EP3290797B1 - Verfahren zum erfassen eines alterungszustands eines heizsystems sowie eine steuereinheit und ein heizsystem - Google Patents

Verfahren zum erfassen eines alterungszustands eines heizsystems sowie eine steuereinheit und ein heizsystem Download PDF

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EP3290797B1
EP3290797B1 EP17187709.5A EP17187709A EP3290797B1 EP 3290797 B1 EP3290797 B1 EP 3290797B1 EP 17187709 A EP17187709 A EP 17187709A EP 3290797 B1 EP3290797 B1 EP 3290797B1
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heating system
ionization
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control unit
account
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    • F23N2233/08—Ventilators at the air intake with variable speed

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting an aging condition of a heating system.
  • the invention also relates to a control unit which is designed to carry out the method according to the present invention and to a heating system with a control unit according to the present invention.
  • the invention provides a method for detecting an aging condition of a heating system.
  • a time profile of a combustion parameter in particular an ionization current, is taken into account in an ignition operation results in the advantage that the aging state is determined during the normal, intended heating operation of the heating system.
  • the heating system is always available to the user and can be operated with minimal emissions. In this way, the ease of use is increased.
  • the method has the additional advantage that the state of aging is determined immediately after a switch-on process. If an unfavorable aging condition is detected, the operation of the heating system can be at least partially restricted or, if necessary, the heating system can be shut down. In this way, operational reliability is increased.
  • Heating system is to be understood as meaning at least one device for generating thermal energy, in particular a heating device or heating burner, in particular for use in heating a building and / or for generating hot water, preferably by burning a gaseous or liquid fuel.
  • a heating system can also consist of several such devices for generating thermal energy as well as other devices that support the heating operation, such as hot water and fuel storage tanks.
  • “Aging state” is to be understood as a characteristic value, in particular a scalar characteristic value, which describes a state of the heating system.
  • the state of aging shows the extent to which the heating system can be operated.
  • the state of aging can depend on a result of a performance check of the heating system. For example, it can be checked how quickly the heating system achieves specified test performance.
  • the aging condition should take into account the condition of the components in the heating system. For example, it can be detected whether a fuel valve can be fully opened and how quickly it responds to control commands.
  • the aging condition can have the capability of a sensor system for detecting the combustion parameter.
  • the aging condition in particular the aging condition of the sensor system for recording the combustion parameter, in particular an ionization probe, is to be recorded.
  • a high or low aging condition should be understood to mean a scalar aging condition that describes an old or young system. For example, the state of aging can be described with a number between 1 and 10, where the value 1 describes a new, fully functional heating system and the value 10 describes a very old, minimally functional heating system.
  • combustion parameter is to be understood in particular as a scalar parameter which is correlated in particular with a combustion, in particular of the mixture, in particular of the combustion air and the fuel.
  • An example of a combustion parameter is an ionization current, which is measured on a flame of the heating system.
  • the presence and / or quality of the combustion can be inferred and / or the presence and / or the quality of the combustion can be determined.
  • the combustion parameter advantageously corresponds to at least one or exactly one measured value depicting and / or characterizing the combustion, or the combustion parameter can be clearly assigned to such a measured value. Examples of a measured value depicting and / or characterizing the combustion are a combustion signal, in particular a light intensity, a pollutant emission, a temperature and / or advantageously an ionization signal.
  • Ignition mode is to be understood as an operating phase of the heating system in which the fuel is ignited.
  • a fuel-air mixture is preferably ignited in a burner.
  • a fuel supply and, if necessary, an air supply are controlled or regulated in the ignition mode.
  • the ignition mode is an essential operating phase of a switch-on process for the heating system.
  • the ignition mode is advantageously ended as soon as the heating system can be operated as desired, in particular in a regular mode.
  • the method is further improved if a sink is taken into account in the course of the combustion parameter over time.
  • a “sink” is to be understood as a section of the time course of the combustion parameter in which the combustion parameter drops to a local minimum after a local maximum.
  • the local maximum and the local minimum are necessary to characterize the sink.
  • the sink can also include the further course of the combustion parameter over time, in particular an increase in the combustion parameter after the local minimum. Taking into account the sink has the advantage that the Sink correlates with the aging condition of the sensors for recording the combustion parameter.
  • the sink depth is a parameter that can be determined particularly easily and reliably. Furthermore, the sink depth is a parameter that represents the sink well. This makes the process more reliable and faster. If the combustion parameter is an ionization current, the depression depth correlates with the ohmic resistance of the ionization probe.
  • the method becomes more precise and reliable if a cooling time and / or a probe temperature of a probe for detecting the combustion parameter, in particular an ionization probe, is taken into account before the ignition operation.
  • the processes that lead to the formation of the sink are temperature-dependent.
  • the ohmic resistance of the ionization probe depends on its temperature.
  • “Cooling time” is to be understood as a time in which the probe for recording the combustion parameter was not heated.
  • the cooling time is a time in which a burner of the heating system was not operated.
  • the cooling time can be a time between a last heating operation and the ignition operation.
  • the state of aging can be greatly increased if the depression depth exceeds a previously defined, critical value. In this way, aging of the probe for detecting the combustion parameter can be taken into account to a greater extent as soon as this aging has a stronger influence on the operation of the heating system.
  • a method for defining an inspection time of the heating system in which the aging condition is detected and taken into account using a method according to the main claim, has the advantage that the inspection time is defined as required.
  • the procedure avoids unnecessary, especially early inspections.
  • An "inspection” is to be understood as a process in which the functionality of the heating system is checked. If necessary, repairs are carried out and wearing parts replaced. An inspection can at least partially restore the functionality of the heating system.
  • a method for controlling an ignition operation of the heating system in which the aging condition is detected and taken into account using a method according to the main claim, has the advantage that the functionality of the heating system can be increased in this way.
  • the ignition mode can be designed differently depending on the state of aging, so that, for example, an ionization probe with an oxidation layer that is too large for an otherwise customary ignition mode can continue to be used.
  • a fluid supply parameter in particular a valve control signal for a fuel valve
  • a valve control signal for a fuel valve is temporarily increased, in particular increased in the form of a pulse, this has the advantage that the combustion parameter can be better recorded in the ignition mode.
  • a "fluid supply parameter" is to be understood in particular as a scalar parameter which, in particular, is associated with at least one fluid, in particular a combustion air flow, a fuel flow and / or a mixture flow, which is fed to the heating system, in particular to a burner unit. is correlated in particular from a combustion air and the fuel.
  • a volume flow and / or a mass flow of the at least one fluid can be inferred and / or the volume flow and / or the mass flow of the at least one fluid can be determined, in particular by a control and / or regulating unit of the heating system, at least on the basis of the fluid supply parameter.
  • An example of a fluid supply parameter is the specification of an opening width of a fuel valve.
  • a “pulse”, a “pulse-like change” or a “pulse-shaped signal” is to be understood as a time curve of a parameter which is brought from a first value to at least a second value different from the first value within a limited time span.
  • a “pulse” is sometimes referred to as a "pulse”, especially in electrical engineering.
  • the combustion parameter is an ionization current
  • this has the advantage that the ionization current has a particularly favorable relationship to the fuel-air ratio. This allows precise and reliable regulation and / or calibration of the heating system. Furthermore, the aging of the ionization probe with the oxidation layer can be recorded particularly well. This allows reliable operation of the heating system.
  • a fluid supply parameter or the fluid supply parameter is a valve control signal for a fuel valve, this has the advantage that a particularly reliable and precise setting of a fluid supply or a fuel-air ratio is possible in this way.
  • control unit for a heating system the control unit being set up to carry out a method according to the present invention, has the advantage that the precisely known Aging condition and, if necessary, by avoiding unnecessary inspections, the availability and reliability of the heating system is increased.
  • a heating system with a control unit according to the present invention with at least one fuel valve for a fuel, with an ionization probe on a flame and with a fan with variable fan speed has the advantage that particularly safe operation of the heating system is possible due to the reliably known aging condition.
  • a heater 10 is shown schematically, which is arranged on a memory 12 in the exemplary embodiment.
  • the heater 10 has a housing 14 which accommodates different components depending on the level of equipment.
