte Luftzahl λSOLL beträgt beispielsweise λSOLL = 1,2.
  • Fig. 3a zeigt daneben auch die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4, wonach ein erster Schritt, ein zweiter Schritt, ein weiterer (wiederholter) erster Schritt, ein erster Folgeschritt und ein zweiter Folgeschritt durchlaufen werden, bis eine gewünschte Brennerleistung QZIEL erreicht wird.
  • Die weitere Vorgehensweise zum Anfahren des ZIEL-Betriebspunktes ist detaillierter der Fig. 3b zu entnehmen. Zunächst wird ein Schritt gemäß dem oben erläuterten ersten Schritt durchgeführt mit einer Reduzierung der Verbrennungsluftmenge auf VMAX,2. Nach diesem Beispiel steigt dabei der Wert des lonisationssignales l auf einen Wert lMAx,2. Die Verbrennungsluftmenge V wird auf den Wert VMAX,2 eingestellt, bei dem das lonisationssignal den Maximalwert lMAX,2 annimmt. An diesem Betriebspunkt eines maximalen lonisationssignales weist das Brennstoff-Luft-Gemisch wieder die Luftzahl λ = 1,0 auf. In einem ersten Folgeschritt wird die Brennstoffmenge B bei konstant gehaltener Verbrennungsluftmenge VMAX,2 auf einen gewünschten Wert BZIEL eingestellt. Bei konstant gehaltener Brennstoffmenge BZIEL wird die Verbrennungsluftmenge V dann in einem zweiten Folgeschritt zunächst verringert und auf einen Wert VMAX,3 eingestellt, bei dem das lonisationssignal l ein Maximum IMAX,3 aufweist (λ = 1). Anschließend wird die Verbrennungsluftmenge V erhöht und auf einen Wert VZIEL eingestellt, bei dem das lonisationssignal l ein Bruchteil IZIEL des Maximums lMAX,3 beträgt, wobei lZIEL ein Produkt aus lMAX,3 und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist. Die gewünschte Luftzahl λZIEL beträgt beispielsweise λZIEL =1,2.
  • Fig. 4a zeigt die allgemeine Vorgehensweise beim Hochmodulieren der Brennerleistung Q. Zur Erläuterung des ersten Schrittes aus Patentanspruch 1 wird zum Beispiel die Brennstoffmenge B bei unveränderter Verbrennungsluftmenge V solange variiert, bis das lonisationssignal 1 maximal wird. Beispielsweise wird die Brennstoffmenge B erhöht. Nach diesem Beispiel steigt dabei der Wert des lonisationssignales 1, da das Brennstoff-Luft-Gemisch fetter wird. Das Erreichen des Maximums lMAX,1 wird genau genommen am geringfügigen Überschreiten des Maximums und dabei fallenden l-Werten erkannt. Die Brennstoffmenge B wird auf den Wert BMAX eingestellt, bei dem das lonisationssignal den Maximalwert lMAX,1 annimmt. An diesem Betriebspunkt eines maximalen lonisationssignales weist das Brennstoff-Luft-Gemisch die Luftzahl λ = 1,0 auf. Im zweiten Schritt wird nun die Verbrennungsluftmenge V bei unveränderter Brennstoffmenge BMAX variiert und auf einen Wert VSOLL eingestellt unter der Vorgabe, dass das sich dabei ändernde lonisationssignal einen Wert lSOLL annimmt, der sich aus der Multiplikation von IMAX,1 mit einem vorgebbaren Faktor F ergibt. Beispielsweise wird die Verbrennungsluftmenge V erhöht. Nach diesem Beispiel fällt dabei der Wert des lonisationssignales l, da das Brennstoff-Luft-Gemisch magerer wird. Das Erreichen des SOLL-Betriebspunktes VSOLL wird am Erreichen des berechneten lonisationswertes lSOLL erkannt, der das Erreichen eines Betriebspunktes mit der Luftzahl λSOLL bedeutet. Die gewünschte Luftzahl λSOLL beträgt beispielsweise λSOLL =1,2.
