EP3339735A1 - Verfahren zur kontrolle eines brennstoff-luft-verhältnisses in einem heizsystem sowie eine steuereinheit und ein heizsystem - Google Patents

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EP3339735A1
EP3339735A1 EP17198205.1A EP17198205A EP3339735A1 EP 3339735 A1 EP3339735 A1 EP 3339735A1 EP 17198205 A EP17198205 A EP 17198205A EP 3339735 A1 EP3339735 A1 EP 3339735A1
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heating system
signal
fuel
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value
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Sipco Max Hijenga
Jan Koudijs
Jan Westra
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Robert Bosch GmbH
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    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/06—Space-heating and heating water

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 adapted to carry out the method according to the present invention and to a heating system with the control unit according to the present invention.
  • DE 10 2010 055 567 shows and describes a method in which a gas supply is briefly increased and a resulting short-term increase of an ionization current is measured at a burner flame.
  • the ionization current is correlated with the fuel-air ratio.
  • the gas burner is controlled as a function of the strength of the short-term increase in the ionization current in order to ensure better combustion.
  • Such methods have the disadvantage that in certain situations the ionization current can be influenced by further external and / or internal influences, for example a gust of wind. In such cases, there is no clear correlation between a modulation of the gas supply and a modulation of the ionization current, which is the regulation of the gas burner, depending on the fuel-air ratio temporarily impossible.
  • heating system is to be understood as at least one device for generating heat energy, in particular a heating device or heating burner, in particular for use in a building heating system and / or for 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 exist.
  • combustion parameter is to be understood in particular to be a scalar parameter which is correlated in particular with a combustion, in particular of a mixture, in particular of a combustion air and a fuel.
  • An example of a combustion characteristic is an ionization current which is measured at a flame of the heating system.
  • the combustion parameter corresponds to at least one or precisely one measured value representing the combustion and / or characterizing the combustion parameter or can be unambiguously assigned to such a measured value. Examples of a measured value representing the combustion and / or characterizing a combustion signal, in particular a light intensity, a pollutant emission, a temperature and / or advantageously an ionization signal.
  • An "average normal value” is understood to mean an average value of the combustion parameter which is averaged over a period of time that does not exhibit excessive fluctuations.
  • a fluctuation is to be understood as a temporal change of an absolute value of the combustion parameter. Too large a fluctuation can be understood to mean the occurrence of an excessively high absolute value of the combustion parameter and / or an excessive change rate of the absolute value of the combustion parameter.
  • the absolute value of the combustion parameter is detected or stored as a function of time.
  • the average normal value may be from the stored absolute value of the combustion characteristic as a function of time.
  • the average normal value is determined over a period of time and that too large fluctuations in the combustion parameter are not taken into account.
  • a relative signal maximum is to be understood as the maximum amplitude of the combustion parameter minus the largely constant amplitude of the combustion parameter before this period or the amplitude of the combustion parameter at the beginning of this period.
  • a relative signal maximum deviates sufficiently from the average normal value. The emergence of a relative signal maximum may be caused by a change in the boundary condition affecting the combustion. For example, a change in the pressure and / or the flow rate and / or the composition of the combustion air and / or the fuel and / or the mixture of combustion air and fuel can lead to a relative signal maximum.
  • a "first signal lower limit” is to be understood as a value determined in advance or during the execution of the method.
  • the first signal lower limit is provided for comparison with the combustion parameter.
  • the first signal lower limit may depend on one or more parameters, for example operating parameters of the heating system. In particular, the first signal lower limit may depend on a burner output of the heating system.
  • a "set point" is to be understood as a value determined in advance or during the execution of the method.
  • the set point is provided for comparison with the combustion characteristic.
  • the desired value is a control value to which the combustion parameter is regulated in a planned operation of the heating system.
  • the first lower signal limit can be from depend on one or more parameters, such as operating parameters of the heating system.
  • the setpoint may depend on a burner output of the heating system.
  • first normal state or “second normal state” is meant a state of the heating system in which the operation of the heating system takes place within the intended framework.
  • first fault state or “second fault state” is meant a state of the heating system in which the operation is not possible within the intended framework.
  • 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.
  • the combustion parameter is measured continuously or regularly and stored. From the stored values of the combustion parameter, the average normal value and the relative signal maximum are determined after predetermined time intervals or during the execution of the method. For example, it is conceivable that a time interval is set as soon as the combustion parameter deviates sufficiently from the nominal value.
  • the method according to the invention has the advantage that the fuel-air ratio can be determined largely correctly even with external influences on the combustion characteristic, in particular by a wind and air pressure fluctuations. This allows a largely optimal and low-emission operation of the heating system.
  • the heating system is regulated depending on whether a fault condition is detected.
  • a cause of a first fault condition can be remedied if a first fault condition is detected or too often detected in the method according to the present invention.
  • further diagnostic methods for determining the cause of a detected first fault condition can be carried out.
  • the heating system is controlled so that the cause of the first fault condition is at least partially resolved and / or that the cause of the first fault condition at least largely no longer affects the intended operation of the heater. In this way, the heating system can be brought as far as possible in a first normal state.
  • test mode is an operating mode of the heating system in which the heating system is operated in such a way that the functionality of the heating system is checked.
  • a sensor system and / or analysis of the heating system can be checked. For example, it can be determined in a test mode, whether the fuel-air ratio is largely determined correctly.
  • a functionality of the heater may at least partially differ from a planned normal operation of the heater, in particular be limited.
  • at least some other methods may be performed by the heater than in the intended normal operation. For example, in the test mode, a burner power range of the heater can be largely completely passed through. It is conceivable that a test operation is performed in parallel to a scheduled normal operation.
  • the intended normal operation is largely not disturbed and / or influenced by the test operation. It is conceivable that the intended normal operation is temporarily interrupted by the test operation.
  • a "test time" is a time at which a test operation is performed. The test time may be predetermined, in particular periodically, or during the execution of the Method are determined, for example, when a first fault condition is detected.
  • a "fluid supply parameter" is to be understood in particular to be a scalar parameter which is correlated in particular with at least one fluid, in particular a combustion unit of the heating system, in particular a combustion air flow, a fuel flow and / or a mixture flow, in particular from a combustion air and the fuel ,
  • a control and / or regulating unit of the heating system at least on the basis of the fluid supply characteristic to a volume flow and / or a mass flow of the at least one fluid are closed and / or the flow rate and / or the mass flow of the at least one fluid can be determined.
  • An example of a fluid supply parameter is the indication of an opening width of a fuel valve.
  • a “temporary, temporal fluid supply change” should be understood to mean a time-limited variation of the fluid supply parameter, so that it deviates from a largely constant value of the fluid supply parameter before the start of the fluid supply change.
  • the fluid supply parameter is initially increased or decreased over the period of the fluid supply change and subsequently regulated as far as possible to the value of the fluid supply parameter before the beginning of the fluid supply change.
  • 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.
  • relative correlated signal maximum is the maximum amplitude of the combustion parameter in a correlated with the temporal Fluidzubow short period minus the largely constant amplitude of the combustion characteristic before this period or less the amplitude of the Combustion parameter at the beginning of that period or less the average normal value during that period.
  • the relative correlated signal maximum is, in particular, a measure of the change in the combustion characteristic due to the fluid supply change.
  • a "second signal lower limit” is to be understood as a value determined in advance or during the execution of the method.
  • the second signal lower limit is provided for comparison with the combustion characteristic, in particular during the test operation.
  • the second signal lower limit may depend on one or more parameters, for example operating parameters of the heating system.
  • the second lower signal limit may depend on a burner output of the heating system.
  • the fluid supply parameter corresponds to a control signal for metering a fuel and / or a 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.
  • test time interval is the time interval between a last test time and a subsequent, future test time to understand.
  • Maximum test interval means a predetermined or definable variable during operation of the heater. For example, it is conceivable that the maximum test time interval is selected depending on a location of the heating system so that local emissions regulations are met.
  • a burner output of the heating system is increased, if a first false state is detected and / or if a first Starbucks Governmentvariable exceeds a first lower error limit, the operation of the heater is particularly safe and robust against external influences.
  • a first fault condition is caused by a strong wind or rapid pressure fluctuations outside the heater.
  • An increase in the burner output of the heating system for example, by increasing a volume flow of a fuel-air mixture, makes the heating system less sensitive to wind or air pressure fluctuations.
  • a "first error count variable” is to be understood as a variable, preferably an integer variable, which is longer than an iteration of the method according to the present invention and is stored and incremented if a first error state is detected. It is possible that the first error count variable is reduced if a first normal state or a second normal state is detected. In particular, it is conceivable that the first error count variable is reset to a start value, for example the value 0, when a first normal state or a second normal state is detected.
  • a “first lower error limit” is understand a predetermined or a definable during operation of the heater variable. It is possible that the first lower error limit is continuously updated depending on internal and external conditions. If, for example, a particularly windy weather situation is determined, the first lower error limit can be lowered temporarily.
  • first error count variable is increased, if a first error state is detected and / or a second error count variable is increased, if a second error state is detected, it is possible in this way, different causes for the first fault condition and for the second fault condition consider. This allows a particularly safe and efficient operation of the method of the method according to the present invention.
  • a "second error counting variable” is to be understood as a variable, preferably an integer variable, which is stored or stored for longer than an iteration of the method according to the present invention. It is possible that the second error count variable is reduced if a first normal state or a second normal state is detected. In particular, it is conceivable that the second error count variable is reset to a start value, for example the value 0, when a first normal state or a second normal state is detected.
  • first upper fault limit or a “second fault limit” is to be understood as meaning a predetermined variable or a variable which can be defined during operation of the heater.
  • the first upper error limit is greater than the first lower error limit. In this way, a first fault condition can initially be increased by increasing the Burner performance are counteracted before a fault reaction is performed.
  • An "error reaction” is understood to mean an operating state of the heating system which is a reaction to an occurring fault, defect, malfunction or non-optimal operation.
  • An error response may be a method of remedying the error, defect, disturbance, or non-optimal operation.
  • the heating system can be shut down or switched off, for example.
  • more extensive diagnostic methods for determining the cause of a detected first false state and / or second false state can be performed.
  • the heating system is regulated so that the cause of the first fault condition and / or the second fault condition is at least partially resolved and / or that the cause or causes of the first fault condition and / or the second fault condition at least largely no longer affects the intended operation of the heater or affect. In this way, the heating system can be brought as far as possible in a first normal state.
  • combustion parameter is determined by an ionization current measurement on a flame of the heating system, this is particularly advantageous since there is a functional relationship between the ionization current at a flame and the fuel-air ratio, which can be evaluated particularly favorably.