  • the essential components are a heat cell 16, a control unit 18, one or more pumps 20 as well as piping 22, cables or bus lines 24 and holding means 26 in the heater 10
  • the number and complexity of the individual components depend on the degree of equipment of the heater 10.
  • the heat cell 16 has a burner 28, a heat exchanger 30, a fan 32, a metering device 34 as well as a supply air system 36, an exhaust system 38 and, when the heat cell 16 is in operation, a flame 40.
  • An ionization probe 42 protrudes into the flame 40.
  • the metering device 34 is designed as a fuel valve 44.
  • a fan speed 54 of the fan 32 is variably adjustable.
  • the heating device 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. The components of the heating system 46 can be controlled via the communication interface 52.
  • the communication interface 52 enables data to be exchanged with external devices. External devices are, for example, control devices, thermostats and / or devices with computer functionality, for example smartphones.
  • Figure 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 special variants as a room controller for the heating system 46.
  • the control unit 18 is mobile.
  • the external control unit 18 has a communication link to the heating device 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 can consist of several components, in particular components that are not physically connected.
  • At least one or more components of the control unit 18 can be partially or entirely in the form of software that is installed on internal or external devices, in particular on mobile Computing units, for example smartphones and tablets, or servers, in particular a cloud, is executed.
  • the communication links are then corresponding software interfaces.
  • Figure 2 illustrates the embodiment of the method according to the present invention.
  • Figure 2 shows the time profile of an ionization current 56, a valve control signal 58 and the fan speed 54 on a first ordinate axis 60 during an ignition mode and afterwards.
  • a first abscissa axis 62 maps a time.
  • the control unit 18 has a fan speed characteristic which assigns the required fan speed to a desired heating output.
  • the value of the fan speed 54 describes the number of revolutions per minute of an impeller of the fan 32.
  • the fan speed characteristic is determined in the laboratory, the technical properties of the heating system 46 being taken into account.
  • the desired fan speed is set by a control loop in which an output made available to the fan 32 is varied in such a way that the detected fan speed 54 assumes the value of the desired fan speed.
  • the fan speed 54 is detected by a Hall probe on the fan 32.
  • the Hall probe records the number of revolutions of the impeller of the fan 32 per minute.
  • the detected fan speed 54 is a burner output parameter 64.
  • the ionization current 56 is an electrical current measured by the ionization probe 42 on the flame 40 of the burner 28.
  • the ionization current 56 is a combustion parameter 66.
  • the detected ionization current 56 is received by the control unit 18.
  • the ionization current 56 is largely recorded continuously.
  • the ionization current 56 is stored in the control unit 18 at least in sections as a function of time. In this way, the time course of the detected ionization current 56 can be analyzed.
  • the valve control signal 58 is a control signal which is sent to the fuel valve 44 and describes a desired opening width of the fuel valve 44.
  • the valve control signal 58 can be characterized by specifying the desired opening width of the fuel valve 44.
  • the desired opening width of the fuel valve 44 is described in the exemplary embodiment with a percentage between 0% and 100%, an opening width of 0% corresponding to a completely closed fuel valve 44 and an opening width of 100% corresponding to a completely open fuel valve 44. “Increase or decrease the valve control signal 58” means that the valve control signal 58 is changed in such a way that the desired opening width of the fuel valve 44 is increased or decreased in comparison to a last desired opening width of the fuel valve 44.
  • the valve control signal 58 is a fluid supply parameter 68.
  • An aging condition is determined from the time profile of the ionization current 56.
  • the aging condition is used in the exemplary embodiment for controlling and / or regulating the heating system 46.
  • the state of aging largely characterizes a state of the ionization probe 42.
  • the state of aging of the heating system 46 and the state of aging of the ionization probe 42 are used synonymously.
  • the term "regulating or calibrating the heating system 46" means the one-off or repeated, in particular periodic, setting of operating parameters of the heating system 46 so that the heating system 46 can largely fulfill specified and / or requested services to the full extent, in particular under variable internal and external conditions Conditions, especially with wear processes and changing edge and Environmental conditions.
  • operating parameters are to be understood as parameters which are used in particular by the control unit 18 of the heating system 46 for controlling and monitoring processes running in the heating system 46.
  • operating parameters are the fan speed 54 or the fan speed characteristic curve, a flame ionization characteristic curve or the requested or detected opening width of the fuel valve 44.
  • FIG. 2 shows how the fan speed 54 is first increased to a desired value at the beginning of the ignition mode.
  • the fuel valve 44 is opened.
  • the valve control signal 58 is opened to a starting value as quickly as possible.
  • the valve control signal 58 is then increased linearly with an angle of inclination.
  • the ionization current 56 is monitored by the control unit 18.
  • an ionization current maximum 72 is detected at a first point in time 74, the linear increase in valve control signal 58 is interrupted and valve control signal 58 is held at a constant ignition value.
  • the ionization current maximum 72 is a combustion characteristic maximum 73.
  • the control unit 18 checks whether the ionization current 56 does not differ too greatly from a nominal ionization 84. If the ionization current 56 does not differ too greatly from the nominal ionization, the ignition mode is terminated and a closed-loop mode is started.
  • the second point in time 76 is selected with a safety margin 78 stored in the control unit 18 from the first point in time 74.
  • the safety distance 78 depends on the burner output parameter 64.
  • the safety distance 78 was determined empirically in laboratory tests. The distance 78 is chosen so that the ionization current 56 can largely stabilize after ignition. In variants of the exemplary embodiment, the safety distance 78 depends on the state of aging of the ionization probe 42.
  • the ionization current 56 quickly drops to an ionization current minimum 80.
  • the ionization current minimum 80 is a combustion parameter minimum 81.
  • the ionization current 56 then rises slowly again. This characteristic course of the development of the ionization current 56 over time in the ignition mode is referred to as a sink 82.
  • the maximum ionization current 72 is 80 ⁇ A.
  • the ionization current minimum 80 is 20 ⁇ A. These values depend on the internal and external conditions of the heating system 46, in particular on the burner output parameter 64, the combustion parameter 66 and the state of aging of the ionization probe 42. Typical values for the ionization current maximum 72 are between 10 ⁇ A and 1000 ⁇ A, in particular between 20 ⁇ A and 100 ⁇ A, especially between 30 ⁇ A and 80 ⁇ A. Typical values for the ionization current minimum 80 are between 0 ⁇ A and 100 ⁇ A, in particular between 10 ⁇ A and 60 ⁇ A, in particular between 20 ⁇ A and 40 ⁇ A.
  • “Closed-loop mode” is to be understood as a control process in which a first operating parameter, which preferably corresponds to a control signal to a component of the heating system, is set in such a way that a second operating parameter largely assumes the value of a target operating parameter.
  • the first operating parameter is preferably adapted iteratively.
  • the fan speed 54 or the first burner output parameter 64 is kept largely constant in the closed-loop mode.
  • the valve control signal 58 is set in such a way that the ionization current 56 largely assumes the value of the nominal ionization 84.
  • the detected ionization current 56 is compared largely continuously with the nominal ionization 84.
  • the The current ionization current 56 is compared with the nominal ionization 84 at time intervals, preferably periodically.
  • the time intervals are preferably short compared to the time scales typical for regulating and / or controlling the heating system 46, for example between 10 ms and 10,000 ms, in particular between 100 ms and 1000 ms.
  • the nominal ionization 84 depends on the fan speed 54.
  • the required target ionization 84 is determined as a function of the fan speed 54 by means of a target ionization characteristic curve stored in the control unit 18.
  • the nominal ionization characteristic is determined by laboratory tests and adapted to the requirements of the heating system 46. It is conceivable that the nominal ionization characteristic or the nominal ionization 84 is determined by special methods during the operation of the heating system 46, in particular by methods for calibrating the heating system 46.
  • the nominal ionization 84 is a nominal combustion parameter.
  • valve control signal 58 is increased in the exemplary embodiment. If the current ionization current 56 is greater than the nominal ionization, the valve control signal 58 is lowered. In the exemplary embodiment, the valve control signal 58 is increased or decreased all the more, the greater the deviation of the current ionization current 56 from the nominal ionization 84. A linear relationship is stored in the control unit 18, to which a change in the valve control signal 58 is assigned to a difference between the ionization current 56 and the nominal ionization 84.
