EP3290801A1 - Verfahren zur kontrolle eines brennstoff-luft-verhältnisses in einem heizsystem sowie eine steuereinheit und ein heizsystem - Google Patents

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EP3290801A1
EP3290801A1 EP17187664.2A EP17187664A EP3290801A1 EP 3290801 A1 EP3290801 A1 EP 3290801A1 EP 17187664 A EP17187664 A EP 17187664A EP 3290801 A1 EP3290801 A1 EP 3290801A1
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fluid supply
new
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heating system
fuel
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Jan Koudijs
Danny Leerkes
Jan Westra
Bram JASPERS
Sjoerd Reijke
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Robert Bosch GmbH
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N2227/20—Calibrating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2233/00—Ventilators
    • 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 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 volume flow 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 initially increased or decreased over the period of the fluid supply change and then regulated to the largely constant value of the fluid supply parameter before the beginning of the fluid supply change.
  • the fluid supply change is associated with a short-term increase in a per unit time to the burner unit supplied amount of fluid.
  • 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 understood to be a time profile of a parameter which is brought from a first value within a limited time period to at least one second value different from the first value.
  • a “pulse” is sometimes referred to as “pulse”, especially in electrical engineering.
  • a “new fluid delivery change” is understood to mean a fluid delivery change that is generated in the current iteration of the process.
  • a “last Fluidzubowsung” should a Designate fluid supply change from at least one iteration of the method carried out before, preferably from an iteration of the method carried out immediately before.
  • 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 control and / or regulating unit of the heating system at least on the basis of the combustion characteristic to a presence and / or quality of the combustion are concluded and / or the presence and / or the quality of the combustion can be determined.
  • the combustion size corresponds to at least one or exactly one measurement value representing the combustion and / or characterizing the combustion characteristic, such as a combustion signal and, in particular, a light intensity , a pollutant emission, a temperature and / or advantageously an ionization signal.
  • a “maximum signal” is to be understood as meaning the maximum amplitude of the combustion parameter in a time period correlated with the temporal change of the fluid supply parameter.
  • a signal maximum may be the maximum amplitude of a pulse of the combustion characteristic.
  • the signal maximum is in particular a measure of the change in the combustion characteristic due to the fluid supply change.
  • a signal maximum can be understood to mean an "absolute signal maximum” which assumes the value of the combustion parameter at the maximum.
  • a maximum signal can be understood as meaning a "relative signal maximum”. which describes a height of the maximum with respect to a normal value of the combustion parameter.
  • a relative signal maximum may be equal to the absolute signal maximum minus a largely constant value of the combustion parameter before a period of time correlated with the temporal change of the fluid supply parameter or the value of the combustion parameter at the beginning of this period.
  • a “new signal maximum” is to be understood as meaning a signal maximum that is determined in the current iteration of the method.
  • a “last signal maximum” is intended to denote a signal maximum from at least one iteration of the method carried out before, preferably from an iteration of the method carried out immediately before.
  • a method step is to be understood in which a signal maximum of a temporal change correlated with the temporal fluid change is measured or determined by at least one combustion parameter.
  • methods of data processing or data evaluation can also be provided.
  • different subsequent steps can be selected in the further course of the method, if necessary and / or desired.
  • error reaction is to be understood as a measure with which a faulty state of the heating system is reacted so that at least potential damage to the heater, its users and its environment is avoided as far as possible.
  • the fault condition will at least partially correct and / or correct the fault condition.
  • An error reaction may be, for example, a switching off of the heater or the implementation of a method, in particular a calibration of the heating system.
  • faulty state is meant a state of the heating system in which the operation is not possible in the intended frame. These include defects and malfunctions as well as a non-optimal or unfavorable operation. Examples of 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.
  • Examples of a 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.
  • 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 changing 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.
  • the method has the advantage that the actual fuel-air ratio is largely checked without additional emissions.
  • the fuel-air ratio is also referred to as lambda value. Only one Deviation from the intended fuel-air ratio, an error reaction is carried out in which, for example, the heating system is calibrated. In this way the pollutant emissions are reduced.
  • the method has the additional advantage that it can be carried out during normal operation of the heating system. The method is only a brief intervention in the control of the heating system, in which only small fluid supply changes are made compared to possible total fluid supply changes in the operation of the heating system.
  • the fact that the fluid supply change is produced as a function of a last signal maximum has the advantage that the fluid supply change is largely selected with an optimum size or strength. In this way, the reliability of the process is increased and emissions associated with the fluid feed change minimized.
  • this has the advantage that the correlation between the at least one combustion parameter and the fuel / air ratio, which is generally dependent on a burner output, is taken into account. In this way, the decision as to whether the error variable is taken into account and whether possibly an error reaction is carried out becomes particularly precise and reliable.
  • burner performance parameters is to be understood in particular to mean a parameter which is correlated with the power, in particular a heating power, of the heating system.
  • the power, in particular heating power of the heating system can be determined.
  • 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 new fluid supply change is increased compared to a last change in fluid supply if the last signal maximum falls below the signal lower limit and / or the new fluid supply change is reduced compared to the last fluid supply change, if the last signal maximum does not fall below the lower signal limit.
  • the new signal maximum requires a new fluid supply change of a certain minimum size to assume a correct value needed to control the fuel-air ratio. This minimum size depends on operating parameters and other internal and external conditions. If the fluid supply change clearly exceeds the minimum size, a larger amount of fluid, for example fuel, is unnecessarily transported.
  • the last signal maximum exceeds the signal lower limit, the last change in fluid supply is probably too large. If the last signal maximum does not exceed the signal lower limit, the last fluid supply change is probably too small or there may be a fault condition. If, for example, the fuel-air ratio is too low, the new signal maximum will not approach the signal lower limit even by a successive increase in the new fluid supply change. It is envisaged in the procedure that too many successive underruns of Lower signal limit by the new signal maximum, for example, characterized by a sufficiently high value of the error variable or a sufficiently rapid growth of the error variable, lead to the execution of an error response. In this way, a maximum size of the new fluid supply change is limited.
  • a supply increase of the new fluid supply change in a subset of the signal lower limit by the last maximum signal from the amount is almost twice as large as a supply reduction of the new fluid supply change at a lower limit of the signal maximum by the last signal maximum.
  • a "supply increase” or “supply reduction” is a measure of the increase or decrease in the new fluid supply change in comparison to the last fluid supply change to understand.
  • the supply change may be a height difference by which a pulse representing the fluid supply change is changed in the course of time of the fluid supply parameter.
  • the size of the new fluid supply change is optimized particularly favorable.
  • 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, as there is an ionization current at a flame and the fuel-air ratio is a functional relationship, which is particularly favorable evaluable.
  • the method is further improved if the burner performance parameter is or depends on a fan speed.
  • the fan speed can be easily and reliably determined and provides a good estimate of the burner performance.
  • 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 an incorrect adjustment of the fuel-air ratio, the Durability of the heating system is increased, malfunctions are avoided and thus safety is increased. 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 metering device is provided for adjusting, regulating and / or conveying 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 doser for Fuel may advantageously be designed as a fuel pump, in particular throughput variable, 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 parameter.
  • 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.
  • An ionization probe 42 protrudes into the flame 40.
  • the metering device 34 is designed as a fuel valve 44.
  • a fan speed 112 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.
  • the method 54 is repeated periodically in the exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows an iteration of the method 54 and a first step of the following iteration (dashed rectangle).
  • a temporally new fluid supply change 60 of a fluid supply parameter 62 generated.
  • the new fluid supply change 60 is selected as a function of a last signal maximum 64.
  • the fluid supply parameter 62 is an intended opening width 66 of the metering device 34.
  • the opening width 66 is a percentage, with an opening width 66 of 0% corresponding to a completely closed fuel valve 44 and an opening width 66 of 100% describing a fully opened fuel valve 44.
  • the control unit 18 a relationship between the opening width 66 and a necessary control signal is stored.
  • the intended opening width 66 is converted by a selection of the control signal and transmission of this control signal to the fuel valve 44 by the control unit.
  • the opening 66 describes a request that is communicated to the fuel valve 44.
  • the new fluid supply change 60 is in FIG. 3 displayed.
  • the first abscissa axis 68 represents a time.
  • the ordinate axis 70 shows the fluid supply parameter 62 and an ionization flow 72.
  • the new fluid supply change 60 runs in a substantially rectangular pulse.
  • the fluid supply characteristic 62 has a normal value 74.
  • the opening width 66 is increased as quickly as possible to a maximum supply value 76 at a first time 86. Thereafter, the opening 66 is lowered to the normal value 74 as quickly as possible.
  • An in FIG. 3 Imaged new pulse height 78 is 16%.
  • An in FIG. 3 Imaged pulse width 80 is 120 ms.
  • the fluid supply change 60 is dependent on the last signal maximum 64.
  • the last signal maximum 64 is determined in each case in the preceding iteration of the method 54.
  • the last signal maximum 64 describes a maximum of the ionization current 72 in the preceding iteration of the method 54 minus the ionization current normal value 100 (see FIG FIG. 3 and description below).
  • the last one Signal maximum 64 a relative value of the ionization current 72.
  • the control unit 18 compares the last signal maximum 64 with a lower signal boundary 82.
  • the lower signal limit 82 is in the exemplary embodiment, a stored in the control unit 18 positive constant. In the exemplary embodiment, the signal lower limit 82 has the value 7 ⁇ A.
  • the signal lower limit 82 has a value between 1 ⁇ A and 20 ⁇ A, preferably 5 ⁇ A and 10 ⁇ A. If the last signal maximum 64 is smaller than the signal lower limit 82, then the new fluid supply change 60 is increased compared to a last fluid supply change 84.
  • the last fluid delivery change 84 is a fluid delivery change from the previous iteration of the method 54 (see FIG FIG. 3 ).
  • the last fluid supply change 84 runs in a substantially rectangular pulse with the pulse width 80 and a last pulse height 88. In the in FIG. 3
  • the new fluid supply change 60 is increased by a feed increase 90 compared to the last fluid supply change 84.
  • the feed increase 90 is a constant stored in the control unit 18 and has the value of a fluid supply parameter 62 or an opening width 66. In the exemplary embodiment, the feed increase 90 has a value of 4%.
  • the last pulse height 88 has a value of 12%.
  • the new pulse height 78 for the new fluid supply change 60 is determined from the sum of the last pulse height 88 and the feed increase 90.
  • the new fluid supply change 60 is lowered in comparison to the last fluid supply change 84.
  • a supply reduction 92 is stored (see FIG. 2 ).
