EP3596391B1 - Verfahren zur regelung eines brenngasbetriebenen heizgerätes - Google Patents

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EP3596391B1
EP3596391B1 EP18758556.7A EP18758556A EP3596391B1 EP 3596391 B1 EP3596391 B1 EP 3596391B1 EP 18758556 A EP18758556 A EP 18758556A EP 3596391 B1 EP3596391 B1 EP 3596391B1
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EP
European Patent Office
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ionization
gas
air
volume flow
mixture
Prior art date
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Active
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EP18758556.7A
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English (en)
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EP3596391A1 (de
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Enno Jan Vrolijk
Jan Dannemann
Hartmut Hennrich
Jens Hermann
Hans-Joachim Klink
Stephan Wald
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Ebm Papst Landshut GmbH
Original Assignee
Ebm Papst Landshut GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L5/00—Blast-producing apparatus before the fire
    • F23L5/02—Arrangements of fans or blowers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/06—Sampling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/20—Calibrating devices

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a fuel gas-operated heater.
  • Another problem with the control method is that different types of gas, e.g. Natural gas or liquid gas, as well as gas qualities, are used.
  • the parameters of the control process must be adapted to the type of gas or gas quality, as otherwise the combustion will be unclean.
  • the air ratio is preferably different for different burner power points and for different gas families (eg natural gas or liquid gas). This relationship is usually stored in the control unit in the form of performance-dependent ⁇ characteristics. Automatic gas type detection is required to automatically select the correct characteristic.
  • the calorific value of the different gases corresponds approximately to the value of the air requirement L. This relationship is used to precontrol the modulating combustion air fan to a desired burner output. Since all gases change their volume under different temperatures and pressures, the conditions listed above only apply under the same pressure and temperature conditions. In the case of the different conditions for gas and air in practice, however, either the respective mass flow or correspondingly corrected volume flows must be used as a basis for regulating the combustion process (exa temperature increase of 30 K, air expands by 10% without more air molecules participating in the combustion process so that without correction the air ratio would decrease by 10%).
  • the invention is based on the object of providing a gas type-independent method for regulating a fuel gas-operated heating device.
  • the method should be able to determine the type of gas and its control parameters to be adaptable to the specific type of gas in further developments.
  • a method for regulating a fuel gas-operated heater using an ionization setpoint power characteristic wherein a gas volume flow supplied via a gas supply and an air volume flow supplied via a fan are mixed to form a gas-air mixture and with an air ratio ⁇ based on a desired burner output Burner of the heater are fed.
  • the air ratio ⁇ is monitored by means of an ionization measurement method of a burner flame of the burner.
  • the mixture calibration is carried out by an ionization current control, in which the air ratio ⁇ of the gas-air mixture is adjusted to a value ⁇ ion-max at which a maximum ionization measurement signal is achieved on an ionization electrode of the ionization measurement in the burner flame. From the maximum ionization measurement signal, an ionization signal target value for the air ratio ⁇ is calculated at a calibration point and then the air ratio ⁇ ion-max is adjusted to a target air ratio ⁇ soll until the ionization measurement signal corresponds to the calculated ionization signal target value.
  • the burner output is regulated for the respective heat demand on the heater.
  • the amount of air required for this is changed by a control unit with the speed-controlled fan.
  • the fan speed essentially corresponds to the air volume flow.
  • the supplied gas volume flow is varied by an electrically modulated gas actuator or gas valve and measured by a gas mass flow sensor.
  • the gas volume flow is also regulated via the control unit.
  • the fan is preferably designed as a premix fan for mixing gas and air, so that the fan supplies a mixture volume flow to the burner.
  • the gas-air mixture control is based on the continuous detection of the air volume flow by a fan speed detection and the downstream regulation of the gas volume via the control unit, the target value of the gas volume being taken from a stored characteristic curve.
  • the plausibility check can determine whether the parameters influencing optimal combustion such as gas type, gas quality, exhaust system, components of the heater such as the non-return valves in front of the burner or the heat exchanger function in the desired way. Any change in these parameters affects the gas / air ratio and therefore the ionization measurement signal. This in turn can be detected.
  • the parameters influencing optimal combustion such as gas type, gas quality, exhaust system, components of the heater such as the non-return valves in front of the burner or the heat exchanger function in the desired way. Any change in these parameters affects the gas / air ratio and therefore the ionization measurement signal. This in turn can be detected.
  • the mixture calibration according to the invention enables the air ratio ⁇ to be adjusted and the heater to be converted into optimal combustion, taking into account the parameters influencing the combustion.
  • the values of the air requirement value L are known for each gas, as described above.
  • the gas type determination can thus be recorded automatically via the mixture calibration and stored in the control unit of the heater.