  • the ionization threshold is a value stored in the control unit 18 to take into account measurement inaccuracies or signal noise of the detected ionization current 56.
  • the ionization threshold depends on the burner power parameter 64.
  • the relationship stored in the control unit 18 between the difference between the ionization current 56 and the nominal ionization 84 and the change in the valve control signal 58 has the form of any desired, monotonically increasing function, in particular linear and / or quadratic and / or exponential and / or a power function.
  • the fluid supply parameter 68 is changed and / or increased or decreased to a greater extent, the greater the deviation of the currently detected combustion parameter 66 from the target combustion parameter.
  • a change in the valve control signal 58 changes a fuel-air ratio in a fuel-air mixture supplied to the burner 28.
  • the detected ionization current 56 changes as a function of the change in the valve control signal 58.
  • the valve control signal 58 can be changed iteratively in such a way that the detected ionization current 56 largely resembles the nominal ionization 84.
  • the set valve control signal 58 in which the detected ionization current 56 largely corresponds to the nominal ionization 84, is detected by the control unit 18 as a regulating value.
  • a depression depth 86 is determined to characterize depression 82.
  • the depression depth 86 is determined by subtracting the minimum combustion parameter 80 from the maximum combustion parameter 72.
  • the depression depth 86 depends on a probe temperature of the ionization probe 42 or on a cooling time.
  • the cooling time describes the time between a point in time at which a flame 40 was last present in burner 28 and a subsequent ignition point, for example the first point in time 74. The longer the cooling time, the lower the probe temperature of the ionization probe 42 or the closer it is Probe temperature at an ambient temperature.
  • Figure 3 shows the depression depth 86 as a function of cooling time.
  • a second ordinate axis 88 depicts the depression depth 86.
  • the cooling time is shown on a second axis 90 of the abscissa.
  • Two courses of the depression depth 86 are shown.
  • a first curve 92 shows the depression depth 86 of an aged ionization probe 42.
  • a second curve 94 shows the depression depth 86 of a new ionization probe 42.
  • the cooling time is 0 minutes. Both courses of the depression depth 86 have the value 0 ⁇ A at the third point in time 96.
  • the depression depth 86 increases in a strictly monotonous manner.
  • the depression depth 86 of the aged ionization probe 42 grows faster than the depression depth 86 of the new ionization probe 42.
  • the reason is a temperature dependency of an oxidation layer on the ionization probe 42.
  • An ohmic resistance of the oxidation layer increases with decreasing temperature.
  • the aged ionization probe 42 has a thicker oxidation layer than the new ionization probe 42.
  • the depression depth 86 becomes saturated as the cooling time increases.
  • the value of the depression depth 86 of the first curve 92 tends toward a first saturation value 98.
  • the value of the depression depth 86 of the second curve 94 tends toward a second saturation value 100.
  • the first saturation value 98 has a value of 90 ⁇ A.
  • the second saturation value 100 has a value of 45 ⁇ A.
  • the cooling time is taken into account in that only such a depression depth 86 is taken into account in order to record the aging state that is recorded during a cooling time that exceeds a time threshold 102.
  • the time threshold 102 is 30 minutes.
  • the time threshold 102 is a constant stored in the control unit 18.
  • the time threshold 102 is selected such that the ionization probe 42 is used under largely all operating conditions, in particular under all possible burner power parameters 64 largely cools to an ambient temperature within the time threshold 102. This ensures that the detected value of the depression depth 86 is sufficiently close to a saturation value.
  • a depression depth 86 is recorded at which the cooling time is above the time threshold 102, in the exemplary embodiment the value of depression depth 86 is recorded as the aging state of ionization probe 42.
  • the probe temperature of the ionization probe 42 is detected and taken into account.
  • a depression depth 86 can only be used to detect an aging condition if the probe temperature falls below a temperature limit.
  • the control unit 18 determines a saturation value of the depression depth 86 on the basis of the recorded depression depth 86 and the probe temperature and / or the cooling time. It is conceivable that the control unit 18 has a saturation value characteristic which assigns the saturation value to the recorded depression depth 86 and the probe temperature and / or the cooling time.
  • the saturation value characteristic can be determined empirically in laboratory tests. The saturation value characteristic takes into account the technical properties of the heating system 46, in particular the properties of the burner 28 and the ionization probe 42. In these variants, the determined saturation value of the depression depth 86 is used as the aging condition.
  • a recorded depression depth 86 is used to describe the state of aging.
  • the detected depression depth 86 is assigned an aging condition using an aging condition characteristic curve stored in the control unit 18.
  • the state of aging can assume values between 0% and 100%, for example, with a value of 0% describing an ionization probe 42 that is as good as new and a value of 100% describing an ionization probe 42 that is unusable.
  • the aging characteristic curve has been determined empirically in laboratory tests.
  • the state of aging is determined with the aid of the ionization current minimum 80.
  • the ionization current minimum 80 is smaller in the case of an aged ionization probe 42 than in the case of a new ionization probe 42.
  • the control unit 18 checks during the ignition operation whether the value of the ionization current 56 does not deviate too greatly from the nominal ionization 84. The reason is that if the ionization current 56 deviates too greatly, the closed-loop mode may not function as intended. For example, it is conceivable that the ionization current 56 in the closed loop mode takes too long to stabilize on the nominal ionization 84. It is possible for the heating system to be shut down by a safety mechanism that monitors the ionization current 56 before the ionization current 56 stabilizes in the closed-loop mode. In such a case, the operation of the heating system 46 with an excessively aged ionization probe 42 is not possible or only possible to a limited extent.
  • the lowering threshold 104 is 70 ⁇ A (see Figure 3 ). If the aging condition has a value greater than the lowering threshold 104, an inspection time is established. The currently available time is selected as the inspection time. The heating system 46 sends a message to an operator of the heating system 46 to service the heating system 46 as soon as possible.
  • the lowering threshold 104 is stored in a heating system. The lowering threshold 104 is selected in such a way that the heating system 46 is likely to remain fully functional until the inspection or maintenance takes place.
  • the aging condition is used to control the ignition operation. If the aging value exceeds the lower threshold 104, the valve control signal 58 is temporarily increased in the form of a pulse. For this purpose, an ignition point from a previous ignition operation is recorded. A relative time interval between a point in time at which the valve control signal 58 was opened to the starting value in the preceding ignition operation and the point in time of ignition is determined. A probable ignition time of the ignition operation is determined as a function of this relative time interval.
  • a flow rate is stored in the control unit 18.
  • the flow rate describes how long the fuel-air mixture flows from the fuel valve 44 to the burner 28.
  • the flow rate is determined operated in a closed-loop mode. For this purpose, given a constant burner output parameter 64, a brief, pulse-shaped change, for example an increase of 5%, is impressed on the largely constant valve control signal. The control unit 18 then detects the point in time at which this pulse-shaped change briefly increases the largely constant ionization current 56. The flow rate is correlated with the performance of the heating system 46.
  • a pulse time is determined at which the flow velocity is subtracted from the probable ignition time.
  • the valve control signal 58 is increased in the form of a pulse in the ignition mode in addition to the intended, largely ramp-avoided profile.
  • the valve control signal 58 is increased by a pulse level as quickly as possible at the time of the pulse, based on the currently available value.
  • the valve control signal 58 is then reduced by the pulse height as quickly as possible.
  • the pulse height is 10%.
  • the pulse height is dependent on the burner output parameter 64. In variants of the exemplary embodiment, the pulse height also depends on the value of the state of aging. The higher the state of aging, the higher the pulse height. Typical values for the pulse height are between 1% and 25%, in particular between 5% and 15%.
  • a fuel proportion in the fuel-air mixture is briefly increased at the time of the pulse.
  • a richer fuel-air mixture is available for a short time at the time of ignition.
  • the value of the ionization current 56 is increased, in particular the value of the ionization current minimum 80 is increased.
  • the ionization current 56 stabilizes more quickly during the nominal ionization 84. This enables a safe transition from the ignition mode to the closed-loop mode. In this way, the heating system 46 can also be used safely and reliably with an aged ionization probe 42.
  • a pulse generated at the time of the pulse in the valve control signal 58 has any other form.