  • the method is further improved if the desired value and / or the first signal lower limit and / or optionally the fluid supply change and / or optionally the second lower signal limit of a
  • a control unit for a heating system which control unit is adapted to carry out a method for controlling a fuel-air ratio in a heating system according to the present invention, offers the additional advantage that by largely preventing a wrong 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 test operations, the wear of the heating system is lowered and its availability increased.
  • a heating system with a control unit according to the present invention with a lonisation probe on a flame and with a blower with variable fan speed has the advantage that in the operation of the heating system, an incorrect adjustment of the fuel-air ratio is largely prevented. In this way, unforeseen, heavy loads on the heating system are avoided by, for example, excessive burner temperatures and / or blower speeds that are too high and / or excessively high soot emissions and / or excessive vibrations, even in unfavorable weather conditions. 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.
  • 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 74 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 a fuel-air ratio in a heating system 46.
  • a relative signal maximum 58 of a combustion parameter 60 is determined.
  • the combustion parameter 60 is an ionization current 62 (see FIG FIG. 3 ).
  • the ionization current 62 is recorded by the control unit 18 and stored as a time course.
  • the time profile of the ionization current 62 is continuously evaluated by the control unit 18. If the time course has too great a fluctuation, step 56 is carried out.
  • a maximum amplitude of the fluctuation is stored as an absolute signal maximum.
  • a variation is classified as too large in the exemplary embodiment if the value of the ionization current 62 changes by more than one tolerance range over a test period.
  • the test period and the tolerance range are dependent on a burner output and an absolute value of the ionization current 62 in the exemplary embodiment.
  • the test period can take values between 1 ms and 1000 ms, preferably between 10 ms and 100 ms.
  • the tolerance range can assume values between 10% and 70%, preferably between 20% and 50%, particularly preferably between 30% and 40%.
  • the control unit 18 takes into account a current operating mode of the heating system 46.
  • the absolute signal maximum is detected in such an operating state of the heating system 46, in which a constant heating power is requested.
  • the relative signal maximum 58 is determined as the difference between the absolute signal maximum and a value of the ionization current 62, which was detected immediately before the fluctuation was detected.
  • an average normal value 66 of the combustion parameter 60 is determined.
  • a time average of the time profile of the ionization current 62 stored by the control unit 18 is formed for this purpose.
  • the time average of the ionization current 62 is formed between a time immediately before a beginning of the fluctuation detected in step 56 and a time immediately after the end of a last preceding fluctuation.
  • the average normal value 66 is determined over a period of a predetermined duration, with fluctuations taken out of the averaging. This has the advantage that a predeterminable minimum period or a predefinable minimum amount of data points is used or used for the averaging.
  • the average normal value 66 is determined over a period in which the heating system 46 is in such an operating state in which a constant heating power is requested.
  • step 64 may be performed prior to step 56. It is also possible that the steps 56 and 64 are executed as far as possible in parallel. In particular, it is conceivable that, in alternative embodiments, the average normal value 66 is used for determining the relative signal maximum 58, for example from the absolute signal maximum.
  • the time profile of the ionization current 62 recorded by the control unit 18 is subdivided into intervals, in particular regular intervals, in each of which average normal value 66 is determined via an averaging process, in which overly different data points are not taken into account.
  • the absolute signal maximum in each case is determined from the most strongly deviating data point in the respective interval, if such exists.
  • a first false state is determined in the exemplary embodiment, if the relative signal maximum 58 is smaller than a first signal lower limit 70 or if the average normal value 66 deviates too much from a desired value 72. If the relative signal maximum 58 is greater than or equal to the first signal lower limit 70 and if the average normal value 66 does not differ too much from the desired value 72, a first normal state is determined.
  • the first signal lower limit 70 is a predetermined and stored in the control unit 18 constant.
  • the first signal lower limit 70 in the exemplary embodiment is 10 ⁇ A. In alternative embodiments, the first signal lower limit 70 between 2 ⁇ A and 25 ⁇ A, preferably between 6 ⁇ A and 14 ⁇ A.
  • the setpoint value 72 depends on a burner output parameter 73 in the exemplary embodiment.
  • the set point 72 is a control value to which the ionization current 62 is regulated in a designated operation of the heating system 46.
  • the burner output parameter 73 is the fan speed 74.
  • a fan speed setpoint characteristic is stored in the control unit 18 which determines the functional relationship between the fan speed 74 and the setpoint value 72 then required describes.
  • setpoint value 72 assumes values between 10 ⁇ A and 100 ⁇ A, in particular between 30 ⁇ A and 60 ⁇ A.
  • the control unit 18 compares the relative signal maximum 58 determined in step 56 with the first signal lower limit 70, in which it is checked which of the two values is greater.
  • the control unit 18 checks the average normal value 66 determined in step 64, in which it is determined whether the average normal value 66 does not deviate too much from the desired value 72.
  • a deviation of the average normal value 66 by more than 10% from the target value 72 is classified as too strong.
  • a maximum allowable deviation of the average normal value 66 from the desired value 72 is between 1% and 25%, preferably between 5% and 15%.
  • the maximum permissible deviation of the average normal value 66 from the desired value 72 depends on one or more parameters, for example on a burner performance parameter 73 and / or on information about a weather situation. If it is determined in step 68 that a first false state exists, a first error count variable 76 stored in the control unit 18 is increased by one. It is determined that a first Normal state is present, the first Friedrichmorvariable 76 is set to the value 0.
  • FIG. 3 illustrates the relationship between the ionization current 62 and the fuel-air ratio at a constant fan speed 74.
  • the ionization current 62 is plotted on a first ordinate axis 78. On a first axis of abscissa 80, the fuel-air ratio is shown.
  • the course of the ionization stream 62 has an ionization current maximum 82 at a fuel / air ratio of 1.
  • the heating system 46 with a fuel-air ratio of 1.3 point 84 in FIG. 3 ) operated, so with an excess of air.
  • the method 54 checks whether the heating system 46 is operated with excess air.
  • a first normal state is determined only if the value of the relative signal maximum 58 has a sufficiently high value.
  • the variation of the ionization current 62 detected in step 56 is caused by a variation of the fuel-air ratio due to changing external conditions. If the fuel-air ratio prior to the variation is less than or equal to 1 and close to the ionization current maximum 82, in particular sufficiently smaller than 1.3, then the ionization current 62 can only increase slightly due to the variation. Since the increase in the ionization current 62, starting from the ionization current maximum 82, increases continuously in absolute value, the ionization current 62 can only increase strongly enough due to the variation of the fuel-air ratio if the fuel-air ratio is far enough away from 1 before the variation.
  • Another condition for determining the first normal state is that the average normal value 66 does not deviate too much from a target value 72. In this way, it is ensured that the desired value 72 is achieved as far as possible and that regulation of the heating system 46 with the ionization current 62 as a controlled variable functions as far as possible. From the condition that the average normal value 66 does not deviate too much from a target value 72, it can be concluded that the fuel-air ratio is with high probability not significantly less than 1. It is possible to ensure with further methods and / or devices that the fuel-air ratio is not significantly less than 1, for example by an embodiment of the method 54 in which a test operation is performed (see FIG. 4 ).
  • FIG. 4 shows a method 54 in which a test operation is performed as soon as a test time 86 is reached.
  • the test operation comprises the steps 88, 104 and 108.
  • the test operation is carried out as far as possible regularly, the intended test time interval is one minute.
  • the test time interval may be in the range of one second to hours.
  • the test time interval is selected depending on an operating state of the heating system 46.
  • the test time interval is selected depending on how often a first false state and / or how often a first normal state is detected in a predetermined time interval.
  • a temporal fluid supply change 90 of a fluid supply characteristic 92 is generated.
  • the fluid supply characteristic 92 has an intended opening width 94 of the metering device 34.
  • the opening width 94 is a percentage, with an opening width 94 of 0% corresponding to a completely closed fuel valve 44 and an opening width 94 of 100% describing a fully opened fuel valve 44.
  • the intended opening width 94 is realized by a selection of the control signal and transmission of this control signal to the fuel valve 44 by the control unit 18.
  • the opening 94 describes a request that is communicated to the fuel valve 44.
  • the fluid supply change 90 is in FIG. 5 displayed.
  • a second abscissa axis 96 represents a time.
  • the fluid supply change 90 runs in a substantially rectangular pulse.
  • the fluid supply characteristic 92 or the opening 94 has a normal supply value.
  • the normal supply value is selected by the control unit 18 so that, under the currently existing conditions, the ionization current 62 largely assumes the desired value 72.
  • the opening 94 is increased as fast as possible to a maximum supply value.
  • An in FIG. 5 Imaged pulse height 100 is 15%.
  • An in FIG. 5 Imaged pulse height 100 is 15%.
  • 5 Imaged pulse width 102 is 120 ms.
  • the pulse height 100 and the pulse width 102 are constants stored in the memory unit 18.
  • the pulse height 100 assumes values in an interval between 10% and 20%.
  • the pulse width 102 may take values in an interval between 50 ms and 200 ms. It is conceivable that the fluid supply change in particular Embodiments 90 of at least one operating parameter of the heating system 46 depends. In particular, it is conceivable for the pulse height 100 and / or the pulse width 102 to be dependent on a burner output parameter 73, for example the fan speed 74.
  • a relative correlated signal maximum 106 of the combustion parameter 60 or the ionization current 62 is determined.
  • the correlated signal maximum 106 is correlated with the temporal fluid supply change 90.
  • the ionization current 62 is determined by the ionization probe 42 at the flame 40 and transmitted to the control unit 18.
  • the time profile of the ionization current 62 has the relative correlated signal maximum 106.
  • the relative correlated signal maximum 106 is determined from the difference between an absolute correlated signal maximum and a value of the ionization current 62, which was determined shortly before the increase of the ionization current 62 correlated with the fluid supply change 90 (see FIG. 5 ).
  • a second false state is determined if the relative correlated signal maximum 106 is smaller than a second signal lower limit 110. If the relative correlated signal maximum 106 is greater than or equal to the second lower signal limit 110, a second normal state is determined.
  • the second signal lower limit 110 is a predetermined constant stored in the control unit 18.
  • the second signal lower limit 110 in the exemplary embodiment is 5 ⁇ A.
  • the second lower signal limit 110 is between 1 ⁇ A and 2 ⁇ A, preferably between 3 ⁇ A and 7 ⁇ A.
  • the signal lower limit 110 is half the first lower signal limit 70.
