EP3690318A2

EP3690318A2 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines brenngas-luft-gemisches in einem heizgerät

Info

Publication number: EP3690318A2
Application number: EP20150310.9A
Authority: EP
Inventors: Heinz-Jörg Tomczak; Christian Schwarz; Stefan Hucke; Jochen Grabe; Tobias Funke
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: EP3690318A3; EP3690318B1; ES2902463T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennung in einem Heizgerät (1) mittels eines in einem Flammenbereich (2) des mit Verbrennungsluft und Brenngas betriebenen Heizgerätes (1) gemessenen lonisationssignals, welches aus einem von einer lonisationselektrode (8) zu einer Gegenelektrode (9) durch den Flammenbereich (2) fließenden lonenstrom abgeleitet wird, wobei der Lambda-Wert bei der Verbrennung in dem Heizgerät (1) anhand von Kalibrierdaten aus dem lonisationssignal bestimmt und mittels Einstellung der Zufuhr an Brenngas und/oder der Zufuhr an Verbrennungsluft geregelt wird, mit folgenden Schritten: ein Gebläse (5) zur Zufuhr von Verbrennungsluft wird auf eine vorgebbare Drehzahl gebracht, ein Brenngasventil (6) wird mittels einer vorgebbaren Kennlinie auf eine dieser Drehzahl zugeordnete Stellung gebracht, in dieser Stellung wird das Brenngasventil (6) festgehalten, die Drehzahl wird um einen vorgebbaren Betrag reduziert, anschließend wird die Drehzahl erhöht und das jeweilige Ionisationssignal (I2) gemessen, dabei wird ein Minimum des Ionisationssignals (I2) festgestellt und gespeichert, die Gebläsedrehzahl wird weiter erhöht, bis ein vorgebbarer Schwellwert des Ionisationssignals (I2) relativ zum Minimum erreicht wird, danach wird die Gebläsedrehzahl auf die zu dem Minimum gehörige Gebläsedrehzahl reduziert und dort für eine Zeitspanne (t) gehalten oder zur Regelung des Ionisationssignals (I2) auf den aktuellen konstanten Wert genutzt, nach Ablauf der Zeitspanne (t) werden die Schritte ab 1.4 wiederholt. Das Verfahren kann als Betriebsregelung oder als Notlaufverfahren bei Ausfall einer anderen primären Betriebsregelung genutzt werden.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Regelung eines Brenngas-Luftgemisches für einen Verbrennungsprozess in einem Heizgerät, insbesondere zur Warmwasserbereitung oder Beheizung eines Gebäudes. Zur Messung einer Qualität der Verbrennung, die hauptsächlich von dem während der Verbrennung vorliegenden Verhältnis von Luft zu Brenngas (Lambda-Wert, auch Luftzahl genannt) abhängt, wird insbesondere bei vielen Heizgeräten eine lonisationsmessung in einem Flammenbereich durchgeführt. Solche Messungen sollen eine stabile Regelung über lange Zeiträume ermöglichen. Fällt die Regelung aus, so muss in den meisten Fällen das Heizgerät abgeschaltet werden, was natürlich möglichst selten vorkommen sollte.
Außerdem wird in Heizgeräten typischerweise auch eine Flammenüberwachung durchgeführt, deren wesentliche Aufgabe darin besteht, sicherzustellen, dass nach dem Start des Heizgerätes keine Zufuhr von Brenngas erfolgt, wenn keine Flamme vorliegt. Damit werden die Entstehung eines eventuell explosiven Gemisches und das Austreten von unverbranntem Brenngas verhindert. Dies kann auf viele verschiedene Weisen erreicht werden. Es gibt optische, thermische und elektronische Systeme. Ein oft eingesetzter elektronischer Flammenwächter nutzt eine ohnehin vorhandene Zündelektrode, die ansonsten nach der Zündung einer Flamme nicht anderweitig benötigt wird, zur Erzeugung eines lonisationssignals, welches im Stand der Technik nicht zur Regelung, sondern zur Überwachung der Flamme dient. Das speziell aufbereitete lonisationssignal kann nicht nur das Vorhandensein einer Flamme bzw. deren Erlöschen sicher detektieren, sondern beispielsweise auch das physische Abheben der Flamme vom Brenner durch zu hohe Verbrennungsluftzufuhr frühzeitig messen. So kann bei Instabilitäten der Flamme frühzeitig eine Abschaltung erfolgen.