  • the control device can then use laboratory-technically predefined control characteristics for the corresponding type of gas, in particular the corresponding ionization setpoint power characteristic, for further control.
  • an advantageous embodiment of the method provides for the ionization setpoint power characteristic to be adapted by the mixture calibration over an entire power range of the heater if the ionization measurement signal is above a specified threshold value from an ionization measurement signal. Setpoint deviates. The adaptation of the ionization setpoint power characteristic takes place over its entire course by the ratio detected at the calibration point of the mixture calibration. The new ionization setpoint power characteristic is then saved. After the mixture calibration, the gas and air quantities are regulated along the stored characteristic curve with the corresponding performance-dependent air ratio and the newly determined air requirement value L.
  • the air ratio ⁇ is adjusted by changing the gas volume flow or gas mass flow until the ionization measurement signal corresponds to the calculated ionization signal setpoint. This is possible in a simple and very precise way by activating the gas actuator. The actual gas mass flow can also be compared directly via the gas mass flow sensor.
  • the mixture calibration can be run through in a long version and in a short version.
  • a mixture volume flow is first generated at a defined fan speed and the associated air volume flow is recorded.
  • a maximum value of the ionization signal is determined immediately, and from this a new ionization target value for a known one is determined and adjusted.
  • the air requirement is determined from the gas and air volume regulated at this operating point and used for further mixture control.
  • the associated ionization signal setpoint is determined via the ionization setpoint power characteristic.
  • the ionization current signal is measured by the control unit and compared with the currently stored characteristic curve value.
  • the steps of the ionization current regulation are then run through and the ionization target value power characteristic curve is adapted and stored as described above. In this case, the ionization signal maximum only has to be determined in exceptional cases.
  • the mixture calibration is preferably carried out at a power point of the heater which corresponds to its maximum power or the burner power in a range of 50-70%.
  • the method includes a transit time measurement to check the correct function of the gas mass sensor.
  • a transit time measurement an amount of the supplied gas volume flow is actively varied via a control of the gas actuator or gas valve and the transit time between the control and the detection of the gas volume variation at the gas mass sensor is compared with a predefined setpoint transit time.
  • the gas valve position can be increased or reduced by a pulse, an oscillation or an actual value jump when it is varied.
  • the nominal run time is determined in advance in the laboratory. If the running time is above a limit value, there is a gas sensor fault and the heater is set to emergency mode, for example with limited modulation.
  • the method also includes a run time measurement to determine the gas-air mixture volume flow.
  • the amount of the supplied gas volume flow is actively varied and the transit time between the activation and a change in the ionization measurement signal and, optionally, additionally the level and type of change in the ionization measurement signal is recorded.
  • the measured transit time is then with compared to a laboratory-based predetermined transit time-volume flow characteristic. If the effect on the ionization measurement signal due to the change in gas volume flow is too small or if the ionization measurement signal changes in the wrong direction, the heater is switched to emergency mode. If the effect is within the tolerance range, the mixture volume flow is determined from the comparison of the running time using a table of values determined by the laboratory.
  • the transit time measurement is repeated at predetermined time intervals.
  • a plausibility check of a sufficient air volume flow is continuously implemented over the entire performance range.
  • the blower speed is checked for plausibility in terms of safety.
  • the runtime measurement can be used as a further expansion stage in order to carry out a combustion air calculation according to the stationary recorded values at various power points. This means that the internally stored characteristic curve for calculating the combustion air can be corrected dynamically.
  • the method also provides that the actual air volume flow is calculated from a difference between the set air volume flow and the mixture volume flow determined via the transit time measurement and optionally a measured temperature of the air volume flow.
  • the method provides that the fan speed and a target air volume flow resulting therefrom are continuously compared with the actual air volume flow. If the speed deviates too much in the course of operation despite the same air volume flow, for example due to a blocked heat exchanger, the control unit switches off the heater and issues an alarm message.
  • the method includes the integration of the mixture calibration in a starting method for cold starting the heater. Ignition attempts of the gas-air mixture are carried out until a burner flame is detected via the ionization measurement.
  • the gas mass flow present at the time of ignition is kept constant and stored in the control unit.
  • the starting air requirement L start is determined from the ratio of the gas volume flow to the air volume flow taken from the blower characteristic and corresponding to the ignition speed, and the gas type is determined from this as described above.
  • the starting point for the next burner start is determined from the stored gas mass flow and the ignition range.
  • FIG 1 is a schematic structure of a heater 100 for carrying out the control method with a modulating premix blower 5, the ambient air a and mixes with gas.
