EP3290796A1 - Verfahren zur kontrolle eines brennstoff-luft-verhältnisses in einem heizsystem sowie eine steuereinheit und ein heizsystem - Google Patents

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EP3290796A1
EP3290796A1 EP17185688.3A EP17185688A EP3290796A1 EP 3290796 A1 EP3290796 A1 EP 3290796A1 EP 17185688 A EP17185688 A EP 17185688A EP 3290796 A1 EP3290796 A1 EP 3290796A1
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fuel
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combustion
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    • F23N2233/06—Ventilators at the air intake
    • F23N2233/08—Ventilators at the air intake with variable speed

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a fuel-air ratio in a heating system.
  • the invention also relates to a control unit which is designed to carry out the method according to the invention and to a heating system with the control unit according to the invention.
  • heating system means at least one device for generating heat energy, in particular a heater or heating burner, in particular for use in a building heating and / or hot water generation, preferably by the combustion of a gaseous or liquid fuel.
  • a heating system can also consist of several such devices for generating heat energy and other, the heating operation supporting devices, such as hot water and fuel storage.
  • a "fluid supply parameter" is to be understood in particular to be a scalar parameter which is correlated in particular with at least one fluid, in particular a combustion unit of the heating system, in particular a combustion air flow, a fuel flow and / or a mixture flow, in particular from a combustion air and the fuel ,
  • a control and / or regulating unit of the heating system at least on the basis of the fluid supply characteristic to a volume flow and / or a mass flow of the at least one fluid are closed and / or the flow rate and / or the mass flow of the at least one fluid can be determined.
  • An example of a fluid supply parameter is the indication of an opening width of a fuel valve.
  • a “temporary, temporal fluid supply change” should be understood to mean a time-limited variation of the fluid supply parameter, so that it deviates from a largely constant value of the fluid supply parameter before the start of the fluid supply change.
  • the fluid supply parameter is first increased or decreased over the period of fluid supply change and then to the largely constant value of Fluid supply characteristic regulated before the start of Fluidzubowsung.
  • the duration of the fluid supply change is preferably pulse-like and short compared with the intended time variations of the fluid supply characteristic variable that occur during normal operation of the heating system.
  • a "pulse”, a “pulse-like change” or a “pulse-shaped signal” is to be understood as a course of a parameter which is brought from a first value within a limited period to at least a second value different from the first value.
  • a “pulse” is sometimes referred to as “pulse”, especially in electrical engineering.
  • combustion characteristic is to be understood in particular to be a scalar parameter which is correlated in particular with combustion, in particular of the mixture, in particular of the combustion air and the fuel.
  • An example of a combustion characteristic is an ionization current which is measured at a flame of the heating system.
  • the combustion parameter corresponds to at least one or precisely one measured value representing the combustion and / or characterizing the combustion parameter or can be unambiguously assigned to such a measured value.
  • a measured value representing the combustion and / or characterizing a combustion signal in particular a light intensity, a pollutant emission, a temperature and / or advantageously an ionization signal.
  • a relative signal maximum is the maximum amplitude of the combustion characteristic in a correlated with the temporal change of the fluid supply parameter Period less the largely constant amplitude of the combustion parameter before this period or the amplitude of the combustion characteristic at the beginning of this period to understand.
  • the relative signal maximum is a measure of the change in the combustion characteristic due to the fluid supply change.
  • faulty state is meant a state of the heating system in which the operation is not possible in the intended frame.
  • faults and defects include a non-fully functioning blower or suddenly occurring or slowly progressing blockages in the flow path of a fuel-air mixture. Causes of such blockages are, for example, wind, dirt, deposits or corrosion.
  • non-optimal operation are over or under load of the heating system or a non-optimal combustion in a combustion chamber of the heating system, for example by incorrectly set operating parameters and / or incorrectly set sensors for determining the fuel-air ratio.
  • An "attempt" to determine a relative maximum signal of a temporal change of at least one combustion parameter correlated with the temporal fluid change should be understood as a method step in which a relative signal maximum of a temporal change correlated with the time fluid change is measured by at least one combustion parameter or is detected. Depending on the result or value of the relative signal maximum, it is optionally possible to select different subsequent steps in the further course of the method if this is necessary and / or desired.
  • measuring the heating system is meant the single or repeated, in particular periodic setting of operating parameters of the heating system, so that the heating system can always fulfill the specified and / or requested performance to the full extent, in particular under varying internal and external conditions, in particular during wear processes and changing boundary and environmental conditions.
  • operating parameters are to be understood as parameters which are used by the control of the heating system for controlling and monitoring processes taking place in the heating system. Examples of “operating parameters” are a blower speed or a blower speed characteristic or a flame ionization characteristic.
  • calibrating the heating system is meant in particular a calibration process in which the sensor system for measuring the fuel-air ratio is readjusted.
  • burner performance parameter should be understood in particular to mean a scalar parameter which is correlated with a power, in particular heating power, of the heating system.
  • the power, in particular heating power, of the heating system can be determined at least on the basis of the burner power parameter.
  • the burner performance parameter corresponds to at least one or precisely one measured value which reflects the power or can be unambiguously assigned to such a measured value.
  • a measured value may be, for example, a temperature, an air flow rate, a blower control signal or a blower speed.
  • the method is particularly reliable.
  • malfunction and / or defects in the detection of the temporal change of at least one combustion parameter are taken into account in a timely manner in this way.
  • the signal lower limit is selected as a function of the burner performance parameter, the correlation between the at least one combustion parameter and the fuel / air ratio is taken into account at a further point in the method. In this way, detection of a fault condition is further improved. Overall, this improves the reliability of the process.
  • a “substantially opposite additional fluid supply change” is to be understood as meaning a fluid supply change in which the fluid supply parameter is varied in time so that the change in an average fluid supply rate caused by the fluid supply change is compensated.
  • the additional Fluid supply change implemented by a substantially rectangular pulse having a substantially same signal width and a relative signal level, which largely corresponds to the magnitude of the relative signal height of the first substantially rectangular pulse of Fluidzuschreib selectedung and is negative.
  • a "largely rectangular shape of the fluid supply change" is to be understood as meaning a temporal progression of the fluid supply parameter, in which the fluid supply parameter initially has a normal value. Subsequently, the fluid supply parameter is rapidly increased to a largely constant maximum supply value. Thereafter, the fluid supply characteristic is rapidly lowered to the normal value.
  • This temporal course of the fluid supply parameter has a good approximation in the form of a rectangular function.
  • Such a time profile of the fluid supply characteristic is usually referred to as a rectangular signal.
  • the fluid supply parameter corresponds to a control signal for metering a fuel and / or the combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air, in this way no measurement of the fuel and / or the combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air or a Flow of these fluids needed. This simplifies the procedure and makes it robust against malfunctions.
  • the at least one combustion parameter is determined by an ionization current measurement on a flame of the heating system, this is particularly advantageous because there is a functional relationship between the ionization current at a flame and the fuel-air ratio, which can be evaluated particularly favorably.
  • the method is further improved when the burner performance parameter is or depends on a fan speed and / or a mass flow of combustion air and / or a mixture of a fuel and Combustion air is or depends on this and / or is a volume flow of combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air or depends on this and / or a duration of combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air or depends on this ,
  • the fan speed can be easily and reliably determined and provides a good estimate of the burner performance.
  • a mass flow and / or a volume flow of a combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air allow a particularly accurate estimation of the burner power.
  • a transit time of a combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air can be determined particularly easily and inexpensively.
  • the temporal fluid supply change has an at least substantially rectangular shape, this has the advantage that the temporal change of the at least one combustion parameter can be detected particularly easily. In this way, the reliability of the process is further enhanced.
  • a "largely rectangular shape of the fluid supply change" is to be understood as meaning a temporal progression of the fluid supply parameter, in which the fluid supply parameter initially has a normal value. Subsequently, the fluid supply parameter is rapidly increased to a largely constant maximum supply value. Thereafter, the fluid supply characteristic is rapidly lowered to the normal value.
  • This temporal course of the fluid supply parameter has a good approximation in the form of a rectangular function. Such a time profile of the fluid supply characteristic is usually referred to as a rectangular signal.
  • control unit for a heating system, wherein the control unit is adapted to carry out the inventive method for controlling a fuel-air ratio in a heating system, has the advantage that by largely preventing a wrong Setting the fuel-air ratio increases the durability of the heating system, preventing malfunction and thus increasing safety. In addition, by avoiding unnecessary calibration operations, the wear of the heating system is lowered.
  • a heating system with a control unit according to the invention with a metering device for a fuel and / or combustion air and / or for a mixture of a fuel and combustion air, as well as with an ionization probe on a flame and with a blower with variable fan speed has the advantage that in Operation of the heating system is a wrong adjustment of the fuel-air ratio is largely prevented. In this way, unforeseen, heavy loads on the heating system are avoided by, for example, too high burner temperatures and / or excessive fan speeds and / or excessive soot emissions and / or excessive vibration. This allows a cost-effective production of the heating system. In addition, fuel consumption is reduced and the life of the heating system is increased or the time interval between the required inspection intervals is reduced.
  • the heating system has at least one metering device for a fuel and / or for combustion air and / or for a mixture of a fuel and combustion air, a temporal change of a fluid supply parameter is thus particularly easy to produce.
  • a "dosing device” should be understood as meaning in particular one, in particular electrical and / or electronic, unit, in particular actuator unit, advantageous setting unit, which is provided for the at least one fluid, in particular the combustion air flow, the fuel flow and / or the mixture flow, in particular from the combustion air and the fuel to influence.
  • the at least one doser is to provided to adjust, regulate and / or promote a volume flow and / or a mass flow, in particular the combustion air and / or the fuel.
  • the dosing device for combustion air can advantageously be designed as a fan, in particular having a variable speed, and / or preferably as a fan, in particular a variable-speed fan.