  • the pulse can have the shape of a square-wave signal and / or a ramp and / or a triangular shape and / or a Gaussian shape.
  • the starting value and / or the slope angle of the valve control signal 58 is adapted when controlling the ignition mode to take account of the aging condition.
  • the start value and / or the The slope angles of the valve control signal 58 are adapted if the aging condition exceeds a lowering threshold 104.
  • the starting value and / or the pitch angle are increased compared to a starting value and / or pitch angle provided in normal operation.
  • the starting value and / or the slope angle are increased the greater the value of the aging condition.
  • At least one previous time profile of the combustion parameter 66 is taken into account in at least one previous ignition mode.
  • a previous depression depth can be recorded and stored in the control unit 18.
  • the depression depth 86 and the previous depression depths can be used; in particular, the depression depth 86 and the previous depression depths can be statistically evaluated. For example, it is conceivable that a mean value is determined from the depression depth 86 and the previous depression depths. If necessary, a weighting can be used in the averaging of the depression depth 86 and the previous depression depths, for example a weighting that is weaker the further back the respective previous depression depth was recorded. The mean value can be used as the aging condition.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Alterungszustands eines Heizsystems. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit, die zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist sowie ein Heizsystem mit einer Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 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. Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, in der ein Alterungszustand der Sensorik zur Bestimmung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses ermittelt und überwacht wird. Dazu sind spezielle Testbetriebsphasen nötig, in denen der Gasbrenner nicht für den normalen, vorgesehenen Heizbetrieb zur Verfügung steht. Zusätzlich muss der Gasbrenner in diesen Testbetriebsphasen bei unterschiedlichen Leistungsbereichen betrieben werden müssen, was einen unterwünschten Energieverbrauch und einen erhöhten Schadstoffausstoß zur Folge hat. DE10003819C1 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen eines Alterungszustands eines Heizsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Offenbarung der Erfindung Vorteile
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Erfassen eines Alterungszustands eines Heizsystems. Dadurch, dass ein zeitlicher Verlauf einer Verbrennungskenngröße, insbesondere eines lonisationsstroms, in einem Zündbetrieb berücksichtigt wird, ergibt sich der Vorteil dass der Alterungszustand während des normalen, vorgesehenen Heizbetriebs des Heizsystems ermittelt wird. Das Heizsystem steht dem Benutzer stets zur Verfügung und kann mit minimalen Emissionen betrieben werden. Auf diese Weise wird der Bedienungskomfort gesteigert. Das Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Alterungszustand unmittelbar nach einem Einschaltvorgang festgestellt wird. Sollte ein unvorteilhafter Alterungszustand erfasst werden, kann der Betrieb des Heizsystems wenigstens teilweise eingeschränkt werden oder, falls notwendig das Heizsystem heruntergefahren werden. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit erhöht.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des kapazitiven Berührungsschalters möglich.
  • Unter "Heizsystem" ist 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 "Alterungszustand" ist ein Kennwert, insbesondere ein skalarer Kennwert, zu verstehen, der einen Zustand des Heizsystems beschreibt. Der Alterungszustand bildet ab, in welchem Umfang das Heizsystem betrieben werden kann. Insbesondere kann der Alterungszustand von einem Ergebnis einer Leistungsüberprüfung des Heizsystems abhängen. Beispielsweise kann überprüft werden, wie schnell das Heizsystem vorgegebene Testleistungen erreicht. Insbesondere soll der Alterungszustand den Zustand von im Heizsystem vorhandenen Komponenten berücksichtigen. Beispielsweise kann erfasst werden, ob ein Brennstoffventil im vollem Umfang öffenbar ist und wie schnell es auf Steuerungsbefehle anspricht. Insbesondere kann der Alterungszustand eine Leistungsfähigkeit einer Sensorik zur Erfassung der Verbrennungskenngröße aufweisen. Ist die Sensorik eine Ionisationssonde, bildet sich auf einer lonisationssonde mit der Zeit eine Oxidationsschicht ab. Die Oxidationsschicht hat einen ohmschen Widerstand, welche den erfassten lonisationsstrom senkt. Das kann im Heizsystem zu Einschränkungen bei einer Regelung des Betriebs führen. Es ist notwendig, die lonisationssonde auszuwechseln, sobald die Oxidationsschicht zu dick ist. Im Verfahren gemäß des Hauptanspruchs soll der Alterungszustand insbesondere der Alterungszustand der Sensorik zur Erfassung der Verbrennungskenngröße, insbesondere einer Ionisationssonde, erfasst werden. Dabei soll unter einem hohen bzw. niedrigen Alterungszustand ein skalarer Alterungszustand verstanden werden, der ein altes bzw. junges System beschreibt. Beispielsweise kann der Alterungszustand mit einer Zahl zwischen 1 und 10 beschrieben werden, wobei der Wert 1 ein neues, im vollen Umfang funktionsfähiges Heizsystem beschreibt und der Wert 10 ein stark gealtertes, in einem minimalen Umfang funktionsfähiges Heizsystem beschreibt.
  • 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 lonisationsstrom, 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 "Zündbetrieb" ist eine Betriebsphase des Heizsystems zu verstehen, in der der Brennstoff entzündet wird. Bevorzugt wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Brenner entzündet. Insbesondere wird im Zündbetrieb eine Brennstoffzufuhr und, falls notwendig, eine Luftzufuhr gesteuert bzw. geregelt. Der Zündbetrieb ist eine wesentliche Betriebsphase eines Einschaltvorgangs des Heizsystems. Vorteilhaft wird der Zündbetrieb beendet, sobald das Heizsystem wie gewünscht betrieben werden kann, insbesondere in einem Regelbetrieb.
  • Das Verfahren wird weiter verbessert, werden eine Senke im zeitlichen Verlauf der Verbrennungskenngröße berücksichtigt wird. Unter einer "Senke" soll ein Abschnitt des zeitlichen Verlaufs der Verbrennungskenngröße verstanden werden, in den die Verbrennungskenngröße nach einem lokalen Maximum auf ein lokales Minimum abfällt. Zur Charakterisierung der Senke sind insbesondere das lokale Maximum und das lokale Minimum nötig. Die Senke kann auch den weiteren zeitlichen Verlauf der Verbrennungskenngröße umfassen, insbesondere einen Anstieg der Verbrennungskenngröße nach dem lokalen Minimum. Die Berücksichtigung der Senke hat den Vorteil, dass die Senke mit dem Alterungszustand der Sensorik zur Erfassung der Verbrennungskenngröße korreliert.
  • Wird die Senke durch eine Senkentiefe, beschrieben durch eine Differenz zwischen einem Verbrennungskenngrößenmaximum und einem Verbrennungskenngrößenminimum im Zündbetrieb, berücksichtigt, hat das den Vorteil, dass die Senkentiefe ein Parameter ist, der besonders einfach und zuverlässig ermittelt werden kann. Weiterhin ist die Senke tief ein Parameter, der die Senke gut repräsentiert. Auf diese Weise wird das Verfahren zuverlässiger und schneller. Ist die Verbrennungskenngröße ein lonisationsstrom, korreliert die Senkentiefe mit dem ohmschen Widerstand der lonisationssonde.
  • Das Verfahren wird präziser und zuverlässiger, wenn eine Abkühlzeit und/oder eine Sondentemperatur einer Sonde zur Erfassung der Verbrennungskenngröße, insbesondere einer lonisationssonde, vor dem Zündbetrieb berücksichtigt wird. Im Allgemeinen sind die Prozesse, die zur Bildung der Senke führen, temperaturabhängig. Beispielsweise hängt der ohmsche Widerstand der Ionisationssonde von ihrer Temperatur ab. Unter "Abkühlzeit" soll eine Zeit verstanden werden, in der die Sonde zur Erfassung der Verbrennungskenngröße nicht erhitzt wurde. Insbesondere ist die Abkühlzeit eine Zeit, in der ein Brenner des Heizsystems nicht betrieben wurde. Beispielsweise kann die Abkühlzeit eine Zeit zwischen einem letzten Heizbetrieb und den Zündbetrieb sein.