  • the gas is fed to the premix blower 5 via a gas line in which a gas safety valve 1, a gas valve 2 controllable by way of example via a motor M and a gas mass sensor 3 are arranged.
  • the gas inlet pressure d is adapted to the gas control pressure c.
  • the mixture After mixing with ambient air, the mixture has the mixture pressure b.
  • an optional non-return flap 6 is provided at the blower outlet.
  • the mixture then has the burner pressure e. This is followed by the burner 28 with the ionization electrode 7 arranged in the burner flame and a siphon 10 connected to the burner housing.
  • the heat exchanger 18 is arranged around the burner 28. Continued in the flow direction, the exhaust system follows with the exhaust flap 8. The exhaust gas pressure f prevails in the exhaust system. The amount of gas and the fan speed and therefore the air ratio are regulated by means of the control unit 9, in which the regulating characteristics are stored.
  • FIG. 2 shows the partial process of the mixture calibration of the control procedure in the short version.
  • the fan speed n of the premix fan 5 is set to a fixed value via the control device 9 and the actual air volume flow vL-ist is calculated in step 300 using the run time measurement described above.
  • the ionization flow control takes place at a fixed air volume flow vL-act, in that the gas quantity is increased until a maximum ionization measurement signal (lo-max) is reached.
  • the ionization signal setpoint (lo-soll, lo-neu) for the desired air ratio ⁇ is calculated from the maximum ionization measurement signal and the gas quantity is then regulated in step 615 until the ionization measurement signal corresponds to the calculated ionization signal setpoint lo-soll.
  • the short version of the ionization calibration takes place with every mixture calibration.
  • FIG. 3 shows the partial process of the mixture calibration of the control method in the long version.
  • the fan speed n of the premix fan 5 is set to a fixed value via the control device 9 and the actual air volume flow vL-ist is calculated.
  • the ionization signal setpoint value lo-soll is determined using the ionization setpoint power characteristic and the burner power P.
  • the ionization current at the ionization electrode 7 is measured by the control unit 9 in an ionization measurement process and compared with the characteristic value. If the values match, the measured ionization current is used for further mixture calibration.
  • the ionization setpoint performance characteristic is calibrated by increasing the gas quantity in step 612 with a fixed air volume flow vL-act until a maximum ionization measurement signal lo-max is reached. From the maximum ionization measurement signal, the ionization signal setpoint 624 (lo-soll) for the desired air ratio ⁇ (at 625) is calculated. According to step 613, the original ionization setpoint power characteristic curve lo-old is corrected over its entire power range by the ratio detected at the calibration point of the mixture calibration to the new ionization setpoint power characteristic curve lo-new. The new ionization target value performance characteristic lo-new is stored in the memory of the control device 9.
  • step 615 the amount of gas is regulated until the ionization measurement signal corresponds to the calculated target ionization signal value lo-soll.
  • ionization calibration is only carried out in exceptional cases.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes.
  • Gattungsbildende Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenbarung gemäß der Druckschrift WO2006/000366A1 . Auch kennt der Fachmann eine Verbrennungsregelung nach dem sog. SCOT-Verfahren, bei dem die Steuerung der dem Brenner des Heizgerätes zugeführte Luftmenge entsprechend der Brennerleistung erfolgt. Dabei wird eine Flammensignalmessung mittels eines lonisationssensors durchgeführt und das Gas-Luftgemisch auf einen in einer Kennlinie hinterlegten Soll-lonisationsmesswert geregelt. Beim SCOT-Verfahren ist jedoch nachteilig, dass bei kleinen Brennerleistungen das Flammensignal stark absinkt und die Regelung damit unzuverlässig wird. Zudem ist der Adaptionsaufwand, insbesondere zur Anpassung der Brennergeometrie hoch und die Brennerleistung kann nur ungenau über die Gebläsedrehzahl eines den Luftvolumenstrom für das Gas-Luft-Gemisch liefernden Gebläses bestimmt werden.
  • Eine Problematik der Regelungsverfahren liegt zudem darin, dass für die Verbrennung unterschiedliche Gasarten, z.B. Erdgas oder Flüssiggas, sowie Gasqualitäten zum Einsatz kommen. Die Parameter des Regelungsverfahrens müssen auf die Gasart bzw. Gasqualität angepasst werden, da die Verbrennung andernfalls unsauber abläuft.