  • the fuel metering device can advantageously be designed as a fuel pump, in particular variable in flow rate, and / or preferably as a fuel valve, in particular variable in flow rate.
  • the combustion air metering device and / or the fuel metering device are intended to modulate a heating power of the heater device.
  • the heating system has an ionization probe on the flame of the heater, this realizes a particularly favorable and reliable sensor for measuring a combustion scan.
  • Ionization detectors are commonly used in heaters for flame detection.
  • the heating system has a fan with variable fan speed, a simple and robust means for setting and determining the performance of the heater is realized in this way.
  • FIG. 1 a heater 10 is shown schematically, which is arranged in the embodiment on a memory 12.
  • the heater 10 has a housing 14 which accommodates different components depending on the degree of equipment.
  • the essential components are a heat cell 16, a control unit 18, one or more pumps 20 and piping 22, cable or bus lines 24 and holding means 26 in the heater 10.
  • the number and complexity of the individual components depends on the equipment level of the heater 10.
  • the heat cell 16 includes a burner 28, a heat exchanger 30, a blower 32, a meter 34 and an air supply system 36, an exhaust system 38 and, when the heat cell 16 is in operation, a flame 40. In the flame 40 projects an ionization 42.
  • the meter 34 is designed as a fuel valve 44.
  • a blower speed 79 of the blower 32 is variably adjustable.
  • the heater 10 and the memory 12 together form a heating system 46.
  • the control unit 18 has a data memory 48, a computing unit 50 and a communication interface 52. Via the communication interface 52, the components of the heating system 46 can be controlled.
  • the communication interface 52 allows data exchange with external devices. External devices are, for example, control devices, thermostats and / or devices with computer functionality, for example smartphones.
  • FIG. 1 shows a heating system 46 with a control unit 18.
  • the control unit 18 is located outside the housing 14 of the heater 10.
  • the external control unit 18 is designed in particular variants as a room controller for the heating system 46.
  • the control unit 18 is mobile.
  • the external control unit 18 has a communication connection to the heater 10 and / or other components of the heating system 46.
  • the communication connection can be wired and / or wireless, preferably a radio connection, particularly preferably via WLAN, Z-Wave, Bluetooth and / or ZigBee.
  • the control unit 18 may consist of several components in other variants, in particular not physically connected components.
  • At least one or more components of the control unit 18 may be partially or wholly in the form of software which is executed on internal or external devices, in particular on mobile computing units, for example smartphones and tablets, or servers, in particular a cloud.
  • the communication connections are then corresponding software interfaces.
  • FIG. 2 shows the method 54 according to the invention for controlling and regulating a fuel-air ratio 56 in a heating system 46.
  • a temporal fluid supply change 60 of a fluid supply parameter 62 is generated in a step 58.
  • the fluid supply parameter 62 is an intended opening width 64 of the metering device 34.
  • the opening width 64 is a percentage, wherein an opening width 64 of 0% corresponds to a completely closed fuel valve 44 and an opening width 64 of 100% describes a fully opened fuel valve 44.
  • the intended opening width 64 is realized by a selection of the control signal and transmission of this control signal to the fuel valve 44 by the control unit 18.
  • the opening width 64 describes a request, which is transmitted to the fuel valve 44.
  • the fluid supply change 60 is in FIG. 3 displayed.
  • the first abscissa axis 66 represents a time.
  • the ordinate axis 68 shows the fluid supply parameter 62.
  • the fluid supply change 60 runs in a substantially rectangular pulse.
  • the fluid supply characteristic 62 has a normal supply value 70.
  • the opening width 64 is increased as fast as possible to a maximum supply value 72.
  • the opening 64 is lowered to the normal supply value 70 as fast as possible.
  • An in FIG. 3 Imaged pulse height 74 is 15%.
  • An in FIG. 3 Imaged pulse width 76 is 120 ms.
  • the fluid supply change 60 is dependent on a burner output parameter 77.
  • the burner output parameter 77 is a fan speed 79.
  • the fan speed 79 is a characteristic value determined by the control unit 18 which determines a fan control signal.
  • the blower control signal is sent from the control unit 18 to the blower 32 and determines a speed of the blower 32.
  • the pulse height 74 rises linearly with the blower speed 79. Between a minimal Blower speed and a maximum fan speed takes the pulse height 74 values in an interval between 10% and 20%.
  • the pulse width 76 increases linearly with the fan speed 79. Between a minimum fan speed and a maximum fan speed, the pulse width 76 assumes values in an interval between 50 ms and 200 ms.
  • a relative signal maximum 80 of a temporal change correlated with the temporal fluid supply change 60 from a combustion parameter 78.
  • the combustion parameter 78 is an ionization stream 82.
  • the ionization stream 82 is determined by the ionization probe 42 on the flame 40 and transmitted to the control unit 18.
  • the time profile of the ionization current 82 has the relative signal maximum 80.
  • the relative signal maximum 80 is determined from the difference between the absolute signal maximum 84 and the ionization current normal value 86 (see FIG. 3 ).
  • the ionization current normal value 86 is determined in the exemplary embodiment in which the average ionization current 82 measured over the pulse width 76 is determined.
  • the relative signal maximum 80 is determined, in which the ionization current 82 is measured over a determination time.
  • the largest value of the ionization current 82 occurring within the determination time is selected as the absolute signal maximum 84.
  • the determination time has the length of a time threshold 88 stored in the control unit 18.
  • the determination time starts at a first time 90 and ends at a second time 92 (see FIG FIG. 3 ).
  • the time threshold 88 is 2 seconds. In variants, a time threshold 88 between 1 second and 5 seconds is selected.
  • a relative signal maximum 80 could be determined in step 75, the method continues with path C (see FIG. 2 ).
  • a false state 96 is detected if the relative signal maximum 80 falls below a lower signal limit 98.
  • the signal lower limit 98 is a constant stored in the control unit 18.
  • the control unit 18 compares the relative signal maximum 80 with the signal lower limit 98. If the relative signal maximum 80 is smaller than the signal lower limit 98, a false state 96 is detected in which an error variable is set to the value 1.
  • the method 54 continues on the path A (see FIG. 2 ). If the relative signal maximum 80 is greater than or equal to the lower signal limit 98, the error variable is set to the value 0 and the iteration of the method 54 is ended (path B in FIG FIG. 2 ).
  • step 100 the heating system 46 is calibrated.
  • the heating system 46 is driven in a special operating mode in which the sensors and analytics, in particular the ionization probe 42 and the ionization current 82 based, stored in the control unit 18 characteristics are adjusted and tuned. In this way, the determination of the fuel-air ratio 56 is specified. If necessary, during calibration of the heating system 46 in step 100, the heating system 46 or the processes and / or processes running on the heating system 46 are at least partially reinitialized or restarted.
  • step 75 If no relative signal maximum 80 is determined in step 75, the method continues on the path D (see FIG. 2 ). In a step 101, a fault condition 96 is detected. The error variable is set to the value 1. The process 54 proceeds to step 100 and the heating system 46 is calibrated.
  • FIG. 3 1 shows a change in the combustion parameter 78 following fluid supply change 60, which the next iteration of the process 54th belongs.
  • a time interval between the iterations of the method 54 is selected depending on the operating state of the heating system 46 and the external conditions. In the exemplary embodiment, the time interval is between 1 second and 20 seconds, preferably 2 seconds.
  • a fault status counter is stored in the control unit 18.
  • the error counter is a variable which stores the number of detected failures 96 in a given time interval. If the fault condition counter exceeds a critical fault limit stored in the control unit 18, then the heating system 46 is shut down for safety reasons. The error counter is lowered after performing the method 54 without detecting a false state 96. In the exemplary embodiment, the heating system 46 is shut down after seven immediately consecutive determinations of a fault condition 96.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate the functional principle of the method 54.
  • FIG. 4 is shown on a second abscissa axis 67 a time.
  • On the ordinate axis 68 of the ionization 82 is plotted.
  • the graphs of the ionization stream 82 each show temporal changes of the ionization stream 82 which occur due to a temporal fluid change 60 in various measurements 102, 104, 106, 108 and 110.
  • the measurements are performed at a constant fan speed 79.
  • Each of the measurements is performed at a different fuel-air ratio 56 (marked in FIG FIG. 5 ).
  • the fuel-air ratio 56 is calculated from an amount of air divided by a fuel amount.
  • FIG. 5 illustrates the relationship between the ionization flow 82 and the fuel-air ratio 56 at a constant fan speed 79.
  • the ordinate axis 68 plots the ionization flow 82.
  • the ionization current maximum 112 is increased or decreased starting from the maximum ionization current 112, the ionization current 82 decreases, with the magnitude of the slope increasing steadily.
  • the heating system 46 is operated with a fuel-air ratio 56 of 1.3 (measurement 108), ie with an excess of air.
  • the method 54 ensures that the heating system 46 is operated with excess air. If the fuel-air ratio 56 is less than 1 or the fuel-air ratio 56 is too close to the value 1, a fault condition 96 is detected.
  • the fuel-air ratio 56 is briefly lowered. If the fuel-air ratio 56 is 0.85 (measurement 102), the fluid supply change 60 causes the ionization current 82 to decrease (see FIG FIG. 4 ). Thus, the relative signal maximum 80 is largely 0. The lower signal limit 98 is reached and a false state 96 detected. If the fuel-air ratio 56 is one (measurement 104), the fluid supply change 60 causes a slight decrease in the ionization current 82, since in this region the gradient of the graph of the ionization current 82 is approximately 0 and changes only slightly. In measurement 106, the fuel-air ratio 56 is 1.15. There is an excess of air, which is not sufficiently large.
  • the fluid supply change 60 causes the ionization current 82 to increase.
  • the relative signal maximum 80 is below the lower signal limit 98 because the magnitude of the slope of the ionization current graph 82 in the range of the fuel-air ratio 56 of the measurement 106 is too low. In measurements 108 and 110, the fuel-air ratio is 56 1.3 and 1.45, respectively. The excess air is sufficient in each case.