  • Wird berücksichtigt, ob ein Betrag der bzw. einer Senkentiefe eine Senkenschwelle überschreitet, ist das eine besonders zuverlässige und robuste Methode, den Alterungszustand zu erfassen. Beispielsweise kann der Alterungszustand stark erhöht werden, wenn die Senkentiefe einen vorher festgelegten, kritischen Wert überschreitet. Auf diese Weise kann eine Alterung der Sonde zur Erfassung der Verbrennungskenngröße stärker berücksichtigt werden, sobald diese Alterung stärkere Einflüsse auf den Betrieb des Heizsystems hat.
  • Ein Verfahren zum Festlegen eines Inspektionszeitpunktes des Heizsystems, bei dem der Alterungszustand mit einem Verfahren gemäß des Hauptanspruchs erfasst und berücksichtigt wird hat den Vorteil, dass der Inspektionszeitpunkt bedarfsgerecht festgelegt wird. Mit dem Verfahren werden unnötige, insbesondere zu frühe Inspektionen vermieden. Dabei soll unter einer "Inspektion" ein Vorgang verstanden werden, in der eine Funktionsweise des Heizsystems überprüft wird. Falls notwendig, werden Reparaturen durchgeführt und Verschleißteile erneuert. Durch eine Inspektion kann eine Funktionsfähigkeit des Heizsystems zumindest teilweise wiederhergestellt werden.
  • Ein Verfahren zum Steuern eines Zündbetriebs des Heizsystems, bei dem der Alterungszustand mit einem Verfahren gemäß des Hauptanspruchs erfasst und berücksichtigt wird hat den Vorteil, dass auf diese Weise die Funktionsfähigkeit des Heizsystems erhöht werden kann. Insbesondere kann abhängig vom Alterungszustand der Zündbetrieb anders gestaltet werden, so dass beispielsweise eine Ionisationssonde mit einer für einen sonst üblichen Zündbetrieb zu großen Oxidationsschicht weiterverwendet werden kann.
  • Wird eine Fluidzufuhrkenngröße, insbesondere ein Ventilsteuersignal für ein Brennstoffventil, vorübergehend erhöht, insbesondere pulsförmig erhöht, hat das den Vorteil, dass die Verbrennungskenngröße im Zündbetrieb besser erfasst werden kann.
  • 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.
  • Dabei ist unter einem "Puls", einer "pulsartigen Änderung" oder einem "pulsförmigen Signal" ein zeitlicher 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.
  • Ist die Verbrennungskenngröße ein lonisationsstrom, hat das den Vorteil, dass der Ionisationstrom einen besonders günstig auswertbaren Zusammenhang zum Brennstoff-Luft-Verhältnis hat. Das erlaubt eine präzise und zuverlässige Regelung und/oder Kalibrierung des Heizsystems. Weiterhin lässt sich die Alterung der Ionisationssonde mit der Oxidationsschicht besonders gut erfassen. Das erlaubt einen zuverlässigen Betrieb des Heizsystems.
  • Ist eine bzw. die Fluidzufuhrkenngröße ein Ventilsteuersignal für ein Brennstoffventil, hat das den Vorteil, dass auf diese Weise eine besonders zuverlässige und präzise Einstellung einer Fluidzufuhr bzw. eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses möglich ist.
  • Die Verwendung einer Steuereinheit für ein Heizsystem, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen, hat den Vorteil, dass durch den präzise bekannten Alterungszustand und gegebenenfalls durch das Vermeiden von unnötigen Inspektionen die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Heizsystems erhöht wird.
  • Ein Heizsystem mit einer Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, mit mindestens einem Brennstoffventil für einen Brennstoff, mit einer Ionisationssonde an einer Flamme und mit einem Gebläse mit variierbarer Gebläsedrehzahl hat den Vorteil, dass durch den zuverlässig bekannten Alterungszustand ein besonders sicherer Betrieb des Heizsystems möglich ist.
    • Zeichnungen
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des ... gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet/dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1 Beschreibung
  • In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile 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 54 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.
  • Figur 2 illustriert das Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines lonisationsstrom 56, eines Ventilsteuersignals 58 und der Gebläsedrehzahl 54 auf einer ersten Ordinatenachse 60 während eines Zündbetriebs und danach. Eine erste Abszissenachse 62 bildet eine Zeit ab.
  • Die Steuereinheit 18 weist eine Gebläsedrehzahlkennlinie auf, welche einer gewünschten Heizleistung die benötigte Gebläsedrehzahl zuordnet. Der Wert der Gebläsedrehzahl 54 beschreiben die Anzahl der Umdrehungen pro Minute eines Laufrads des Gebläses 32. Die Gebläsedrehzahlkennlinie wird im Labor ermittelt, wobei die technischen Eigenschaften des Heizsystems 46 berücksichtigt werden. Die gewünschte Gebläsedrehzahl wird durch einen Regelkreis eingestellt, bei dem eine dem Gebläse 32 zur Verfügung gestellte Leistung so variiert wird, dass die erfasste Gebläsedrehzahl 54 den Wert der gewünschten Gebläsedrehzahl annimmt. Die Gebläsedrehzahl 54 wird durch eine Hall-Sonde am Gebläse 32 erfasst. Die Hall-Sonde erfasst die Anzahl der Umdrehungen des Laufrads des Gebläses 32 pro Minute. Die erfasste Gebläsedrehzahl 54 ist ein Brennerleistungsparameter 64.
  • Der lonisationsstrom 56 ist ein von der Ionisationssonde 42 an der Flamme 40 des Brenners 28 gemessener elektrischer Strom. Der lonisationsstrom 56 ist eine Verbrennungskenngröße 66. Der erfasste lonisationsstrom 56 wird von der Steuereinheit 18 empfangen. Im Ausführungsbeispiel wird der lonisationsstrom 56 weitgehend kontinuierlich erfasst. Der lonisationsstrom 56 wird zumindest abschnittsweise als eine Funktion der Zeit in der Steuereinheit 18 gespeichert. Auf diese Weise kann der zeitliche Verlauf des erfassten Ionisationsstroms 56 analysiert werden.
  • Das Ventilsteuersignal 58 ist ein Steuersignal, welches an das Brennstoffventil 44 gesendet wird und eine gewünschte Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 beschreibt. Das Ventilsteuersignal 58 kann durch eine Angabe der gewünschten Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 charakterisiert werden. Die gewünschte Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 wird im Ausführungsbeispiel mit einer Prozentangabe zwischen 0 % und 100 % beschrieben, wobei eine Öffnungsweite von 0 % einem vollständig geschlossenen Brennstoffventil 44 entspricht und eine Öffnungsweite von 100 % einem vollständig geöffneten Brennstoffventil 44 entspricht. Mit "erhöhen bzw. senken des Ventilsteuersignals 58" ist gemeint, dass das Ventilsteuersignal 58 so geändert wird, dass die gewünschte Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 im Vergleich zur einer letzten gewünschten Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 erhöht bzw. gesenkt wird. Das Ventilsteuersignal 58 ist eine Fluidzufuhrkenngröße 68.
  • Ein Alterungszustand wird aus dem zeitlichen Verlauf des Ionisationsstroms 56 ermittelt. Der Alterungszustand wird im Ausführungsbeispiel zum Steuern und/oder Regeln des Heizsystems 46 verwendet. Der Alterungszustand charakterisiert im Ausführungsbeispiel weitgehend einen Zustand der Ionisationssonde 42 im Folgenden wird Alterungszustand des Heizsystems 46 und Alterungszustand der Ionisationssonde 42 synonym verwendet. Unter "Regeln oder Kalibrieren des Heizsystems 46" ist das einmalige oder wiederholte, insbesondere periodische, Einstellen von Betriebsparametern des Heizsystems 46 gemeint, so dass das Heizsystem 46 spezifizierte und/oder angeforderte Leistungen weitgehend im vollen Umfang 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 insbesondere von der Steuereinheit 18 des Heizsystems 46 zum Steuern und Überwachen von im Heizsystem 46 ablaufenden Prozessen verwendet werden. Beispiele für "Betriebsparameter" sind die Gebläsedrehzahl 54 bzw. die Gebläsedrehzahlkennlinie, eine Flammenionisationskennlinie oder die angeforderte oder erfasste Öffnungsweite des Brennstoffventils 44.