  • Für Regelungsverfahren der vorliegenden Art gilt, dass die Luftzahl λ in der Technik das Verhältnis zwischen Luft und Gas bestimmt, wobei beispielsweise eine Luftzahl λ=1,3 einem Luftüberschuss von 30% entspricht. Ein für ein bestimmtes Gas erforderlicher Luftbedarf L ist abhängig von der Gasbeschaffenheit, wobei beispielhafte Werte für Propan: L= ca. 30, Erdgas aus der Gruppe H: L= ca. 10 und Erdgas aus der Gruppe L: L= ca. 8 sind. Die Luftzahl ist in der Praxis vorzugsweise bei verschiedenen Brennerleistungspunkten und bei verschiedenen Gasfamilien (z.B. Erdgas oder Flüssiggas) unterschiedlich. In der Regel wird dieser Zusammenhang in Form von leistungsabhängigen λ-Kennlinien im Steuergerät abgespeichert. Zur automatischen Auswahl der richtigen Kennlinie ist eine automatische Gasarterkennung nötig. Der zu einem definierten Gas-Luftgemisch erforderliche Luftvolumenstrom vL berechnet sich aus dem Gasvolumenstrom vG multipliziert mit dem Luftbedarf L multipliziert mit der Luftzahl: vL= vG ∗ L ∗ A.
  • Der Brennwert der unterschiedlichen Gase entspricht näherungsweise dem Wert des Luftbedarfes L. Dieser Zusammenhang wird zur Vorsteuerung des modulierenden Verbrennungsluftgebläses auf eine gewünschte Brennerleistung genutzt. Da alle Gase unter unterschiedlichen Temperaturen und Drücken ihr Volumen verändern, gelten die oben aufgeführten Bedingungen nur bei gleichen Druck- und Temperaturbedingungen. Bei den in der Praxis jedoch abweichenden Bedingungen für Gas und Luft muss zur Regelung des Verbrennungsprozess entweder der jeweilige Massenstrom oder entsprechend korrigierte Volumenströme zugrunde gelegt werden (Beispiel: bei 30 K Temperaturerhöhung dehnt sich Luft um 10% aus, ohne dass mehr Luftmoleküle am Verbrennungsprozess beteiligt wären, so dass ohne Korrektur die Luftzahl um 10% sinken würde).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gasartenunabhängiges Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes bereitzustellen. Zudem soll in Weiterbildungen mit dem Verfahren die Gasart bestimmbar und seine Regelungsparameter an die bestimmte Gasart anpassbar sein.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes unter Nutzung einer lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie vorgeschlagen, wobei ein über eine Gaszuführung gelieferter Gasvolumenstrom und ein über ein Gebläse gelieferter Luftvolumenstrom zu einem Gas-Luftgemisch gemischt und mit einer auf einer gewünschten Brennerleistung basierenden Luftzahl λ einem Brenner des Heizgerätes zugeführt werden. Die Luftzahl λ wird mittels einem lonisationsmessverfahren einer Brennerflamme des Brenners überwacht. Zudem wird eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt, bei der ein lonisationsmesssignal des lonisationsmessverfahrens ausgewertet wird, und im Falle einer Abweichung von einem lonisationsmesssignal-Sollwert eine Gemischkalibration des Gas-Luftgemisches erfolgt. Die Gemischkalibration erfolgt durch eine lonisationsstromregelung, bei der die Luftzahl λ des Gas-Luftgemisches auf einen Wert λion-max angepasst wird, bei dem ein maximales lonisationsmesssignal an einer lonisationselektrode der lonisationsmessung in der Brennerflamme erreicht ist. Aus dem maximalen lonisationsmesssignal wird ein lonisationssignalsollwert für die Luftzahl λ in einem Kalibrierungspunkt errechnet und anschließend die Luftzahl λion-max auf eine Soll-Luftzahl λsoll angepasst, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert entspricht.
  • Grundsätzlich erfolgt die Regelung der Brennerleistung der jeweiligen Wärmebedarfsanforderung an das Heizgerät. Die dazu erforderliche Luftmenge wird mit dem drehzahlgeregeltem Gebläse von einem Steuergerät verändert. Die Gebläsedrehzahl entspricht im Wesentlichen dem Luftvolumenstrom. Der zugeführte Gasvolumenstrom wird durch ein elektrisch moduliertes Gasstellglied bzw. Gasventil variiert und durch einen Gasmassenstromsensor gemessen. Die Regelung des Gasvolumenstroms erfolgt ebenfalls über das Steuergerät. Das Gebläse ist vorzugsweise als Vormischgebläse zur Mischung von Gas und Luft ausgebildet, so dass das Gebläse einen Gemischvolumenstrom an den Brenner liefert. Die Gas-Luftgemischregelung beruht auf der kontinuierlichen Erfassung des Luftvolumenstroms durch eine Gebläsedrehzahlerfassung und der nachgeschalteten Ausregelung der Gasmenge über das Steuergerät, wobei der Sollwert der Gasmenge aus einer gespeicherten Kennlinie entnommen wird.