Nach dem Stand der Technik wird bisher im Betrieb die Regelung oft mittels einer gesonderten lonisationselektrode durchgeführt. Unabhängig von der Art der Elektrode wird der jeweilige Ist-Wert der Ionisation im Flammenbereich ermittelt, der proportional dem gerade vorliegenden Lambda-Wert ist, so dass dieser aus der lonisationsmessung abgeleitet werden kann. Dabei wird an die lonisationselektrode eine Wechselspannung angelegt, wobei der bei Vorhandensein von Flammen ionisierte Flammenbereich eine gleichrichtende Wirkung hat, so dass ein lonisationsstrom hauptsächlich jeweils nur während einer Halbwelle des Wechselstromes fließt. Dieser Strom oder ein daraus abgeleitetes proportionales Spannungssignal, im Folgenden lonisationssignal genannt, werden gemessen und gegebenenfalls nach einer Digitalisierung in einem Analog/Digital-Wandler als lonisationssignal weiterverarbeitet. So kann der Lambda-Wert gemessen und mittels eines Regelkreises auf einen Sollwert geregelt werden. Dabei wird die Zufuhr von Luft und/oder Brenngas durch geeignete Stellglieder verändert, bis der gewünschte Sollwert für Lambda erreicht ist. Im Allgemeinen wird ein Lambda-Wert > 1 (1 entspricht einem stöchiometrischen Verhältnis) angestrebt, z. B. Lambda = 1,3, um sicherzustellen, dass genug Luft für eine saubere Verbrennung im Wesentlichen ohne Erzeugung von Kohlenmonoxid zugeführt wird. Dabei muss Lambda aber so klein bleiben, dass eine stabile Verbrennung gewährleistet ist. Die Regelung kann insbesondere über ein Ventil für die Zufuhr von Brenngas und/oder ein Gebläse für die Zufuhr von Umgebungsluft erfolgen.
Aus der DE 196 18 573 C1 und der DE 195 02 901 C1 sind beispielsweise solche Verbrennungsregelungen bekannt, die über hinterlegte lonisationsstrom-Regelkurven die gewünschte Verbrennungsqualität (Lambda-Wert) einregeln. Die verwendeten Elektroden unterliegen einer zeitabhängigen Drift, die im Wesentlichen aus einer anwachsenden Oxidschicht auf der Elektrodenoberfläche resultiert, die einen negativen Einfluss auf das gemessene Signal hat. Um den störenden Einfluss dieser Drift zu kompensieren, werden zyklisch Kalibriersequenzen angestoßen (z. B. nach einer vorgebbaren Anzahl von Betriebsstunden).
Aus der DE 195 39 568 C1 ist beispielsweise das Vorgehen bei einer Kalibrierung bekannt, wobei zeitweise eine Verbrennung im Bereich von Lambda = 1 durchgeführt wird, was aber mit der Erzeugung einer gewissen Menge an Kohlenmonoxid verbunden sein kann. Auch entstehen bei Lambda-Werten im Bereich von 1 sehr hohe Flammtemperaturen, die wiederum die lonisationselektrode schädigen, so dass ein Kalibriervorgang die Lebensdauer der lonisationselektrode verringern kann.
Der grundsätzliche Aufbau solcher Heizgeräte, von Messystemen zur lonisationsmessung und zu deren Benutzung zur Regelung sind beispielsweise auch aus der EP 0 770 824 B1 und der EP 2 466 204 B1 bekannt. Dort ist auch beschrieben, dass sich die Regelgenauigkeit im Laufe der Zeit durch verschiedene Einflüsse verändern kann, insbesondere durch Einflüsse auf den Zustand oder die Form der lonisationselektrode. Verschiedene Verfahren zu einer Nachkalibrierung bei Bedarf sind angegeben, die aber alle einen relativ hohen Aufwand erfordern und/oder vor allem den Nachteil haben können, dass bei der Nachkalibrierung das Heizgerät zeitweise bei Lambda-Werten von 1 oder sogar darunter betrieben werden muss, was zu einer vorübergehenden Erzeugung von unerwünschtem Kohlenmonoxid führen kann.