  • the control unit 18 compares the relative correlated signal maximum 106 determined in step 104 with the second signal lower limit 110, in which it is checked which of the two values is greater. If it is determined in step 108 that there is a second false state, a second error count variable 112 stored in the control unit 18 is increased by one. If it is determined that there is a second normal state, the second error count variable 112 is set to the value 0. In alternative embodiments, the first error count variable 76 is set to the value 0 if a second normal state exists. In further embodiments, the second error count variable 112 is set to the value 0 if a first normal state is detected.
  • the first error count variable 76 and / or the second error count variable 112 is lowered, in particular by 1, if a first normal state and / or a second normal state is detected. It is also conceivable that in alternative embodiments, the first error count variable 76 and the second error count variable 112 are increased by a value greater than 1 when a first fault condition or a second fault condition is detected. In this way, it can be set, for example, that more first normal states and / or second normal states than first false states and / or second false states are necessary in order to lower the first error counting variable 76 and / or the second error counting variable 112.
  • the fluid supply change 90 generated in step 88 temporarily lowers the fuel-air ratio.
  • a positive relative correlated signal maximum 106 is only possible if the fuel-air ratio previously had a value greater than 1. If the fuel-air ratio previously had a value less than or equal to 1, then the ionization current 62 is lowered by the fluid supply change 90 (see FIG. 3 ).
  • the fluid supply parameter 92 corresponds to a control signal to the fuel valve 44 or to a value which can be derived, in particular scalar, from the control signal.
  • the fluid supply parameter 92 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 92.
  • dosage value is to be understood as a characteristic value which describes the state of the dosing device 34 and allows conclusions to be drawn about the amount of substance supplied and / or allowed to pass through the dosing device 34.
  • An example of a dosage value is a measured opening size of the fuel valve 44 and / or a measured fuel flow.
  • a future test time is postponed if a first normal state is determined before reaching the future test time.
  • a future test time is deferred if, prior to reaching the future test time, a first normal state is detected often enough, for example, three times.
  • an immediately following test time on the after the following test time is shifted or the current test time interval is doubled, if a first normal state is detected or is found often enough.
  • an immediately following test time is extended by an absolute time length, for example 15 seconds, or a relative time length, for example 10% of the current test time interval, if a first normal state is detected or is detected often enough.
  • a test operation is performed if a time since a last test operation exceeds a maximum test time interval.
  • the maximum test time interval is in particular an upper limit for the test time interval. In this way, it is ensured that variants with a variably extendable test time interval or with a displaceable future test time this future test time is not shifted too far into the future.
  • the control unit 18 the elapsed since a last test operation passed time is detected.
  • the maximum test time interval it is possible for the maximum test time interval to be set during operation of the heating system 46. For example, it is conceivable that during an installation and / or an inspection of the heating system 46, the control unit 18 receives information about a geographic location or the location of the heating system 46.
  • the maximum test time interval can be selected depending on the geographic location so that the local emissions regulations are always met. Furthermore, it is possible in this way, location-specific special environmental conditions that make a more frequent implementation of a test operation necessary, for example, a particularly strong air pollution, too consider.
  • the maximum test time interval is 10 minutes. In variants, the maximum test time interval can range from one minute to hours.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the method 54 in which first steps 56, 64 and 68 are performed. Subsequently, in a step 114, the control unit 18 checks the value of the first error counting variable 76 and the value of the second error counting variable 112. If the first error count variable 76 exceeds a first upper error limit 116 or if the second error count variable 112 exceeds a second error limit 118, the method 54 continues on the path A and an error reaction 120 is performed. In the present embodiment, the first upper error limit 116 has the value 4 and the second error limit 118 the value 3. As an error reaction 120, the heating system 46 is shut down.
  • the first error count variable 76 is checked by the control unit 18 in step 114. If the first error count variable 76 exceeds a first lower error limit 122, the method 54 is continued on the path B and the burner output is increased in a step 124.
  • the first lower error limit 122 has the value 1.
  • the burner output is realized by increasing the fan speed 74. In the present embodiment, the burner power is increased by 50% of the burner power present at an execution time of the step 114.
  • the method 54 is terminated after step 114 (path C) in FIG. 6 ).
  • the burner output is increased as fault reaction 120 in a subsequent step 124 and / or a test operation comprising steps 88, 101 and 108 is performed.
  • the fluid supply change 90 is increased as a fault reaction 120 in a following step 88, for example, in which the pulse height 100 and / or the pulse width 102 is increased.
  • the first upper error limit 116 and / or the first lower error limit 122 and / or the second error limit 118 may assume any other integer values.
  • the first lower error limit 122 may assume the value 0, so that a step 124 is always executed if a first false state is detected.
  • first upper error limit 116 and / or the first lower error limit 122 and / or the second error limit 118 each depend on further information, in particular these variables can be set and / or updated during the operation of the heater. It is conceivable that the first upper error limit 116 and / or the first lower error limit 122 and / or the second error limit 118 are respectively selected depending on the geographical position so that the local emission regulations are always met.
  • the increase in the burner output in step 124 depends on the operating state of the heating system and / or depending on selected at an execution time of step 114 burner power.
  • the burner power is increased by a variable percentage of the burner power present at an execution time of step 114. The percentage is preferably in a range between 10% and 200%, in particular between 25% and 100%.
  • the combustion parameter 60 is an ionization stream 62.
  • the ionization stream 62 is determined by an ionization current measurement on a flame 40 of the heating system 46.
  • the ionization current 62 is determined by the ionization probe 42 and transmitted to the control unit 18.
  • the combustion parameter 60 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. The thermometer may be located in the exhaust system 38 and / or may measure the flame 40.
  • the desired value 72 and / or the first signal lower limit 70 and / or, if appropriate, the fluid supply change 90 and / or optionally the second lower signal limit 110 depend on a burner output parameter 73, for example on a fan speed 74.
  • the form of the respective dependence depends on the technical characteristics of the heating system 46.
  • the first signal lower limit 70 and / or optionally the second lower signal limit 110 have a high value for low fan speed 74 and this value decreases in each case with an increasing fan speed 74.
  • the method 54 is less sensitive to fluctuations in the ionization current 62, which are typically greater at low burner powers.
  • the fluid supply change 90 to be small at low fan speed 74 is and increases with an increasing fan speed 74. In this way it is ensured that the control of the heating system 46 is not disturbed by an excessive change in the fluid supply 90.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem (46), welches die folgenden Schritte umfasst: €¢ Ermitteln eines relativen Signalmaximums (58) einer Verbrennungskenngröße (60), wobei die Verbrennungskenngröße (60) mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis korreliert ist, €¢ Ermitteln eines durchschnittlichen Normalwerts (66) der Verbrennungskenngröße (60), €¢ Feststellung eines ersten Fehlzustandes, falls das relative Signalmaximum (58) eine erste Signaluntergrenze (70) nicht erreicht oder falls der durchschnittliche Normalwert (66) zu stark von einem Sollwert (72) abweicht, oder Feststellung eines ersten Normalzustandes, falls das relative Signalmaximum (58) eine erste Signaluntergrenze (70) erreicht und falls der durchschnittliche Normalwert (66) nicht zu stark von einem Sollwert (72) abweicht. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit (18), die zum Ausführen des Verfahrens (54) gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist sowie ein Heizsystem (54) mit der Steuereinheit (18) gemäß der vorliegenden Erfindung.

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 Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist sowie ein Heizsystem mit der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • Stand der Technik
  • Um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten, ist es bei dem Betrieb von Gasbrenner notwendig, das richtige Brennstoff-Luft-Verhältnis sicherzustellen. Dazu muss die korrekte Funktionsweise der für die Bestimmung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses eingesetzten Sensorik gewährleistet sein. Die
  • DE 10 2010 055 567 zeigt und beschreibt ein Verfahren, in welchem eine Gaszufuhr kurzzeitig erhöht wird und ein daraus resultierendes kurzzeitiges Ansteigen eines lonisationsstroms an einer Brennerflamme gemessen wird. Der lonisationsstrom ist mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis korreliert. In der DE 10 2010 055 567 wird der Gasbrenner in Abhängigkeit von der Stärke des kurzzeitigen Ansteigens des lonisationsstroms geregelt um eine bessere Verbrennung zu gewährleisten. Solche Verfahren haben den Nachteil, dass in bestimmten Situationen der lonisationsstrom durch weitere externe und/oder interne Einflüsse, beispielsweise einen Windstoß, beeinflusst werden kann. In solchen Fällen besteht keine eindeutige Korrelation zwischen einer Modulation der Gaszufuhr und einer Modulation des Ionisationsstroms, was die Regelung des Gasbrenners in Abhängigkeit vom Brennstoff-Luft-Verhältnis zeitweise unmöglich macht.
    • Offenbarung der Erfindung Vorteile
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem offenbart. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • Ermitteln eines relativen Signalmaximums einer Verbrennungskenngröße, wobei die Verbrennungskenngröße mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis korreliert ist,
    • Ermitteln eines durchschnittlichen Normalwerts der Verbrennungskenngröße,
    • Feststellung eines ersten Fehlzustandes, falls das relative Signalmaximum eine erste Signaluntergrenze nicht erreicht oder falls der durchschnittliche Normalwert zu stark von einem Sollwert abweicht, oder Feststellung eines ersten Normalzustandes, falls das relative Signalmaximum eine erste Signaluntergrenze erreicht und falls der durchschnittliche Normalwert nicht zu stark von einem Sollwert abweicht.
  • Unter einem "Heizsystem" ist mindestens ein Gerät zur Erzeugung von Wärmeenergie zu verstehen, insbesondere ein Heizgerät bzw. Heizbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Gebäudeheizung und/oder zur Warmwassererzeugung, bevorzugt durch das Verbrennen von einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff. Ein Heizsystem kann auch aus mehreren solchen Geräten zur Erzeugung von Wärmeenergie sowie weiteren, den Heizbetrieb unterstützenden Vorrichtungen, wie etwa Warmwasser- und Brennstoffspeichern, bestehen.
  • Unter einer "Verbrennungskenngröße" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche insbesondere mit einer Verbrennung, insbesondere eines Gemischs, insbesondere aus einer Verbrennungsluft und einem Brennstoff, korreliert ist. Ein Beispiel für eine Verbrennungskenngröße ist ein lonisationsstrom, welcher an einer Flamme des Heizsystems gemessen wird. Vorteilhaft kann, insbesondere durch eine Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand der Verbrennungskenngröße auf ein Vorhandensein und/oder eine Güte der Verbrennung geschlossen werden und/oder das Vorhandensein und/oder die Güte der Verbrennung ermittelt werden. Vorteilhaft entspricht die Verbrennungskenngröße zumindest einem oder genau einem, die Verbrennung abbildenden und/oder charakterisierenden Messwert bzw. kann die Verbrennungskenngröße einem solchen Messwert eindeutig zugeordnet werden. Beispiele für einen die Verbrennung abbildenden und/oder charakterisierenden Messwert sind ein Verbrennungssignal, insbesondere einer Lichtintensität, ein Schadstoffausstoß, eine Temperatur und/oder vorteilhaft ein lonisationssignal.