  • Über die Plausibilitätskontrolle kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren festgestellt werden, ob die eine optimale Verbrennung beeinflussenden Parameter wie Gasart, Gasqualität, Abgassystem, Baugruppen des Heizgerätes wie die Rückschlagklappen vor dem Brenner oder der Wärmetauscher in der gewünschten Art und Weise funktionieren. Jede Änderung dieser Parameter beeinflusst das Gas-Luftverhältnis und mithin das lonisationsmesssignal. Dies wiederum kann detektiert werden.
  • Die erfindungsgemäße Gemischkalibration ermöglicht die Anpassung der Luftzahl λ und die Überführung des Heizgeräts in die optimale Verbrennung unter Berücksichtigung der die Verbrennung beeinflussenden Parametern.
  • Vorteilhafterweise kann mit dem Verfahren aus der Soll-Luftzahl λsoll ein Luftbedarfswert L errechnet und über den Luftbedarfswert L die Gasart bestimmt werden, denn aus der Formel vL= vG∗L∗λ folgt, dass L=vL/(vG∗λ). Die Werte des Luftbedarfswerts L sind wie oben beschrieben für jedes Gas bekannt. Die Gasartbestimmung kann somit automatisch über die Gemischkalibration erfasst und im Steuergerät des Heizgerätes hinterlegt werden. Zudem kann das Steuergerät anschließend labortechnisch vordefinierte Regelungskennlinien für die entsprechende Gasart, insbesondere die entsprechende lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie, zur weiteren Regelung verwenden.
  • Da die Regelung des Heizgerätes entlang der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie erfolgt, sieht eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens vor, die lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie durch die Gemischkalibration über einen gesamten Leistungsbereich des Heizgerätes anzupassen, wenn das lonisationsmesssignal oberhalb eines festgelegten Schwellenwerts von einem lonisationsmesssignal-Sollwert abweicht. Die Anpassung der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie erfolgt dabei über ihren gesamten Verlauf um das bei dem Kalibrierungspunkt der Gemischkalibration erfasste Verhältnis. Die neue lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie wird anschließend gespeichert. Nach der Gemischkalibration werden die Gas- und Luftmenge entlang der gespeicherten Kennlinie mit der entsprechend leistungsabhängigen Luftzahl und dem neu festgelegten Luftbedarfswert L geregelt.
  • Bei der lonisationsstromregelung der Gemischkalibration wird die Luftzahl λ durch Veränderung des Gasvolumenstromes oder Gasmassenstromes angepasst, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert entspricht. Dies ist über die Ansteuerung des Gasstellglieds auf einfach und sehr exakte Weise möglich. Über den Gasmassenstromsensor kann zudem unmittelbar der tatsächliche Gasmassenstrom abgeglichen werden.
  • Die Gemischkalibration kann in einer Langversion und in einer Kurzversion durchlaufen werden. In beiden Varianten wird zunächst ein Gemischvolumenstrom bei einer festgelegten Gebläsedrehzahl erzeugt und der zugehörige Luftvolumenstrom erfasst. Bei der Kurzversion wird unmittelbar ein Maximalwert des lonisationssignales ermittelt und daraus ein neuer lonisations-sollwert für ein bekanntes ermittelt und eingeregelt. Aus der in diesem Arbeitspunkt eingeregelten Gas- und Luftmenge wird der Luftbedarf bestimmt und für die weitere Gemischregelung genutzt.
  • In der Langversion wird im Anschluss an die Erfassung des Luftvolumenstroms über die lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie der zugehörige lonisationssignalsollwert ermittelt. Das lonisationsstromsignal wird vom Steuergerät gemessen und mit dem aktuell hinterlegten Kennlinienwert verglichen. Anschließend werden die Schritte der lonisationsstromregelung durchlaufen und die lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie wie vorstehend beschrieben angepasst und gespeichert. In diesem Fall muss nur in Ausnahmefällen das lonisationssignalmaximum ermittelt werden.
  • Die Gemischkalibration erfolgt vorzugsweise bei einem Leistungspunkt des Heizgerätes, der in einem Bereich von 50-70% seiner Maximalleistung bzw. der Brennerleistung entspricht.