Aus der EP 2 014 985 B1 ist auch schon eine Regelung bekannt, die betrieben und kalibriert werden kann, ohne die Verbrennung in einen Bereich nahe Lambda = 1 zu verlegen, so dass auch bei einer Kalibrierung wenig Kohlenmonoxid entsteht. Allerdings ist es damit nicht immer möglich, einen optimalen Lambda-Wert einzuhalten.
Hier will die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Heizgerätes, eine stabile Regelung oder bei Bedarf eine Notlaufregelung bei Störungen in einem primären Regelsystem zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Verbrennung in einem Heizgerät mittels eines in einem Flammenbereich des mit Verbrennungsluft und Brenngas betriebenen Heizgerätes gemessenen lonisationssignals, welches aus einem von einer lonisationselektrode zu einer Gegenelektrode durch den Flammenbereich fließenden lonenstrom abgeleitet wird, wobei das Verhältnis (Lambda-Wert) von Verbrennungsluft zu Brenngas bei der Verbrennung in dem Heizgerät anhand von Kalibrierdaten aus dem lonisationssignal bestimmt und mittels Einstellung der Zufuhr an Brenngas und/oder der Zufuhr an Verbrennungsluft geregelt wird, weist zumindest folgende Schritte auf:

1.1 ein Gebläse zur Zufuhr von Verbrennungsluft wird auf eine vorgebbare Drehzahl gebracht,
1.2 ein Brenngasventil wird mittels einer vorgebbaren Kennlinie auf eine dieser Drehzahl zugeordnete Stellung gebracht,
1.3 in dieser Stellung wird das Brenngasventil festgehalten,
1.4 die Drehzahl wird um einen vorgebbaren Betrag reduziert,
1.5 anschließend wird die Drehzahl kontinuierlich oder schrittweise erhöht und das jeweilige lonisationssignal gemessen,
1.6 dabei wird ein Minimum des lonisationssignals festgestellt und mit der zugehörigen Gebläsedrehzahl gespeichert,
1.7 die Gebläsedrehzahl wird weiter erhöht, bis ein vorgebbarer Schwellwert des lonisationssignals relativ zum Minimum erreicht wird,
1.8 danach wird die Gebläsedrehzahl auf die zu dem Minimum gehörige Gebläsedrehzahl reduziert und dort für eine vorgebbare Zeitspanne t gehalten oder zur Regelung des lonisationssignals auf den aktuellen konstanten Wert genutzt,
1.9 nach Ablauf der Zeitspanne t werden die Schritte ab 1.4 wiederholt.

Mit diesen Verfahrensschritten lässt sich ein Heizgerät zuverlässig regeln, wobei die Zeitspanne t sehr lang im Vergleich zu der Dauer der anderen Verfahrensschritte sein kann, beispielsweise mehrere Stunden oder noch länger. Andererseits entsteht bei der Wiederholung der Schritte ab 1.4 vernachlässigbar wenig Kohlenmonoxid, so dass es auf die Länge der Zeitspanne in dieser Hinsicht nicht ankommt und auch sonst keine wesentlichen Nachteile gegen eine Wiederholung sprechen. Die Regelung bleibt dadurch in dem gewünschten Regelbereich für den Lambda-Wert und auch bei der Wiederholung aller Verfahrensschritte entstehen keine übermäßig hohen Flammtemperaturen.
Bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem bei einer Abweichung der in Schritt 1.6 gespeicherten Gebläsedrehzahl von der in Schritt 1.1 eingestellten größer als ein vorgebbarer Abweichungswert eine entsprechende Korrektur der Einstellung des Brenngasventils vorgenommen und die Schritte 1.3 bis 1.7 so oft wiederholt werden, bis die Abweichung kleiner als der Abweichungswert ist, was dem Erreichen einer gewünschten Leistung des Heizgerätes entspricht. Dies führt dazu, dass nicht nur ein gewünschter Lambda-Wert eingehalten, sondern auch eine bestimmte vorgebbare Leistung eingeregelt werden kann. Im Allgemeinen ist die Gebläsedrehzahl der am genauesten zu messende Wert in einem Heizgerät, weshalb diese zur Einstellung einer gewünschten Leistung bevorzugt eingesetzt wird.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der vorgebbare Betrag in Schritt 1.4 so gering gewählt wird, dass ein Abstand des Lambda-Wertes zu einem Bereich, in dem eine unzulässige Menge oder Konzentration an Kohlenmonoxid erzeugt werden kann, eingehalten wird. Diese Ausführung stellt sicher, dass bei der Durchführung des Verfahrens unabhängig von der Dauer der Zeitspanne t nur sehr wenig Kohlenmonoxid erzeugt wird, auch wenn die Kalibrierung des Systems immer wieder geprüft wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren für unterschiedlichen Leistungen entsprechende Gebläsedrehzahlen und zugehörigen Einstellungen des Brenngasventils in gleicher Weise durchgeführt, woraus sich eine immer wieder in Zeitabständen der Länge der Zeitspanne (t) aktualisierte Kalibrierung der Regelung ergibt, die alle Änderungen im System berücksichtigt. Auf diese Weise entsteht eine immer wieder korrigierte Kalibrierkurve für unterschiedliche Leistungen des Heizgerätes, wodurch die beschriebene Regelung insbesondere als primäre Regelung eingesetzt werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist aber die Verwendung als sogenannte Notlaufregelung. Für Heizgeräte, die eine Regelung mittels eines ersten Messsystems mit einer ersten lonisationsmessung und eine separate von einer Überwachungs-Elektronik durchgeführte Flammenüberwachung mittels einer zweiten lonisationsmessung aufweisen, wird bei Ausfall der ersten lonisationsmessung oder der darauf basierenden Regelung auf ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere unter Nutzung einer vorhandenen Überwachungs-Elektronik umgeschaltet. Diese Möglichkeit erhöht die Verfügbarkeit von Heizgeräten signifikant, da bei einer Störung der primären Regelung nicht abgeschaltet, sondern nur auf das Notlaufsystem umgeschaltet werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Heizgerät, das insbesondere für die Umschaltung von einer primären Regelung auf ein Notlaufsystem geeignet ist, hat folgende Komponenten: eine Luftzufuhr und eine Brenngaszufuhr, die von einer ersten Regeleinheit geregelt werden, und mit einem ersten Messsystem, umfassend eine lonisationselektrode, eine Gegenelektrode, eine erste Wechselstromquelle und eine erste Auswertelektronik zur Ermittlung eines ersten lonisationssignales, das der Regeleinheit zuführbar ist, wobei ein zweites Messsystem zur Messung eines zweiten lonisationssignales vorhanden ist, welches zwischen einer zur Zündung einer Verbrennung vorhandenen Zündelektrode und der Gegenelektrode vom zweiten Messsystem erzeugbar ist und wobei das erste und das zweite System jeweils zur Bestimmung eines Lambda-Wertes eingerichtet sind. Dies ermöglicht neben den bekannten Funktionen der Regelung und Flammenüberwachung auch noch eine Umschaltung bei Störungen einer primären Regelung auf ein Notlaufsystem, welches die Regelung übernehmen kann.
Bevorzugt weist das Heizgerät dazu eine Umschalteinheit auf, die bei Ausfall mindestens einer Komponente des ersten Messsystems auf eine Regelung mit dem zweiten Messsystem umschaltet.
Die erfindungsgemäße Ionisationsmessung, die in dieser Art zur Flammenüberwachung und Regelung eingesetzt werden kann, arbeitet nach folgendem Prinzip:
Zwischen einer lonisationselektrode und einer Gegenelektrode (Masse) wird eine Wechselspannung ohne Gleichspannungsanteil aus einer Spannungsquelle mit hoher Ausgangsimpedanz angelegt. Durch einen gleichrichtenden Effekt eines Flammenplasmas bei brennender Flamme fließt ein lonisationsstrom während jeder positiven Halbwelle der Wechselspannung gegen Masse ab. Die Spannungsamplitude jeder positiven Halbwelle wird wegen der hohen Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle reduziert, während die negative Halbwelle unverändert erhalten bleibt. Hierdurch wird der Wechselspannung ein negativer Gleichspannungsanteil aufgeprägt. Die Amplitude dieses negativen Gleichspannungsanteils wird als Mittelwert mittels einer Verstärkerschaltung in ein Spannungssignal umgewandelt, das aufgrund seines charakteristischen Verlaufs bei gleichbleibender Gaszufuhr und steigender Luftzufuhr für die hier beschriebenen Zwecke verwendet werden kann. Typischerweise wird dieses Signal mittels eines Analog/Digitalwandlers (z.B. in Werte zwischen 0 und 1023) digitalisiert, so dass es in einem Mikroprozessor weiterverarbeitet werden kann.