  • Unter einem "durchschnittlichen Normalwert" ist ein durchschnittlicher Wert der Verbrennungskenngröße zu verstehen, welcher über einen Zeitraum gemittelt wird, der keine zu großen Schwankungen aufweist. Dabei soll unter einer Schwankung eine zeitliche Veränderung eines Absolutwertes des Verbrennungskenngröße verstanden werden. Unter einer zu großen Schwankung kann das Auftreten eines zu hohen Absolutwertes der Verbrennungskenngröße und/oder eine zu hohe Änderungsgeschwindigkeit des Absolutwertes der Verbrennungskenngröße verstanden werden. Es ist denkbar, dass der Absolutwert der Verbrennungskenngröße als Funktion der Zeit erfasst bzw. gespeichert wird. Der durchschnittliche Normalwert kann aus dem gespeicherten Absolutwert der Verbrennungskenngröße als Funktion der Zeit ermittelt werden. Weiterhin ist es denkbar, dass der durchschnittliche Normalwert über einen Zeitraum ermittelt wird und dabei zu große Schwankungen der Verbrennungskenngröße nicht berücksichtigt werden.
  • Unter einem "relativen Signalmaximum" ist die maximale Amplitude der Verbrennungskenngröße abzüglich der weitestgehend konstanten Amplitude der Verbrennungskenngröße vor diesem Zeitraum bzw. der Amplitude der Verbrennungskenngröße zu Beginn dieses Zeitraums zu verstehen. Ein relatives Signalmaximum weicht hinreichend stark vom durchschnittlichen Normalwert ab. Die Entstehung eines relativen Signalmaximums kann durch eine Veränderung von die Verbrennung beeinflussenden Randbedingung verursacht werden. Beispielsweise kann eine Veränderung des Drucks und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Zusammensetzung der Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffes und/oder der Mischung aus Verbrennungsluft und Brennstoff zu einem relativen Signalmaximum führen.
  • Unter einer "ersten Signaluntergrenze" ist ein vorher festgelegter oder während der Ausführung des Verfahrens ermittelter Wert zu verstehen. Die erste Signaluntergrenze ist zum Vergleich mit der Verbrennungskenngröße vorgesehen. Die erste Signaluntergrenze kann von einem oder mehreren Parametern abhängen, beispielsweise Betriebsparametern des Heizsystems. Insbesondere kann die erste Signaluntergrenze von einer Brennerleistung des Heizsystems abhängen.
  • Unter einem "Sollwert" ist ein vorher festgelegter oder während der Ausführung des Verfahrens ermittelter Wert zu verstehen. Der Sollwert ist zum Vergleich mit der Verbrennungskenngröße vorgesehen. Insbesondere ist der Sollwert ein Regelwert, auf den die Verbrennungskenngröße in einem vorgesehenen Betrieb des Heizsystems geregelt wird. Die erste Signaluntergrenze kann von einem oder mehreren Parametern abhängen, beispielsweise Betriebsparametern des Heizsystems. Insbesondere kann der Sollwert von einer Brennerleistung des Heizsystems abhängen.
  • Mit "erster Normalzustand" oder "zweiter Normalzustand" ist ein Zustand des Heizsystems gemeint, in dem der Betrieb des Heizsystems im vorgesehenen Rahmen erfolgt. Unter "erster Fehlzustand" oder "zweiter Fehlzustand" ist ein Zustand des Heizsystems zu verstehen, in dem der Betrieb nicht im vorgesehen Rahmen möglich ist. Dazu gehören Defekte und Störungen sowie ein nicht optimaler Betrieb. Ein zweiter Normalzustand oder ein zweiter Fehlzustand wird in einem Testbetrieb ermittelt (siehe unten). 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.
  • Zur Ermittlung des durchschnittlichen Normalwertes und des relativen Signalmaximums wird die Verbrennungskenngröße kontinuierlich oder regelmäßig gemessen und gespeichert. Aus den gespeicherten Werten der Verbrennungskenngröße wird nach vorher festgelegten oder während der Ausführung des Verfahrens ermittelten Zeitintervallen der durchschnittliche Normalwert und das relative Signalmaximum ermittelt. Es ist beispielsweise denkbar, dass ein Zeitintervall festgelegt wird, sobald die Verbrennungskenngröße ausreichend stark vom Sollwert abweicht.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis selbst bei äußeren Einflüssen auf die Verbrennungskenngröße, insbesondere durch einen Wind und Luftdruckschwankungen, weitestgehend korrekt ermittelt werden kann. Das ermöglicht einen weitestgehend optimalen und schadstoffarmen Betrieb des Heizsystems.
  • Es ist denkbar, dass das Heizsystem abhängig davon, ob ein Fehlzustand festgestellt wird, geregelt wird. Vorteilhaft kann eine Ursache eines ersten Fehlzustandes behoben werden, falls ein erster Fehlzustand im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt wird bzw. zu oft festgestellt wird. Es ist denkbar, dass weitergehende Diagnoseverfahren zur Ermittlung der Ursache eines festgestellten ersten Fehlzustandes durchgeführt werden. Abhängig von einem Ergebnis des weitergehenden Diagnoseverfahrens wird das Heizsystem so angesteuert, dass die Ursache des ersten Fehlzustandes zumindest teilweise behoben wird und/oder dass sich die Ursache des ersten Fehlzustandes zumindest weitestgehend nicht mehr auf den vorgesehenen Betrieb des Heizgeräts auswirkt. Auf diese Weise kann das Heizsystem weitestgehend in einen ersten Normalzustand gebracht werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens möglich.
  • Wird ein Testbetrieb durchgeführt, falls ein Testzeitpunkt erreicht wird, welcher die folgenden zusätzlichen Schritte aufweist:
    • Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung einer Fluidzufuhrkenngröße,
    • Ermitteln eines relativen korrelierten Signalmaximums einer Verbrennungskenngröße, welches mit der Fluidzufuhränderung korreliert ist,
    • Feststellung eines zweiten Fehlzustandes, falls das relative korrelierte Signalmaximum eine zweite Signaluntergrenze nicht erreicht, oder Feststellung eines zweiten Normalzustandes, falls das relative korrelierte Signalmaximum eine zweite Signaluntergrenze erreicht,
    hat das den Vorteil, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis weitestgehend jederzeit ermittelbar ist. Insbesondere kann das Brennstoff-Luft-Verhältnis unabhängig von einem relativen Signalmaximum ermittelt werden. Das Auftreten eines relativen Signalmaximums kann insbesondere von den äußeren Umweltbedingungen abhängen.
  • Unter einem "Testbetrieb" ist ein Betriebsmodus des Heizsystems zu verstehen, in welchem das Heizsystem so betrieben wird, dass die Funktionalität des Heizsystems überprüft wird. Insbesondere kann in einem Testmodus eine Sensorik und/oder Analytik des Heizsystems überprüft werden. Zum Beispiel kann in einem Testmodus ermittelt werden, ob das Brennstoff-Luft-Verhältnis weitestgehend korrekt bestimmt wird. In einem Testbetrieb kann eine Funktionalität des Heizgeräts zumindest teilweise gegenüber einem vorgesehenen Normalbetrieb des Heizgeräts abweichen, insbesondere eingeschränkt sein. In einem Testbetrieb können zumindest teilweise andere Verfahren durch das Heizgerät durchgeführt werden als im vorgesehenen Normalbetrieb. Beispielsweise kann im Testbetrieb ein Brennerleistungsbereich des Heizgeräts weitestgehend vollständig durchfahren werden. Es ist denkbar, dass ein Testbetrieb parallel zu einem vorgesehenen Normalbetrieb durchgeführt wird. Bevorzugt wird der vorgesehene Normalbetrieb durch den Testbetrieb weitestgehend nicht gestört und/oder beeinflusst. Es ist denkbar, dass der vorgesehene Normalbetrieb durch den Testbetrieb vorübergehend unterbrochen wird. Ein "Testzeitpunkt" ist ein Zeitpunkt, bei dem das Durchführen eines Testbetriebs vorgesehen ist. Der Testzeitpunkt kann vorher festgelegt sein, insbesondere periodisch, oder während der Ausführung des Verfahrens ermittelten werden, beispielsweise wenn ein erster Fehlzustand festgestellt wird.
  • 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 weitestgehend auf den Wert der Fluidzufuhrkenngröße vor Beginn der Fluidzufuhränderung geregelt. Bevorzugt ist die Zeitdauer der Fluidzufuhränderung pulsartig und kurz gegenüber den im üblichen Betrieb des Heizsystems auftretenden vorgesehenen zeitlichen Variationen der Fluidzufuhrkenngröße.
  • Unter einem "relativen korrelierten Signalmaximum" ist die maximale Amplitude der Verbrennungskenngröße in einem mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten Zeitraum abzüglich der weitestgehend konstanten Amplitude der Verbrennungskenngröße vor diesem Zeitraum oder abzüglich der Amplitude der Verbrennungskenngröße zu Beginn dieses Zeitraums oder abzüglich des durchschnittlichen Normalwerts in diesem Zeitraum zu verstehen. Das relative korrelierte Signalmaximum ist insbesondere ein Maß für die Änderung der Verbrennungskenngröße aufgrund der Fluidzufuhränderung.
  • Unter einer "zweiten Signaluntergrenze" ist ein vorher festgelegter oder während der Ausführung des Verfahrens ermittelter Wert zu verstehen. Die zweite Signaluntergrenze ist zum Vergleich mit der Verbrennungskenngröße vorgesehen, insbesondere während des Testbetriebs. Die zweite Signaluntergrenze kann von einem oder mehreren Parametern abhängen, beispielsweise Betriebsparametern des Heizsystems. Insbesondere kann die zweite Signaluntergrenze von einer Brennerleistung des Heizsystems abhängen.
  • Entspricht die Fluidzufuhrkenngröße einem Steuersignal zum Dosieren eines Brennstoffs und/oder einer 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 ein oder der Testzeitpunkt verschoben bzw. ein Testzeitpunktabstand erhöht, falls ein erster Normalzustand festgestellt wird, hat das den Vorteil, dass ein Testbetrieb nicht zu oft ausgeführt wird. Auf diese Weise werden Emissionen des Heizsystems gesenkt. Zusätzlich wird ein vorgesehener, normaler Betrieb des Heizsystems seltener unterbrochen. Unter einem "Testzeitpunktabstand" ist der zeitliche Abstand zwischen einem letzten Testzeitpunkt und einem danach folgenden, zukünftigen Testzeitpunkt zu verstehen.
