EP3680553B1 - Verfahren zum regeln des verbrennungsluftverhältnisses am brenner eines heizgerätes - Google Patents

Verfahren zum regeln des verbrennungsluftverhältnisses am brenner eines heizgerätes Download PDF

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EP3680553B1
EP3680553B1 EP19215519.0A EP19215519A EP3680553B1 EP 3680553 B1 EP3680553 B1 EP 3680553B1 EP 19215519 A EP19215519 A EP 19215519A EP 3680553 B1 EP3680553 B1 EP 3680553B1
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EP
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flow rate
mass flow
rate parameter
air mass
ionisation
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Heinz-Jörg Tomczak
Christian Fischer
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Vaillant GmbH
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Vaillant GmbH
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    • 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
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/20—Systems for controlling combustion with a time programme acting through electrical means, e.g. using time-delay relays
    • F23N5/203—Systems for controlling combustion with a time programme acting through electrical means, e.g. using time-delay relays 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
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the combustion air ratio at the burner of a heating device.
  • a generic method is from the patent EP1002997B1 known.
  • an ionization signal is measured in the flame area with the aid of an ionization electrode.
  • the fan speed is also recorded.
  • a signal representative of the current air ratio is then derived from the ionization signal and the fan speed and this is compared with a predetermined value.
  • a control signal for the gas control valve is determined as a function of this comparison.
  • the gas-air ratio of the Gas burner checked.
  • a signal representative of the current air ratio and the current power is derived from the ionization signal and this is compared with a predetermined value. Information about the operating status of the gas burner can be derived from this comparison.
  • this object is achieved by a method according to the features of claim 1.
  • FIG. 1 shows an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • the components of a heater (not shown here) that are essential for the combustion process are shown.
  • Air is supplied to a blower 2 via an air supply 5.
  • a fuel gas is supplied to the air via a gas supply 6 and a gas valve 1 and mixed and conveyed by the fan 2.
  • the air-gas mixture is then fed to the burner 7 and burned on its surface.
  • a primary heat exchanger (not shown) surrounding the burner 7 enables the transfer of the heat generated by the combustion resulting heat on a heat transfer medium, which can then feed the heat to a heat sink.
  • An ionization electrode 3 provided in the area of the flames enables a current flow through the flames between the burner 7 and the ionization current 3 caused by a voltage source (not shown) which applies a voltage between the burner 7 and the ionization electrode 3.
  • An ionization sensor measures the current flowing through the ionization electrode 3 and supplies an ionization signal which represents the current.
  • a control unit 4 detects the ionization signal and controls the drive of the fan 2. To simplify the illustration, the control device 4 is connected directly to the ionization electrode 3. The voltage source, the circuit and the ionization sensor are not shown. The ionization sensor can be part of the voltage source. The ionization signal is an indicator of the combustion quality.
  • the degree of opening of the gas valve 1 is determined via a connection to the control device 4. This can be done, for example, by a stepping motor that is controlled by the controller 4.
  • the fan 2 moves to a target speed and the degree of opening of the gas valve 1 with the aid of a stored control characteristic to an opening that matches this speed.
  • the speed of the fan 2 is now reduced with the opening wheel of the gas valve kept constant until the ionization signal reaches the maximum and falls again.
  • An air mass flow parameter preferably the fan speed, which occurs when the maximum ionization flow is reached, is stored, as is the one for this Speed, the required electrical fan power and the target speed for the operating point of the system is calculated using a designed factor. This speed is then approached by the fan 2.
  • the degree of opening of the gas valve 1 remains unchanged.
  • the blower output which is set at the point of the maximum ionization signal, is used via further designed factors in order to calculate a minimum and a maximum value of the blower output at the operating point of the system.
  • a correction factor that is not equal to 1 is calculated.
  • the next calibration of the system takes place by adjusting the amount of gas over the degree of opening of the gas valve 1 using the correction factor, and the fan is shut down to this current amount of gas, again keeping the degree of opening constant, until the ionization signal of the electrode 3 a maximum is reached, the speed and blower power are saved and the target speed for the new operating point is approached via the designed factor.
  • the predetermined period of time can range from several minutes to several hours or days. However, it can also be linked to the number of ignition processes and can be between one and up to 20 ignition processes.
  • the comfort safety mode takes over the safe operation and also ensures a basic supply for heating and hot water operation. Until the fault has been rectified on the main system, the user receives limited hot water comfort.
  • the system uses the physical effect that the measured ionization current reaches a maximum at an air ratio of approx. 1.