  • the supply reduction 92 is a constant with the value 2%. If the last signal maximum is not less than the lower signal limit 82, the new pulse height 78 is determined by subtracting the feed reduction 92 from the last pulse height 88.
  • a new signal maximum 96 is determined (see FIG. 2 ).
  • the new signal maximum 96 is a maximum signal of a correlated with the new Fluidzubow selectedung 60 temporal change of a combustion characteristic 98.
  • the combustion parameter 98 in the embodiment of the ionization 72.
  • the ionization 82 is determined by the ionization probe 42 to the flame 40 and transmitted to the control unit 18.
  • the time profile of the ionization current 72 has the new signal maximum 96 (see FIG. 3 and explanation below).
  • the new signal maximum 96 is a value of the ionization current 72 relative to the ionization current normal value 100.
  • the ionization current normal value 100 describes an average, largely constant value of the ionization current 72 which was not directly influenced by a fluid supply change.
  • the ionization current standard value 100 is determined, in which the average ionization current 72 measured over the pulse width 80 is determined.
  • the ionization current normal value 100 is determined as the value of the ionization current 72 at the first time 86.
  • Typical values of the ionization current normal value 100 during operation of the heating system 46 are between ten ⁇ A and 100 ⁇ A, in particular between 30 ⁇ A and 60 ⁇ A.
  • the new signal maximum 96 is determined, in which the ionization current 72 is measured over a determination time and stored in the control unit 18. The largest value of the ionization current 72 occurring within the determination time is selected minus the ionization current normal value 100 as the new signal maximum 96.
  • the determination time has the length of a stored in the control unit 18 Time threshold 102.
  • the discovery time begins to run at the first time 86 and ends at a second time 104 (see FIG FIG. 3 ).
  • the time threshold 102 is 2 seconds. In variants, a time threshold 102 between 1 second and 7 seconds is selected.
  • an error variable 108 is increased if the new signal maximum 96 falls below the signal lower limit 82.
  • the error variable 108 is a value stored in the control unit 18. In the exemplary embodiment, the error variable 108 has an integer value.
  • the error variable 108 is continued in the exemplary embodiment from iteration to iteration of the method 54. If the error variable 108 has a certain value at the end of the last step of an iteration, then the error variable 108 has the same value at the beginning of the first step of the next iteration.
  • the control unit 18 compares the new signal maximum 96 with the lower signal limit 82. If the new signal maximum 96 is smaller than the lower signal limit 82, the error variable 108 is increased by 1. If the new signal maximum 96 is greater than or equal to the lower signal limit 82, the error variable 108 is set to the value 0.
  • an error response 110 is executed.
  • the execution of the error response 110 and the type of error response 110 are dependent on the error variable 108. If the error variable 108 in the exemplary embodiment has a value less than 4, no error reaction 110 is executed.
  • the present iteration of method 54 is ended and the next iteration is performed.
  • the error variable 108 has the value 4
  • the heating system 46 is calibrated as a fault reaction 110. In this case, the heating system 46 is driven in a special operating mode, in which the sensors and Analysis, in particular the ionization probe 42 and stored in the control unit 18 characteristics, which determine a target value for controlling the opening width 66 with the ionization 72 as a controlled variable, be reset and tuned. In this way, the determination of the fuel-air ratio 56 is improved. If necessary, when calibrating heating system 46 as fault reaction 110, heating system 46 or the processes and / or processes performed by heating system 46 are at least partially reinitialized or restarted.
  • the heating system 46 is shut down as a fault reaction 110.
  • Variants of the embodiment may have the critical value of the error variable 108 for performing a calibration and / or shutting down the heating system 46 to any other values.
  • no error response 110 is executed. This allows oscillation of the new pulse height 78 and the size of the new fluid supply change 60 by an optimum value.
  • random variations in the ionization current 72 and / or changes in the ionization current 72 due to variations in internal and external conditions that typically occur during normal scheduled operation and, in particular, may not require correction by an error response 110 may be considered.
  • first a calibration of the heating system 46 is performed before the heating system 46 is shut down.
  • the new signal maximum 96 from the present iteration becomes the last maximum signal 64.
  • the new fluid change 60 from the present iteration becomes the last one Fluid delivery change 84 in the subsequent iteration.
  • the values of the new signal maximum 96 and of the new fluid supply change 60 or of the new pulse height 78 stored in the control unit 18 before the execution of a step 58 of the subsequent iteration as the last signal maximum 64 and as the last fluid supply change 84 or as the last pulse height 88 stored by the control unit 18.
  • FIG. 4 illustrates the operating principle of the method 54.
  • FIG. 4 shows the relationship between the ionization flow 72 and the fuel-air ratio 56 at a constant fan speed 112 (see FIG FIG. 2 ).
  • the blower speed 112 is a characteristic value determined by the control unit 18, which determines a blower control signal.
  • the blower control signal is sent from the control unit 18 to the blower 32 and determines a speed of the area 32.
  • the blower speed 112 is a measure of a power of the heating system 46.
  • the ordinate axis 70 plots the ionization flow 72.
  • abscissa 114 the fuel-air ratio 56 is shown.
  • the course of the ionization stream 72 has an ionization current maximum 116 at a fuel / air ratio 56 of 1.
  • the heating system 46 is operated with an excess of air, ie with a fuel-air ratio 56 greater than 1, preferably with a fuel-air ratio 56 between 1.2 and 1.4, particularly preferably with a fuel-air ratio 56 of 1.3.
  • the method 54 ensures that the heating system 46 is operated with a sufficiently high excess air.
  • the fuel-air ratio 56 is briefly reduced. If the fuel-air ratio 56 has a value less than or equal to 1, then the fluid supply change 60 causes the ionization flow 72 to decrease (see FIG FIG. 4 ). Thus, the new signal maximum 96 is largely 0, in particular independent of the size of the new fluid supply change 60. The signal lower limit 82 is exceeded and the error variable 108 is increased. If necessary, an error response 110 is executed.
  • the fuel-air ratio 56 is greater than 1 but close to 1.
  • the Fluidzubow shortung 60 causes an increase in the ionization current 72.
  • the new signal maximum 96 is then below the lower signal limit 82, since the Amount of the slope of the graph of the ionization current 72 in the region of the ionization current maximum 116 is low or the ionization current 72 has a flat course (see FIG. 4 ). For this reason, an increase in the new fluid supply change 60 or the new pulse height 78 does not cause a sufficient increase in the new signal maximum 96.
  • the error variable 108 is increased and finally an error response 110 is executed.
  • the new fluid supply change 60 causes a greater increase in the ionization current 72, since there the magnitude of the slope of the graph of the ionization 72 is sufficiently large.
  • the new signal maximum 96 is then greater than the lower signal limit 82 if the new fluid supply change 60 is large enough. If the new fluid supply change 60 is too small, the new signal maximum 96 may fall below the lower signal limit 82. In this case, the new fluid supply change causes 60 despite the large increase of the ionization stream 72 only a small change in the fuel-air ratio 56, so that the ionization 72 changes only slightly.
  • the error variable 108 is increased, resulting in an increase in the new pulse height 78 in the next iteration of the method 54. In this way, a sufficient size of the new fluid supply change 60 is achieved in the next iteration or in one of the subsequent iterations, so that the new signal maximum 96 does not fall below the signal lower limit 82. In the exemplary embodiment, the error variable 108 is reset to 0, since a sufficiently high fuel-air ratio 56 has been determined.
  • FIG. 5 schematically shows twelve consecutive iterations of the method 54.
  • the first axis of abscissa 68 represents a time.
  • the fluid supply parameter 62 and the ionization 72 are shown on the ordinate axis 70.
  • the respective new fluid supply changes 60 and associated changes in the ionization current 72 are shown schematically as vertical lines and each show the new pulse height 78 and respectively the new signal maximum 96 compared to the signal lower limit 82.
  • the new signal maximum 96 is significantly greater than the signal lower limit 82.
  • the new fluid delivery change 60 of the first iteration 118 is higher than necessary.
  • the size of the new fluid supply change 60 and the new pulse height 78 is optimized. Since the new signal maximum 96 in each case exceeds the signal lower limit 82, in the subsequent iterations the new pulse height 78 is lowered by the feed reduction 92, so that the new signal maximum 96 also decreases. In a fifth iteration 120, for the first time, the new signal maximum 96 undershoots the signal lower limit 82. In the following sixth iteration 122, the new fluid supply change 60 in FIG Compared to the last fluid supply change 84 increased by the feed increase 90. The new signal maximum 96 exceeds the signal lower limit 82. In the exemplary embodiment, the amount of supply increase 90 is twice as large as the amount of supply decrease 92. For this reason, the new fluid supply change 60 must be decreased in the two subsequent iterations until the new signal maximum 96 in FIG the eighth iteration 124 falls below the signal lower limit 82.
  • the value of the error variable 108 is checked in step 58. If the error variable 108 is 0, the new fluid supply change 60 is decreased compared to the last fluid supply change 84. If the error variable 108 has a value greater than 0, the new fluid supply change 60 is increased compared to the last fluid supply change 84. In this way, the dependence of the new fluid supply change 60 from the last signal maximum 64 to a check of the new signal maximum 96 from the previous iteration of the method 54 in the previous step 106 is returned.
  • the error variable 108 is incremented in step 106 if the new signal maximum 96 falls below the signal lower limit 82 and otherwise left constant. In step 110 and, if necessary, in step 58, it is checked in each case whether and / or how much the error variable 108 has changed in comparison with the last iteration. In further embodiments, at step 106, the error variable 108 is incremented by any value other than 1. In such embodiments, the corresponding limits for the error variable 108 are adjusted to determine a respective error response 110, respectively. It is conceivable that a magnitude of the increase of the error variable 108 depends on a measure of a deviation of the new signal maximum 96 from the signal lower limit 82.
  • the new fluid delivery change 60 and / or the lower signal limit 82 depend on a burner performance parameter 126, such as the fan speed 112.
  • the pulse width 80 depends on the burner performance parameter 126.
  • the pulse width 80 increases linearly with the fan speed 112. Between a minimum fan speed and a maximum fan speed, the pulse width 80 assumes values in an interval between 50 ms and 200 ms.
  • the new pulse height 78 depends at least in part on the burner performance parameter 126. For example, in step 58, first a provisional pulse height can be determined as a function of the fan speed 112. In particular embodiments, the preliminary pulse height increases linearly with the Blower speed 112 on.
  • the preliminary pulse height assumes values at an interval between 5% and 25%, preferably between 10% and 20%.