  • Grundsätzlich wird bei dem vorliegenden Regelungsverfahren zur Festlegung des über das Gebläse gelieferten Luftvolumenstroms für die erforderliche bzw. angeforderte Brennerleistung aus einer Luftzahl-Leistungskennlinie die gewünschte Luftzahl ermittelt und daraus der über das Gebläse zu liefernde Luftvolumenstrom über die Formel vL=P∗λ berechnet.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass es eine Laufzeitmessung zur Prüfung der richtigen Funktion des Gasmassensensors umfasst. Bei der Laufzeitmessung wird eine Menge des zugeführten Gasvolumenstroms über eine Ansteuerung des Gasstellglieds bzw. Gasventils aktiv variiert und die Laufzeit zwischen der Ansteuerung und der Erfassung der Gasvolumenvariation an dem Gasmassensensor mit einem vordefinierten Laufzeit-Sollwert verglichen. Die Gasventilstellung kann bei der Variation um einen Impuls, eine Schwingung oder einen Istwertsprung erhöht oder reduziert werden. Der Laufzeit-Sollwert wird vorab labortechnisch ermittelt. Liegt die Laufzeit oberhalb eines Grenzwertes, liegt eine Gassensorstörung vor und das Heizgerät wird in einen Notbetrieb, beispielsweise mit beschränkter Modulation gesetzt.
  • Zudem umfasst das Verfahren in einer Ausführungsvariante eine Laufzeitmessung zur Bestimmung des Gas-Luft-Gemischvolumenstromes. Dabei wird die Menge des zugeführten Gasvolumenstroms aktiv variiert und die Laufzeit zwischen der Ansteuerung und einer Änderung des lonisationsmesssignals und optional zusätzlich der Höhe und Art der Änderung des lonisationsmesssignals erfasst. Die gemessene Laufzeit wird anschließend mit einer labortechnisch vorbestimmten Laufzeit-Volumenstrom-Kennlinie verglichen. Ist die Auswirkung auf das lonisationsmesssignal aufgrund der Gasvolumenstromänderung zu gering oder verändert sich das lonisationsmesssignal in die falsche Richtung, wird das Heizgerät in den Notbetrieb gefahren. Liegt die Auswirkung im Toleranzbereich, wird aus dem Laufzeitvergleich über eine labortechnisch ermittelte Wertetabelle der Gemischvolumenstrom bestimmt.
  • Zudem ist vorteilhaft, dass die Laufzeitmessung in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird. Dadurch wird stetig über den gesamten Leistungsbereich eine Plausibilisierung eines hinreichenden Luftvolumenstromes umgesetzt. Somit wird die Gebläsedrehzahl sicherheitstechnisch plausibilisiert. Als weitere Ausbaustufe kann die Laufzeitmessung herangezogen werden, um eine Verbrennungsluftberechnung gemäß den stationär erfassten Werten an verschiedenen Leistungspunkten durchzuführen. Dadurch kann die intern gespeicherte Kennlinie zur Verbrennungsluftberechnung dynamisch korrigiert werden.
  • Das Verfahren sieht ferner vor, dass der tatsächliche Luftvolumenstrom aus einer Differenz des eingestellten Luftvolumenstroms und dem über die Laufzeitmessung bestimmten Gemischvolumenstroms und optional einer gemessene Temperatur des Luftvolumenstroms berechnet wird.
  • Als weiteres Merkmal sieht das Verfahren vor, dass die Gebläsedrehzahl und ein sich draus ergebender Soll-Luftvolumenstrom kontinuierlich mit dem tatsächlichen Luftvolumenstrom abgeglichen werden. Bei einer zu großen Abweichung der Drehzahl im Laufe des Betriebs trotz gleichen Luftvolumenstromes, beispielsweise durch einen verstopften Wärmetauscher, schaltet das Steuergerät das Heizgerät ab und gibt eine Alarmmeldung aus.
  • Als weiterer Aspekt umfasst das Verfahren die Integration der Gemischkalibration in ein Startverfahren zum Kaltstart des Heizgerätes. Dabei werden Zündversuche des Gas-Luftgemisches durchgeführt, bis über die lonisationsmessung eine Brennerflamme detektiert wird. Der zum Zündzeitpunkt vorliegende Gasmassenstrom wird konstant gehalten und im Steuergerät abgespeichert. Aus dem Verhältnis aus Gasvolumenstrom zu dem aus der Gebläsekennlie entnommenen und der Zünd-Drehzahl entsprechenden Luftvolumenstrom wird der Start-Luftbedarf Lstart ermittelt und daraus wie vorstehend beschrieben die Gasart bestimmt. Aus dem abgespeicherten Gasmassenstrom und dem Zündbereich wird der Startpunkt für den nächsten Brennerstart festgelegt.
  • Soweit vorliegend auf "Volumenstrom" abgestellt wird, kann in gleicher Weise auch der Massenstrom angewendet werden.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Aufbau eines Heizgerätes;
    Fig. 2
    einen Ablauf der Gemischkalibration in der Kurzversion,
    Fig. 3
    einen Ablauf der Gemischkalibration in der Langversion.