  • the magnitude of the slope of the ionization current graph 82 is sufficiently large in the ranges of measurements 108 and 110.
  • the fluid supply change 60 causes each increase of the ionization current 82.
  • the relative signal maximum 80 is in each case greater than the lower signal limit 98. In the measurements 108 and 110, no false state 96 is detected.
  • the relative signal maximum 80 between the first time 90 and the second time 92 is determined.
  • the time threshold 88 is selected by means of laboratory tests such that under all operating conditions and boundary conditions, in particular at all fan speeds 79, the position of the maximum of the ionization current 82 always lies between the first time 90 and the second time 92. In alternative variants with a smaller time threshold 88, the maximum of the ionization current 82 may occur after the second time 92.
  • the determined in step 75 relative maximum signal 80 is then possibly smaller than the actual maximum of the ionization stream 82, in particular at a low power of the heating system 46 and at low fan speeds 79. This is in preferred variants by a corresponding adjustment, in particular lowering of the signal lower limit 98th , in particular depending on the burner power parameter 77, taken into account.
  • the temporal change of at least one combustion parameter 78 is determined, in which the occurrence of a pulse in the time course of the at least one combustion parameter 78 is detected.
  • the relative signal maximum 80 is determined as the maximum value of the detected pulse. For this purpose, it is checked in step 75 by the control unit 18 whether, after the fluid supply change 60, the combustion parameter 78 increases beyond a signal noise.
  • the relative signal maximum 80 is the maximum combustion parameter 78 in the time domain in which the combustion parameter 78 increases beyond a signal noise.
  • the detection of the pulse over the course of time of the at least one combustion parameter 78 is ended if the determination time the time threshold exceeds 88 and no pulse could be detected. Then, no relative signal maximum 80 can be determined and the method 54 continues on the path D.
  • step 75 is terminated as soon as the measured combustion parameter 78 exceeds the signal lower limit 98. Then the value of the relative signal maximum 80 is determined on the basis of the last measured combustion parameter 78 exceeding the lower signal limit 98. The process then proceeds to path C. If, in step 75, the measured combustion parameter 78 does not reach the signal lower limit 98 within the time threshold 88, the method continues with the path C.
  • the time threshold 88 is a function of the burner performance parameter 77.
  • the time threshold 88 has increased with a reduction in the performance of the heating system 46.
  • the signal lower limit 98 is selected depending on the fan speed 79.
  • a relative lower signal limit 114 is determined by the control unit 18 (see FIG. 3 ).
  • the relative signal lower limit 114 is proportional to the negative fan speed 79. In this way, the higher signal noise of the ionization current 82 at low fan speeds 79 is taken into account.
  • the relative lower signal limit 114 is 1 ⁇ A for the maximum fan speed 79 and 10 ⁇ A for the minimum fan speed 79.
  • a relative lower signal limit 114 is selected between 3 ⁇ A and 7 ⁇ A.
  • the signal lower limit 98 is determined from the sum of the relative lower signal limit 114 and the ionization current normal value 86.
  • the ionization current normal value 86 decreases in the regular operation of the heating system 46 Values between 10 ⁇ A and 100 ⁇ A, in particular between 30 ⁇ A and 60 ⁇ A.
  • the choice of the dependence of the signal lower limit 98 of the fan speed 79 and the burner performance parameter 77 depends on the technical characteristics of the heating system 46, in particular on the dependence of the signal noise of the ionization stream 82 and the combustion parameter 78 of the burner performance parameter 77.
  • the relative lower signal limit 114 is constant.
  • the relative signal lower limit is proportional to the burner performance parameter 77.
  • the functional dependence of the relative lower signal limit 114 on the burner performance parameter 77 is substantially proportional to the functional dependence of a signal noise intensity of the ionization flow 82 on the burner performance parameter 77.
  • an additional fluid supply change 118 is generated in an additional step 116.
  • the additional fluid feed change 118 is substantially opposite to the fluid feed change 60.
  • the mean fluid supply parameter 62 substantially corresponds to the normal supply value 70 over a period of the fluid supply change 60 and the additional fluid supply change 118.
  • the graph of the time course of the fluid supply parameter 62 of the additional fluid supply change 118 is equal to the time-shifted graph of the normal supply value 70 Over time, the fluid supply characteristic 62 of the fluid supply change 60.
  • the step 116 may be performed at any point in the process 54. In FIG.
  • step 116 is positioned so that the additional fluid delivery change 118 is that associated with the fluid delivery change 60 correlated change in the combustion parameter 78 was not affected.
  • Step 116 is preferably carried out after step 58, particularly preferably after step 75.
  • the fluid supply parameter 62 is an opening width 64 of the fuel valve 44. Based on the intended opening width 64, the control unit 18 determines and transmits a control signal to the fuel valve 44.
  • the fluid supply parameter 62 is a control signal to the fuel valve 44 or a scalar value derivable from the control signal.
  • the fluid supply parameter 62 corresponds to a control signal for dosing a combustion air and / or a mixture of a fuel and a combustion air.
  • the control signal sent by the control unit 18 is composed of at least one control command to at least one metering device 34.
  • the at least one doser 34 is at least one fuel valve 44 and / or at least one blower 32.
  • a dosage value of the doser 34 is measured and used as the fluid supply characteristic 62.
  • dosage value is to be understood as a characteristic value which describes the state of the dosing device 34 and allows conclusions to be drawn about the amount of substance supplied and / or allowed to pass through the dosing device 34.
  • An example of a dosage value is a measured opening width of the fuel valve 44 and / or a measured fuel flow.
  • the combustion parameter 78 is an ionization stream 82.
  • the ionization stream 82 is determined by an ionization current measurement on a flame 40 of the heating system 46.
  • the ionization current 82 is determined by the ionization probe 42 and transmitted to the control unit 18.
  • the combustion characteristic 78 is a Light intensity, a lambda value, a pollutant emissions and / or a temperature.
  • the light intensity at the flame 40 is determined by a photodiode.
  • the lambda value is measured with a lambda probe in an exhaust gas.
  • the exhaust system 38 has the lambda probe.
  • the pollutant emission is determined by a sensor device, which is located on the flame 40 and / or in the exhaust system 38.
  • the temperature is determined by a contact thermometer and / or a non-contact thermometer, in particular a pyrometer. The thermometer may be located in the exhaust system 38 and / or the flame 40 measured.
  • the burner output parameter 77 is the blower speed 79.
  • the blower speed 79 is a characteristic value determined by the control unit 18, which determines a blower control signal.
  • the burner performance parameter 77 is a measured fan speed and / or a temperature and / or an air flow rate and / or a flow rate of the air-fuel mixture.
  • the air flow rate or the flow rate of the air-fuel mixture can be determined as a volume flow or as a mass flow.
  • the burner performance parameter 77 is a transit time of a combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air.
  • a transit time is determined as the time difference between the fluid supply change 60 and the change in the combustion characteristic 78 correlated with the fluid supply change 60.
  • the transit time corresponds to the time it takes for the mixture of fuel and combustion air to pass from the fuel valve 44 to the ionization probe 42.
  • the transit time is a measure of the flow rate of the air-fuel mixture.
  • the fluid supply change 60 has a substantially rectangular shape.
  • the fluid supply change 60 is substantially in the form of a ramp and / or largely a triangular shape and / or substantially the shape of a sine and / or largely a Gaussian shape.
  • the change in a concentration of the fuel in the burner 28 resulting from the fluid supply change 60 generally has a different form than the fluid feed change 60.
  • the fluid feed change 60 depends on the burner output parameter 77.
  • the pulse height 74 and pulse width 76 each depend linearly on the fan speed 79. In this way it is ensured that the heating system 46 is not disturbed too much in its normal operation by the fluid supply change 60.
  • the fluid supply change 60 has a functional relationship to the burner performance parameter 77.
  • the functional relationship is chosen so that a good detection of the relative signal maximum 80 is possible taking into account the technical characteristics of the heating system 46. For example, if resonances occur at certain blower speeds 79, which increase the signal noise of the ionization flow 82, the fluid supply change 60 is increased at these blower speeds 79.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem. Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: €¢ Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung (60) einer Fluidzufuhrkenngröße (62), €¢ Versuch, ein relatives Signalmaximum (80) einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung (60) korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße zu ermitteln, €¢ Feststellung eines Fehlzustandes, falls das relative Signalmaximum (80) eine Signaluntergrenze (98) unterschreitet, falls ein relatives Signalmaximum (80) ermittelt wurde, €¢ Kalibrieren des Heizsystems, falls ein Fehlzustand festgestellt wird und dass die Fluidzufuhränderung (60) abhängig von einem Brennerleistungsparameter gewählt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist sowie ein Heizsystem mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist sowie ein Heizsystem mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit.
    • Stand der Technik
  • Um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten, ist es bei dem Betrieb von Gasbrennern notwendig, das richtige Brennstoff-Luft-Verhältnis sicherzustellen. Dazu muss die korrekte Funktionsweise der für die Bestimmung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses eingesetzten Sensorik gewährleistet sein. Aus dem Stand der Technik sind Gasbrenner bekannt, welche dazu Verfahren zur Kalibrierung der entsprechenden Sensorik ausführen. In solchen Kalibrierverfahren wird der Gasbrenner weitgehend über seinen gesamten Leistungsbereich gefahren. Das hat den Nachteil, dass während einer solchen Kalibrierung verstärkt Schadstoffe ausgestoßen werden können. Die Dauer einer solchen Kalibrierung liegt im Bereich von mehreren Sekunden bis hin zu Minuten. Das hat den zusätzlichen Nachteil, dass in dieser Zeit der Gasbrenner für den normalen Betrieb nicht zur Verfügung steht.