  • the new pulse height 78 is determined from the provisional pulse height as a function of the last signal maximum 64. It is conceivable, for example, that the control unit 18 determines a value by comparing the last signal maximum 64 with the lower signal limit 82, which value is added to the provisional pulse height or subtracted therefrom to determine the new pulse height 78. It is also conceivable that the control unit 18 by a comparison of the last signal maximum 64 with the signal lower limit 82, a factor, in particular greater or less than one, determined, which is multiplied to determine the new pulse height 78 with the provisional pulse height.
  • the control unit 18 determines the new fluid supply change 60 or the new pulse height 78 and the pulse width 80 as a function of the burner output parameter 126 and the last signal maximum 64.
  • a fluid supply change function can be stored in the control unit 18, which assigns the new fluid supply change 60 or the new pulse height 78 and pulse width 80 to the last signal maximum 64 and the fan speed 112 or the burner output parameter 126 as input parameters.
  • the fluid supply change function can be experimentally determined in laboratory experiments.
  • the fluid feed change function may be in the form of a map which divides the ranges of the fan speed 112 and the burner power parameter 126 and the new pulse height 78 into intervals at least and associates the appropriate new fluid supply change 60 with these intervals.
  • the fluid supply change function may also be an analytical, in particular rational, function. It is conceivable that the fluid supply change function on a self learning or intelligent algorithm based, for example, on an artificial neural network.
  • the signal lower limit 82 has a constant value. In alternative embodiments, it is conceivable that the signal lower limit depends on the burner performance parameter 126. In particular embodiments, the signal lower limit 82 is selected depending on the fan speed 112. For example, the signal lower limit 82 may be selected in proportion to the negative fan speed 112. In this way, a higher signal noise of the ionization current 72 at low fan speed 112 is taken into account.
  • the lower signal limit 82 may assume values between 1 ⁇ A and 10 ⁇ A between a maximum fan speed and a minimum fan speed. Typically, in a control mode, a lower signal limit 82 is selected between 3 ⁇ A and 7 ⁇ A.
  • the choice of the dependence of the signal lower limit 82 of the fan speed 112 and the burner performance parameter 126 depends on the technical characteristics of the heating system 46, in particular on a dependence of the signal noise of the ionization 72 and the combustion parameter 98 of the fan speed 112 and the Burner power parameter 126.
  • 112 resonances occur at certain fan speeds, which increase the signal noise of the ionization 72.
  • the new signal maximum 96 is determined as a relative value of the ionization current 72 with respect to the ionization current normal value 100.
  • the new signal maximum 96 may be an absolute value of the ionization current 72.
  • the signal lower limit 82 is determined in dependence on the ionization current normal value 100.
  • a threshold value can be stored in the control unit 18, from which the signal lower limit 82 is determined in total with the ionization current normal value 100.
  • the signal lower limit 82 is redetermined in each iteration of the method 54 and, if necessary, in individual steps of the method 54.
  • the threshold value may depend on one or more operating parameters, in particular on a burner output parameter 126, in particular on the fan speed 112.
  • the signal lower limit 82 is determined by multiplying the ionization current standard value 100 by the threshold value.
  • the threshold has a value greater than 1, preferably between 1.01 and 1.2, more preferably between 1.05 and 1.1.
  • the signal lower limit is determined as a function of the current setpoint value for the ionization flow 72.
  • the desired value is derived as a function of the desired fuel / air ratio 56 and the fan speed 112 from characteristics stored in the control unit 18 (see description of the error reaction 110 above).
  • the signal lower limit 82 can be determined by multiplying the setpoint value by a threshold value or adding it to a threshold value.
  • a signal lower limit function can be stored in the control unit 18, which assigns the signal lower limit 82 to the ionization current standard value 100 and / or the desired value and / or the fan speed 112 as input parameter.
  • the lower limit function can be experimentally determined in laboratory experiments.
  • the lower limit function may be in the form of a map or table containing the Value range or the value ranges ionisationsstromnormalwert 100 and / or the setpoint and / or the fan speed 112 at least divided into intervals and these intervals the appropriate lower limit signal 82 assigns.
  • the signal lower limit function can also be an analytical, in particular rational function. It is conceivable that the signal lower limit function is based on a self-learning or intelligent algorithm, for example on an artificial neural network.
  • the increase or decrease of the new fluid supply change 60 compared to the last fluid supply change 84 is implemented by increasing or decreasing the new pulse height 78 compared to the last pulse height 88.
  • the new fluid supply change 60 is increased or decreased compared to the last fluid supply change 84, in which a new pulse width is increased or decreased compared to a last pulse width.
  • other parameters characterizing the new fluid supply change 60 may be changed in order to increase or decrease the new fluid supply change 60.
  • an incline of the ramp may be increased or decreased.
  • several different parameters characterizing the new fluid supply change 60 are varied, for example the new pulse height 78 and a new pulse width.
  • the feed increase 90 has the constant value 4% and the feed reduction 92 the constant value 2%.
  • the supply increase 90 and / or the supply reduction 92 have other values, which may be adapted in particular to the technical properties of the heating system 46.
  • the new fluid supply change 60 is determined by a relative or percentage increase or decrease of the last fluid supply change 84.
  • the new pulse height 78 may be determined by a percentage increase or decrease in the last pulse height 88.
  • the feed boost 90 may be 1.2 and the feed reduction 92 may be 0.8.
  • the new pulse height 78 is determined as the product of the last pulse height 88 with the feed increase 90 if the last signal maximum 64 falls below the signal lower limit 82.
  • the new pulse height 78 is determined as the product of the last pulse height 88 with the feed reduction 92 if the last signal maximum 64 does not fall below the signal lower limit 82.
  • the delivery increase 90 and / or the delivery effect 92 depend on operating parameters of the heating system 46, in particular on the burner performance parameter 126, more preferably on the fan speed 112.
  • changes in operating condition or power demand to the heating system 46 may quickly occur or with a few iterations of the method 54, a new largely optimal new fluid supply change 60 can be determined.
  • the increase or decrease of the new fluid supply change 60 compared to a last fluid supply change 84 is dependent on how much the last signal maximum 64 differs from the lower signal limit 82. It is particularly advantageous if the size of the increase or decrease in the new fluid supply change 60 in the Compared to a last change in the fluid supply 84, the greater the magnitude of the difference between the last signal maximum 64 and the lower signal limit 82. In this way, strong deviations of the last signal maximum 64 from the lower signal limit 82 can be corrected quickly or with a few iterations of the method 54. Small deviations of the last signal maximum 64 from the signal lower limit 82 allow a precise optimization of the new fluid supply change 60 by small changes in the new fluid supply change 60.
  • the supply increase 90 and / or the feed reduction 92 can be linearly the amount of the difference between the last signal maximum 64 and the signal lower limit 82 depend.
  • the advantageous case occurs in which the new fluid supply change 60 of the last Fluidzubow short 84 is largely equal when the last maximum signal 64 of the signal lower limit 82 is substantially equal.
  • a minimum new fluid supply change and a maximum new fluid supply change are stored in the control unit 18.
  • a new fluid supply change 60 is made which does not exceed the minimum new fluid supply change and does not exceed the maximum new fluid supply change. In this way, it is ensured that the new fluid supply change 60 is large enough to control the fuel-air ratio 56, and that the new fluid supply change 60 is not too large.
  • the feed increase 90 is substantially twice as large as the feed counterbore 92.
  • the feed increment 90 is greater than the feed reduction 92 by an amount which is between 1 and 10, preferably between 2 and 8, more preferably between 4 and 6.
  • the last signal maximum 64 is a signal maximum of the immediately preceding iteration of the method 54 (see FIG FIG. 3 ).
  • the last signal maximum 64 is a signal maximum, which is in a 2 to 6, preferably 3 or 4 past iterations of the method 54. It is also conceivable that the last maximum signal 64 takes into account a plurality of signal maxima from previous iterations, for example, an average signal maximum the last 2 to 3 iterations of the method 54.
  • the feed increment 90 is greater than the feed reduction 92 by the amount by a factor of 4, and the final signal maximum 64 is the signal maximum of the penultimate iteration of the method 54.
  • the fluid supply parameter 62 is a desired or intended opening width 66 of the fuel valve 44. Based on the intended opening width 66, the control unit 18 sends a control signal determined and transmitted 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.
  • "dosing 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 98 is an ionization stream 72.
  • the ionization stream 72 is determined by an ionization current measurement on a flame 40 of the heating system 46.
  • the ionization current 72 is determined by the ionization probe 42 and transmitted to the control unit 18.
  • the combustion parameter 98 is a light intensity, a lambda value, a pollutant emission 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 determined. The thermometer may be located in the exhaust system 38 and / or the flame 40 measured.
  • the burner power parameter 126 is the fan speed 112.
  • the fan speed 112 is a characteristic value determined by the control unit 18, which determines a fan control signal.
  • the burner performance parameter 126 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 126 is a transit time of a combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air.
  • 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 is determined as the time difference between the new fluid supply change 60 and the change in the combustion characteristic 98 which is correlated with the new 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 a flow rate of the air-fuel mixture.
  • a transit time of a combustion air and / or a mixture of a fuel and combustion air can be determined particularly easily and inexpensively.
  • These parameters may also be used in combination around a burner performance parameter 126 to determine or define. In this case, the temperature in the exhaust system 38 and / or from the flame 40 can be determined.
  • the new fluid supply change 60 has a substantially rectangular shape.
  • the new fluid supply change 60 is largely in the form of a ramp and / or a triangular shape and / or substantially the shape of a sine and / or largely Gaussian and / or largely the shape of a Dirac pulse.
  • a "Dirac pulse” is to be understood as a fluid supply change in which the fluid supply parameter 62 is increased from the normal value 74 to the maximum supply value 76 as quickly as possible and is subsequently lowered to the normal value 74 as quickly as possible.
  • the fluid supply change function determines a form of the new fluid supply change 60.
  • the fluid supply change function assigns the new fluid supply change 60 to at least the last maximum signal 64 and the burner output parameter 126 and optionally other operating parameters.