  • Die weitere Vorgehensweise zum Anfahren des ZIEL-Betriebspunktes ist detaillierter der Fig. 4b zu entnehmen. Ausgehend von dem Betriebspunkt VSOLL / BMAX wird die Brennstoffmenge B bei konstant gehaltener Verbrennungsluftmenge VSOLL auf einen gewünschten Wert BZIEL eingestellt. Bei konstant gehaltener Brennstoffmenge BZIEL wird die Verbrennungsluftmenge V dann zunächst verringert und auf einen Wert VMAX eingestellt, bei dem das lonisationssignal l ein Maximum lMAX,2 aufweist (λ = 1,0). Anschließend wird die Verbrennungsluftmenge V erhöht und auf einen Wert VZIEL eingestellt, bei dem das lonisationssignal 1 ein Bruchteil IZIEL des Maximums IMAX,2 beträgt, wobei IZIEL ein Produkt aus lMAX,2 und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist. Die gewünschte Luftzahl λZIEL beträgt beispielsweise λZIEL = 1,2.
  • Die Luftzahlen λSOLL und λZIEL müssen nicht notwendigerweise miteinander übereinstimmen. Ebenso können die Faktoren F bei den einzelnen Rechenschritten voneinander abweichen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit Luftzahl-geregelter Verbrennung eines Brennstoffs und zum Luftzahl-geregelten Modulieren einer Brennerleistung Q, bei dem ein modulierbares und/oder schaltbares Gebläse eine Verbrennungsluftmenge V zuführt, ein modulierbares und/oder schaltbares Brennstoffregelventil eine Brennstoffmenge B zuführt, eine lonisationselektrode ein aufgrund einer an einer Brennerflamme angelegten Spannung entstehendes lonisationssignal l erfasst, und ein Regelgerät eine Zufuhr von Brennstoff und/oder Verbrennungsluft aufgrund von Betriebsdaten und/oder Sollvorgaben beeinflusst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    • in einem ersten Schritt ein erster Parameter P1 des Parameterpaares Verbrennungsluftmenge V und Brennstoffmenge B bei konstant gehaltenem zweiten Parameter P2 desselben Parameterpaares variiert und auf einen Wert P1MAXeingestellt wird, bei dem das lonisationssignal l ein Maximum lMAX aufweist, und
    • in einem zweiten Schritt der zweite Parameter P2 bei konstant gehaltenem ersten Parameter P1MAX variiert und auf einen Wert P2S0LL eingestellt wird, bei dem das lonisationssignal l ein Bruchteil lSOLL des Maximums lMAX beträgt, wobei lSOLL ein Produkt aus lMAX und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist.
  2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass nach einem optionalen Schritt entsprechend dem ersten Schritt aus Anspruch 1
    • in einem ersten Folgeschritt die Brennstoffmenge B bei konstant gehaltener Verbrennungsluftmenge V auf einen gewünschten Wert BZIEL eingestellt wird, und
    • in einem zweiten Folgeschritt bei konstant gehaltener Brennstoffmenge BZIEL die Verbrennungsluftmenge V zunächst verringert und auf einen Wert VMAX eingestellt wird, bei dem das lonisationssignal l ein Maximum lMAX aufweist, und anschließend erhöht und auf einen Wert VZIEL eingestellt wird, bei dem das lonisationssignal l ein Bruchteil lZIEL des Maximums lMAX beträgt, wobei lZIEL ein Produkt aus lMAX und einem vorgebbaren Faktor F ist, wobei F kleiner 1 ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des zweiten Parameters P2 im zweiten Schritt,
    • wenn P2 identisch mit der Brennstoffmenge B ist, eine Verringerung der Brennstoffmenge B darstellt, und
    • wenn P2 identisch mit der Verbrennungsluftmenge V ist, eine Erhöhung der Verbrennungsluftmenge V darstellt,
    sodass ein aus Brennstoff und Verbrennungsluft sich bildendes Brennstoff-Luft-Gemisch eine überstöchiometrische Zusammensetzung mit einer Luftzahl λSOLL aufweist, wobei λSOLL größer 1 ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt, der zweite Schritt, der erste Folgeschritt und/oder der zweite Folgeschritt wiederholt werden, bis eine gewünschte Brennerleistung QZIEL erreicht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faktoren F aus vorgebbaren Grenz- und/oder Sollwerten, Daten eines aktuellen Betriebspunktes und/oder zurückliegender Betriebspunkte, einer Richtung und/oder einem Betrag einer Modulation der Brennerleistung Q hin zu höheren oder niedrigeren Werten und/oder einem Wert des lonisationssignals l und/oder einer dem lonisationssignal l überlagerten Frequenz ergibt.
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