  • Wird ein oder der Testbetrieb durchgeführt, falls eine Zeit seit einem letzten Testbetrieb einen Maximaltestzeitabstand überschreitet, wird auf diese Weise ein immer wiederkehrender Testbetrieb garantiert. Der Betrieb des Heizgeräts wird so besonders sicher und störungsarm. Unter einem
  • "Maximaltestzeitabstand" ist eine vorher festgelegte oder eine während eines Betriebs des Heizgeräts festlegbare Variable zu verstehen. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Maximaltestzeitabstand abhängig von einem Ort des Heizsystems so gewählt wird, dass lokale Emissionsvorschriften eingehalten werden.
  • Dadurch, dass in einem zusätzlichen Schritt eine Brennerleistung des Heizsystems erhöht wird, falls ein erster Fehlzustand festgestellt wird und/oder falls eine erste Fehlerzählvariable eine erste untere Fehlergrenze überschreitet, wird der Betrieb des Heizgeräts besonders sicher und robust gegen äußere Einflüsse. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein erster Fehlzustand durch einen starken Wind oder schnelle Druckschwankungen außerhalb des Heizgeräts verursacht wird. Eine Erhöhung der Brennerleistung des Heizsystems, beispielsweise durch eine Erhöhung eines Volumenstroms einer Brennstoff-Luft-Mischung, macht das Heizsystem weniger empfindlich gegen Wind oder Luftdruckschwankungen.
  • Dabei ist unter einer "ersten Fehlerzählvariable" eine Variable, bevorzugt ganzzahlige Variable, zu verstehen, welche länger als über eine Iteration des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht bzw. gespeichert wird und erhöht wird, falls ein erster Fehlzustand festgestellt wird. Es ist möglich, dass die erste Fehlerzählvariable verringert wird, falls ein erster Normalzustand oder ein zweiter Normalzustand festgestellt wird. Insbesondere ist es denkbar, dass die erste Fehlerzählvariable auf einen Startwert, beispielsweise den Wert 0, zurückgesetzt wird, wenn ein erster Normalzustand oder ein zweiter Normalzustand festgestellt wird. Unter einer "ersten unteren Fehlergrenze" ist eine vorher festgelegte oder eine während eines Betriebs des Heizgeräts festlegbare Variable zu verstehen. Es ist möglich, dass die erste untere Fehlergrenze abhängig von inneren und äußeren Bedingungen laufend aktualisiert wird. Wird beispielsweise eine besonders windige Wetterlage ermittelt, kann die erste untere Fehlergrenze temporär gesenkt werden.
  • Wird eine oder die erste Fehlerzählvariable erhöht, falls ein erster Fehlzustand festgestellt wird und/oder wird eine zweite Fehlerzählvariable erhöht, falls ein zweiter Fehlzustand festgestellt wird, so ist es auf diese Weise möglich, unterschiedliche Ursachen für den ersten Fehlzustand und für den zweiten Fehlzustand zu berücksichtigen. Das erlaubt einen besonders sicheren und effizienten Ablauf des Verfahrens des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Unter einer "zweiten Fehlerzählvariablen" ist eine Variable, bevorzugt ganzzahlige Variable, zu verstehen, welche länger als über eine Iteration des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht bzw. gespeichert wird. Es ist möglich, dass die zweite Fehlerzählvariable verringert wird, falls ein erster Normalzustand oder ein zweiter Normalzustand festgestellt wird. Insbesondere ist es denkbar, dass die zweite Fehlerzählvariable auf einen Startwert, beispielsweise den Wert 0, zurückgesetzt wird, wenn ein erster Normalzustand oder ein zweiter Normalzustand festgestellt wird.
  • Wird eine Fehlerreaktion durchgeführt wird, falls die erste Fehlerzählvariable eine erste obere Fehlergrenze überschreitet und/oder falls die zweite Fehlerzählvariable eine zweite Fehlergrenze überschreitet, wird ein sicherer Betrieb des Heizgeräts sichergestellt. Unter einer "ersten oberen Fehlergrenze" oder einer "zweiten Fehlergrenze" ist eine vorher festgelegte oder eine während eines Betriebs des Heizgeräts festlegbare Variable zu verstehen. Bevorzugt ist die erste obere Fehlergrenze größer als die erste untere Fehlergrenze. Auf diese Weise kann einem ersten Fehlzustand zunächst über eine Erhöhung der Brennerleistung entgegengewirkt werden, bevor eine Fehlerreaktion durchgeführt wird.
  • Unter einer "Fehlerreaktion" ist ein Betriebszustand des Heizsystems zu verstehen, welcher eine Reaktion auf einen auftretenden Fehler, Defekt, eine Störung oder einen nicht optimalen Betrieb ist. Eine Fehlerreaktion kann ein Verfahren zur Behebung des Fehlers, Defekts, der Störung oder des nicht optimalen Betriebs sein. Als Fehlerreaktion kann das Heizsystem beispielsweise heruntergefahren bzw. abgeschaltet werden. Weiterhin können weitergehende Diagnoseverfahren zur Ermittlung der Ursache eines festgestellten ersten Fehlzustandes und/oder zweiten Fehlzustandes durchgeführt werden. Abhängig von einem Ergebnis des weitergehenden Diagnoseverfahrens wird das Heizsystem so geregelt, dass die Ursache des ersten Fehlzustandes und/oder des zweiten Fehlzustandes zumindest teilweise behoben wird und/oder dass sich die Ursache bzw. die Ursachen des ersten Fehlzustandes und/oder des zweiten Fehlzustandes zumindest weitestgehend nicht mehr auf den vorgesehenen Betrieb des Heizgeräts auswirkt bzw. auswirken. Auf diese Weise kann das Heizsystem weitestgehend in einen ersten Normalzustand gebracht werden.
  • Wird die Verbrennungskenngröße durch eine lonisationsstrommessung an einer Flamme des Heizsystems bestimmt, ist das besonders vorteilhaft, da zwischen dem lonisationsstrom an einer Flamme und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis ein funktionaler Zusammenhang besteht, welcher besonders günstig auswertbar ist.
  • Das Verfahren wird weiter verbessert, wenn der Sollwert und/oder die erste Signaluntergrenze und/oder gegebenenfalls die Fluidzufuhränderung und/oder gegebenenfalls die zweite Signaluntergrenze von einem
  • Brennerleistungsparameter abhängen. Auf diese Weise wird die Ausführung des Verfahrens besonders zuverlässig und Emissionen im Heizbetrieb werden weiter gesenkt.
  • Eine Steuereinheit für ein Heizsystem, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen bietet den zusätzlichen 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 Testbetrieben der Verschleiß des Heizsystems gesenkt und seine Verfügbarkeit erhöht.
  • Ein Heizsystem mit einer Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, mit einer lonisationssonde 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 selbst bei ungünstigen Wetterlagen 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 der Brennstoffverbrauch gesenkt und die Lebensdauer des Heizsystems erhöht bzw. das Zeitintervall zwischen den erforderlichen Inspektionsintervallen gesenkt.
    • 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 Abhängigkeit des lonisationsstrom vom Brennstoff-Luft-Verhältnis,
    • Figuren 4 und 6 Varianten des Verfahrens zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung und
    • Figur 5 eine schematische Darstellung einer Fluidzufuhränderung und einer zeitlichen Änderung von einer Verbrennungskenngröße.
    Beschreibung
  • In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
  • In Figur 1 ist ein Heizgerät 10 schematisch dargestellt, das im Ausführungsbeispiel auf einem Speicher 12 angeordnet ist. Das Heizgerät 10 weist ein Gehäuse 14 auf, das je nach Ausstattungsgrad unterschiedliche Komponenten aufnimmt.
  • Als wesentliche Komponenten befinden sich eine Wärmezelle 16, eine Steuereinheit 18, eine oder mehrere Pumpen 20 sowie Verrohrungen 22, Kabel oder Busleitungen 24 und Haltemittel 26 im Heizgerät 10. Auch bei den einzelnen Komponenten hängt deren Anzahl und Komplexität vom Ausstattungsgrad des Heizgeräts 10 ab.
  • Die Wärmezelle 16 weist einen Brenner 28, einen Wärmetauscher 30, ein Gebläse 32, ein Dosierer 34 sowie ein Zuluftsystem 36, ein Abgassystem 38 und, wenn die Wärmezelle 16 in Betrieb ist, eine Flamme 40 auf. In die Flamme 40 ragt eine lonisationssonde 42. Der Dosierer 34 ist als Brennstoffventil 44 ausgebildet. Eine Gebläsedrehzahl 74 des Gebläses 32 ist variabel einstellbar. Das Heizgerät 10 und der Speicher 12 bilden zusammen ein Heizsystem 46. Die Steuereinheit 18 weist einen Datenspeicher 48, eine Recheneinheit 50 und eine Kommunikationsschnittstelle 52 auf. Über die Kommunikationsschnittstelle 52 sind die Komponenten des Heizsystems 46 ansteuerbar. Die Kommunikationsschnittstelle 52 ermöglicht einen Datenaustausch mit externen Geräten. Externe Geräte sind beispielsweise Steuergeräte, Thermostate und/oder Geräte mit Computerfunktionalität, beispielsweise Smartphones.
  • Figur 1 zeigt ein Heizsystem 46 mit einer Steuereinheit 18. In alternativen Ausführungsformen befindet sich die Steuereinheit 18 außerhalb des Gehäuses 14 des Heizgeräts 10. Die externe Steuereinheit 18 ist in besonderen Varianten als Raumregler für das Heizsystem 46 ausgeführt. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuereinheit 18 mobil. Die externe Steuereinheit 18 weist eine Kommunikationsverbindung zum Heizgerät 10 und/oder anderen Komponenten des Heizsystems 46 auf. Die Kommunikationsverbindung kann kabelgebunden und/oder kabellos sein, bevorzugt eine Funkverbindung, besonders bevorzugt über WLAN, Z-Wave, Bluetooth und/oder ZigBee. Die Steuereinheit 18 kann in weiteren Varianten aus mehreren Komponenten bestehen, insbesondere nicht physisch verbundenen Komponenten. In besonderen Varianten können zumindest eine oder mehrere Komponenten der Steuereinheit 18 teilweise oder ganz in der Form von Software vorliegen, die auf internen oder externen Geräten, insbesondere auf mobilen Recheneinheiten, beispielsweise Smartphones und Tablets, oder Servern, insbesondere einer Cloud, ausgeführt wird. Die Kommunikationsverbindungen sind dann entsprechende Softwareschnittstellen.