  • an optimized form of the new fluid supply change 60 can be selected in particular for each operating state. For example, it is possible that in low power ranges a Dirac pulse as a new Fluidzubow shortung 60 is particularly advantageous, for example, because the heating system 46 is not disturbed too much in its normal operation, while in larger power ranges a rectangular shape is cheaper because the determination of new signal maximum is simplified.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem, welches die folgenden Schritte umfasst: €¢ Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung (60) einer Fluidzufuhrkenngröße (62) in Abhängigkeit von einem letzten Signalmaximum (64), €¢ Ermitteln eines neuen Signalmaximum (96) einer mit der zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung (60) korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße (98), €¢ Erhöhen einer Fehlervariable, falls das neue Signalmaximum (96) eine Signaluntergrenze (82) unterschreitet, €¢ Ausführen einer Fehlerreaktion, insbesondere Kalibrieren und/oder Herunterfahren des Heizsystems, in Abhängigkeit von der Fehlervariable. 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
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung einer Fluidzufuhrkenngröße in Abhängigkeit von einem letzten Signalmaximum,
    • Ermitteln eines neuen Signalmaximum einer mit der zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße,
    • Erhöhen einer Fehlervariable, falls das neue Signalmaximum eine Signaluntergrenze unterschreitet,
    • Ausführen einer Fehlerreaktion, insbesondere Kalibrieren und/oder Herunterfahren des Heizsystems, in Abhängigkeit von der Fehlervariablen.
  • 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 Fluidzufuhränderung ist mit einer kurzzeitigen Erhöhung einer pro Zeiteinheit zur Brennereinheit zugeführten Fluidmenge verbunden. 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 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.
  • Das Verfahren ist dazu vorgesehen, wiederholt ausgeführt zu werden, insbesondere periodisch. Unter einer "neuen Fluidzufuhränderung" soll eine Fluidzufuhränderung verstanden werden, die in der aktuellen Iteration des Verfahrens erzeugt wird. Eine "letzte Fluidzufuhränderung" soll eine Fluidzufuhränderung aus wenigsten einer davor durchgeführten Iteration des Verfahrens bezeichnen, bevorzugt aus einer unmittelbar davor durchgeführten Iteration des Verfahrens.
  • 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 Verbrennungske"nngröße 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 Ionisationssignal.
  • Unter einem "Signalmaximum" ist die maximale Amplitude der Verbrennungskenngröße in einem mit der zeitlichen Änderung der Fluidzufuhrkenngröße korrelierten Zeitraum zu verstehen. Ein Signalmaximum kann die maximale Amplitude eines Pulses der Verbrennungskenngröße sein. Das Signalmaximum ist insbesondere ein Maß für die Änderung der Verbrennungskenngröße aufgrund der Fluidzufuhränderung. Dabei kann unter einem Signalmaximum ein "absolutes Signalmaximum" verstanden werden, welches den Wert der Verbrennungskenngröße am Maximum annimmt. Unter einem Signalmaximum kann ein "relatives Signalmaximum" verstanden werden, welches eine Höhe des Maximums bezüglich eines Normalwerts der Verbrennungskenngröße beschreibt. Beispielsweise kann ein relatives Signalmaximum gleich dem absoluten Signalmaximum abzüglich eines weitestgehend konstanten Werts der Verbrennungskenngröße vor einem mit der zeitlichen Änderung der Fluidzufuhrkenngröße korrelierten Zeitraum bzw. der Wert der Verbrennungskenngröße zu Beginn dieses Zeitraums sein. Unter einem "neuen Signalmaximum" soll ein Signalmaximum verstanden werden, das in der aktuellen Iteration des Verfahrens ermittelt wird. Ein "letztes Signalmaximum" soll ein Signalmaximum aus wenigstens einer davor durchgeführten Iteration des Verfahrens bezeichnen, bevorzugt aus einer unmittelbar davor durchgeführten Iteration des Verfahrens.
  • Unter "Ermitteln" eines neuen Signalmaximums einer mit der zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße, soll ein Verfahrensschritt verstanden werden, in welchem ein Signalmaximum einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße gemessen bzw. festgestellt wird. Dabei können auch Methoden der Datenverarbeitung bzw. Datenauswertung vorgesehen sein. Abhängig vom Ergebnis bzw. Wert des Signalmaximums können im weiteren Verlauf des Verfahrens optional unterschiedliche folgende Schritte ausgewählt werden, falls das notwendig und/oder erwünscht ist.
  • Unter einer "Fehlerreaktion" soll eine Maßnahme verstanden werden, mit welcher auf einen Fehlzustand des Heizsystems reagiert wird, so dass zumindest potentieller Schaden am Heizgeräts, seinen Benutzern und seiner Umgebung so weit wie möglich vermieden wird. Bevorzugt wird durch die Fehlerreaktion der Fehlzustand zumindest teilweise korrigiert und/oder behoben wird. Eine Fehlerreaktion kann beispielsweise ein Ausschalten des Heizgerät sein oder die Durchführung eines Verfahrens, insbesondere einer Kalibrierung des Heizsystems. Unter "Fehlzustand" ist ein Zustand des Heizsystems gemeint, in dem der Betrieb nicht im vorgesehen Rahmen möglich ist. Dazu gehören Defekte und Störungen sowie ein nicht optimaler bzw. unvorteilhafter 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 "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 Leistung 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.
  • Das Verfahren 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 eine Fehlerreaktion ausgeführt, in welcher beispielsweise das Heizsystem kalibriert wird. Auf diese Weise wird der Schadstoffausstoß reduziert. Das 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 letzten Signalmaximum erzeugt wird, hat den Vorteil, dass die Fluidzufuhränderung weitgehend mit einer optimalen Größe bzw. Stärke gewählt wird. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht und mit der Fluidzufuhränderung verbundenen Emissionen minimiert.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch möglich.
  • Wird bzw. werden die neue Fluidzufuhränderung und/oder die Signaluntergrenze abhängig von einem Brennerleistungsparameter gewählt, hat das 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 die Entscheidung, ob die Fehlervariable berücksichtigt wird und ob möglicherweise eine Fehlerreaktion ausgeführt wird besonders präzise und zuverlässig.
  • Unter "Brennerleistungsparameter" soll insbesondere eine Kenngröße verstanden werden, welche mit der Leistung, insbesondere einer 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.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die neue Fluidzufuhränderung im Vergleich zu einer letzten Fluidzufuhränderung erhöht, falls das letzte Signalmaximum die Signaluntergrenze unterschreitet und/oder die neue Fluidzufuhränderung im Vergleich zu der letzten Fluidzufuhränderung gesenkt, falls das letzte Signalmaximum die Signaluntergrenze nicht unterschreitet. Auf diese Weise kann die Größe der neuen Fluidzufuhränderung bzw. die Größe der mit ihr verbundenen Änderung der pro Zeiteinheit zur Brennereinheit transportierten Fluidmenge optimiert werden. Das neue Signalmaximum benötigt eine neue Fluidzufuhränderung von einer bestimmten Mindestgröße, um einen korrekten, zur Kontrolle des Brennstoff-Luft-Verhältnis benötigten Wert anzunehmen. Diese Mindestgröße hängt von Betriebsparametern und weiteren inneren und äußeren Bedingungen ab. Übersteigt die Fluidzufuhränderung die Mindestgröße deutlich, wird unnötigerweise eine größere Fluidmenge, beispielsweise Brennstoff, transportiert. Überschreitet das letzte Signalmaximum die Signaluntergrenze, ist die letzte Fluidzufuhränderung wahrscheinlich zu groß. Überschreitet das letzte Signalmaximum die Signaluntergrenze nicht, ist die letzte Fluidzufuhränderung wahrscheinlich zu klein oder es kann ein Fehlzustand vorliegen. Ist beispielsweise das Brennstoff-Luft-Verhältnis zu niedrig, wird sich das neue Signalmaximum auch durch eine sukzessive Erhöhung der neuen Fluidzufuhränderung nicht der Signaluntergrenze annähern. Es ist im Verfahren vorgesehen, dass zu viele hintereinander folgende Unterschreitungen der Signaluntergrenze durch das neue Signalmaximum, beispielsweise charakterisiert durch einen genügend hohen Wert der Fehlervariable oder einem genügend schnellem Wachstum der Fehlervariable, zum Ausführen einer Fehlerreaktion führen. Auf diese Weise ist eine maximale Größe der neuen Fluidzufuhränderung beschränkt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Zufuhrerhöhung der neuen Fluidzufuhränderung bei einer Unterschreitung der Signaluntergrenze durch das letzte Signalmaximum vom Betrag weitgehend doppelt so groß wie eine Zufuhrsenkung der neuen Fluidzufuhränderung bei einer Nichtunterschreitung der Signaluntergrenze durch das letzte Signalmaximum. Dabei ist unter einer "Zufuhrerhöhung" bzw. "Zufuhrsenkung" ein Maß für die Erhöhung bzw. Senkung der neuen Fluidzufuhränderung im Vergleich zur letzten Fluidzufuhränderung zu verstehen. Beispielsweise kann die Zufuhränderung ein Höhenunterschied sein, um den ein die Fluidzufuhränderung darstellender Puls im zeitlichen Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße verändert wird. In dieser Ausführungsform wird die Größe der neuen Fluidzufuhränderung besonders günstig optimiert.
  • 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. Die Gebläsedrehzahl lässt sich einfach und zuverlässig bestimmen und liefert eine gute Abschätzung der Brennerleistung.
  • Weist die neue 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 Verbrennungskenngröße 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 Verfahrens zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung und des Heizsystems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1 eine schematische Darstellung des Heizsystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
    • Figur 2 das Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung,
    • Figur 3 eine schematische Darstellung einer Fluidzufuhränderung und einer zeitlichen Änderung von einer Verbrennungskenngröße,
    • Figur 4 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit des Ionisationsstroms vom Brennstoff-Luft-Verhältnis und
    • Figur 5 eine schematische Darstellung von Fluidzufuhränderungen und entsprechenden zeitlichen Änderungen der Verbrennungskenngröße für mehrere nacheinander folgende Iterationen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    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 112 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. Das Verfahren 54 wird im Ausführungsbeispiel periodisch wiederholt. Figur 2 zeigt eine Iteration des Verfahrens 54 und einen ersten Schritt der darauf folgenden Iteration (gestricheltes Rechteck). Im Ausführungsbeispiel wird in einem Schritt 58 eine zeitliche neue Fluidzufuhränderung 60 einer Fluidzufuhrkenngröße 62 erzeugt. Die neue Fluidzufuhränderung 60 wird in Abhängigkeit von einem letzten Signalmaximum 64 gewählt. Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 eine vorgesehene Öffnungsweite 66 des Dosierers 34. Die Öffnungsweite 66 ist eine Prozentangabe, wobei eine Öffnungsweite 66 von 0 % einem vollständig geschlossenen Brennstoffventil 44 entsprich und eine Öffnungsweite 66 von 100 % ein vollständig geöffnetes Brennstoffventil 44 beschreibt. In der Steuereinheit 18 ist ein Zusammenhang zwischen der Öffnungsweite 66 und einem dafür nötigen Steuersignal hinterlegt. Die vorgesehene Öffnungsweite 66 wird durch eine Auswahl des Steuersignals und Übertragung dieses Steuersignals an das Brennstoffventil 44 durch die Steuereinheit umgesetzt. Die Öffnungsweite 66 beschreibt eine Anforderung, welche an das Brennstoffventil 44 übermittelt wird.