  • In Figur 1 ist ein schematischer Aufbau eines Heizgerätes 100 zur Durchführung des Regelungsverfahrens mit einem modulierenden Vormischgebläse 5, das Umgebungsluft a ansaugt und mit Gas mischt. Das Gas wird dem Vormischgebläse 5 über eine Gasleitung zugeführt, in der ein Gassicherheitsventil 1, ein beispielhaft über einen Motor M steuerbares Gasventil 2 sowie ein Gasmassensensor 3 angeordnet sind. Der Gaseingangsdruck d wird auf den Gasregeldruck c angepasst. Nach der Mischung mit Umgebungsluft weist das Gemisch den Gemischdruck b auf. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 6 vorgesehen. Das Gemisch hat dann den Brennerdruck e. Daran schließt sich der Brenner 28 mit der in der Brennerflamme angeordneten lonisationselektrode 7 und einem mit dem Brennergehäuse verbundenen Siphon 10 an. Um den Brenner 28 ist der Wärmetauscher 18 angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 8. Im Abgassystem herrscht der Abgasdruck f. Die Regelung der Gasmenge sowie der Gebläsedrehzahl und mithin der Luftzahl erfolgt über das Steuergerät 9, in dem die Regelungskennlinien hinterlegt sind.
  • Figur 2 zeigt den Teilprozess der Gemischkalibration des Regelungsverfahrens in der Kurzversion. Zunächst wird in dem Schritt 601 die Gebläsedrehzahl n des Vormischgebläses 5 über das Steuergerät 9 auf einen festen Wert eingesteuert und mittels der vorstehend beschriebenen Laufzeitmessung im Schritt 300 der tatsächliche Luftvolumenstrom vL-ist berechnet. Anschließend erfolgt unter Schritt 612 die lonisationsstromregelung bei einem festgelegtem Luftvolumenstrom vL-ist, indem die Gasmenge soweit erhöht wird, bis ein maximales lonisationsmesssignal (lo-max) erreicht ist. Aus dem maximalen lonisationsmesssignal wird der lonisationssignalsollwert (lo-soll, lo-neu) für die gewünschte Luftzahl λ errechnet und anschließend im Schritt 615 die Gasmenge soweit geregelt, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert lo-soll entspricht. Der sich im neuen Betriebspunkt ergebende Gasmassenstrom Gas-ist wird verwendet, um im Schritt 617 unter Nutzung der Luftzahl-Leistungskennlinie und mithin der Luftzahl λsoll, dem Luftvolumenstrom vL und der aktuellen Brennerleistung den Luftbedarfswert L=vL/(vG∗λsoll) zu errechnen und über den Luftbedarfswert L die Gasart zu bestimmen. Die lonisationskalibrierung in der Kurzversion erfolgt bei jeder Gemischkalibration.
  • Figur 3 zeigt den Teilprozess der Gemischkalibration des Regelungsverfahrens in der Langversion. Zunächst wird in den Schritten 601 und 300 die Gebläsedrehzahl n des Vormischgebläses 5 über das Steuergerät 9 auf einen festen Wert eingesteuert und der tatsächliche Luftvolumenstrom vL-ist berechnet. Anschließend erfolgt unter Schritt 605 die Ermittlung des lonisationssignalsollwerts lo-soll unter Nutzung der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie und der Brennerleistung P. Gemäß Schritt 607 wird in einem lonisationsmessverfahren der lonisationsstrom an der lonisationselektrode 7 durch das Steuergerät 9 gemessen und mit dem Kennlinienwert verglichen. Bei einer Übereinstimmung der Werte wird der gemessene lonisationsstrom zur weiteren Gemischkalibration verwendet. Ist die Abweichung der Vergleichswerte größer als ein vorab definierter Schwellenwert, erfolgt eine Kalibration der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie, indem unter Schritt 612 bei festgelegtem Luftvolumenstrom vL-ist die Gasmenge soweit erhöht wird, bis ein maximales lonisationsmesssignal lo-max erreicht ist. Aus dem maximalen lonisationsmesssignal wird der lonisationssignalsollwert 624 (lo-soll) für die gewünschte Luftzahl λ (bei 625) errechnet. Gemäß Schritt 613 wird die ursprüngliche lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie lo-alt über ihren gesamten Leistungsbereich um das bei dem Kalibrierungspunkt der Gemischkalibration erfasste Verhältnis auf die neue lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie lo-neu korrigiert. Die neue lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie lo-neu wird im Speicher des Steuergerätes 9 hinterlegt. In Schritt 615 wird die Gasmenge soweit geregelt, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert lo-soll entspricht. Der sich im neuen Betriebspunkt ergebende Gasmassenstrom Gas-ist wird verwendet, um im Schritt 617 unter Nutzung der Soll-Luftzahl λsoll der Luftbedarfswert L=vL/(vG∗λsoll) zu errechnen und über den Luftbedarfswert L die Gasart zu bestimmen. Bei der Langversion erfolgt eine lonisationskalibrierung nur in Ausnahmefällen.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes (100) unter Nutzung einer lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie, wobei die Regelung des Heizgerätes (100) entlang der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie erfolgt und dabei