  • Figur 2 zeigt das Verfahren 54 gemäß der Erfindung zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem 46. In einem Schritt 56 wird ein relatives Signalmaximum 58 einer Verbrennungskenngröße 60 ermittelt. Die Verbrennungskenngröße 60 ist im Ausführungsbeispiel ein lonisationsstrom 62 (siehe Figur 3). Der lonisationsstrom 62 wird durch die Steuereinheit 18 aufgezeichnet und als ein zeitlicher Verlauf gespeichert. Der zeitliche Verlauf des lonisationsstroms 62 wird durch die Steuereinheit 18 kontinuierlich ausgewertet. Weist der zeitliche Verlauf eine zu große Schwankung auf, wird Schritt 56 durchgeführt. Eine maximale Amplitude der Schwankung wird als ein absolutes Signalmaximum gespeichert. Eine Schwankung wird im Ausführungsbeispiel als zu groß klassifiziert, wenn sich der Wert des lonisationsstroms 62 über einen Testzeitraum um mehr als einen Toleranzbereich verändert. Der Testzeitraum und der Toleranzbereich sind im Ausführungsbeispiel von einer Brennerleistung und einem Absolutwert des lonisationsstroms 62 abhängig. Der Testzeitraum kann Werte zwischen 1 ms und 1000 ms, bevorzugt zwischen 10 ms und 100 ms, annehmen. Der Toleranzbereich kann Werte zwischen 10 % und 70 %, bevorzugt zwischen 20 % und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 30 % und 40 %, annehmen. Dabei berücksichtigt die Steuereinheit 18 einen aktuellen Betriebsmodus des Heizsystems 46.
  • Wird beispielsweise eine Erhöhung der Brennerleistung angefordert, so wird eine mit so einer Anforderung zusammenhängende Veränderung des lonisationsstroms 62 nicht berücksichtigt. Auf diese Weise werden weitestgehend nur Schwankungen des lonisationsstroms berücksichtigt, welche durch externe Einflüsse ausgelöst werden. Insbesondere werden so Änderungen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses aufgrund von Winden und Luftdruckschwankungen erfasst. Bevorzugt wird das absolute Signalmaximum in einem solchen Betriebszustand des Heizsystems 46 erfasst, in dem eine konstante Heizleistung angefordert wird. Das relative Signalmaximum 58 wird als Differenz zwischen dem absoluten Signalmaximum und einem Wert des lonisationsstroms 62, welcher unmittelbar vor der Feststellung der Schwankung erfasst wurde, ermittelt.
  • In einem Schritt 64 wird ein durchschnittlicher Normalwert 66 der Verbrennungskenngröße 60 ermittelt. Im Ausführungsbeispiel wird dazu ein zeitlicher Mittelwert des von der Steuereinheit 18 gespeicherten zeitlichen Verlaufs des lonisationsstroms 62 gebildet. Der zeitliche Mittelwert des lonisationsstroms 62 wird zwischen einem Zeitpunkt unmittelbar vor einem Beginn der in Schritt 56 erfassten Schwankung und einem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Ende einer zuletzt vorhergehenden Schwankung gebildet. Es ist denkbar, dass in alternativen Ausführungsformen der durchschnittliche Normalwert 66 über einen Zeitraum mit einer vorgegebenen Dauer ermittelt wird, wobei Schwankungen aus der Mittelung herausgenommen werden. Das hat den Vorteil, dass ein vorgebbarer Mindestzeitraum bzw. eine vorgebbare Mindestmenge an Datenpunkten für die Mittelung verwendet wird bzw. verwendet werden. Weiterhin ist es denkbar, dass aus einem für den Mittelungsprozess zugrundeliegenden Datensatz, welcher den Zeitverlauf des lonisationsstroms 62 beschreibt, Ausreißer bzw. zu stark abweichende Datenpunkte entfernt werden. Bevorzugt wird der durchschnittliche Normalwert 66 über einen Zeitraum bestimmt, in dem das Heizsystem 46 sich in einem solchen Betriebszustand befindet, in dem eine konstante Heizleistung angefordert wird.
  • Es ist möglich, dass in alternativen Ausführungsformen der Schritt 64 vor dem Schritt 56 ausgeführt wird. Es ist auch möglich, dass die Schritte 56 und 64 weitestgehend parallel ausgeführt werden. Insbesondere ist es denkbar, dass in alternativen Ausführungsformen der durchschnittliche Normalwert 66 zur Bestimmung des relativen Signalmaximums 58, beispielsweise aus dem absoluten Signalmaximum, verwendet wird.
  • In weiteren Ausführungsformen wird der durch die Steuereinheit 18 aufgezeichnete zeitliche Verlauf des lonisationsstroms 62 in Intervalle, insbesondere regelmäßige Intervalle, unterteilt in denen jeweils durchschnittliche Normalwert 66 über einen Mittelungsprozess bestimmt werden, bei dem zu stark abweichende Datenpunkte nicht berücksichtigt werden. Das jeweils absolute Signalmaximum wird aus dem am stärksten nach oben abweichenden Datenpunkt im jeweiligen Intervall bestimmt, falls ein solcher vorhanden ist.
  • In einem Schritt 68 wird im Ausführungsbeispiel ein erster Fehlzustand festgestellt, falls das relative Signalmaximum 58 kleiner ist als eine erste Signaluntergrenze 70 oder falls der durchschnittliche Normalwert 66 zu stark von einem Sollwert 72 abweicht. Ist das relative Signalmaximum 58 größer-gleich als die erste Signaluntergrenze 70 und weicht der durchschnittliche Normalwert 66 nicht zu stark vom Sollwert 72 ab, so wird ein erster Normalzustand festgestellt. Im Ausführungsbeispiel ist die erste Signaluntergrenze 70 eine vorgegebene und in der Steuereinheit 18 gespeicherte Konstante. Die erste Signaluntergrenze 70 beträgt im Ausführungsbeispiel 10 µA. In alternativen Ausführungsformen liegt die erste Signaluntergrenze 70 zwischen 2 µA und 25 µA, bevorzugt zwischen 6 µA und 14 µA. Der Sollwert 72 hängt im Ausführungsbeispiel von einem Brennerleistungsparameter 73 ab. Der Sollwert 72 ist ein Regelwert, auf den der lonisationsstrom 62 in einem vorgesehenen Betrieb des Heizsystems 46 geregelt wird. Je höher der Brennerleistungsparameter 73, desto höher ist der Sollwert 72. Im Ausführungsbeispiel ist der Brennerleistungsparameter 73 die Gebläsedrehzahl 74. In der Steuereinheit 18 ist eine Gebläsedrehzahl-Sollwert-Kennlinie hinterlegt, welche den funktionalen Zusammenhang zwischen der Gebläsedrehzahl 74 und dem dann benötigten Sollwert 72 beschreibt. Der Sollwert 72 nimmt im regulären Betrieb des Heizsystems 46 Werte zwischen 10 µA und 100 µA, insbesondere zwischen 30 µA und 60 µA an.
  • Die Steuereinheit 18 vergleicht das in Schritt 56 ermittelte relative Signalmaximum 58 mit der ersten Signaluntergrenze 70, in dem überprüft wird, welcher der beiden Werte größer ist. Die Steuereinheit 18 überprüft den in Schritt 64 ermittelten durchschnittlichen Normalwert 66, in dem ermittelt wird, ob der durchschnittliche Normalwert 66 nicht zu stark vom Sollwert 72 abweicht. Im Ausführungsbeispiel wird eine Abweichung des durchschnittlichen Normalwerts 66 um mehr als 10 % vom Sollwert 72 als zu stark klassifiziert. In anderen Ausführungsformen beträgt eine maximal zulässige Abweichung des durchschnittlichen Normalwerts 66 vom Sollwert 72 zwischen 1 % und 25 %, bevorzugt zwischen 5 % und 15 %. Es ist möglich, dass die maximal zulässige Abweichung des durchschnittlichen Normalwerts 66 vom Sollwert 72 von einem oder mehreren Parametern abhängt, beispielsweise von einem Brennerleistungsparameter 73 und/oder von Informationen über eine Wetterlage. Wird in Schritt 68 festgestellt, dass ein erster Fehlzustand vorliegt, wird eine in der Steuereinheit 18 gespeicherte erste Fehlerzählvariable 76 um 1 erhöht. Wird festgestellt, dass ein erster Normalzustand vorliegt, so wird die erste Fehlerzählvariable 76 auf den Wert 0 gesetzt.
  • Figur 3 illustriert den Zusammenhang zwischen dem lonisationsstrom 62 und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis bei einer konstanten Gebläsedrehzahl 74. Auf einer ersten Ordinatenachse 78 ist der lonisationsstrom 62 aufgetragen. Auf einer ersten Abszissenachse 80 ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis dargestellt. Der Verlauf des lonisationsstroms 62 weist ein lonisationsstrommaximum 82 bei einem Brennstoff-Luft-Verhältnis von 1 auf. Bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses ausgehend vom lonisationsstrommaximum 82 nimmt der lonisationsstrom 62 ab, wobei sich der Betrag der Steigung stetig vergrößert. Bevorzugt wird das Heizsystem 46 mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis von 1.3 (Punkt 84 in Figur 3) betrieben, also mit einem Luftüberschuss. Das Verfahren 54 überprüft, ob das Heizsystem 46 mit Luftüberschuss betrieben wird. Ein erster Normalzustand wird nur dann festgestellt, wenn der Wert des relativen Signalmaximums 58 einen ausreichend hohen Wert hat.
  • Die in Schritt 56 festgestellte Schwankung des lonisationsstroms 62 wird durch eine Variation des Brennstoff-Luft-Verhältnisses aufgrund von wechselnden äußeren Bedingungen verursacht. Ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis vor der Variation kleiner-gleich 1 oder größer als 1 und nahe am lonisationsstrommaximum 82, insbesondere ausreichend kleiner als 1.3, so kann der lonisationsstrom 62 aufgrund der Variation nur schwach ansteigen. Da die Steigerung des lonisationsstroms 62 ausgehend vom lonisationsstrommaximum 82 betragsmäßig stetig ansteigt, kann der lonisationsstrom 62 nur dann aufgrund der Variation des Brennstoff-Luft-Verhältnisses stark genug ansteigen, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis vor der Variation weit genug entfernt von 1 ist.