  • Die neue Fluidzufuhränderung 60 ist in Figur 3 abgebildet. Die erste Abszissenachse 68 stellt eine Zeit dar. Auf der Ordinatenachse 70 sind die Fluidzufuhrkenngröße 62 und ein Ionisationsstrom 72 dargestellt. Die neue Fluidzufuhränderung 60 verläuft in einem weitgehend rechteckförmigen Puls. Zunächst hat die Fluidzufuhrkenngröße 62 einen Normalwert 74. Anschließend wird die Öffnungsweite 66 zu einem ersten Zeitpunkt 86 so schnell wie möglich auf einen Maximalzufuhrwert 76 erhöht. Danach wird die Öffnungsweite 66 so schnell wie möglich auf den Normalwert 74 gesenkt. Eine in Figur 3 abgebildete neue Pulshöhe 78 beträgt 16 %. Eine in Figur 3 abgebildete Pulsbreite 80 beträgt 120 ms.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhränderung 60 vom letzten Signalmaximum 64 abhängig. Das letzte Signalmaximum 64 wird jeweils in der davorliegenden Iteration des Verfahrens 54 ermittelt. Das letzte Signalmaximum 64 beschreibt ein Maximum des Ionisationsstroms 72 in der davorliegenden Iteration des Verfahrens 54 abzüglich des lonisationsstromnormalwerts 100 (siehe Figur 3 und Beschreibung unten). Im Ausführungsbeispiel ist das letzte Signalmaximum 64 ein relativer Wert des Ionisationsstroms 72. Die Steuereinheit 18 vergleicht das letzte Signalmaximum 64 mit einer Signaluntergrenze 82. Die Signaluntergrenze 82 ist im Ausführungsbeispiel eine in der Steuereinheit 18 hinterlegte positive Konstante. Im Ausführungsbeispiel hat die Signaluntergrenze 82 den Wert 7 µA. In Varianten des Ausführungsbeispiels hat die Signaluntergrenze 82 einen Wert zwischen 1 µA und 20 µA, bevorzugt 5 µA und 10 µA. Ist das letzte Signalmaximum 64 kleiner als die Signaluntergrenze 82, so wird die neue Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zu einer letzten Fluidzufuhränderung 84 erhöht. Die letzte Fluidzufuhränderung 84 ist eine Fluidzufuhränderung aus der davorliegenden Iteration des Verfahrens 54 (siehe Figur 3). Im Ausführungsbeispiel verläuft die letzte Fluidzufuhränderung 84 in einem weitgehend rechteckförmigen Puls mit der Pulsbreite 80 und einer letzten Pulshöhe 88. In der in Figur 3 abgebildeten Iteration ist das letzte Signalmaximum 64 kleiner als die Signaluntergrenze 82. Die neue Fluidzufuhränderung 60 wird im Vergleich zur letzten Fluidzufuhränderung 84 um eine Zufuhrerhöhung 90 erhöht. Die Zufuhrerhöhung 90 ist im Ausführungsbeispiel eine in der Steuereinheit 18 hinterlegte Konstante und hat den Wert einer Fluidzufuhrkenngröße 62 bzw. einer Öffnungsweite 66. Im Ausführungsbeispiel hat die Zufuhrerhöhung 90 einen Wert von 4 %. Die letzte Pulshöhe 88 hat einen Wert von 12 %. Die neue Pulshöhe 78 für die neue Fluidzufuhränderung 60 wird aus der Summe der letzten Pulshöhe 88 und der Zufuhrerhöhung 90 ermittelt.
  • Ist das letzte Signalmaximum 64 nicht kleiner als die Signaluntergrenze 82, so wird die neue Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zu der letzten Fluidzufuhränderung 84 gesenkt. In der Steuereinheit 18 ist eine Zufuhrsenkung 92 gespeichert (siehe Figur 2). Im Ausführungsbeispiel ist die Zufuhrsenkung 92 eine Konstante mit dem Wert 2 %. Ist das letzte Signalmaximum nicht kleiner als die Signaluntergrenze 82, wird die neue Pulshöhe 78 durch Subtraktion der Zufuhrsenkung 92 von der letzten Pulshöhe 88 ermittelt.
  • In einem folgenden Schritt 94 wird ein neues Signalmaximum 96 ermittelt (siehe Figur 2). Das neue Signalmaximum 96 ist ein Signalmaximum einer mit der neuen Fluidzufuhränderung 60 korrelierten zeitlichen Änderung einer Verbrennungskenngröße 98. Die Verbrennungskenngröße 98 ist im Ausführungsbeispiel der Ionisationsstrom 72. Der Ionisationsstrom 82 wird von der Ionisationssonde 42 an der Flamme 40 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. Nach der neuen Fluidzufuhränderung 60 weist der zeitliche Verlauf des Ionisationsstroms 72 das neue Signalmaximum 96 auf (siehe Figur 3 und Erläuterung unten). Im Ausführungsbeispiel ist das neue Signalmaximum 96 ein Wert des Ionisationsstroms 72 relativ zum lonisationsstromnormalwert 100. Der lonisationsstromnormalwert 100 beschreibt einen durchschnittlichen, weitgehend konstanten Wert des Ionisationsstroms 72, welcher nicht durch eine Fluidzufuhränderung unmittelbar beeinflusst wurde. Im Ausführungsbeispiel bzw. seinen Varianten wird der lonisationsstromnormalwert 100 bestimmt, in dem der über die Pulsbreite 80 gemessene mittlere Ionisationsstrom 72 ermittelt wird. In weiteren Varianten wird der lonisationsstromnormalwert 100 als der Wert des Ionisationsstroms 72 zum ersten Zeitpunkt 86 bestimmt. Typische Werte des lonisationsstromnormalwertes 100 im Betrieb des Heizsystems 46 liegen zwischen zehn µA und 100 µA, insbesondere zwischen 30 µA und 60 µA.
  • Im Ausführungsbeispiel wird das neue Signalmaximum 96 bestimmt, in dem der Ionisationsstrom 72 über eine Ermittlungszeit gemessen und in der Steuereinheit 18 gespeichert wird. Der innerhalb der Ermittlungszeit auftretende größte Wert des Ionisationsstroms 72 wird abzüglich des lonisationsstromnormalwerts 100 als neues Signalmaximum 96 gewählt. Die Ermittlungszeit hat die Länge einer in der Steuereinheit 18 hinterlegten Zeitschwelle 102. Die Ermittlungszeit beginnt am ersten Zeitpunkt 86 zu laufen und endet an einem zweiten Zeitpunkt 104 (siehe Figur 3). Im Ausführungsbeispiel beträgt die Zeitschwelle 102 2 Sekunden. In Varianten wird eine Zeitschwelle 102 zwischen 1 Sekunde und 7 Sekunden gewählt.
  • In einem weiteren Schritt 106 (siehe Figur 2) wird eine Fehlervariable 108 erhöht, falls das neue Signalmaximum 96 die Signaluntergrenze 82 unterschreitet. Die Fehlervariable 108 ist ein in der Steuereinheit 18 gespeicherter Wert. Im Ausführungsbeispiel hat die Fehlervariable 108 einen ganzzahligen Wert. Die Fehlervariable 108 wird im Ausführungsbeispiel von Iteration zu Iteration des Verfahrens 54 weitergeführt wird. Hat die Fehlervariable 108 am Ende des letzten Schrittes einer Iteration einen bestimmten Wert, so hat die Fehlervariable 108 am Anfang des ersten Schrittes der nächsten Iteration den gleichen Wert. Die Steuereinheit 18 vergleicht das neue Signalmaximum 96 mit der Signaluntergrenze 82. Ist das neue Signalmaximum 96 kleiner als die Signaluntergrenze 82, wird die Fehlervariable 108 um 1 erhöht. Ist das neue Signalmaximum 96 größer-gleich als die Signaluntergrenze 82, wird die Fehlervariable 108 auf den Wert 0 gesetzt.
  • In einem optionalen nächsten Schritt wird eine Fehlerreaktion 110 ausgeführt. Das Ausführen der Fehlerreaktion 110 und die Art der Fehlerreaktion 110 sind abhängig von der Fehlervariable 108. Hat die Fehlervariable 108 im Ausführungsbeispiel einen Wert kleiner als 4, wird keine Fehlerreaktion 110 ausgeführt. Die vorliegende Iteration des Verfahrens 54 wird beendet und die nächste Iteration ausgeführt. Hat die Fehlervariable 108 den Wert 4, wird als Fehlerreaktion 110 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 in der Steuereinheit 18 hinterlegten Kennlinien, welche einen Sollwert zur Regelung der Öffnungsweite 66 mit dem Ionisationsstrom 72 als Regelgröße bestimmen, neu eingestellt und abgestimmt werden. Auf diese Weise wird die Ermittlung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 verbessert. Falls nötig, wird beim Kalibrieren des Heizsystems 46 als Fehlerreaktion 110 das Heizsystem 46 bzw. die durch das Heizsystem 46 durchgeführten Prozesse und/oder Verfahren zumindest teilweise neu initialisiert oder neu gestartet.
  • Hat die Fehlervariable 108 den Wert 5, wird als Fehlerreaktion 110 das Heizsystem 46 heruntergefahren. Varianten des Ausführungsbeispiels können die kritischen Wert der Fehlervariable 108 für das Ausführen einer Kalibrierung und/oder des Herunterfahrens des Heizsystems 46 beliebige andere Werte haben. Bevorzugt wird bei einer ausreichend kleinen Fehlervariable 108 keine Fehlerreaktion 110 ausgeführt. Das ermöglicht ein Pendeln bzw. Oszillieren der neuen Pulshöhe 78 bzw. der Größe der neuen Fluidzufuhränderung 60 um einen optimalen Wert. Zusätzlich können auf diese Weise zufällige Schwankungen des Ionisationsstroms 72 und/oder Veränderungen des Ionisationsstroms 72 aufgrund von Schwankungen von inneren und äußeren Bedingungen, welche im Rahmen eines normalen, vorgesehenen Betriebes üblicherweise auftreten und insbesondere keine Korrektur durch eine Fehlerreaktion 110 benötigen, berücksichtigt werden. Bevorzugt wird zunächst eine Kalibrierung des Heizsystems 46 durchgeführt, bevor das Heizsystem 46 heruntergefahren wird.