  • this physical information is not used to regulate the combustion quality, but rather to control the system starting at this point (air ratio approx. 1) in a range in which the heat load is kept constant and the device with an acceptable level of efficiency continues to run if the main system has failed.
  • Exceeding or falling below the limits of the blower output for the respective operating point indicate unsafe operation. If one of these limits is exceeded because the fan output increases or decreases too much, a new calibration is initiated. If the fan power limits are violated again at the set operating point, the device goes into a locking state.
  • the combustion quality is not regulated via the ionization flow, in which the gas valve position or fan speed is tracked to the signal, but the system runs in control mode.
  • the ionization signal measured at the operating point serves only in the event of a violation of minimum or maximum absolute values as an indicator of an error, in order to bring the device into a locking state in this case.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftverhältnisses am Brenner eines Heizgerätes.
  • In der Patentschrift DE19539568C1 wird ein Verfahren zur Regelung eines Gasgebläsebrenners beschreiben. Eine Ionisations-Elektrode erfasst eine von der Verbrennungstemperatur bzw. dem Lambda-Wert abgeleitete elektrische Größe. Einer Regelschaltung vergleicht diese Größe mit einem gewählten elektrischen Sollwert und stellt das Gas-Luft-Verhältnis (Lambda-Wert) auf einen entsprechenden Sollwert ein. Um den Einfluss einer zustandsbedingten Änderung der Proportionalität zwischen dem Lambda-Wert und der daraus abgeleiteten elektrischen Messgröße auf die Regelung in der Weise auszugleichen, dass der gewünschte Lambda-Sollwert beibehalten wird, wird nach einer gewissen Betriebszeit ein Kalibrierungszyklus durchfahren. In diesem wird der Lambda-Wert von einem Wert > 1 ausgehend reduziert. Der sich bei Lambda = 1 ergebende Maximalwert wird gespeichert. Mit diesem Maximalwert wird der elektrische Sollwert nachgestellt.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus dem Patent EP1002997B1 bekannt. Bei einem mit einem Lüfter und einem Gas-Regelventil versehenen voll- oder teilvormischenden Gasbrenner wird im Flammenbereich ein lonisationssignal mit Hilfe einer Ionisations-Elektrode gemessen. Ferner wird die Lüfterdrehzahl erfasst. Aus dem lonisationssignal und der Lüfterdrehzahl wird dann ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal abgeleitet und dieses mit einem vorgegebenen Wert verglichen. In Abhängigkeit von diesem Vergleich wird ein Stellsignal für das Gas-Regelventil bestimmt. Um den Gasbrenner über einen langen Zeitraum sicher im optimalen Luftzahlbereich betreiben zu können, wird in regelmäßigen Zeitabständen oder in Abhängigkeit von spezifischen Ereignissen das Gas-Luft-Verhältnis des Gasbrenners überprüft. Dazu wird aus dem lonisationssignal ein für die aktuelle Luftzahl und die aktuelle Leistung repräsentatives Signal abgeleitet und dieses mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Aus diesem Vergleich lassen sich Informationen über den Betriebszustand des Gasbrenners ableiten.
  • Wird ein fehlerhafter Betriebszustand erkannt, wird der Gasbrenner abgeschaltet. Dies führt zu einem Komfortverlust.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem auch bei einem fehlerhaften Betriebszustand noch ein sicherer Betrieb des Gasbrenners gewährleistet wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert.
  • Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt sind die für den Verbrennungsvorgang wesentlichen Komponenten eines hier nicht dargestellten Heizgeräts. Über eine Luftzufuhr 5 wird Luft einem Gebläse 2 zugeführt. Dabei wird über eine Gaszufuhr 6 und ein Gasventil 1 der Luft ein Brenngas zugeführt und durch das Gebläse 2 gemischt und gefördert. Das Luft-Gas-Gemisch wird sodann dem Brenner 7 zugeleitet und an dessen Oberfläche verbrannt. Ein den Brenner 7 umschließender nicht dargestellter Primärwärmetauscher ermöglicht die Übertragung der durch die Verbrennung entstehende Wärme auf ein Wärmeträgermedium, das dann die Wärme einer Wärmesenke zuführen kann.
  • Eine im Bereich der Flammen vorgesehene lonisationselektrode 3 ermöglicht einen durch eine nicht dargestellte Spannungsquelle, die eine Spannung zwischen Brenner 7 und lonisationselektrode 3 anlegt, verursachten Stromfluss durch die Flammen zwischen dem Brenner 7 und der lonisationsstroms 3.