  • Eine weitere Bedingung zur Feststellung des ersten Normalzustands ist, dass der durchschnittliche Normalwert 66 nicht zu stark von einem Sollwert 72 abweicht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Sollwert 72 weitestgehend erreicht wird und eine Regelung des Heizsystems 46 mit dem lonisationsstrom 62 als Regelgröße weitestgehend funktioniert. Aus der Bedingung, dass der durchschnittliche Normalwert 66 nicht zu stark von einem Sollwert 72 abweicht, kann gefolgert werden, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht deutlich kleiner als 1 ist. Es ist möglich, dass mit weiteren Verfahren und/oder Vorrichtungen sichergestellt wird, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis nicht deutlich kleiner als 1 ist, beispielsweise durch eine Ausführungsform des Verfahrens 54, in welcher ein Testbetrieb durchgeführt wird (siehe Figur 4).
  • Figur 4 zeigt ein Verfahren 54, in dem ein Testbetrieb durchgeführt wird, sobald ein Testzeitpunkt 86 erreicht wird. Der Testbetrieb umfasst die Schritte 88, 104 und 108. Im Ausführungsbeispiel wird der Testbetrieb weitestgehend regelmäßig durchgeführt, der vorgesehene Testzeitpunktabstand beträgt eine Minute. In alternativen Ausführungsformen kann der Testzeitpunktabstand im Bereich von einer Sekunde bis hin zu Stunden liegen. In besonderen Ausführungsformen wird der Testzeitpunktabstand abhängig von einem Betriebszustand des Heizsystems 46 gewählt. In weiteren Ausführungsformen wird der Testzeitpunktabstand abhängig davon gewählt, wie oft ein erster Fehlzustand und/oder wie oft ein erster Normalzustand in einem vorgegebenen Zeitintervall festgestellt wird.
  • In einem Schritt 88 (siehe Figur 4) wird eine zeitliche Fluidzufuhränderung 90 einer Fluidzufuhrkenngröße 92 erzeugt. In dieser Ausführungsform ist die Fluidzufuhrkenngröße 92 eine vorgesehene Öffnungsweite 94 des Dosierers 34. die Öffnungsweite 94 ist eine Prozentangabe, wobei eine Öffnungsweite 94 von 0 % einem vollständig geschlossenen Brennstoffventil 44 entspricht und eine Öffnungsweite 94 von 100 % ein vollständig geöffnetes Brennstoffventil 44 beschreibt. In der Steuereinheit 18 ist ein Zusammenhang zwischen der Öffnungsweite 94 und einem dafür nötigen Steuersignal hinterlegt. Die vorgesehene Öffnungsweite 94 wird durch eine Auswahl des Steuersignals und Übertragung dieses Steuersignals an das Brennstoffventil 44 durch die Steuereinheit 18 realisiert. Die Öffnungsweite 94 beschreibt eine Anforderung, welche an das Brennstoffventil 44 übermittelt wird.
  • Die Fluidzufuhränderung 90 ist in Figur 5 abgebildet. Eine zweite Abszissenachse 96 stellt eine Zeit dar. Auf einer zweiten Ordinatenachse 98 sind die Fluidzufuhrkenngröße 92 und der lonisationsstrom 62 dargestellt. Die Fluidzufuhränderung 90 verläuft in einem weitgehend rechteckförmigen Puls. Zunächst hat die Fluidzufuhrkenngröße 92 bzw. die Öffnungsweite 94 einen Normalzufuhrwert. Der Normalzufuhrwert wird durch die Steuereinheit 18 so gewählt, dass unter den aktuell vorliegenden Bedingungen der lonisationsstrom 62 weitestgehend den Sollwert 72 nimmt. Anschließend wird die Öffnungsweite 94 so schnell wie möglich auf einen Maximalzufuhrwert erhöht. Danach wird die Öffnungsweite 64 so schnell wie möglich auf den Normalzufuhr gesenkt. Eine in Figur 5 abgebildete Pulshöhe 100 beträgt 15 %. Eine in Figur 5 abgebildete Pulsbreite 102 beträgt 120 ms. In dieser Ausführungsform sind die Pulshöhe 100 und die Pulsbreite 102 in der Speichereinheit 18 hinterlegte Konstanten. In anderen Ausführungsformen nimmt die Pulshöhe 100 Werte in einem Intervall zwischen 10 % und 20 % an. Die Pulsbreite 102 kann Werte in einem Intervall zwischen 50 ms und 200 ms annehmen. Es ist denkbar, dass die Fluidzufuhränderung in besonderen Ausführungsformen 90 von mindestens einen Betriebsparameter des Heizsystems 46 abhängt. Insbesondere ist es denkbar, dass die Pulshöhe 100 und/oder die Pulsbreite 102 von einem Brennerleistungsparameter 73, beispielsweise der Gebläsedrehzahl 74, abhängt.
  • In einem folgenden Schritt 104 (siehe Figur 4) wird ein relatives korreliertes Signalmaximum 106 der Verbrennungskenngröße 60 bzw. des lonisationsstrom 62 ermittelt. Das relative korrelierte Signalmaximum 106 ist mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung 90 korreliert. Der lonisationsstrom 62 wird von der lonisationssonde 42 an der Flamme 40 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. Nach der Fluidzufuhränderung 90 weist der zeitliche Verlauf des lonisationsstroms 62 das relative korrelierte Signalmaximum 106 auf. Das relative korrelierte Signalmaximum 106 wird aus der Differenz zwischen einem absoluten korrelierten Signalmaximum und einem Wert des lonisationsstrom 62, welcher kurz vor dem mit der Fluidzufuhränderung 90 korrelierten Ansteigen des lonisationsstroms 62 ermittelt wurde, bestimmt (siehe Figur 5).
  • In einem Schritt 108 wird ein zweiter Fehlzustand festgestellt, falls das relative korrelierte Signalmaximum 106 kleiner ist als eine zweite Signaluntergrenze 110. Ist das relative korrelierte Signalmaximum 106 größer-gleich als die zweite Signaluntergrenze 110, wird ein zweiter Normalzustand festgestellt. In dieser Ausführungsform ist die zweite Signaluntergrenze 110 eine vorgegebene und in der Steuereinheit 18 gespeicherte Konstante. Die zweite Signaluntergrenze 110 beträgt im Ausführungsbeispiel 5 µA. In alternativen Ausführungsformen liegt die zweite Signaluntergrenze 110 zwischen 1 µA und 2 µA, bevorzugt zwischen 3 µA und 7 µA. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Signaluntergrenze 110 halb so groß wie die erste Signaluntergrenze 70. Die Steuereinheit 18 vergleicht das im Schritt 104 ermittelte relative korrelierte Signalmaximum 106 mit der zweiten Signaluntergrenze 110, in dem überprüft wird, welcher der beiden Werte größer ist. Wird in Schritt 108 festgestellt, dass ein zweiter Fehlzustand vorliegt, wird eine in der Steuereinheit 18 gespeicherte zweite Fehlerzählvariable 112 um 1 erhöht. Wird festgestellt, dass ein zweiter Normalzustand vorliegt, so wird die zweite Fehlerzählvariable 112 auf den Wert 0 gesetzt. In alternativen Ausführungsformen wird die erste Fehlerzählvariable 76 auf den Wert 0 gesetzt, falls ein zweiter Normalzustand vorliegt. In weiteren Ausführungsformen wird die zweite Fehlerzählvariable 112 auf den Wert 0 gesetzt, falls ein erster Normalzustand festgestellt wird. Es ist denkbar, dass in alternativen Ausführungsformen die erste Fehlerzählvariable 76 und/oder die zweite Fehlerzählvariable 112 gesenkt wird, insbesondere um 1 gesenkt wird, falls ein erster Normalzustand und/oder ein zweiter Normalzustand festgestellt wird. Es ist auch denkbar, dass in alternativen Ausführungsformen die erste Fehlerzählvariable 76 bzw. die zweite Fehlerzählvariable 112 um einen Wert größer als 1 erhöht wird, wenn ein erster Fehlzustand bzw. ein zweiter Fehlzustand festgestellt wird. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise einstellen, dass mehr erste Normalzustände und/oder zweite Normalzustände als erste Fehlzustände und/oder zweite Fehlzustände nötig sind, um die erste Fehlerzählvariable 76 und/oder die zweite Fehlerzählvariable 112 zu senken.
  • Durch die im Schritt 88 erzeugte Fluidzufuhränderung 90 wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis kurzzeitig gesenkt. Ein positives relatives korreliertes Signalmaximum 106 ist nur dann möglich, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis vorher einen Wert größer als 1 hatte. Hatte das Brennstoff- Luft-Verhältnis vorher einen Wert kleiner-gleich als 1, so wird der lonisationsstrom 62 durch die Fluidzufuhränderung 90 gesenkt (siehe Figur 3).
  • In alternativen Ausführungsformen entspricht die Fluidzufuhrkenngröße 92 einem Steuersignal an das Brennstoffventil 44 bzw. einem vom Steuersignal ableitbaren, insbesondere skalaren Wert. In weiteren Varianten entspricht die Fluidzufuhrkenngröße 92 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 92 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 einen Dosierungswert ist eine gemessene Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 und/oder ein gemessener Brennstofffluss.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein zukünftiger Testzeitpunkt verschoben, falls vor dem Erreichen des zukünftigen Testzeitpunktes ein erster Normalzustand festgestellt wird. In Varianten dieser Ausführungsform wird ein zukünftiger Testzeitpunkt verschoben, falls vor dem Erreichen des zukünftigen Testzeitpunktes ein erster Normalzustand oft genug festgestellt wird, beispielsweise dreimal. Insbesondere ist es denkbar, dass in Ausführungsformen mit vorgesehenen regelmäßigen Testzeitpunkten bzw. mit vorgesehenen konstanten Testzeitpunktabständen ein unmittelbar folgender Testzeitpunkt auf den danach folgenden Testzeitpunkt verschoben wird bzw. der aktuelle Testzeitpunktabstand verdoppelt wird, falls ein erster Normalzustand festgestellt wird bzw. oft genug festgestellt wird.
  • Weiterhin ist es denkbar, dass ein unmittelbar folgender Testzeitpunkt um eine absolute Zeitlänge, beispielsweise 15 Sekunden, oder eine relative Zeitlänge, beispielsweise 10 % des aktuellen Testzeitpunktabstandes, verlängert wird, falls ein erster Normalzustand festgestellt wird bzw. oft genug festgestellt wird.