  • In der darauf folgenden Iteration wird das neue Signalmaximum 96 aus der vorliegenden Iteration zum letzten Signalmaximum 64. Die neue Fluidzufuhränderung 60 aus der vorliegenden Iteration wird zur letzten Fluidzufuhränderung 84 in der darauf folgenden Iteration. Dazu werden im Ausführungsbeispiel die in der Steuereinheit 18 gespeicherten Werte des neuen Signalmaximum 96 und der neuen Fluidzufuhränderung 60 bzw. der neuen Pulshöhe 78 vor der Ausführung eines Schrittes 58 der darauf folgenden Iteration (in Figur 2 als gestricheltes Rechteck abgebildet) als letztes Signalmaximum 64 und als letzte Fluidzufuhränderung 84 bzw. als letzte Pulshöhe 88 durch die Steuereinheit 18 abgespeichert.
  • Figur 4 illustriert das Funktionsprinzip des Verfahrens 54. Figur 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Ionisationsstrom 72 und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 bei einer konstanten Gebläsedrehzahl 112 (siehe Figur 2). Die Gebläsedrehzahl 112 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 Gebietes 32. Die Gebläsedrehzahl 112 ist ein Maß für eine Leistung des Heizsystems 46. Auf der Ordinatenachse 70 ist der Ionisationsstrom 72 aufgetragen. Auf einer zweiten Abszissenachse 114 ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 dargestellt. Der Verlauf des Ionisationsstroms 72 weist ein Ionisationsstrommaximum 116 bei einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1 auf. Bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 ausgehend vom Ionisationsstrommaximum 116 nimmt der Ionisationsstrom 72 ab, wobei sich der Betrag der Steigung stetig vergrößert. Bevorzugt wird das Heizsystem 46 mit einem Luftüberschuss betrieben, also mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 größer als 1, bevorzugt mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 zwischen 1.2 und 1.4, besonders bevorzugt mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1.3. Das Verfahren 54 stellt sicher, dass das Heizsystem 46 mit einem ausreichend hohem Luftüberschuss betrieben wird.
  • Aufgrund der neuen Fluidzufuhränderung 60 wird kurzzeitig das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 gesenkt. Hat das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 einen Wert kleiner-gleich 1, so bewirkt die Fluidzufuhränderung 60 ein Absinken des Ionisationsstroms 72 (siehe Figur 4). Damit ist das neue Signalmaximum 96 weitgehend 0, insbesondere unabhängig von der Größe der neuen Fluidzufuhränderung 60. Die Signaluntergrenze 82 wird unterschritten und die Fehlervariable 108 erhöht. Falls erforderlich, wird eine Fehlerreaktion 110 ausgeführt.
  • Liegt ein Luftüberschuss vor, welcher nicht ausreichend groß ist, ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 größer als 1 aber nahe an 1. Die Fluidzufuhränderung 60 bewirkt ein Ansteigen des Ionisationsstroms 72. Das neue Signalmaximum 96 liegt dann unter der Signaluntergrenze 82, da der Betrag der Steigung des Graphen des Ionisationsstroms 72 im Bereich des Ionisationsstrommaximums 116 gering ist bzw. der Ionisationsstrom 72 einen flachen Verlauf hat (siehe Figur 4). Aus diesem Grund bewirkt auch eine Vergrößerung der neuen Fluidzufuhränderung 60 bzw. der neuen Pulshöhe 78 keine ausreichende Vergrößerung des neuen Signalmaximum 96. Die Fehlervariable 108 wird erhöht und schließlich eine Fehlerreaktion 110 ausgeführt.
  • Ist der Luftüberschuss ausreichend groß, also das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 ausreichend größer als 1, bewirkt die neue Fluidzufuhränderung 60 ein stärkeres Ansteigen des Ionisationsstroms 72, da dort der Betrag der Steigung des Graphen des Ionisationsstrom 72 ausreichend groß ist. Das neue Signalmaximum 96 ist dann größer als die Signaluntergrenze 82, falls die neue Fluidzufuhränderung 60 groß genug ist. Ist die neue Fluidzufuhränderung 60 zu klein, kann das neue Signalmaximum 96 die Signaluntergrenze 82 unterschreiten. In diesem Fall bewirkt die neue Fluidzufuhränderung 60 trotz des starken Anstiegs des Ionisationsstroms 72 nur eine kleine Veränderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56, sodass sich auch der Ionisationsstrom 72 nur gering ändert. Die Fehlervariable 108 wird erhöht, was in der nächsten Iteration des Verfahrens 54 zu einer Vergrößerung der neuen Pulshöhe 78 führt. Auf diese Weise wird in der nächsten Iteration oder in einer der danach folgenden Iterationen eine ausreichende Größe der neuen Fluidzufuhränderung 60 erreicht, sodass das neue Signalmaximum 96 die Signaluntergrenze 82 nicht unterschreitet. Im Ausführungsbeispiel wird die Fehlervariable 108 auf 0 zurückgesetzt, da ein ausreichend hohes Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 ermittelt wurde.
  • Figur 5 zeigt schematisch zwölf aufeinanderfolgende Iterationen des Verfahrens 54. Die erste Abszissenachse 68 stellt eine Zeit dar. Auf der Ordinatenachse 70 sind die Fluidzufuhrkenngröße 62 und der Ionisationsstrom 72 dargestellt. Die jeweils neuen Fluidzufuhränderungen 60 und damit verbundenen Änderungen des Ionisationsstroms 72 sind schematisch als vertikale Linien dargestellt und zeigen jeweils die neue Pulshöhe 78 und jeweils das neue Signalmaximum 96 im Vergleich zur Signaluntergrenze 82. Bei der ersten Iteration 118 ist das neue Signalmaximum 96 deutlich größer als die Signaluntergrenze 82. Damit ist in dieser Iteration nachgewiesen, dass ein ausreichend hohes Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 vorliegt. Die neue Fluidzufuhränderung 60 der ersten Iteration 118 ist jedoch höher als nötig. Durch das Verfahren 54 wird die Größe der neuen Fluidzufuhränderung 60 bzw. der neuen Pulshöhe 78 optimiert. Da das neue Signalmaximum 96 jeweils die Signaluntergrenze 82 überschreitet, wird in den darauf folgenden Iterationen die neue Pulshöhe 78 jeweils um die Zufuhrsenkung 92 gesenkt, sodass auch das neue Signalmaximum 96 sinkt. In einer fünften Iteration 120 unterschreitet erstmals das neue Signalmaximum 96 die Signaluntergrenze 82. In der folgenden sechsten Iteration 122 wird die neue Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zur letzten Fluidzufuhränderung 84 um die Zufuhrerhöhung 90 erhöht. Das neue Signalmaximum 96 übersteigt die Signaluntergrenze 82. Im Ausführungsbeispiel ist der Betrag der Zufuhrerhöhung 90 doppelt so groß wie der Betrag der Zufuhrsenkung 92. Aus diesem Grund muss die neue Fluidzufuhränderung 60 in den zwei darauf folgenden Iterationen gesenkt werden, bis das neue Signalmaximum 96 in der achten Iteration 124 die Signaluntergrenze 82 unterschreitet.
  • Diese Sequenz aus drei Iterationen, von der sechsten Iteration 122 bis zur achten Iteration 124, welche zwei Überschreitungen und eine Unterschreitung der Signaluntergrenze 82 durch das neue Signalmaximum 96 aufweist, wiederholt sich nun periodisch, solange sich keine äußeren und/oder inneren Bedingungen ändern. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein ausreichend hohes Brennstoff-Luft-Verhältnisse 56 festgestellt wird, falls ein solches vorliegt, und dass die dafür notwendige neue Fluidzufuhränderung 60 nicht zu groß ist.
  • In Varianten des Ausführungsbeispiels wird in Schritt 58 der Wert der Fehlervariable 108 überprüft. Hat die Fehlervariable 108 den Wert 0, wird die neue Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zur letzten Fluidzufuhränderung 84 gesenkt. Hat die Fehlervariable 108 einen Wert größer als 0, wird die neue Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zur letzten Fluidzufuhränderung 84 erhöht. Auf diese Weise wird die Abhängigkeit der neuen Fluidzufuhränderung 60 vom letzten Signalmaximum 64 auf eine Überprüfung des neuen Signalmaximums 96 aus der vorhergehenden Iteration des Verfahrens 54 im vorhergehenden Schritt 106 zurückgeführt. Das ist besonders vorteilhaft, wenn die Iterationen des Verfahrens 54 ausreichend schnell hintereinander ablaufen, insbesondere wenn ein erneuter Vergleich des letzten Signalmaximum 64 mit der Signaluntergrenze 82 in Schritt 58 zum weitgehend gleichen Ergebnis führen würde wie ein Vergleich des neuen Signalmaximum 96 mit der Signaluntergrenze 82 im vorhergehenden Schritt 106.
  • In alternativen Ausführungsformen wird die Fehlervariable 108 im Schritt 106 erhöht, falls das neue Signalmaximum 96 die Signaluntergrenze 82 unterschreitet, und sonst konstant gelassen. Im Schritt 110 und, falls notwendig, in Schritt 58 wird jeweils überprüft, ob und/oder wie stark sich die Fehlervariable 108 im Vergleich zur letzten Iterationen verändert hat. In weiteren Ausführungsformen wird im Schritt 106 die Fehlervariable 108 um einen beliebigen anderen Wert als 1 erhöht. In solchen Ausführungsformen sind die entsprechenden Grenzwerte für die Fehlervariable 108 zum Bestimmen einer jeweiligen Fehlerreaktion 110 entsprechend angepasst. Es ist denkbar, dass eine Höhe der Erhöhung der Fehlervariablen 108 von einem Maß für eine Abweichung des neuen Signalmaximum 96 von der Signaluntergrenze 82 abhängt.