    • Offenbarung der Erfindung Vorteile
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem, welches die folgenden Schritte umfasst:
    • Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung einer Fluidzufuhrkenngröße,
    • Versuch, ein relatives Signalmaximum einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße zu ermitteln,
    • Feststellung eines Fehlzustandes, falls das relative Signalmaximum eine Signaluntergrenze unterschreitet, falls ein relatives Signalmaximum ermittelt wurde,
    • Kalibrieren des Heizsystems, falls ein Fehlzustand festgestellt wird,
    und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fluidzufuhränderung abhängig von einem Brennerleistungsparameter gewählt wird, hat den Vorteil, dass das tatsächliche Brennstoff-Luft-Verhältnis weitestgehend ohne zusätzliche Emissionen überprüft wird. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis wird auch als Lambdawert bezeichnet. Nur bei einer Abweichung vom vorgesehenen Brennstoff-Luft-Verhältnis wird das Heizsystem geregelt. Auf diese Weise wird der Schadstoffausstoß minimiert. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, dass es während des normalen Betriebs des Heizsystems ausgeführt werden kann. Das Verfahren stellt nur einen kurzzeitigen Eingriff in die Regelung des Heizsystems dar, bei dem nur kleine Fluidzufuhränderungen vorgenommen werden im Vergleich zu möglichen gesamten Fluidzufuhränderungen im Betrieb des Heizsystems. Dass die Fluidzufuhränderung abhängig von einem Brennerleistungsparameter gewählt wird, hat den Vorteil, dass die im Allgemeinen von einer Brennerleistung abhängende Korrelation zwischen der mindestens einen Verbrennungskenngröße und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis berücksichtigt wird. Auf diese Weise wird eine präzise und besonders zuverlässige Feststellung eines Fehlzustandes ermöglicht.
  • Dabei ist unter "Heizsystem" mindestens ein Gerät zur Erzeugung von Wärmeenergie zu verstehen, insbesondere ein Heizgerät bzw. Heizbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Gebäudeheizung und/oder zur Warmwassererzeugung, bevorzugt durch das Verbrennen von einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff. Ein Heizsystem kann auch aus mehreren solchen Geräten zur Erzeugung von Wärmeenergie sowie weiteren, den Heizbetrieb unterstützenden Vorrichtungen, wie etwa Warmwasser- und Brennstoffspeichern, bestehen.
  • Unter einer "Fluidzufuhrkenngröße" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche insbesondere mit zumindest einem, insbesondere einer Brennereinheit des Heizsystems zugeführten, Fluid, insbesondere einem Verbrennungsluftstrom, einem Brennstoffstrom und/oder einem Gemischstrom, insbesondere aus einer Verbrennungsluft und dem Brennstoff, korreliert ist. Vorteilhaft kann, insbesondere durch eine Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand der Fluidzufuhrkenngröße auf einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom des zumindest einen Fluids geschlossen werden und/oder der Volumenstrom und/oder der Massenstrom des zumindest einen Fluids ermittelt werden. Ein Beispiel für eine Fluidzufuhrkenngröße ist die Angabe einer Öffnungsweite eines Brennstoffventils. Unter einer "vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung" soll eine zeitlich beschränkte Variation der Fluidzufuhrkenngröße verstanden werden, sodass diese von einem weitestgehend konstanten Wert der Fluidzufuhrkenngröße vor Beginn der Fluidzufuhränderung abweicht. Bevorzugt wird die Fluidzufuhrkenngröße über den Zeitraum der Fluidzufuhränderung zunächst vergrößert oder verkleinert und anschließend auf den weitestgehend konstanten Wert der Fluidzufuhrkenngröße vor Beginn der Fluidzufuhränderung geregelt. Bevorzugt ist die Zeitdauer der Fluidzufuhränderung pulsartig und kurz gegenüber den im üblichen Betrieb des Heizsystems auftretenden vorgesehenen zeitlichen Variationen der Fluidzufuhrkenngröße.
  • Dabei ist unter einem "Puls", einer "pulsartigen Änderung" oder einem "pulsförmigen Signal" ein Verlauf einer Kenngröße zu verstehen, welche von einem ersten Wert innerhalb einer beschränkten Zeitspanne auf mindestens einen zweiten, vom ersten Wert verschiedenen Wert, gebracht wird. Ein "Puls" wird manchmal auch als "Impuls" bezeichnet, insbesondere in der Elektrotechnik.
  • Unter einer "Verbrennungskenngröße" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche insbesondere mit einer Verbrennung, insbesondere des Gemischs, insbesondere aus der Verbrennungsluft und dem Brennstoff, korreliert ist. Ein Beispiel für eine Verbrennungskenngröße ist ein Ionisationsstrom, welcher an einer Flamme des Heizsystems gemessen wird. Vorteilhaft kann, insbesondere durch die Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand der Verbrennungskenngröße auf ein Vorhandensein und/oder eine Güte der Verbrennung geschlossen werden und/oder das Vorhandensein und/oder die Güte der Verbrennung ermittelt werden. Vorteilhaft entspricht die Verbrennungskenngröße zumindest einem oder genau einem, die Verbrennung abbildenden und/oder charakterisierenden Messwert bzw. kann die Verbrennungskenngröße einem solchen Messwert eindeutig zugeordnet werden. Beispiele für einen die Verbrennung abbildenden und/oder charakterisierenden Messwert sind ein Verbrennungssignal, insbesondere einer Lichtintensität, ein Schadstoffausstoß, eine Temperatur und/oder vorteilhaft ein lonisationssignal. Unter einem "relativen Signalmaximum" ist die maximale Amplitude der Verbrennungskenngröße in einem mit der zeitlichen Änderung der Fluidzufuhrkenngröße korrelierten Zeitraum abzüglich der weitestgehend konstanten Amplitude der Verbrennungskenngröße vor diesem Zeitraum bzw. der Amplitude der Verbrennungskenngröße zu Beginn dieses Zeitraums zu verstehen. Das relative Signalmaximum ist insbesondere ein Maß für die Änderung der Verbrennungskenngröße aufgrund der Fluidzufuhränderung.
  • Unter "Fehlzustand" ist ein Zustand des Heizsystemsgemeint, in dem der Betrieb nicht im vorgesehen Rahmen möglich ist. Dazu gehören Defekte und Störungen sowie ein nicht optimaler Betrieb. Beispiele für Störungen und Defekte sind ein nicht voll funktionsfähiges Gebläse oder plötzlich eintretende oder langsam fortschreitende Verstopfungen im Strömungsweg einer Brennstoff-Luft-Mischung. Ursachen für solche Verstopfungen sind zum Beispiel Wind, Verschmutzungen, Ablagerungen oder Korrosion. Beispiele für einen nicht optimalen Betrieb sind eine Über- oder Unterbelastung des Heizsystems oder eine nicht optimale Verbrennung in einem Brennraum des Heizsystems, beispielsweise durch falsch eingestellte Betriebsparameter und/oder eine falsch eingestellte Sensorik zur Bestimmung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses.
  • Unter einem "Versuch", ein relatives Signalmaximum einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße zu ermitteln, soll ein Verfahrensschritt verstanden werden, in welchem ein relatives Signalmaximum einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße gemessen bzw. festgestellt wird. Abhängig vom Ergebnis bzw. Wert des relativen Signalmaximums können im weiteren Verlauf des Verfahrens optional unterschiedliche folgende Schritte ausgewählt werden, falls das notwendig und/oder erwünscht ist.
  • Unter "Kalibrieren des Heizsystems" ist das einmalige oder wiederholte, insbesondere periodische Einstellen von Betriebsparametern des Heizsystems gemeint, so dass das Heizsystem die spezifizierte und/oder angeforderte Leistunge im vollen Umfang stets erfüllen kann, insbesondere unter veränderlichen inneren und äußeren Bedingungen, insbesondere bei Verschleißprozessen und wechselnden Rand- und Umweltbedingungen. Dabei sind unter "Betriebsparameter" Parameter zu verstehen, die von der Steuerung des Heizsystems zum Steuern und Überwachen von im Heizsystem ablaufenden Prozessen verwendet werden. Beispiele für "Betriebsparameter" sind eine Gebläsedrehzahl bzw. eine Gebläsedrehzahlkennlinie oder eine Flammenionisationskennlinie. Somit ist unter "Kalibrieren des Heizsystems" insbesondere ein Kalibrierungsprozess zu verstehen bei welchem die Sensorik zur Messung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses neu eingestellt wird.
  • Unter "Brennerleistungsparameter" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche mit einer Leistung, insbesondere Heizleistung, des Heizsystems korreliert ist. Vorteilhaft kann, insbesondere durch die Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand des Brennerleistungsparameters die Leistung, insbesondere Heizleistung, des Heizsystems ermittelt werden. Vorteilhaft entspricht der Brennerleistungsparameter mindestens einem oder genau einem, die Leistung abbildenden Messwert bzw. kann einem solchen Messwert eindeutig zugeordnet werden. Ein solcher Messwert kann beispielsweise eine Temperatur, eine Luftdurchflussmenge, ein Gebläsesteuersignal oder eine Gebläsedrehzahl sein.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch möglich.
  • Dadurch, dass ein Fehlzustand festgestellt wird, falls kein relatives Signalmaximum ermittelt wurde, wird das Verfahren besonders zuverlässig. Auf diese Weise werden insbesondere Fehlfunktion und/oder Defekte bei der Detektion der zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße zeitnah berücksichtigt.
  • Wird die Signaluntergrenze abhängig von dem Brennerleistungsparameter gewählt, so wird an einer weiteren Stelle des Verfahrens die Korrelation zwischen der mindestens einen Verbrennungskenngröße und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis berücksichtigt. Auf diese Weise wird eine Detektion eines Fehlzustands weiter verbessert. Insgesamt verbessert sich so die Zuverlässigkeit des Verfahrens.