  • Figur 2 zeigt, wie zu Beginn des Zündbetriebs zunächst die Gebläsedrehzahl 54 auf einen gewünschten Wert erhöht wird. Sobald die erfasste Gebläsedrehzahl 54 den gewünschten Wert erreicht hat, wird das Brennstoffventil 44 geöffnet. Zunächst wird das Ventilsteuersignal 58 so schnell wie möglich auf einen Startwert geöffnet. Anschließend wird das Ventilsteuersignal 58 linear mit einem Steigungswinkel erhöht. Der lonisationsstrom 56 wird von der Steuereinheit 18 überwacht. Sobald ein Ionisationsstrommaximum 72 zu einem ersten Zeitpunkt 74 erfasst wird, wird das lineare Erhöhen des Ventilsteuersignals 58 unterbrochen und das Ventilsteuersignal 58 auf einem konstanten Zündwert gehalten. Das Ionisationsstrommaximum 72 ist ein Verbrennungskenngrößenmaximum 73.
  • An einem zweiten Zeitpunkt 76 wird von der Steuereinheit 18 überprüft, ob der lonisationsstrom 56 sich nicht zu stark von einer Sollionisation 84 unterscheidet. Unterscheidet sich der lonisationsstrom 56 nicht zu stark von der Sollionisation, wird der Zündbetrieb abgeschlossen und ein Closed-Loop-Modus gestartet. Der zweite Zeitpunkt 76 wird mit einem in der Steuereinheit 18 hinterlegten Sicherheitsabstand 78 zum ersten Zeitpunkt 74 gewählt. Der Sicherheitsabstand 78 hängt vom Brennerleistungsparameter 64 ab. Der Sicherheitsabstand 78 wurde in Labortests empirisch ermittelt. Der sich als Abstand 78 ist so gewählt, dass sich der lonisationsstrom 56 nach der Zündung weitgehend stabilisieren kann. In Varianten des Ausführungsbeispiels hängt der Sicherheitsabstand 78 vom Alterungszustand der Ionisationssonde 42 ab. Nach dem Ansteigen auf das lonisationsstrommaximum 72 bei der Zündung sinkt der lonisationsstrom 56 schnell auf ein lonisationsstromminimum 80 ab. Das lonisationsstromminimum 80 ist ein Verbrennungskenngrößenminimum 81. Anschließend steigt der lonisationsstrom 56 wieder langsam. Dieser charakteristische Verlauf der zeitlichen Entwicklung des lonisationsstroms 56 im Zündbetrieb wird als eine Senke 82 bezeichnet.
  • Im Ausführungsbeispiel liegt das lonisationsstrommaximum 72 bei 80 µA. Das lonisationsstromminimum 80 liegt bei 20 µA. Diese Werte hängen von inneren und äußeren Bedingungen des Heizsystems 46 ab, insbesondere vom Brennerleistungsparameter 64, der Verbrennungskenngröße 66 und dem Alterungszustand der lonisationssonde 42. Typische Werte für das lonisationsstrommaximum 72 liegen zwischen 10 µA und 1000 µA, insbesondere zwischen 20 µA und 100 µA, insbesondere zwischen 30 µA und 80 µA. Typische Werte für das lonisationsstromminimum 80 liegen zwischen 0 µA und 100 µA, insbesondere zwischen 10 µA und 60 µA, insbesondere zwischen 20 µA und 40 µA.
  • Zum zweiten Zeitpunkt 76 beginnt in Figur 2 der Closed-Loop-Modus. Unter "Closed-Loop-Modus" soll ein Regelprozess verstanden werden, bei dem ein erster Betriebsparameter, welcher bevorzugt einem Stellsignal an eine Komponente des Heizsystems entspricht, so eingestellt wird, dass ein zweiter Betriebsparameter weitgehend den Wert eines Sollbetriebsparameters annimmt. Bevorzugt wird der erste Betriebsparameter iterativ angepasst. Im Ausführungsbeispiel wird im Closed-Loop-Modus die Gebläsedrehzahl 54 bzw. der erste Brennerleistungsparameter 64 weitgehend konstant gehalten. Das Ventilsteuersignal 58 wird so eingestellt, dass der lonisationsstrom 56 weitgehend den Wert der Sollionisation 84 annimmt. Im Closed-Loop-Modus wird der erfasste lonisationsstrom 56 weitgehend kontinuierlich mit der Sollionisation 84 verglichen. In alternativen Ausführungsformen wird der aktuelle lonisationsstrom 56 in Zeitintervallen mit der Sollionisation 84 verglichen, bevorzugt periodisch. Bevorzugt sind die Zeitintervalle kurz gegenüber für eine Regelung und/oder Steuerung des Heizsystems 46 typischen Zeitskalen, beispielsweise zwischen 10 ms und 10.000 ms, insbesondere zwischen 100 ms und 1000 ms. Die Sollionisation 84 hängt von der Gebläsedrehzahl 54 ab. Im Ausführungsbeispiel wird die benötigte Sollionisation 84 abhängig von der Gebläsedrehzahl 54 durch eine in der Steuereinheit 18 hinterlegte Sollionisationkennlinie ermittelt. Die Sollionisationskennlinie wird durch Laborversuche ermittelt und an die Anforderungen des Heizsystems 46 angepasst. Es ist denkbar, dass die Sollionisationkennlinie bzw. die Sollionisation 84 durch besondere Verfahren im Betrieb des Heizsystems 46 ermittelt wird, insbesondere durch Verfahren zum Kalibrieren des Heizsystems 46. Die Sollionisation 84 ist eine Sollverbrennungskenngröße.
  • Ist der aktuelle erfasste lonisationsstrom 56 kleiner als die Sollionisation, wird im Ausführungsbeispiel das Ventilsteuersignal 58 erhöht. Ist der aktuelle lonisationsstrom 56 größer als die Sollionisation, wird das Ventilsteuersignal 58 gesenkt. Im Ausführungsbeispiel wird das Ventilsteuersignal 58 umso stärker erhöht bzw. gesenkt, je größer die Abweichung des aktuellen Ionisationsstroms 56 von der Sollionisation 84 ist. In der Steuereinheit 18 ist ein linearer Zusammenhang hinterlegt, welcher einer Differenz des lonisationsstrom 56 zur Sollionisation 84 eine Änderung des Ventilsteuersignal 58 zugeordnet. Ist ein Betrag der Differenz des Ionisationsstroms 56 zur Sollionisation 84 kleiner als eine lonisationsschwelle, wird das Ventilsteuersignal 58 nicht verändert. Die Ionisationsschwelle ist ein in der Steuereinheit 18 hinterlegter Wert zur Berücksichtigung von Messungenauigkeiten bzw. eines Signalrauschen des erfassten Ionisationsstroms 56. Im Ausführungsbeispiel hängt die Ionisationsschwelle vom Brennerleistungsparameter 64 ab.
  • In Varianten der bevorzugten Ausführungsform hat der in der Steuereinheit 18 hinterlegte Zusammenhang zwischen der Differenz des lonisationsstrom 56 zur Sollionisation 84 und der Änderung des Ventilsteuersignals 58 die Form einer beliebigen, monoton steigenden Funktion, insbesondere linear und/oder quadratisch und/oder exponentiell und/oder einer Potenzfunktion. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Fluidzufuhrkenngröße 68 umso stärker verändert und/oder erhöht bzw. gesenkt, je größer die Abweichung der aktuelle erfassten Verbrennungskenngröße 66 von der Sollverbrennungskenngröße ist.
  • Durch eine Veränderung des Ventilsteuersignals 58 ändert sich ein Brennstoff-Luft-Verhältnis in einer dem Brenner 28 zugeführten Brennstoff-Luft-Mischung. Der erfasste lonisationsstrom 56 ändert sich in Abhängigkeit von der Veränderung des Ventilsteuersignals 58 auf diese Weise kann das Ventilsteuersignal 58 iterativ so verändert werden, dass der erfasste lonisationsstrom 56 weitgehend der Sollionisation 84 gleicht. Das eingestellte Ventilsteuersignal 58, bei dem der erfasste lonisationsstrom 56 weitgehend der Sollionisation 84 gleicht, wird von der Steuereinheit 18 als Regelwert erfasst.