  • In weiteren Ausführungsformen hängen die neue Fluidzufuhränderung 60 und/oder die Signaluntergrenze 82 von einem Brennerleistungsparameter 126 ab, beispielsweise von der Gebläsedrehzahl 112. In bevorzugten Ausführungsformen hängt die Pulsbreite 80 vom Brennerleistungsparameter 126 ab. In besonders bevorzugten Ausführungsformen steigt die Pulsbreite 80 linear mit der Gebläsedrehzahl 112 an. Zwischen einer minimalen Gebläsedrehzahl und einer maximalen Gebläsedrehzahl nimmt die Pulsbreite 80 Werte in einem Intervall zwischen 50 ms und 200 ms an. In weiteren Varianten hängt die neue Pulshöhe 78 zumindest teilweise vom Brennerleistungsparameter 126 ab. Beispielsweise kann in Schritt 58 zunächst eine vorläufige Pulshöhe abhängig von der Gebläsedrehzahl 112 ermittelt werden. In besonderen Ausführungsformen steigt die vorläufige Pulshöhe linear mit der Gebläsedrehzahl 112 an. Zwischen einer minimalen Gebläsedrehzahl und einer maximalen Gebläsedrehzahl nimmt die vorläufige Pulshöhe Werte in einem Intervall zwischen 5 % und 25 % an, bevorzugt zwischen 10 % und 20 %. Die neue Pulshöhe 78 wird aus der vorläufigen Pulshöhe in Abhängigkeit vom letzten Signalmaximum 64 ermittelt. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Steuereinheit 18 durch einem Vergleich des letzten Signalmaximums 64 mit der Signaluntergrenze 82 einen Wert ermittelt, welcher zur Ermittlung der neuen Pulshöhe 78 auf die vorläufige Pulshöhe addiert bzw. von dieser subtrahiert wird. Es ist auch denkbar, dass die Steuereinheit 18 durch einen Vergleich des letzten Signalmaximum 64 mit der Signaluntergrenze 82 einen Faktor, insbesondere größer oder kleiner als eins, ermittelt, welcher zur Ermittlung der neuen Pulshöhe 78 mit der vorläufigen Pulshöhe multipliziert wird. Weiterhin ist es denkbar, dass die Steuereinheit 18 in Abhängigkeit vom Brennerleistungsparameter 126 und dem letzten Signalmaximum 64 die neue Fluidzufuhränderung 60 bzw. die neue Pulshöhe 78 und die Pulsbreite 80 ermittelt. Beispielsweise kann in der Steuereinheit 18 eine Fluidzufuhränderungsfunktion hinterlegt sein, welche dem letzten Signalmaximum 64 und der Gebläsedrehzahl 112 bzw. dem Brennerleistungsparameter 126 als Eingabeparameter die neue Fluidzufuhränderung 60 bzw. die neue Pulshöhe 78 und Pulsbreite 80 zuordnet. Die Fluidzufuhränderungsfunktion kann in Laborversuchen experimentell bestimmt werden. Die Fluidzufuhränderungsfunktion kann in der Form eines Kennfeldes bzw. einer Tabelle vorliegen, welche die Wertebereiche der Gebläsedrehzahl 112 bzw. des Brennerleistungsparameter 126 und der neuen Pulshöhe 78 wenigstens in Intervalle unterteilt und diesen Intervallen die passende neue Fluidzufuhränderung 60 zuordnet. Die Fluidzufuhränderungsfunktion kann auch eine analytische, insbesondere rationale Funktion sein. Es ist denkbar, dass die Fluidzufuhränderungsfunktion auf einem selbst lernenden bzw. intelligenten Algorithmus basiert, beispielsweise auf einem künstlichen neuronalen Netzwerk.
  • Im Ausführungsbeispiel hat die Signaluntergrenze 82 einen konstanten Wert. In alternativen Ausführungsformen ist es denkbar, dass die Signaluntergrenze vom Brennerleistungsparameter 126 abhängt. In besonderen Ausführungsformen wird die Signaluntergrenze 82 abhängig von der Gebläsedrehzahl 112 gewählt. Beispielsweise kann die Signaluntergrenze 82 proportional zur negativen Gebläsedrehzahl 112 gewählt werden. Auf diese Weise wird ein bei niedrigen Gebläsedrehzahl 112 höheres Signalrauschen des Ionisationsstroms 72 berücksichtigt. Die Signaluntergrenze 82 kann zwischen einer maximalen Gebläsedrehzahl und einer minimalen Gebläsedrehzahl Werte zwischen 1 µA und 10 µA annehmen. Typischerweise wird in einem Regelbetrieb eine Signaluntergrenze 82 zwischen 3 µA und 7 µA gewählt. In alternativen Ausführungsformen richtet sich die Wahl der Abhängigkeit der Signaluntergrenze 82 von der Gebläsedrehzahl 112 bzw. vom Brennerleistungsparameter 126 an den technischen Eigenschaften des Heizsystems 46, insbesondere an einer Abhängigkeit des Signalrauschen des Ionisationsstrom 72 bzw. der Verbrennungskenngröße 98 von der Gebläsedrehzahl 112 bzw. dem Brennerleistungsparameter 126. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei bestimmten Gebläsedrehzahlen 112 Resonanzen auftreten, welche das Signalrauschen des Ionisationsstroms 72 vergrößern.
  • Im Ausführungsbeispiel wird das neue Signalmaximum 96 als ein relativer Wert des Ionisationsstroms 72 bezüglich des lonisationsstromnormalwertes 100 ermittelt. In alternativen Ausführungsformen kann das neue Signalmaximum 96 ein Absolutwert des Ionisationsstroms 72 sein. Insbesondere in solchen Fällen ist es denkbar, dass die Signaluntergrenze 82 in Abhängigkeit vom lonisationsstromnormalwert 100 ermittelt wird. Beispielsweise kann in der Steuereinheit 18 ein Schwellenwert gespeichert sein, aus welcher in Summe mit dem lonisationsstromnormalwert 100 die Signaluntergrenze 82 ermittelt wird. In solchen Ausführungsformen wird die Signaluntergrenze 82 in jeder Iteration des Verfahrens 54 und, falls notwendig, in einzelnen Schritten des Verfahrens 54 neu bestimmt. Der Schwellenwert kann von einem oder mehreren Betriebsparametern abhängen, insbesondere von einem Brennerleistungsparameter 126, insbesondere von der Gebläsedrehzahl 112. In Varianten dieser Ausführungsform wird die Signaluntergrenze 82 ermittelt, indem der lonisationsstromnormalwert 100 mit dem Schwellenwert multipliziert wird. In solchen Ausführungsformen hat der Schwellenwert einen Wert größer als 1, bevorzugt zwischen 1.01 und 1.2, besonders bevorzugt zwischen 1.05 und 1.1. In weiteren Ausführungen wird die Signaluntergrenze in Abhängigkeit von dem aktuellen Sollwert für den Ionisationsstrom 72 ermittelt. Der Sollwert wird in Abhängigkeit von dem gewünschten Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 und der Gebläsedrehzahl 112 aus in der Steuereinheit 18 hinterlegten Kennlinien abgeleitet (siehe Beschreibung der Fehlerreaktion 110 oben). Die Signaluntergrenze 82 kann ermittelt werden, in dem der Sollwert mit einem Schwellenwert multipliziert wird bzw. auf einen Schwellenwert addiert wird.
  • In weiteren Ausführungsformen kann in der Steuereinheit 18 eine Signaluntergrenzefunktion hinterlegt sein, welche dem lonisationsstromnormalwert 100 und/oder dem Sollwert und/oder der Gebläsedrehzahl 112 als Eingabeparameter die Signaluntergrenze 82 zuordnet. Die Signaluntergrenzefunktion kann in Laborversuchen experimentell bestimmt werden. Die Signaluntergrenzefunktion kann in der Form eines Kennfeldes bzw. einer Tabelle vorliegen, welche den Wertebereich bzw. die Wertebereiche lonisationsstromnormalwert 100 und/oder dem Sollwert und/oder der Gebläsedrehzahl 112 wenigstens in Intervalle unterteilt und diesen Intervallen die passende Signaluntergrenze 82 zuordnet. Die Signaluntergrenzefunktion kann auch eine analytische, insbesondere rationale Funktion sein. Es ist denkbar, dass die Signaluntergrenzefunktion auf einem selbst lernenden bzw. intelligenten Algorithmus basiert, beispielsweise auf einem künstlichen neuronalen Netzwerk.
  • Im Ausführungsbeispiel wird die Erhöhung bzw. Senkung der neuen Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zur letzten Fluidzufuhränderung 84 durch das Erhöhen bzw. Senken der neuen Pulshöhe 78 im Vergleich zur letzten Pulshöhe 88 umgesetzt. In Varianten wird die neue Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zu der letzten Fluidzufuhränderung 84 erhöht bzw. gesenkt, in dem eine neue Pulsbreite im Vergleich zu einer letzten Pulsbreite erhöht bzw. gesenkt wird. Es ist denkbar, dass andere, die neue Fluidzufuhränderung 60 charakterisierende Parameter verändert werden, um die neue Fluidzufuhränderung 60 zu erhöhen bzw. zu senken. Beispielsweise kann in Ausführungsformen, in denen die neue Fluidzufuhränderung 60 die Form einer Rampe hat, eine Steigung der Rampe vergrößert oder verkleinert werden. Es ist auch denkbar, dass mehrere unterschiedliche, die neue Fluidzufuhränderung 60 charakterisierende Parameter variiert werden, beispielsweise die neue Pulshöhe 78 und eine neue Pulsbreite.
  • Im Ausführungsbeispiel hat die Zufuhrerhöhung 90 den konstanten Wert 4 % und die Zufuhrsenkung 92 den konstanten Wert 2 %. In Varianten haben die Zufuhrerhöhung 90 und/oder die Zufuhrsenkung 92 andere Werte, welche insbesondere an die technischen Eigenschaften des Heizsystems 46 angepasst sein können. In weiteren Ausführungsformen wird die neue Fluidzufuhränderung 60 durch eine relative bzw. prozentuale Erhöhung bzw. Senkung der letzten Fluidzufuhränderung 84 ermittelt. In solchen Ausführungsformen kann die neue Pulshöhe 78 durch eine prozentuale Erhöhung bzw. Senkung der letzten Pulshöhe 88 ermittelt werden. Beispielsweise kann die Zufuhrerhöhung 90 den Wert 1.2 und die Zufuhrsenkung 92 den Wert 0.8 haben. Die neue Pulshöhe 78 wird als Produkt der letzten Pulshöhe 88 mit der Zufuhrerhöhung 90 ermittelt, falls das letzte Signalmaximum 64 die Signaluntergrenze 82 unterschreitet. Die neue Pulshöhe 78 wird als Produkt der letzten Pulshöhe 88 mit der Zufuhrsenkung 92 ermittelt, falls das letzte Signalmaximum 64 die Signaluntergrenze 82 nicht unterschreitet. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass eine besonders große neue Fluidzufuhränderung 60 bei einer starken Überschreitung der Signaluntergrenze 82 durch das letzte Signalmaxum 64 schnell gesenkt wird.