  • Wird in einem zusätzlichen Schritt eine vorübergehende zeitliche zusätzliche Fluidzufuhränderung erzeugt, wobei diese zusätzliche Fluidzufuhränderung der Fluidzufuhränderung weitgehend entgegengesetzt ist, hat dies den Vorteil, dass die durch die Fluidzufuhränderung verursachte minimale Erhöhung der Brennerleistung und Schadstoffemissionen ausgeglichen wird.
  • Dabei ist unter einer "weitgehend entgegengesetzten zusätzlichen Fluidzufuhränderung" eine Fluidzufuhränderung zu verstehen, bei welcher die Fluidzufuhrkenngröße zeitlich so variiert wird, dass die durch die Fluidzufuhränderung verursachte Änderung einer mittleren Fluidzufuhrrate ausgeglichen wird. Auf diese Weise entspricht eine im zeitlichen Mittel über den Zeitraum der Fluidzufuhränderung und der zusätzlichen Fluidzufuhränderung zugeführte Fluidmenge weitgehend einer mittleren zugeführten Fluidmenge in einem gleich langen Zeitraum während des vorgesehenen Betriebs der Heizanlage ohne Änderungen der Fluidzufuhrrate kurz vor der Durchführung der Fluidzufuhränderungen. Wird beispielsweise die Fluidzufuhränderung durch einen weitgehend rechteckigen Puls mit einer bestimmten positiven relativen Signalhöhe und einer bestimmten Signalbreite realisiert, so wird die zusätzliche Fluidzufuhränderung durch einen weitgehend rechteckigen Puls mit einer weitgehend gleichen Signalbreite und einer relativen Signalhöhe umgesetzt, welche vom Betrag weitgehend der relativen Signalhöhe des ersten weitgehend rechteckigen Pulses der Fluidzufuhränderung entspricht und negativ ist. Dabei ist unter "weitgehend rechteckige Form der Fluidzufuhränderung" ein zeitlicher Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße zu verstehen, bei dem die Fluidzufuhrkenngröße zunächst einen Normalwert aufweist. Anschließend wird die Fluidzufuhrkenngröße schnell auf einen weitgehend konstanten Maximalzufuhrwert erhöht. Danach wird die Fluidzufuhrkenngröße schnell auf den Normalwert gesenkt. Dieser zeitliche Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße hat in guter Näherung die Form einer Rechteckfunktion. Ein solcher zeitlicher Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße wird üblicherweise als Rechtecksignal bezeichnet.
  • Entspricht die Fluidzufuhrkenngröße einem Steuersignal zum Dosieren eines Brennstoffs und/oder der Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft, wird auf diese Weise keine Vermessung des Brennstoffs und oder der Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft bzw. eines Durchflusses dieser Fluide benötigt. Das vereinfacht das Verfahren und macht es robust gegenüber Fehlfunktionen.
  • Wird die mindestens eine Verbrennungskenngröße durch eine Ionisationsstrommessung an einer Flamme des Heizsystems bestimmt, ist das besonders vorteilhaft, da zwischen dem Ionisationsstrom an einer Flamme und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis ein funktionaler Zusammenhang besteht, welcher besonders günstig auswertbar ist.
  • Das Verfahren wird weiter verbessert, wenn der Brennerleistungsparameter eine Gebläsedrehzahl ist oder von dieser abhängt und/oder ein Massenfluss einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft ist oder von diesem abhängt und/oder ein Volumenfluss einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft ist oder von diesem abhängt und/oder eine Laufzeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft ist oder von dieser abhängt. Die Gebläsedrehzahl lässt sich einfach und zuverlässig bestimmen und liefert eine gute Abschätzung der Brennerleistung. Ein Massenfluss und/oder ein Volumenfluss einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft erlauben eine besonders präzise Abschätzung der Brennerleistung. Eine Laufzeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft lässt sich besonders einfach und kostengünstig bestimmen.
  • Weist die zeitliche Fluidzufuhränderung eine zumindest weitgehend rechteckige Form auf, hat das den Vorteil, dass die zeitliche Änderung von der mindestens einen Verbrennungskenngröße besonders einfach detektiert werden kann. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter gesteigert. Dabei ist unter "weitgehend rechteckige Form der Fluidzufuhränderung" ein zeitlicher Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße zu verstehen, bei dem die Fluidzufuhrkenngröße zunächst einen Normalwert aufweist. Anschließend wird die Fluidzufuhrkenngröße schnell auf einen weitgehend konstanten Maximalzufuhrwert erhöht. Danach wird die Fluidzufuhrkenngröße schnell auf den Normalwert gesenkt. Dieser zeitliche Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße hat in guter Näherung die Form einer Rechteckfunktion. Ein solcher zeitlicher Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße wird üblicherweise als Rechtecksignal bezeichnet.
  • Die Verwendung einer Steuereinheit für ein Heizsystem, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem auszuführen, hat den Vorteil, dass durch das weitgehende Verhindern einer falschen Einstellung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses die Haltbarkeit des Heizsystems erhöht wird, Fehlfunktionen vermieden werden und somit die Sicherheit erhöht wird. Zusätzlich wird durch das Vermeiden von unnötigen Kalibriervorgängen der Verschleiß des Heizsystems gesenkt.
  • Ein Heizsystem mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit, mit einem Dosierer für einen Brennstoff und/oder für Verbrennungsluft und/oder für eine Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft, sowie mit einer Ionisationssonde an einer Flamme und mit einem Gebläse mit variierbarer Gebläsedrehzahl hat den Vorteil, dass im Betrieb des Heizsystems eine falsche Einstellung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses weitgehend verhindert wird. Auf diese Weise werden unvorhergesehene, starke Belastungen des Heizsystems durch beispielsweise zu hohe Brennertemperaturen und/oder zu hohe Gebläsedrehzahlen und/oder zu hohe Rußemissionen und/oder zu starke Vibrationen vermieden. Das ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Heizsystems. Zusätzlich wird auf der Brennstoffverbrauch gesenkt und die Lebensdauer des Heizsystems erhöht bzw. das Zeitintervall zwischen den erforderlichen Inspektionsintervallen gesenkt.
  • Weist das Heizsystem mindestens einen Dosierer für einen Brennstoff und/oder für Verbrennungsluft und/oder für eine Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft auf, ist damit eine zeitliche Änderung einer Fluidzufuhrkenngröße besonders einfach erzeugbar.
  • Dabei soll unter einem "Dosierer" insbesondere eine, insbesondere elektrische und/oder elektronische, Einheit, insbesondere Aktoreinheit, vorteilhaft Stelleinheit, verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das zumindest eine Fluid, insbesondere den Verbrennungsluftstrom, den Brennstoffstrom und/oder den Gemischstrom, insbesondere aus der Verbrennungsluft und dem Brennstoff, zu beeinflussen. Insbesondere ist der zumindest eine Dosierer dazu vorgesehen, einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom, insbesondere der Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffs, einzustellen, zu regulieren und/oder zu fördern. Der Dosierer für Verbrennungsluft kann dabei vorteilhaft als, insbesondere drehzahlvariabler, Ventilator und/oder vorzugsweise als, insbesondere drehzahlvariables, Gebläse ausgebildet sein. Der Dosierer für Brennstoff kann vorteilhaft als, insbesondere durchsatzvariable, Brennstoffpumpe und/oder vorzugsweise als, insbesondere durchsatzvariables, Brennstoffventil ausgebildet sein. Insbesondere sind der Dosierer für Verbrennungsluft und/oder der Dosierer für Brennstoff dazu vorgesehen, eine Heizleistung der Heizgerätevorrichtung zu modulieren.
  • Weist das Heizsystem eine Ionisationssonde an der Flamme des Heizgeräts auf, ist damit ein besonders günstiger und zuverlässiger Sensor zur Messung einer Verbrennungsscangrüße realisiert. Ionisationsdetektoren werden üblicherweise in Heizgeräten zur Flammendetektion eingesetzt.
  • Weist das Heizsystem ein Gebläse mit variierbarer Gebläsedrehzahl auf, ist auf diese Weise ein einfaches und robustes Mittel zur Einstellung und Bestimmung der Leistung des Heizgeräts realisiert.
    • Zeichnungen
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem, der erfindungsgemäßen Steuereinheit und des erfindungsgemäßen Heizsystems dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Heizsystems mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit,
    • Figur 2 das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln und/oder Kalibrieren eines Heizsystems,
    • Figur 3 eine schematische Darstellung einer Fluidzufuhränderung und einer zeitlichen Änderung von einer Verbrennungskenngröße,
    • Figur 4 schematische Darstellungen von zeitlichen Änderungen von einer Verbrennungskenngröße bei unterschiedlichen Messungen,
    • Figur 5 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit des Ionisationsstroms vom Brennstoff-Luft-Verhältnis und
    • Figur 6 eine Variante des Verfahrens zum Regeln und/oder Kalibrieren eines Heizsystems.
    Beschreibung
  • In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile bzw. Schritte die gleichen Bezugszahlen.
  • In Figur 1 ist ein Heizgerät 10 schematisch dargestellt, das im Ausführungsbeispiel auf einem Speicher 12 angeordnet ist. Das Heizgerät 10 weist ein Gehäuse 14 auf, das je nach Ausstattungsgrad unterschiedliche Komponenten aufnimmt.
  • Als wesentliche Komponenten befinden sich eine Wärmezelle 16, eine Steuereinheit 18, eine oder mehrere Pumpen 20 sowie Verrohrungen 22, Kabel oder Busleitungen 24 und Haltemittel 26 im Heizgerät 10. Auch bei den einzelnen Komponenten hängt deren Anzahl und Komplexität vom Ausstattungsgrad des Heizgeräts 10 ab.