    a. ein über eine Gaszuführung gelieferter Gasvolumenstrom und ein über ein Gebläse gelieferter Luftvolumenstrom zu einem Gas-Luftgemisch gemischt und mit einer auf einer gewünschten Brennerleistung basierenden Luftzahl λ einem Brenner (28) des Heizgerätes zugeführt werden,
    b. die Luftzahl A mittels einem lonisationsmessverfahren einer Brennerflamme des Brenners (28) überwacht wird,
    c. eine Plausibilitätskontrolle erfolgt, bei welcher ein lonisationsmesssignal des lonisationsmessverfahrens ausgewertet wird, und im Falle einer Abweichung von einem lonisationsmesssignal-Sollwert eine Gemischkalibration des Gas-Luftgemisches erfolgt, und wobei
    d. die Gemischkalibration durch eine lonisationsstromregelung erfolgt, bei der das Gas-Luftgemisch auf einen Wert angepasst wird, bei dem ein maximales lonisationsmesssignal erreicht ist, und aus dem maximalen lonisationsmesssignal ein lonisationssignalsollwert für die Soll-Luftzahl λsoll in einem Kalibrierungspunkt errechnet wird, wobei bei der lonisationsstromregelung der Gemischkalibration die Luftzahl λ durch Veränderung des Gasvolumenstromes oder Gasmassenstromes angepasst wird, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Soll-Luffzahl λsoll ein Luftbedarfswert L errechnet und über den Luftbedarfswert eine Gasart des Gases bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gemischkalibration die Luftzahl λ durch Veränderung des Gasvolumenstromes angepasst wird, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert entspricht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Heizgerätes (100) entlang der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie erfolgt und die lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie durch die Gemischkalibration über einen gesamten Leistungsbereich des Heizgerätes angepasst wird, wenn das lonisationsmesssignal oberhalb eines festgelegten Schwellenwerts von einem lonisationsmesssignal-Sollwert abweicht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gemischkalibration zunächst ein Volumenstrom bei einer festgelegten Gebläsedrehzahl erzeugt und gemessen wird, und über die lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie der zugehörige lonisationssignalsollwert ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung des über das Gebläse gelieferten Luftvolumenstroms für eine erforderliche Brennerleistung aus einer Luftzahl-Leistungskennlinie die gewünschte Luftzahl ermittelt und daraus der über das Gebläse zu liefernde Luftvolumenstrom berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Laufzeitmessung zur Prüfung eines Gasmassensensors umfasst, bei der eine Menge des zugeführten Gasvolumenstrom über eine Ansteuerung eines Gasventils (2) aktiv variiert wird und eine Laufzeit zwischen der Ansteuerung und einer Erfassung der Gasvolumenvariation an dem Gasmassensensor (3) mit einem vordefinierten Laufzeit-Sollwert verglichen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Laufzeitmessung zur Bestimmung des Gas-Luft-Gemischvolumenstromes umfasst, bei der eine Menge des zugeführten Gasvolumenstrom über eine Ansteuerung eines Gasventils (2) aktiv variiert wird und eine Laufzeit zwischen der Ansteuerung und einer Änderung des lonisationsmesssignals und optional zusätzlich eine Höhe und Art der Änderung des das lonisationsmesssignals erfasst werden, und wobei die gemessene Laufzeit mit einer labortechnisch vorbestimmten Laufzeit-Volumenstrom-Kennlinie verglichen und daraus der Gemischvolumenstrom bestimmt wird.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der tatsächliche Luftvolumenstrom aus einer Differenz eines eingestellten Luftvolumenstroms und dem über die Laufzeitmessung bestimmten Gemischvolumenstroms und optional einer gemessene Temperatur des Luftvolumenstroms berechnet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitmessung in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gebläsedrehzahl des Gebläses (5) und ein sich draus ergebender Soll-Luftvolumenstrom kontinuierlich mit dem tatsächlichen Luftvolumenstrom abgeglichen werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischkalibration bei einem Leistungspunkt des Heizgerätes erfolgt, der in einem Bereich von 50-70% seiner Maximalleistung entspricht.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischkalibration in ein Startverfahren zum Kaltstart eines Heizgerätes integriert ist.
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