  • Im Ausführungsbeispiel wird zur Charakterisierung der Senke 82 eine Senkentiefe 86 ermittelt. Die Senkentiefe 86 wird ermittelt, indem vom Verbrennungskenngrößenmaximum 72 das Verbrennungskenngrößenminimum 80 subtrahiert wird. Die Senkentiefe 86 hängt von einer Sondentemperatur der Ionisationssonde 42 bzw. von einer Abkühlzeit ab. Die Abkühlzeit beschreibt die Zeit zwischen einem Zeitpunkt an dem in Brenner 28 zum letzten Mal eine Flamme 40 vorhanden war und einem danach folgenden Zündzeitpunkt, beispielsweise dem ersten Zeitpunkt 74. Je länger die Abkühlzeit, umso geringer die Sondentemperatur der Ionisationssonde 42 bzw umso näher liegt die Sondentemperatur an einer Umgebungstemperatur.
  • Figur 3 zeigt die Senkentiefe 86 als Funktion der Abkühlzeit. Eine zweite Ordinatenachse 88 bildet die Senkentiefe 86 ab. Die Abkühlzeit ist auf einer zweiten Abszissenachse 90 gezeigt. Es sind zwei Verläufe der Senkentiefe 86 gezeigt. Ein erster Verlauf 92 zeigt die Senkentiefe 86 einer gealterten Ionisationssonde 42. Ein zweiter Verlauf 94 zeigt die Senkentiefe 86 einer neuwertigen Ionisationssonde 42. Bei einem dritten Zeitpunkt 96 beträgt die Abkühlzeit 0 Minuten. Beide Verläufe der Senkentiefe 86 haben zum dritten Zeitpunkt 96 den Wert 0 µA. Mit steigender Abkühlzeit steigt die Senkentiefe 86 streng monoton an. Die Senkentiefe 86 der gealterten Ionisationssonde 42 wächst schneller als die Senkentiefe 86 der neuwertigen Ionisationssonde 42. Der Grund ist eine Temperaturabhängigkeit einer Oxidationsschicht auf den Ionisationssonde 42. Ein ohmscher Wiederstand der Oxidationsschicht steigt mit sinkender Temperatur. Die gealterte Ionisationssonde 42 weist eine dickere Oxidationsschicht als die neuwertige Ionisationssonde 42 auf.
  • Mit größer werdender Abkühlzeit nähert sich die Sondentemperatur der Ionisationssonde einer Umgebungstemperatur an. Die Senkentiefe 86 saturiert wird größer werdender Abkühlzeit. Der Wert der Senkentiefe 86 des ersten Verlaufs 92 strebt gegen einen ersten Saturationswert 98. Der Wert der Senkentiefe 86 des zweiten Verlaufs 94 strebt gegen einen zweiten Saturationswert 100. Der erste Saturationswert 98 hat einen Wert von 90 µA. Der zweite Saturationswert 100 hat einen Wert von 45 µA.
  • Im Ausführungsbeispiel wird die Abkühlzeit berücksichtigt, indem zum Erfassen des Alterungszustandes nur eine solche Senkentiefe 86 berücksichtigt wird, die bei einer Abkühlzeit erfasst wird, die eine Zeitschwelle 102 überschreitet. Die Zeitschwelle 102 beträgt im Ausführungsbeispiel 30 Minuten. Die Zeitschwelle 102 ist eine in der Steuereinheit 18 hinterlegte Konstante. Die Zeitschwelle 102 ist so gewählt, dass unter weitgehend allen Betriebsbedingungen, insbesondere unter allen möglichen Brennerleistungsparameter 64, die Ionisationssonde 42 innerhalb der Zeitschwelle 102 weitgehend auf eine Umgebungstemperatur abkühlt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der erfasste Wert der Senkentiefe 86 ausreichend nahe an einem Saturationswert liegt.
  • Wird eine Senkentiefe 86 erfasst bei der die Abkühlzeit über der Zeitschwelle 102 liegt, wird im Ausführungsbeispiel der Wert der Senkentiefe 86 als Alterungszustand der Ionisationssonde 42 erfasst. Je größer der Wert der Senkentiefe 86 bzw. des Alterungszustandes, umso weiter fortgeschritten ist eine Alterung der Ionisationssonde 42 bzw umso ausgeprägter ist eine Oxidationsschicht der Ionisationssonde 42.
  • In alternativen Ausführungsformen ist es denkbar, dass beim Erfassen der Senkentiefe 86 die Sondentemperatur der Ionisationssonde 42 erfasst und berücksichtigt wird. Beispielsweise kann eine Senkentiefe 86 nur dann zum Erfassen eines Alterungszustandes verwendet werden, wenn die Sondentemperatur eine Temperaturgrenze unterschreitet.
  • In besonderen Ausführungsformen wird beim Erfassen der Senkentiefe 86 die Sondentemperatur und/oder die Abkühlzeit erfasst. Anschließend wird durch die Steuereinheit 18 anhand der erfassten Senkentiefe 86 und der Sondentemperatur und/oder der Abkühlzeit ein Saturationswert der Senkentiefe 86 ermittelt. Es ist denkbar, dass die Steuereinheit 18 eine Saturationswertkennlinie aufweist, welche der erfassten Senkentiefe 86 und der Sondentemperatur und/oder der Abkühlzeit den Saturationswert zuordnet. Die Saturationswertkennlinie kann empirisch in Laborversuchen ermittelt werden. Die Saturationswertkennlinie berücksichtigt die technischen Eigenschaften des Heizsystems 46, insbesondere die Eigenschaften des Brenners 28 und der Ionisationssonde 42. In diesen Varianten wird der ermittelte Saturationswert der Senkentiefe 86 als Alterungszustand verwendet.
  • Im Ausführungsbeispiel wird eine erfasste Senkentiefe 86 zur Beschreibung des Alterungszustands verwendet. In Varianten des Ausführungsbeispiels wird der erfassten Senkentiefe 86 mit einer in der Steuereinheit 18 hinterlegten Alterungszustandskennlinie ein Alterungszustand zugeordnet. Der Alterungszustand kann beispielsweise Werte zwischen 0 % und 100 % annehmen, wobei ein Wert von 0 % eine neuwertige Ionisationssonde 42 und ein Wert von 100 % eine unbenutzbare Ionisationssonde 42 beschreibt. Die Alterungszustandskennlinie ist empirisch in Laborversuchen ermittelt worden. In weiteren Ausführungsformen wird der Alterungszustand mithilfe des Ionisationsstromminimums 80 ermittelt. Das Ionisationsstromminimum 80 ist bei einer gealterten Ionisationssonde 42 kleiner als bei einer neuwertigen Ionisationssonde 42.
  • Im Ausführungsbeispiel wird während des Zündbetriebs von der Steuereinheit 18 überprüft, ob der Wert des lonisationsstrom 56 nicht zu stark von der Sollionisation 84 abweicht. Der Grund ist, dass bei einem zu stark abweichenden lonisationsstrom 56 möglicherweise der Closed-Loop-Modus nicht wie vorgesehen funktioniert. Beispielsweise ist es denkbar, dass der lonisationsstrom 56 im Closed-Loop-Modus zu lang gebraucht, um sich auf der Sollionisation 84 zu stabilisieren. Es ist möglich, dass das Heizsystem durch einen Sicherheitsmechanismus, der den lonisationsstrom 56 überwacht heruntergefahren wird, bevor sich der lonisationsstrom 56 im Closed-Loop-Modus stabilisiert. In einem solchen Fall ist der Betrieb des Heizsystems 46 mit einer zu stark gealterten Ionisationssonde 42 nicht oder nur eingeschränkt möglich. Im Ausführungsbeispiel wird überprüft, ob der Alterungszustand bzw. die Senkentiefe 86 bei einer Abkühlzeit größer als die Zeitschwelle 102 eine Senkenschwelle 104 überschreitet. Die Senkenschwelle 104 beträgt im Ausführungsbeispiel 70 µA (siehe Figur 3). Hat der Alterungszustand einen Wert größer als die Senkenschwelle 104, wird ein Inspektionszeitpunkt festgelegt. Als Inspektionszeitpunkt wird die aktuell vorliegende Zeit gewählt. Das Heizsystem 46 gesendet an einem Betreiber des Heizsystems 46 eine Nachricht, das Heizsystem 46 so schnell wie möglich zu warten. Die Senkenschwelle 104 einem Heizsystem hinterlegt Wert. Die Senkenschwelle 104 Ist so gewählt, dass das Heizsystem 46 noch voraussichtlich bis zur stattfindenden Inspektion bzw. Wartung im weitgehend vollen Umfang funktionsfähig bleibt.