  • Die Wärmezelle 16 weist einen Brenner 28, einen Wärmetauscher 30, ein Gebläse 32, ein Dosierer 34 sowie ein Zuluftsystem 36, ein Abgassystem 38 und, wenn die Wärmezelle 16 in Betrieb ist, eine Flamme 40 auf. In die Flamme 40 ragt eine Ionisationssonde 42. Der Dosierer 34 ist als Brennstoffventil 44 ausgebildet. Eine Gebläsedrehzahl 79 des Gebläses 32 ist variabel einstellbar. Das Heizgerät 10 und der Speicher 12 bilden zusammen ein Heizsystem 46. Die Steuereinheit 18 weist einen Datenspeicher 48, eine Recheneinheit 50 und eine Kommunikationsschnittstelle 52 auf. Über die Kommunikationsschnittstelle 52 sind die Komponenten des Heizsystems 46 ansteuerbar. Die Kommunikationsschnittstelle 52 ermöglicht einen Datenaustausch mit externen Geräten. Externe Geräte sind beispielsweise Steuergeräte, Thermostate und/oder Geräte mit Computerfunktionalität, beispielsweise Smartphones.
  • Figur 1 zeigt ein Heizsystem 46 mit einer Steuereinheit 18. In alternativen Ausführungsformen befindet sich die Steuereinheit 18 außerhalb des Gehäuses 14 des Heizgeräts 10. Die externe Steuereinheit 18 ist in besonderen Varianten als Raumregler für das Heizsystem 46 ausgeführt. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuereinheit 18 mobil. Die externe Steuereinheit 18 weist eine Kommunikationsverbindung zum Heizgerät 10 und/oder anderen Komponenten des Heizsystems 46 auf. Die Kommunikationsverbindung kann kabelgebunden und/oder kabellos sein, bevorzugt eine Funkverbindung, besonders bevorzugt über WLAN, Z-Wave, Bluetooth und/oder ZigBee. Die Steuereinheit 18 kann in weiteren Varianten aus mehreren Komponenten bestehen, insbesondere nicht physisch verbundenen Komponenten. In besonderen Varianten können zumindest eine oder mehrere Komponenten der Steuereinheit 18 teilweise oder ganz in der Form von Software vorliegen, die auf internen oder externen Geräten, insbesondere auf mobilen Recheneinheiten, beispielsweise Smartphones und Tablets, oder Servern, insbesondere einer Cloud, ausgeführt wird. Die Kommunikationsverbindungen sind dann entsprechende Softwareschnittstellen.
  • In Figur 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren 54 zur Kontrolle und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 in einem Heizsystem 46 abgebildet. Im Ausführungsbeispiel wird in einem Schritt 58 eine zeitliche Fluidzufuhränderung 60 einer Fluidzufuhrkenngröße 62 erzeugt. Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 eine vorgesehene Öffnungsweite 64 des Dosierers 34. Die Öffnungsweite 64 ist eine Prozentangabe, wobei eine Öffnungsweite 64 von 0 % einem vollständig geschlossenen Brennstoffventil 44 entspricht und eine Öffnungsweite 64 von 100 % ein vollständig geöffnetes Brennstoffventil 44 beschreibt. In der Steuereinheit 18 ist ein Zusammenhang zwischen der Öffnungsweite 64 und einem dafür nötigen Steuersignal hinterlegt. Die vorgesehene Öffnungsweite 64 wird durch eine Auswahl des Steuersignals und Übertragung dieses Steuersignals an das Brennstoffventil 44 durch die Steuereinheit 18 realisiert. Die Öffnungsweite 64 beschreibt eine Anforderung, welche an das Brennstoffventil 44 übermittelt wird.
  • Die Fluidzufuhränderung 60 ist in Figur 3 abgebildet. Die erste Abszissenachse 66 stellt eine Zeit dar. Auf der Ordinatenachse 68 ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 dargestellt. Die Fluidzufuhränderung 60 verläuft in einem weitgehend rechteckförmigen Puls. Zunächst hat die Fluidzufuhrkenngröße 62 einen Normalzufuhrwert 70. Anschließend wird die Öffnungsweite 64 so schnell wie möglich auf einen Maximalzufuhrwert 72 erhöht. Danach wird die Öffnungsweite 64 so schnell wie möglich auf den Normalzufuhrwert 70 gesenkt. Eine in Figur 3 abgebildete Pulshöhe 74 beträgt 15 %. Eine in Figur 3 abgebildete Pulsbreite 76 beträgt 120 ms.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhränderung 60 abhängig von einem Brennerleistungsparameter 77. Der Brennerleistungsparameter 77 ist eine Gebläsedrehzahl 79. Die Gebläsedrehzahl 79 ist ein von der Steuereinheit 18 bestimmter Kennwert, welcher ein Gebläsesteuersignal bestimmt. Das Gebläsesteuersignal wird von der Steuereinheit 18 an das Gebläse 32 gesendet und bestimmt eine Drehzahl des Gebläses 32. Die Pulshöhe 74 steigt linear mit der Gebläsedrehzahl 79 an. Zwischen einer minimalen Gebläsedrehzahl und einer maximalen Gebläsedrehzahl nimmt die Pulshöhe 74 Werte in einem Intervall zwischen 10 % und 20 % an. Die Pulsbreite 76 steigt linear mit der Gebläsedrehzahl 79 an. Zwischen einer minimalen Gebläsedrehzahl und einer maximalen Gebläsedrehzahl nimmt die Pulsbreite 76 Werte in einem Intervall zwischen 50 ms und 200 ms an.
  • In einem folgenden Schritt 75 (siehe Figur 2) wird versucht, ein relatives Signalmaximum 80 einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung 60 korrelierten zeitlichen Änderung von einer Verbrennungskenngröße 78 zu ermittelt. Die Verbrennungskenngröße 78 ist im Ausführungsbeispiel ein Ionisationsstrom 82. Der Ionisationsstrom 82 wird von der Ionisationssonde 42 an der Flamme 40 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. Nach der Fluidzufuhränderung 60 weist der zeitliche Verlauf des Ionisationsstroms 82 das relative Signalmaximum 80 auf. Das relative Signalmaximum 80 wird aus der Differenz zwischen dem absoluten Signalmaximum 84 und dem lonisationsstromnormalwert 86 bestimmt (siehe Figur 3). Der lonisationsstromnormalwert 86 wird im Ausführungsbeispiel bestimmt, in dem der über die Pulsbreite 76 gemessene mittlere Ionisationsstrom 82 ermittelt wird. Im Ausführungsbeispiel wird das relative Signalmaximum 80 bestimmt, in dem der Ionisationsstrom 82 über eine Ermittlungszeit gemessen wird. Der innerhalb der Ermittlungszeit auftretende größte Wert des Ionisationsstroms 82 wird als absolutes Signalmaximum 84 gewählt. Die Ermittlungszeit hat die Länge einer in der Steuereinheit 18 hinterlegte Zeitschwelle 88. Die Ermittlungszeit beginnt an einem ersten Zeitpunkt 90 zu laufen und endet an einem zweiten Zeitpunkt 92 (siehe Figur 3). Im Ausführungsbeispiel beträgt die Zeitschwelle 88 2 Sekunden. In Varianten wird eine Zeitschwelle 88 zwischen 1 Sekunde und 5 Sekunden gewählt.
  • Konnte in Schritt 75 ein relatives Signalmaximum 80 ermittelt werden, wird das Verfahren mit Pfad C fortgesetzt (siehe Figur 2). In einem weiteren Schritt 94 wird ein Fehlzustand 96 festgestellt, falls das relative Signalmaximum 80 eine Signaluntergrenze 98 unterschreitet. Die Signaluntergrenze 98 ist eine in der Steuereinheit 18 hinterlegte Konstante. Die Steuereinheit 18 vergleicht das relative Signalmaximum 80 mit der Signaluntergrenze 98. Ist das relative Signalmaximum 80 kleiner als die Signaluntergrenze 98, wird ein Fehlzustand 96 festgestellt in dem eine Fehlervariable auf den Wert 1 gesetzt wird. Das Verfahren 54 wird auf dem Pfad A fortgesetzt (siehe Figur 2). Ist das relative Signalmaximum 80 größer-gleich als die Signaluntergrenze 98, wird die Fehlervariable auf den Wert 0 gesetzt und die Iteration des Verfahrens 54 beendet (Pfad B in Figur 2).
  • Wird das Verfahren 54 auf dem Pfad A fortgesetzt, wird ein Schritt 100 durchgeführt. Im Schritt 100 wird das Heizsystem 46 kalibriert. Dabei wird das Heizsystem 46 in einem besonderen Betriebsmodus gefahren, in welchem die Sensorik und Analytik, insbesondere die Ionisationssonde 42 und die auf dem Ionisationsstrom 82 beruhenden, in der Steuereinheit 18 hinterlegten Kennlinien neu eingestellt und abgestimmt werden. Auf diese Weise wird die Ermittlung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 präzisiert. Falls nötig, wird beim Kalibrieren des Heizsystems 46 im Schritt 100 das Heizsystem 46 bzw. die auf dem Heizsystem 46 laufenden Prozesse und/oder Verfahren zumindest teilweise neu initialisiert oder neu gestartet.
  • Wird in Schritt 75 kein relatives Signalmaximum 80 ermittelt, wird das Verfahren auf dem Pfad D fortgesetzt (siehe Figur 2). In einem Schritt 101 wird ein Fehlzustand 96 festgestellt. Die Fehlervariable wird auf den Wert 1 gesetzt. Das Verfahren 54 wird mit Schritt 100 fortgesetzt und das Heizsystem 46 kalibriert.