  • In alternativen Ausführungsformen wird ein Testbetrieb durchgeführt, falls eine Zeit seit einem letzten Testbetrieb einen Maximaltestzeitabstand überschreitet. Der Maximaltestzeitabstand ist insbesondere eine obere Schranke für den Testzeitpunktabstand. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Varianten mit einem variabel verlängerbaren Testzeitpunktabstand bzw. mit einem verschiebbaren zukünftigen Testzeitpunkt dieser zukünftige Testzeitpunkt nicht zu weit in die Zukunft verschoben wird. Dazu wird in diesen Ausführungsformen durch die Steuereinheit 18 die seit einem zuletzt durchgeführten Testbetrieb vergangene Zeit erfasst. In besonderen Ausführungsformen ist es möglich, dass der Maximaltestzeitabstand während des Betriebs des Heizsystems 46 festgelegt wird. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei einer Installation und/oder einer Inspektion des Heizsystems 46 die Steuereinheit 18 Informationen über eine geographische Lage bzw. den Ort des Heizsystems 46 empfängt. Der Maximaltestzeitabstand kann abhängig von der geographischen Lage so gewählt werden, dass stets die lokalen Emissionsvorschriften erfüllt werden. Weiterhin ist es auf diese Weise möglich, ortsabhängige besondere Umweltbedingungen, welche eine häufigere Durchführung eines Testbetriebes nötig machen, beispielsweise eine besonders starke Luftverschmutzung, zu berücksichtigen. In besonderen Ausführungsformen beträgt der Maximaltestzeitabstand 10 Minuten. In Varianten kann der Maximaltestzeitabstand in einem Bereich von einer Minute bis hin zu Stunden liegen.
  • Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens 54 bei der zunächst die Schritte 56, 64 und 68 durchgeführt werden. Anschließend wird in einem Schritt 114 durch die Steuereinheit 18 der Wert der ersten Fehlerzählvariablen 76 und der Wert der zweiten Fehlerzählvariablen 112 überprüft. Überschreitet die erste Fehlerzählvariable 76 eine erste obere Fehlergrenze 116 oder überschreitet die zweite Fehlerzählvariable 112 eine zweite Fehlergrenze 118, wird das Verfahren 54 auf dem Pfad A fortgesetzt und eine Fehlerreaktion 120 durchgeführt. In der vorliegenden Ausführungsform hat die erste obere Fehlergrenze 116 den Wert 4 und die zweite Fehlergrenze 118 den Wert 3. Als Fehlerreaktion 120 wird das Heizsystem 46 heruntergefahren.
  • Ist die erste Fehlerzählvariable 76 kleiner-gleich als die erste obere Fehlergrenze 116 und ist die zweite Fehlerzählvariable 112 kleiner-gleich als eine zweite Fehlergrenze 118, so wird in Schritt 114 durch die Steuereinheit 18 die erste Fehlerzählvariable 76 überprüft. Überschreitet die erste Fehlerzählvariable 76 eine erste untere Fehlergrenze 122, wird das Verfahren 54 auf dem Pfad B fortgesetzt und in einem Schritt 124 die Brennerleistung erhöht. In der vorliegenden Ausführungsform hat die erste untere Fehlergrenze 122 den Wert 1. In Schritt 124 wird die Brennerleistung durch eine Erhöhung der Gebläsedrehzahl 74 realisiert. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Brennerleistung um 50 % der zur einer Ausführungszeit des Schritts 114 vorliegenden Brennerleistung erhöht.
  • Ist die erste Fehlerzählvariable 76 kleiner-gleich als die erste obere Fehlergrenze 116 und kleiner-gleich als die erste untere Fehlergrenze 122 und ist die zweite Fehlerzählvariable 112 kleiner-gleich als die zweite Fehlergrenze 118, wird nach Schritt 114 das Verfahren 54 beendet (Pfad C in Figur 6).
  • In alternativen Ausführungsformen wird als Fehlerreaktion 120 in einem anschließenden Schritt 124 die Brennerleistung erhöht und/oder ein Testbetrieb, umfassend die Schritte 88, 101 und 108, durchgeführt. In weiteren Varianten wird als Fehlerreaktion 120 die Fluidzufuhränderung 90 in einem folgenden Schritt 88 erhöht, beispielsweise in dem die Pulshöhe 100 und/oder die Pulsbreite 102 vergrößert wird. Es ist möglich, dass die erste obere Fehlergrenze 116 und/oder die erste untere Fehlergrenze 122 und/oder die zweite Fehlergrenze 118 jeweils beliebige andere ganzzahlige Werte annehmen. Insbesondere kann die erste untere Fehlergrenze 122 den Wert 0 annehmen, sodass immer ein Schritt 124 ausgeführt wird, falls ein erster Fehlzustand festgestellt wird.
  • Es ist denkbar, dass die erste obere Fehlergrenze 116 und/oder die erste untere Fehlergrenze 122 und/oder die zweite Fehlergrenze 118 jeweils von weiteren Informationen abhängen, insbesondere können diese variablen während des Betriebs des Heizgeräts festgelegt und/oder aktualisiert werden. Es ist denkbar, dass die erste obere Fehlergrenze 116 und/oder die erste untere Fehlergrenze 122 und/oder die zweite Fehlergrenze 118 jeweils abhängig von der geographischen Lage so gewählt werden, dass stets die lokalen Emissionsvorschriften erfüllt werden.
  • In weiteren Varianten wird die Erhöhung der Brennerleistung in Schritt 124 abhängig vom Betriebszustand des Heizsystems und/oder abhängig von der zu einer Ausführungszeit des Schritts 114 vorliegenden Brennerleistung gewählt. In besonderen Ausführungsformen wird die Brennerleistung um einen variablen Prozentsatz der zur einer Ausführungszeit des Schritts 114 vorliegenden Brennerleistung erhöht. Bevorzugt liegt der Prozentsatz in einem Bereich zwischen 10 % und 200 %, insbesondere zwischen 25 % und 100 %.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskenngröße 60 ein lonisationsstrom 62. Der lonisationsstrom 62 wird durch eine lonisationstrommessung an einer Flamme 40 des Heizsystems 46 bestimmt. Der lonisationsstrom 62 wird durch die lonisationssonde 42 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. In weiteren Ausführungsformen ist die Verbrennungskenngröße 60 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. Das Thermometer kann sich im Abgassystem 38 befinden und/oder kann die Flamme 40 vermessen.
  • In alternativen Varianten hängt der Sollwert 72 und/oder die erste Signaluntergrenze 70 und/oder gegebenenfalls die Fluidzufuhränderung 90 und/oder gegebenenfalls die zweite Signaluntergrenze 110 von einem Brennerleistungsparameter 73, beispielsweise von einer Gebläsedrehzahl 74, ab. Die Form der jeweiligen Abhängigkeit richtet sich nach technischen Eigenschaften des Heizsystems 46. Beispielsweise ist es möglich, dass die erste Signaluntergrenze 70 und/oder gegebenenfalls die zweite Signaluntergrenze 110 einen jeweils hohen Wert für niedrige Gebläsedrehzahl 74 haben und dieser Wert jeweils mit einer ansteigenden Gebläsedrehzahl 74 sinkt. Auf diese Weise ist das Verfahren 54 weniger empfindlich für Fluktuationen des lonisationsstroms 62, welche typischerweise bei kleinen Brennerleistungen größer sind. Es ist auch möglich, dass die Fluidzufuhränderung 90 bei kleinen Gebläsedrehzahl 74 klein
    ist und mit einer ansteigenden Gebläsedrehzahl 74 steigt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Regelung des Heizsystems 46 nicht durch eine zu starke Fluidzufuhränderung 90 gestört wird.

Claims (12)

  1. Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem (46), welches die folgenden Schritte umfasst:
    • Ermitteln eines relativen Signalmaximums (58) einer Verbrennungskenngröße (60), wobei die Verbrennungskenngröße (60) mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis korreliert ist,
    • Ermitteln eines durchschnittlichen Normalwerts (66) der Verbrennungskenngröße (60),
    • Feststellung eines ersten Fehlzustandes, falls das relative Signalmaximum (58) eine erste Signaluntergrenze (70) nicht erreicht oder falls der durchschnittliche Normalwert (66) zu stark von einem Sollwert (72) abweicht, oder Feststellung eines ersten Normalzustandes, falls das relative Signalmaximum (58) eine erste Signaluntergrenze (70) erreicht und falls der durchschnittliche Normalwert (66) nicht zu stark von einem Sollwert (72) abweicht.
  2. Verfahren (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Testbetrieb durchgeführt wird, falls ein Testzeitpunkt (86) erreicht wird und welcher die folgenden zusätzlichen Schritte aufweist:
    • Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung (90) einer Fluidzufuhrkenngröße (92),
    • Ermitteln eines relativen korrelierten Signalmaximums (106) einer Verbrennungskenngröße (60), welches mit der Fluidzufuhränderung (90) korreliert ist,
    • Feststellung eines zweiten Fehlzustandes, falls das relative korrelierte Signalmaximum (106) eine zweite Signaluntergrenze (110) nicht erreicht, oder Feststellung eines zweiten Normalzustandes, falls das relative korrelierte Signalmaximum (106) eine zweite Signaluntergrenze (110) erreicht.
  3. Verfahren (54) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzufuhrkenngröße (92) einem Steuersignal zum Dosieren eines Brennstoffs und/oder einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft entspricht.
  4. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder der Testzeitpunkt (86) verschoben wird bzw. ein Testzeitpunktabstand erhöht wird, falls ein erster Normalzustand festgestellt wird.
  5. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder der Testbetrieb durchgeführt wird, falls eine Zeit seit einem letzten Testbetrieb einen Maximaltestzeitabstand überschreitet.
  6. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Schritt eine Brennerleistung des Heizsystems erhöht wird, falls ein erster Fehlzustand festgestellt wird und/oder falls eine erste Fehlerzählvariable (76) eine erste untere Fehlergrenze (122) überschreitet.
  7. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die erste Fehlerzählvariable (76) erhöht wird, falls ein erster Fehlzustand festgestellt wird und/oder eine zweite Fehlerzählvariable (112) erhöht wird, falls ein zweiter Fehlzustand festgestellt wird.
  8. Verfahren (54) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehlerreaktion durchgeführt wird, falls die erste Fehlerzählvariable (76) eine erste obere Fehlergrenze (116) überschreitet und/oder falls die zweite Fehlerzählvariable (112) eine zweite Fehlergrenze (118) überschreitet.
  9. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskenngröße (60) durch eine lonisationsstrommessung an einer Flamme (40) des Heizsystems (46) bestimmt wird.
  10. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (72) und/oder die erste Signaluntergrenze (70) und/oder gegebenenfalls die Fluidzufuhränderung (90) und/oder gegebenenfalls die zweite Signaluntergrenze (110) von einem Brennerleistungsparameter (73) abhängen.
  11. Steuereinheit (18) für ein Heizsystem (46), wobei die Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (54) zur Kontrolle eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  12. Heizsystem (46) mit einer Steuereinheit (18) nach Anspruch 11, mit einer lonisationssonde (42) an einer Flamme (40) und mit einem Gebläse (32) mit variierbarer Gebläsedrehzahl (74).
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