  • Im Ausführungsbeispiel wird der Alterungszustand zum Steuern des Zündbetriebs verwendet. Überschreitet der Alterungswert die Senkenschwelle 104, wird das Ventilsteuersignal 58 vorübergehend pulsförmig erhöht. Dazu wird ein Zündzeitpunkt aus einem vorhergehenden Zündbetrieb erfasst. Es wird ein relativer Zeitabstand zwischen einem Zeitpunkt, an dem das Ventilsteuersignal 58 im vorhergehenden Zündbetrieb auf den Startwert geöffnet wurde und dem Zündzeitpunkt ermittelt. In Abhängigkeit von diesem relativen Zeitabstand ein voraussichtlicher Zündzeitpunkt des Zündbetrieb ermittelt.
  • In der Steuereinheit 18 ist eine Fließgeschwindigkeit hinterlegt. Die Fließgeschwindigkeit beschreibt, wie lange das Brennstoff-Luft-Gemisch vom Brennstoffventil 44 zum Brenner 28 fließt. Im Ausführungsbeispiel wird die Fließgeschwindigkeit in einem Closed-Loop-Modus betrieben ermittelt. Dazu wird bei einem konstanten Brennerleistungsparameter 64 auf das weitgehend konstante Ventilsteuersignal eine kurzzeitige, pulsförmig Änderung, beispielsweise eine Erhöhung um 5 %, auf geprägt. Anschließend erfasst die Steuereinheit 18, zu welchem Zeitpunkt diese pulsförmige Änderung den weitgehend konstanten lonisationsstrom 56 kurzzeitig erhöht. Die Fließgeschwindigkeit ist mit der Leistung des Heizsystems 46 korreliert.
  • Im Ausführungsbeispiel wird ein Pulszeitpunkt ermittelt, in dem vom voraussichtlichen Zündzeitpunkt die Fließgeschwindigkeit subtrahiert wird. Zum Pulszeitpunkt wird das Ventilsteuersignal 58 zusätzlich zum vorgesehenen, weitgehend Rampen vermieden Verlauf im Zündbetrieb pulsförmig erhöht. Das Ventilsteuersignal 58 wird zum Pulszeitpunkt ausgehend vom aktuell vorhandenen Wert so schnell wie möglich um eine Pulshöhe erhöht. Anschließend wird das Ventilsteuersignal 58 so schnell wie möglich um die Pulshöhe gesenkt. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Pulshöhe 10 %. Die Pulshöhe ist abhängig vom Brennerleistungsparameter 64. In Varianten des Ausführungsbeispiels hängt die Pulshöhe zusätzlich vom Wert des Alterungszustands ab. Je höher der Alterungszustand, umso höher die Pulshöhe. Typische Werte für die Pulshöhe liegen zwischen 1 % und 25 %, insbesondere zwischen 5 % und 15 %.
  • Auf diese Weise wird zum Pulszeitpunkt kurzfristig ein Brennstoffanteil im Brennstoff-Luft-Gemisch erhöht. Zum Zündzeitpunkt steht kurzfristig ein fetteres Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verfügung. Der Wert des Ionisationsstroms 56 wird erhöht, insbesondere wird der Wert des Ionisationsstromminimums 80 erhöht. Der lonisationsstrom 56 stabilisiert sich schneller bei der Sollionisation 84. Das ermöglicht einen sicheren Übergang vom Zündbetrieb in den Closed-Loop-Modus. Auf diese Weise kann das Heizsystem 46 auch mit einer gealterten Ionisationssonde 42 sicher und zuverlässig verwendet werden.
  • In Varianten des Ausführungsbeispiels ist es denkbar, dass ein zum Pulszeitpunkt erzeugter Puls im Ventilsteuersignal 58 eine beliebige andere Form hat. Insbesondere kann der Puls die Form eines Rechtecksignals und/oder einer Rampe und/oder eine Dreiecksform und/oder eine Gaußform haben.
  • In weiteren Varianten wird zur Berücksichtigung des Alterungszustandes der Startwert und/oder der Steigungswinkel des Ventilsteuersignals 58 beim Steuern des Zündbetriebs angepasst. Der Startwert und/oder der Steigungswinkel des Ventilsteuersignals 58 werden angepasst, wenn der Alterungszustand eine Senkenschwelle 104 übersteigt. Der Startwert und/oder der Steigungswinkel werden im Vergleich zu einem im üblichen Betrieb vorgesehenen Startwert und/oder Steigungswinkel erhöht. In besonderen Varianten werden der Startwert und/oder der Steigungswinkel umso stärker erhöht, je größer der Wert des Alterungszustands ist.
  • In alternativen Varianten wird zum Erfassen des Alterungszustandes des Heizsystems 46 bzw. der Sonde zur Erfassung der Verbrennungskenngröße 66 wenigstens ein vorheriger zeitlicher Verlauf der Verbrennungskenngröße 66 in wenigsten einem vorherigen Zündbetrieb berücksichtigt. Auf diese Weise kann eine zeitliche Entwicklung berücksichtigt werden. Beispielsweise kann in mehreren vorherigen Zündbetrieben eine vorherige Senkentiefe erfasst und in der Steuereinheit 18 abgelegt werden. Zur Ermittlung des Alterungszustandes können die Senkentiefe 86 und die vorherigen Senkentiefen verwendet werde, insbesondere können die Senkentiefe 86 und die vorherigen Senkentiefen statistisch ausgewertet werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass aus der Senkentiefe 86 und den vorherigen Senkentiefen ein Mittelwert ermittelt wird. Falls notwendig, kann bei der Mittelung der Senkentiefe 86 und der vorherigen Senkentiefen eine Gewichtung verwendet werden, beispielsweise eine umso schwächere Gewichtung, je weiter eine Erfassung der jeweiligen vorherigen Senkentiefe zurückliegt. Der Mittelwert kann als Alterungszustand verwendet werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Erfassen eines Alterungszustands eines Heizsystems (46), dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf einer Verbrennungskenngröße (66), insbesondere eines Ionisationsstroms (56), in einem Zündbetrieb berücksichtigt wird, wobei der Zündbetrieb eine wesentliche Betriebsphase eines Einschaltvorgangs des Heizsystems ist.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Senke (82) im zeitlichen Verlauf der Verbrennungskenngröße (66) berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke (82) durch eine Senkentiefe (86), beschrieben durch eine Differenz zwischen einem Verbrennungskenngrößenmaximum (73) und einem Verbrennungskenngrößenminimum (81) im Zündbetrieb, berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abkühlzeit und/oder eine Sondentemperatur einer Sonde zur Erfassung der Verbrennungskenngröße (66), insbesondere einer lonisationssonde (42), vor dem Zündbetrieb berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass berücksichtig wird, ob ein Betrag der bzw. einer Senkentiefe (86) eine Senkenschwelle (104) überschreitet.
  6. Verfahren zum Festlegen eines Inspektionszeitpunktes des Heizsystems (46), dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erfasst und berücksichtigt wird.
  7. Verfahren zum Steuern eines Zündbetriebs des Heizsystems (46), dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erfasst und berücksichtigt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidzufuhrkenngröße (68), insbesondere ein Ventilsteuersignal (58) für ein Brennstoffventil (44), vorübergehend erhöht wird, insbesondere pulsförmig erhöht wird.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine bzw. die Fluidzufuhrkenngröße (68) ein Ventilsteuersignal (58) für ein Brennstoffventil (44) ist und/oder die Verbrennungskenngröße (66) ein lonisationsstrom (56) ist.
  10. Steuereinheit (18) für ein Heizsystem (46), wobei die Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
  11. Heizsystem (46) mit einer Steuereinheit (18) nach Anspruch 10, mit mindestens einem Brennstoffventil (44) für einen Brennstoff, mit einer lonisationssonde (42) an einer Flamme (40) und mit einem Gebläse (32) mit variierbarer Gebläsedrehzahl (54).
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