  • Das Verfahren 54 wird im Ausführungsbeispiel periodisch widerholt. Figur 3 zeigt eine der Änderung der Verbrennungskenngröße 78 folgende Fluidzufuhränderung 60, welche zur nächsten Iteration des Verfahrens 54 gehört. Ein Zeitabstand zwischen den Iterationen des Verfahrens 54 wird abhängig vom Betriebszustand des Heizsystems 46 und von den äußeren Bedingungen gewählt. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Zeitabstand zwischen 1 Sekunde und 20 Sekunden, bevorzugt 2 Sekunden. Im Ausführungsbeispiel wird in der Steuereinheit 18 ein Fehlzustandszähler gespeichert. Der Fehlzustandszähler ist eine Variable, welche die Zahl der festgestellten Fehlzustände 96 in einem bestimmten Zeitintervall speichert. Überschreitet der Fehlzustandszähler eine in der Steuereinheit 18 hinterlegte kritische Fehlzustandsgrenze, so wird das Heizsystem 46 aus Sicherheitsgründen heruntergefahren. Der Fehlzustandszähler wird nach der Durchführung des Verfahrens 54 ohne Feststellung eines Fehlzustandes 96 gesenkt. Im Ausführungsbeispiel wird das Heizsystem 46 nach sieben unmittelbar hintereinander folgenden Feststellungen eines Fehlzustandes 96 heruntergefahren.
  • Die Figuren 4 und 5 illustrieren das Funktionsprinzip des Verfahrens 54. In Figur 4 ist auf einer zweiten Abszissenachse 67 eine Zeit dargestellt. Auf der Ordinatenachse 68 ist der Ionisationsstrom 82 aufgetragen. Die Graphen des Ionisationsstroms 82 zeigen jeweils zeitliche Änderungen des Ionisationsstroms 82 welche aufgrund einer zeitlichen Fluidzufuhränderung 60 bei verschiedenen Messungen 102, 104, 106, 108 und 110 auftreten. Die Messungen sind bei einer konstanten Gebläsedrehzahl 79 durchgeführt. Jede der Messungen ist bei einem jeweils unterschiedlichen Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 durchgeführt (markiert in Figur 5). Das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 berechnet sich aus einer Luftmenge geteilt durch eine Brennstoffmenge.
  • Figur 5 illustriert den Zusammenhang zwischen dem Ionisationsstrom 82 und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 bei einer konstanten Gebläsedrehzahl 79. Auf der Ordinatenachse 68 ist der Ionisationsstrom 82 aufgetragen. Auf einer dritten Abszissenachse 69 ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 dargestellt. Der Verlauf des Ionisationsstroms 82 weist ein Ionisationsstrommaximum 112 bei einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1 auf (Messung 104). Bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 ausgehend vom Ionisationsstrommaximum 112 nimmt der Ionisationsstrom 82 ab, wobei sich der Betrag der Steigung stetig vergrößert. Bevorzugt wird das Heizsystem 46 mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1.3 (Messung 108), also mit einem Luftüberschuss betrieben. Das Verfahren 54 stellt sicher, dass das Heizsystem 46 mit Luftüberschuss betrieben wird. Ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 kleiner als 1 oder befindet sich das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 zu nahe am Wert 1, so wird ein Fehlzustand 96 festgestellt.
  • Aufgrund der Fluidzufuhränderung 60 wird kurzzeitig das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 gesenkt. Hat das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 den Wert 0.85 (Messung 102), so bewirkt die Fluidzufuhränderung 60 ein Absinken des Ionisationsstroms 82 (siehe Figur 4). Damit ist das relative Signalmaximum 80 weitgehend 0. Die Signaluntergrenze 98 wird unterschritten und ein Fehlzustand 96 festgestellt. Hat das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 den Wert eins (Messung 104), so bewirkt die Fluidzufuhränderung 60 ein schwaches Absinken des Ionisationsstroms 82, da in diesem Bereich die Steigung des Graphen des Ionisationsstroms 82 ungefähr 0 ist und sich nur schwach ändert. In Messung 106 hat das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 den Wert 1.15. Es liegt ein Luftüberschuss vor, welcher nicht ausreichend groß ist. Die Fluidzufuhränderung 60 bewirkt ein Ansteigen des Ionisationsstroms 82. Das relative Signalmaximum 80 liegt unter der Signaluntergrenze 98, da der Betrag der Steigung des Graphen des Ionisationsstroms 82 im Bereich des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 der Messung 106 zu gering ist. In den Messungen 108 und 110 beträgt das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 1.3 bzw. 1.45. Der Luftüberschuss ist jeweils ausreichend. Der Betrag der Steigung des Graphen des Ionisationsstroms 82 ist in den Bereichen der Messungen 108 und 110 ausreichend groß. Die Fluidzufuhränderung 60 bewirkt jeweils ein Ansteigen des Ionisationsstroms 82. Das relative Signalmaximum 80 ist jeweils größer als die Signaluntergrenze 98. Bei den Messungen 108 und 110 wird kein Fehlzustand 96 festgestellt.
  • Im Ausführungsbeispiel wird das relative Signalmaximum 80 zwischen dem ersten Zeitpunkt 90 und dem zweiten Zeitpunkt 92 bestimmt. Die Zeitschwelle 88 ist mithilfe von Labortests so gewählt, dass unter allen Betriebszuständen und Randbedingungen, insbesondere bei allen Gebläsedrehzahlen 79 die Position des Maximums des Ionisationsstroms 82 stets zwischen dem ersten Zeitpunkt 90 und dem zweiten Zeitpunkt 92 liegt. In alternativen Varianten mit einer kleineren Zeitschwelle 88 kann das Maximum des Ionisationsstroms 82 nach dem zweiten Zeitpunkt 92 auftreten. Das im Schritt 75 ermittelte relative Signalmaximum 80 ist dann gegebenenfalls kleiner als das tatsächliche Maximum des Ionisationsstroms 82, insbesondere bei einer niedrigen Leistung des Heizsystems 46 bzw. bei niedrigen Gebläsedrehzahlen 79. Das wird in bevorzugten Varianten durch eine entsprechende Anpassung, insbesondere Absenkung der Signaluntergrenze 98, insbesondere abhängig vom Brennerleistungsparameter 77, berücksichtigt.
  • In alternativen Ausführungsformen wird die zeitliche Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße 78 ermittelt, in dem das Auftreten eines Pulses im zeitlichen Verlauf der mindestens einen Verbrennungskenngröße 78 detektiert wird. Das relative Signalmaximum 80 wird als maximaler Wert des detektierten Pulses bestimmt. Dazu wird im Schritt 75 von der Steuereinheit 18 überprüft, ob nach der Fluidzufuhränderung 60 die Verbrennungskenngröße 78 über ein Signalrauschen hinaus ansteigt. Das relative Signalmaximum 80 ist die maximale Verbrennungskenngröße 78 im Zeitbereich, in dem die Verbrennungskenngröße 78 über ein Signalrauschen hinaus ansteigt. In bevorzugten Varianten wird die Detektion des Pulses im zeitlichen Verlauf der mindestens einen Verbrennungskenngröße 78 beendet, falls die Ermittlungszeit die Zeitschwelle 88 überschreitet und kein Puls detektiert werden konnte. Dann kann kein relatives Signalmaximum 80 ermittelt werden und das Verfahren 54 wird auf dem Pfad D fortgesetzt.
  • In weiteren Ausführungsformen wird der Schritt 75 beendet, sobald die gemessene Verbrennungskenngröße 78 die Signaluntergrenze 98 überschreitet. Dann wird der Wert des relativen Signalmaximums 80 anhand der zuletzt gemessenen, die Signaluntergrenze 98 überschreitenden Verbrennungskenngröße 78 festgelegt. Das Verfahren wird dann mit dem Pfad C fortgesetzt. Erreicht im Schritt 75 die gemessene Verbrennungskenngröße 78 nicht die Signaluntergrenze 98 innerhalb der Zeitschwelle 88, wird das Verfahren mit dem Pfad C fortgesetzt. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass die benötigte Ermittlungszeit minimiert wird.
  • In besonderen Ausführungen ist die Zeitschwelle 88 eine Funktion des Brennerleistungsparameter 77. Bevorzugt vergrößerte sich die Zeitschwelle 88 bei einer Verkleinerung der Leistung des Heizsystems 46.
  • Im Ausführungsbeispiel wird die Signaluntergrenze 98 abhängig von der Gebläsedrehzahl 79 gewählt. Dazu wird von der Steuereinheit 18 eine relative Signaluntergrenze 114 bestimmt (siehe Figur 3). Die relative Signaluntergrenze 114 ist proportional zur negativen Gebläsedrehzahl 79. Auf diese Weise wird das bei niedrigen Gebläsedrehzahlen 79 höhere Signalrauschen des Ionisationsstroms 82 berücksichtigt. Im Ausführungsbeispiel liegt die relative Signaluntergrenze 114 bei 1 µA für die maximale Gebläsedrehzahl 79 und bei 10 µA für die minimale Gebläsedrehzahl 79. Typischerweise wird im Regelbetrieb eine relative Signaluntergrenze 114 zwischen 3 µA und 7 µA gewählt. Die Signaluntergrenze 98 wird aus der Summe von der relativen Signaluntergrenze 114 und dem lonisationsstromnormalwert 86 ermittelt. Der lonisationsstromnormalwert 86 nimmt im regulären Betrieb des Heizsystems 46 Werte zwischen 10 µA und 100 µA, insbesondere zwischen 30 µA und 60 µA an. In alternativen Ausführungsformen richtet sich die Wahl der Abhängigkeit der Signaluntergrenze 98 von der Gebläsedrehzahl 79 bzw. vom Brennerleistungsparameter 77 an den technischen Eigenschaften des Heizsystems 46, insbesondere an der Abhängigkeit des Signalrauschens des Ionisationsstroms 82 bzw. der Verbrennungskenngröße 78 vom Brennerleistungsparameter 77. In bevorzugten Varianten ist die relative Signaluntergrenze 114 konstant. In weiteren Varianten ist die relative Signaluntergrenze proportional zum Brennerleistungsparameter 77. In besonders bevorzugten Varianten ist die funktionale Abhängigkeit der relativen Signaluntergrenze 114 vom Brennerleistungsparameter 77 weitgehend proportional zur funktionalen Abhängigkeit einer Stärke des Signalrauschens des Ionisationsstroms 82 vom Brennerleistungsparameter 77.