  • In besonderen Ausführungsformen hängt die Zufuhrerhöhung 90 und/oder die Zufuhrwirkung 92 von Betriebsparametern des Heizsystems 46 ab, insbesondere vom Brennerleistungsparameter 126, besonders bevorzugt von der Gebläsedrehzahl 112. Auf diese Weise kann beispielsweise bei Änderungen des Betriebszustandes oder einer geänderten Leistungsanforderung an das Heizsystem 46 schnell bzw. mit wenigen Iterationen des Verfahrens 54 eine neue weitgehend optimale neue Fluidzufuhränderung 60 ermittelt werden.
  • In weiteren Ausführungsformen ist die Erhöhung bzw. Senkung der neuen Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zu einer letzten Fluidzufuhränderung 84 abhängig davon, wie stark sich das letzte Signalmaximum 64 von der Signaluntergrenze 82 unterscheidet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe der Erhöhung bzw. Senkung der neuen Fluidzufuhränderung 60 im Vergleich zu einer letzten Fluidzufuhränderung 84 umso größer ist, je größer der Betrag der Differenz zwischen dem letzten Signalmaximum 64 und der Signaluntergrenze 82 ist. Auf diese Weise können starke Abweichungen des letzten Signalmaximums 64 von der Signaluntergrenze 82 schnell bzw. mit wenigen Iterationen des Verfahrens 54 korrigiert werden. Kleine Abweichungen des letzten Signalmaximums 64 von der Signaluntergrenze 82 erlauben eine präzise Optimierung der neuen Fluidzufuhränderung 60 durch kleine Änderungen der neuen Fluidzufuhränderung 60. Beispielsweise kann die Zufuhrerhöhung 90 und/oder die Zufuhrsenkung 92 linear vom Betrag der Differenz zwischen dem letzten Signalmaximum 64 und der Signaluntergrenze 82 abhängen. In solchen Ausführungsformen tritt der vorteilhafte Fall ein, in dem die neue Fluidzufuhränderung 60 der letzten Fluidzufuhränderung 84 weitgehend gleicht, wenn das letzte Signalmaximum 64 der Signaluntergrenze 82 weitgehend gleicht.
  • In weiteren Ausführungsformen sind in der Steuereinheit 18 eine minimale neue Fluidzufuhränderung und eine maximale neue Fluidzufuhränderung gespeichert. Im Schritt 58 dieser Ausführungsformen wird eine neue Fluidzufuhränderung 60, welche die minimale neue Fluidzufuhränderung nicht unterschreitet und die maximale neue Fluidzufuhränderung nicht überschreitet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die neue Fluidzufuhränderung 60 groß genug ist, um das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 kontrollieren zu können, und dass die neue Fluidzufuhränderung 60 nicht zu groß ist.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Zufuhrerhöhung 90 weitgehend doppelt so groß wie die Zufuhrsenkung 92. In Varianten des Ausführungsbeispiels ist es vorteilhaft, wenn die Zufuhrerhöhung 90 vom Betrag größer ist als die Zufuhrsenkung 92. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass über eine mehrere Iterationen des Verfahrens 54 umfassende Zeitspanne, in der weitestgehend gleiche Betriebsbedingungen vorliegen und das neue Signalmaximum 96 sich so nahe wie durch das Verfahren 54 möglich an der Signaluntergrenze 82 befindet, die Fehlervariable 108 seltener erhöht werden muss als nicht erhöht werden muss. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Zufuhrerhöhung 90 vom Betrag um einen Faktor, welcher zwischen 1 und 10, bevorzugt zwischen 2 und 8, besonders bevorzugt zwischen 4 und 6 liegt, größer als die Zufuhrsenkung 92.
  • Im Ausführungsbeispiel ist das letzte Signalmaximum 64 ein Signalmaximum der unmittelbar davor folgenden Iteration des Verfahrens 54 (siehe Figur 3). In alternativen Ausführungsformen ist das letzte Signalmaximums 64 ein Signalmaximum, welches in einer 2 bis 6, bevorzugt 3 oder 4 zurückliegenden Iterationen des Verfahrens 54. Es ist auch denkbar, dass das letzte Signalmaximum 64 mehrere Signalmaxima aus davor vorliegenden Iterationen berücksichtigt, beispielsweise ein durchschnittliches Signalmaximum der letzten 2 bis 3 Iterationen des Verfahrens 54. In einer besonderen Variante ist die Zufuhrerhöhung 90 vom Betrag um einen Faktor 4 größer als die Zufuhrsenkung 92 und das letzte Signalmaximum 64 ist das Signalmaximum der vorletzten Iteration des Verfahrens 54. In dieser Variante folgt stabilisiert sich das Verfahren 54 bei sich vier wiederholenden Iterationen solange sich keine äußeren und/oder inneren Bedingungen ändern. Es wiederholen sich jeweils zwei Überschreitungen und zwei Unterschreitungen der Signaluntergrenze 82 durch das jeweils neue Signalmaximum 96.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 eine gewünschte bzw. vorgesehene Öffnungsweite 66 des Brennstoffventils 44. Anhand der vorgesehenen Öffnungsweite 66 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 98 ein Ionisationsstrom 72. Der Ionisationsstrom 72 wird durch eine Ionisationsstrommessung an einer Flamme 40 des Heizsystems 46 bestimmt. Der Ionisationsstrom 72 wird durch die Ionisationssonde 42 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. In weiteren Ausführungsformen ist die Verbrennungskenngröße 98 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 126 die Gebläsedrehzahl 112. Die Gebläsedrehzahl 112 ist ein von der Steuereinheit 18 bestimmter Kennwert, welcher ein Gebläsesteuersignal bestimmt. In alternativen Ausführungsformen ist der Brennerleistungsparameter 126 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 126 eine Laufzeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft. Ein Massenfluss und/oder ein Volumenfluss einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft erlauben eine besonders präzise Abschätzung der Brennerleistung.
    In besonderen Varianten wird eine Laufzeit als Zeitdifferenz zwischen der neuen Fluidzufuhränderung 60 und der mit der neuen Fluidzufuhränderung 60 korrelierten zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße 98 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 eine Durchflussmenge des Luft-Brennstoff-Gemisches. Eine Laufzeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft lässt sich besonders einfach und kostengünstig bestimmen. Diese Parameter können auch in Kombination eingesetzt werden um einen Brennerleistungsparameter 126 zu bestimmen bzw. zu definieren. Dabei kann die Temperatur im Abgassystem 38 und/oder von der Flamme 40 bestimmt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel hat die neue Fluidzufuhränderung 60 eine weitgehend rechteckige Form. In alternativen Ausführungsformen hat die neue Fluidzufuhränderung 60 weitgehend die Form einer Rampe und/oderweitgehend eine Dreiecksform und/oder weitgehend die Form eines Sinus und/oder weitgehend eine Gaußform und/oder weitgehend die Form eines Dirac-Pulses. Dabei ist unter einem "Dirac-Puls" eine Fluidzufuhränderung zu verstehen, bei der die Fluidzufuhrkenngröße 62 vom Normalwert 74 so schnell wie möglich auf dem Maximalzufuhrwert 76 erhöht wird und anschließend so schnell wie möglich auf den Normalwert 74 gesenkt wird. In besonderen Ausführungsformen bestimmt die Fluidzufuhränderungsfunktion eine Form der neuen Fluidzufuhränderung 60. Die Fluidzufuhränderungsfunktion ordnet zumindest dem letzten Signalmaximum 64 und dem Brennerleistungsparameter 126 und optional weiteren Betriebsparametern die neue Fluidzufuhränderung 60 zu. Auf diese Weise kann insbesondere für jeden Betriebszustand eine optimierte Form der neuen Fluidzufuhränderung 60 gewählt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass in geringen Leistungsbereichen ein Dirac-Puls als neue Fluidzufuhränderung 60 besonders vorteilhaft ist, beispielsweise weil so das Heizsystem 46 nicht zu stark in seinem Regelbetrieb gestört wird, während in größeren Leistungsbereichen eine rechteckige Form günstiger ist, weil die Ermittlung des neuen Signalmaximums vereinfacht wird.

Claims (10)

  1. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46), welches die folgenden Schritte umfasst:
    • Erzeugen (58) einer vorübergehenden, zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung (60) einer Fluidzufuhrkenngröße (62) in Abhängigkeit von einem letzten Signalmaximum (64),
    • Ermitteln (94) eines neuen Signalmaximum (96) einer mit der zeitlichen neuen Fluidzufuhränderung (60) korrelierten zeitlichen Änderung von mindestens einer Verbrennungskenngröße (98),
    • Erhöhen (106) einer Fehlervariable (108), falls das neue Signalmaximum (96) eine Signaluntergrenze (82) unterschreitet,
    • Ausführen einer Fehlerreaktion (110), insbesondere Kalibrieren und/oder Herunterfahren des Heizsystems (46), in Abhängigkeit von der Fehlervariable (108).
  2. Verfahren (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Fluidzufuhränderung (60) und/oder die Signaluntergrenze (82) abhängig von einem Brennerleistungsparameter (126) gewählt wird bzw. werden.
  3. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Fluidzufuhränderung (60) im Vergleich zu einer letzten Fluidzufuhränderung (84) erhöht wird, falls das letzte Signalmaximum (64) die Signaluntergrenze (82) unterschreitet und/oder dass die neue Fluidzufuhränderung (60) im Vergleich zu der letzten Fluidzufuhränderung (84) gesenkt wird, falls das letzte Signalmaximum (64) die Signaluntergrenze (82) nicht unterschreitet.
  4. Verfahren (54) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhrerhöhung (90) der neuen Fluidzufuhränderung (60) bei einer Unterschreitung der Signaluntergrenze (82) durch das letzte Signalmaximum (64) vom Betrag weitgehend doppelt so groß ist wie eine Zufuhrsenkung (92) der neuen Fluidzufuhränderung (60) bei einer Nichtunterschreitung der Signaluntergrenze (82) durch das letzte Signalmaximum (64).
  5. Verfahren (54) 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) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbrennungskenngröße (98) durch eine Ionisationsstrommessung an einer Flamme (40) des Heizsystems (46) bestimmt wird.
  7. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerleistungsparameter (126) eine Gebläsedrehzahl (112) ist oder von dieser abhängt.
  8. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die neue 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) 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 (112).
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