  • Ein lonisationssensor misst den durch die lonisationselektrode 3 fließenden Strom und liefert ein lonisationssignal, das den Strom repräsentiert. Ein Steuergerät 4 erfasst das lonisationssignal und steuert den Antrieb des Gebläses 2 an. Zur vereinfachten Darstellung ist das Steuergerät 4 direkt mit der lonisationselektrode 3 verbunden. Nicht dargestellt ist dabei die Spannungsquelle, der Stromkreis und der Ionisationssensor. Der lonisationssensor kann Bestandteil der Spannungsquelle sein. Das lonisationssignal ist ein Indikator für die Verbrennungsqualität.
  • Ferner wird über eine Verbindung des Steuergeräts 4 der Öffnungsgrad des Gasventils 1 bestimmt. Dies kann beispielsweise durch einen Schrittmotor erfolgen, der von der Steuerung 4 angesteuert wird.
  • Nach erfolgreicher Zündung des Gas-Luft Gemisches fährt das Gebläse 2 auf eine Solldrehzahl und der Öffnungsgrad des Gasventils 1 unter Zuhilfenahme einer hinterlegten Steuerkennlinie auf dieser Drehzahl passenden Öffnung.
  • Die Drehzahl des Gebläses 2 wird bei konstant gehaltenem Öffnungsrad des Gasventils nun solange reduziert, bis das lonisationssignal das Maximum erreicht und wieder fällt. Eine Luftmassenstromkenngröße, bevorzugt die Gebläsedrehzahl, die sich bei Erreichen des maximalen lonisationsstromes einstellt, wird gespeichert und ebenfalls die für diese Drehzahl notwendige elektrische Gebläseleistung und über einen ausgelegten Faktor die Zieldrehzahl für den Arbeitspunkt des Systems berechnet. Diese Drehzahl wird anschließend vom Gebläse 2 angefahren. Der Öffnungsgrad des Gasventils 1 bleibt nach wie vor unverändert. Über weitere ausgelegte Faktoren wird die Gebläseleistung, die sich am Punkt des maximalen lonisationssignals einstellt genutzt, um einen minimalen und einen maximalen Wert der Gebläseleistung im Arbeitspunkt des Systems zu errechnen. Sind Solldrehzahl und Zieldrehzahl für den Arbeitspunkt unterschiedlich, wird ein Korrekturfaktor errechnet, der ungleich 1 ist. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne t_idle erfolgt die nächste Kalibrierung des Systems, indem über den Korrekturfaktor die Gasmenge über den Öffnungsgrad des Gasventils 1 angepasst wird und zu dieser nun aktuellen Gasmenge bei wiederum konstant gehaltenem Öffnungsgrad das Gebläse soweit herunter gefahren wird, bis das lonisationssignal der Elektrode 3 ein Maximum erreicht, Drehzahl und Gebläseleistung gespeichert werden und über den ausgelegten Faktor die Zieldrehzahl für den neuen Arbeitspunkt angefahren wird. Dieser Vorgang erfolgt zyklisch. Die vorbestimmte Zeitspanne kann sich im Bereich von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden oder Tagen erstrecken. Sie kann aber auch an der Anzahl der Zündvorgänge festgemacht werden und kann zwischen einem und bis zu 20 Zündvorgängen liegen.
  • Im Falle eines Sensorfehlers des elektronischen Hauptsystems übernimmt der Komfortsicherungsmodus den sicheren Betrieb und stellt hierüber auch eine Grundversorgung für Heiz- und Warmwasser-Betrieb sicher. Bis zur Fehlerbehebung am Hauptsystem erhält der Nutzer einen eingeschränkten Warmwasser-Komfort.
  • Das System nutzt den physikalischen Effekt, dass bei einer Luftzahl von ca. 1 der gemessene lonisationsstrom ein Maximum erreicht. Allerdings wird diese physikalische Information nicht zur Regelung der Verbrennungsqualität genutzt, sondern um von diesem Punkt (Luftzahl ca. 1) ausgehend das System in einen Bereich zu steuern, bei dem die Wärmebelastung konstant gehalten wird und das Gerät mit einem akzeptablen Wirkungsgrad weiter läuft wenn das Hauptsystem ausgefallen ist. Überschreitung bzw. Unterschreitung der Grenzen der Gebläseleistung für den jeweiligen Arbeitspunkt weisen auf unsicheren Betrieb hin. Wird eine dieser Grenzen überschritten, indem die Gebläseleistung zu stark ansteigt oder abfällt, wird eine neue Kalibrierung angestoßen. Erfolgt erneut eine Verletzung der Gebläseleistungsgrenzen im eingestellten Arbeitspunkt geht das Gerät in einen verriegelnden Zustand.