  • In alternativen Ausführungsformen wird in einem zusätzlichen Schritt 116 eine zusätzliche Fluidzufuhränderung 118 erzeugt. Die zusätzlicheFluidzufuhränderung 118 ist der Fluidzufuhränderung 60 weitgehend entgegengesetzt. Auf diese Weise entspricht die mittlere Fluidzufuhrkenngröße 62 über einen Zeitraum der Fluidzufuhränderung 60 und der zusätzlichen Fluidzufuhränderung 118 weitgehend dem Normalzufuhrwert 70. In bevorzugten Ausführungsformen gleicht der Graph des zeitlichen Verlaufes der Fluidzufuhrkenngröße 62 der zusätzlichen Fluidzufuhränderung 118 dem am Normalzufuhrwert 70 gespiegelten und zeitlich verschobenen Graphen des zeitlichen Verlaufes der Fluidzufuhrkenngröße 62 der Fluidzufuhränderung 60. Dabei kann der Schritt 116 an einer beliebigen Stelle im Verfahren 54 ausgeführt werden. In Figur 6 ist eine Variante abgebildet, bei welcher der Schritt 116 nach dem Schritt 75 und vor dem Schritt 94 auf dem Pfad C bzw. nach dem Schritt 75 und vor dem Schritt 101 auf dem Pfad D ausgeführt wird. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Schritt 116 so positioniert, dass die zusätzliche Fluidzufuhränderung 118 die mit der Fluidzufuhränderung 60 korrelierten Änderung der Verbrennungskenngröße 78 nicht beeinflusst. Bevorzugt wird Schritt 116 nach dem Schritt 58 ausgeführt, besonders bevorzugt nach dem Schritt 75.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 eine Öffnungsweite 64 des Brennstoffventils 44. Anhand der vorgesehenen Öffnungsweite 64 wird von der Steuereinheit 18 ein Steuersignal an das Brennstoffventil 44 ermittelt und übermittelt. In alternativen Ausführungsformen ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 ein Steuersignal an das Brennstoffventil 44 bzw. ein vom Steuersignal ableitbarer skalarer Wert. In weiteren Varianten entspricht die Fluidzufuhrkenngröße 62 einem Steuersignal zum Dosieren einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und einer Verbrennungsluft. Dabei setzt sich das durch die Steuereinheit 18 gesendete Steuersignal aus mindestens einem Steuerbefehl an mindestens einen Dosierer 34 zusammen. Der mindestens eine Dosierer 34 ist mindestens ein Brennstoffventil 44 und/oder mindestens ein Gebläse 32. In alternativen Ausführungsformen wird ein Dosierungswert des Dosierers 34 gemessen und als Fluidzufuhrkenngröße 62 verwendet. Dabei ist unter "Dosierungswert" ein Kennwert zu verstehen, der den Zustand des Dosierers 34 beschreibt und der Rückschlüsse auf die durch den Dosierer 34 zugeführte und/oder durchgelassene Stoffmenge erlaubt. Ein Beispiel für ein Dosierungswert ist eine gemessene Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 und/oder ein gemessener Brennstofffluss.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskenngröße 78 ein Ionisationsstrom 82. Der Ionisationsstrom 82 wird durch eine Ionisationsstrommessung an einer Flamme 40 des Heizsystems 46 bestimmt. Der Ionisationsstrom 82 wird durch die Ionisationssonde 42 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. In weiteren Ausführungsformen ist die Verbrennungskenngröße 78 eine Lichtintensität, ein Lambda-Wert, ein Schadstoffausstoß und/oder eine Temperatur. Dabei wird die Lichtintensität an der Flamme 40 durch eine Fotodiode ermittelt. Der Lambda-Wert wird mit einer Lambda-Sonde in einem Abgas gemessen. Das Abgassystem 38 weist die Lambda Sonde auf. Der Schadstoffausstoß wird durch eine Sensorvorrichtung ermittelt, welche sich an der Flamme 40 und/oder im Abgassystem 38 befindet. Die Temperatur wird durch ein Kontaktthermometer und/oder ein berührungslos arbeitendes Thermometer, insbesondere ein Pyrometer bestimmt. Dabei kann sich das Thermometer im Abgassystem 38 befinden und/oder die Flamme 40 vermessen.
  • Im Ausführungsbeispiel ist der Brennerleistungsparameter 77 die Gebläsedrehzahl 79. Die Gebläsedrehzahl 79 ist ein von der Steuereinheit 18 bestimmter Kennwert, welcher ein Gebläsesteuersignal bestimmt. In alternativen Ausführungsformen ist der Brennerleistungsparameter 77 eine gemessene Gebläsedrehzahl und/oder eine Temperatur und oder eine Luftdurchflussmenge und/oder eine Durchflussmenge des Luft-Brennstoff-Gemisches. Dabei kann die Luftdurchflussmenge bzw. die Durchflussmenge des Luft-Brennstoff-Gemisches als ein Volumenfluss oder als ein Massenfluss bestimmt werden. In weiteren Ausführungsformen ist der Brennerleistungsparameter 77 eine Laufzeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft. In besonderen Varianten wird eine Laufzeit als Zeitdifferenz zwischen der Fluidzufuhränderung 60 und der mit der Fluidzufuhränderung 60 korrelierten zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße 78 bestimmt. Die Laufzeit entspricht der Zeit, welche die Mischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft benötigt, um von dem Brennstoffventil 44 zur Ionisationssonde 42 zu gelangen. Die Laufzeit ist ein Maß für die Durchflussmenge des Luft-Brennstoff-Gemisches. Diese Parameter können auch in Kombination eingesetzt werden. Dabei kann die Temperatur im Abgassystem 38 und/oder von der Flamme 40 bestimmt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel hat die Fluidzufuhränderung 60 eine weitgehend rechteckige Form. In alternativen Ausführungsformen hat die Fluidzufuhränderung 60 weitgehend die Form einer Rampe und/oderweitgehend eine Dreiecksform und/oder weitgehend die Form eines Sinus und/oder weitgehend eine Gaußform. Die aus der Fluidzufuhränderung 60 resultierende Änderung einer Konzentration des Brennstoffs im Brenner 28 hat im Allgemeinen eine andere Form als die Fluidzufuhränderung 60. Im Ausführungsbeispiel hängt die Fluidzufuhränderung 60 vom Brennerleistungsparameter 77 ab. Die Pulshöhe 74 und Pulsbreite 76 hängen jeweils linear von der Gebläsedrehzahl 79 ab. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Heizsystem 46 durch die Fluidzufuhränderung 60 nicht zu stark in seinem Regelbetrieb gestört wird. In alternativen Ausführungen weist die Fluidzufuhränderung 60 einen funktionalen Zusammenhang zum Brennerleistungsparameter 77 auf. Der funktionale Zusammenhang ist so gewählt, dass eine gute Detektion des relativen Signalmaximums 80 unter der Berücksichtigung der technischen Eigenschaften des Heizsystems 46 möglich ist. Treten beispielsweise bei bestimmten Gebläsedrehzahlen 79 Resonanzen auf, welche das Signalrauschen des Ionisationsstroms 82 vergrößern, so wird bei diesen Gebläsedrehzahlen 79 die Fluidzufuhränderung 60 erhöht.

Claims (10)

  1. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46), welches die folgenden Schritte umfasst:
    • Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung (60) einer Fluidzufuhrkenngröße (62),
    • Versuch, ein relatives Signalmaximum (80) einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung (60) korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße (78) zu ermitteln,
    • Feststellung eines Fehlzustandes (96), falls das relative Signalmaximum (80) eine Signaluntergrenze (98) unterschreitet, falls ein relatives Signalmaximum (80) ermittelt wurde,
    • Kalibrieren des Heizsystems (46), falls ein Fehlzustand (96) festgestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzufuhränderung (60) abhängig von einem Brennerleistungsparameter (77) gewählt wird.
  2. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlzustand (96) festgestellt wird, falls kein relatives Signalmaximum (80) ermittelt wurde.
  3. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaluntergrenze (98) abhängig von dem Brennerleistungsparameter (77) gewählt wird.
  4. Verfahren (54) zur Kontrolle und eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichem Schritt eine vorübergehende zeitliche zusätzliche Fluidzufuhränderung (118) erzeugt wird, wobei diese zusätzliche Fluidzufuhränderung (118) der Fluidzufuhränderung (60) weitgehend entgegengesetzt ist.
  5. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzufuhrkenngröße (62) einem Steuersignal zum Dosieren eines Brennstoffs und/oder einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft entspricht.
  6. Verfahren (54) zur Kontrolle und eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbrennungskenngröße (78) durch eine Ionisationsstrommessung an einer Flamme (40) des Heizsystems (46) bestimmt wird.
  7. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerleistungsparameter (77) eine Gebläsedrehzahl (79) ist oder von dieser abhängt und/oder ein Massenfluss einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft ist oder von diesem abhängt und/oder ein Volumenfluss einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft ist oder von diesem abhängt und/oder einer Laufzeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft ist oder von dieser abhängt.
  8. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, dass die zeitliche Fluidzufuhränderung (60) eine zumindest weitgehend rechteckige Form aufweist.
  9. Steuereinheit (18) für ein Heizsystem (46), wobei die Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, dass ein Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
  10. Heizsystem (46) mit einer Steuereinheit (18) nach Anspruch 9, mit mindestens einem Dosierer (34) für einen Brennstoff und/oder für Verbrennungsluft und/oder für eine Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft, sowie mit einer Ionisationssonde (42) an einer Flamme (40) und mit einem Gebläse (32) mit variierbarer Gebläsedrehzahl (79).
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