  • Im gewünschten Arbeitspunkt des Systems wird nicht über den lonisationsstrom die Verbrennungsqualtiät geregelt, in dem Gasventilstellung oder Gebläsedrehzahl dem Signal nachgeführt werden, sondern das System läuft im Steuerbetrieb. Das im Arbeitspunkt gemessene lonisationssignal dient lediglich im Falle einer Verletzung von minimalen bzw. maximalen Absolutwerten als Indikator für einen Fehler, um das Gerät in diesem Fall in einen verriegelnden Zustand zu bringen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasventil
    2
    Gebläse
    3
    lonisationselektrode
    4
    Steuerung
    5
    Luftzufuhr
    6
    Gaszufuhr
    7
    Brenner

Claims (5)

  1. Verfahren zum Regeln des Verbrennungsluftverhältnisses an einem Brenner (7) für ein Heizgerät zum Erzeugen von Wärme, mit einem Ionisationssensor, welcher ein zwischen dem Brenner (7) und einer im Bereich der Flammen des Brenners (7) vorgesehenen lonisationselektrode (3) aufgrund einer angelegten Spannung fließenden Strom repräsentierendes lonisationssignal liefert, mit einem Gebläse zum Fördern des Luft-Brenngas-Gemisches, mit einem Gasventil (1) zum Zuführen von Brenngas und mit einer Steuerung (4) zum Durchführen des Verfahrens, mit den zyklischen Verfahrensschritten
    a) Ermitteln des aktuellen durch das Heizgerät zu deckenden Wärmebedarfs,
    b) Festlegen und Ausgeben einer zum ermittelten Wärmebedarf gehörenden Luftmassenstromkenngröße,
    c) Festlegen eines zur festgelegten Luftmassenstromkenngröße und zum gewünschten Soll-Verbrennungsluftverhältnisses gehörenden Soll- lonisationssignals anhand von zuvor ausgelegten und hinterlegten Parametern,
    d) Kontinuierliches oder quasikontinuierliches Ansteuern des Gasventils (1) in der Weise, dass der Ist-Ionisationssignal dem Soll-Ionisationssignal entspricht, sowie mit den in periodischen Zeitabständen durchgeführten Verfahrensschritten
    e) Wiederholen der Schritte a) bis d) für eine festgelegte Zeitdauer und nach Ablauf der Zeitdauer Verringern des Verbrennungsluftverhältnisses bei gleichzeitiger Erfassung des lonisationssignals solange, bis das lonisationssignal ein Maximum erreicht,
    f) Ermittlung, Plausibilitätsprüfung und Korrektur der hinterlegten Parameter und Fortsetzen des Verfahrens mit Schritt a) bei gleichzeitigem Neustart der Zeitdauer, wobei in dem Fall, dass im Schritt f) nicht plausible Parameter ermittelt wurden, anstelle der Verfahrensschritte a) bis f) zyklisch die Verfahrensschritte
    g) Betreiben des Gebläses (2) in einer zuvor definierten Soll-Luftmassenstromkenngröße und Ansteuern des Gasventils (1) mit einer zuvor definierten Ventilstellung, die zusammen mit der Soll- Luftmassenstromkenngröße unter zuvor definierten Rahmenbedingungen ein definiertes Soll-Verbrennungsluftverhältnis größer 1 ergibt
    h) Reduzieren der Luftmassenstromkenngröße bei gleichzeitiger Messung des lonisationssignals bis ein Maximum des lonisationssignals erkannt wird,
    i) Ermitteln und Speichern der Luftmassenstromkenngröße, bei der das Maximum des lonisationssignals erkannt wurde,
    k) Multiplikation der Luftmassenstromkenngröße mit einem zuvor so ausgelegten Faktor, dass ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnisses erreicht wird
    l) Einstellen der unter k) errechneten Luftmassenstromkenngröße durchgeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmassenstromkenngröße die Gebläsedrehzahl des Gebläses ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmassenstromkenngröße die elektrische Leistung des Gebläses ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Brenner (7) und lonisationselektrode (3) angelegte Spannung eine Wechselspannung ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten h) bis I) das Luftverhältnis anstelle durch Reduzierung bzw. Erhöhung der Luftmassenstromkenngröße durch eine Erhöhung bzw. Reduzierung der Gaszufuhr durch Ansteuern des Gasventils (1) verändert wird, wobei anstelle der Luftmassenstromkenngröße die Ventilstellung des Gasventils (1) verwendet wird.
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