Der charakteristische Verlauf des Signals ergibt sich aus einer Kombination verschiedener Effekte. Einerseits ist die Ionisation im Flammenbereich am stärksten, wenn die Verbrennung in einem stöchiometrischen Verhältnis von Verbrennungsgas und Verbrennungsluft betrieben wird, andererseits entfernen sich die Flammen (physisches Abheben der Flammen) bei steigender Gasgemischgeschwindigkeit (größerer Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit) von den Austrittsöffnungen im Brenner, die elektronisch die Masse in dem System bilden, was den lonenstrom verringert. Unter Umständen spielt auch die Temperatur der lonisationselektrode bzw. der Flamme für den gleichrichtenden Effekt eine Rolle. Im Ergebnis ergibt sich ein Verlauf mit einem gut reproduzierbaren Minimum, welches in der Nähe eines für einen Dauerbetrieb typischen Lambda-Wertes liegt.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das hier vorgeschlagene Verfahren ausführt. Moderne Heizgeräte enthalten typischerweise eine elektronische Steuerung, die mindestens einen programmierbaren Mikroprozessor enthält, der durch ein solches Computerprogrammprodukt gesteuert werden kann. Insbesondere können vorhandene Geräte mit einer lonisationsmessung und einer Flammenüberwachung durch ein solches Computerprogrammprodukt für das erfindungsgemäße Verfahren nachgerüstet werden.
Hier ist aus patentrechtlichen Gründen (Notwendigkeit wird noch mit Dr. Popp geklärt) die komplette Prioritätsanmeldung eingefügt, einschließlich Anspruch: Mit anderen Worten betrifft die Erfindung auch ein Notlaufsystem für gasbetriebene Heizgeräte, insbesondere bei lonisationsstrom-basierter Verbrennungsregelung. Aus der DE 196 18 573 C1 und DE 195 02 901 C1 sind Verbrennungsregelungen bekannt, die über hinterlegte lonisationsstrom-Regelkurven die gewünschte Verbrennungsqualität (Luftzahl lambda) einregeln. Der lonisationsstrom wird in der Regel mit einer lonisationsstrom-Elektrode, an der eine Spannung angelegt wird, gemessen. Diese Elektroden unterliegen einer zeitabhängigen Drift, die im Wesentlichen aus einer anwachsenden Oxidschicht auf der Elektrodenoberfläche resultiert, die einen negativen Einfluss auf das gemessene Signal hat. Um den störenden Einfluss dieser Drift zu kompensieren werden zyklisch (z.B: nach x Brennerbetriebsstunden) Kalibriersequenzen angestoßen. DE 195 39 568 C1 beinhaltet eine Kalibrierung beim Betriebspunkt mit maximalem lonisationsstrom (SCOT) oder in der Nähe dieses Punktes (Sitherm). Der maximale lonisationsstromstrom ist näherungsweise bei lambda=1 zu messen. Aus EP 2 014 985 B1 ist bekannt, dass ein Kalibrierpunkt im Gegensatz zu lambda=1 auch bei dem Punkt genutzt werden kann, an dem die Flamme physisch vom Brenner abzuheben beginnt. Konventionelle Regelungssysteme, die auf einer Messung und Auswertung des lonisationsstroms basieren, nutzen einen Kalibrierpunkt bei lambda=1 oder nahe an 2 lambda=1. Somit fahren die Systeme zyklisch im stöchiometrischen bzw. kurzzeitig im unterstöchiometrischen Bereich mit dort auftretenden sehr hohen CO Emissionen und sehr hohen Flammentemperaturen. Die hohen CO Werte gilt es zu vermeiden, da Kohlenmonoxid bekanntermaßen ein gefährliches Atemgift ist. Die hohen Temperaturen die besonders bei nah-stöchiometrischer Verbrennung auftreten wirken sich stark auf die Lebensdauer der verwendeten lonisationsstromelektroden aus, so dass diese verhältnismäßig häufig ausgetauscht werden müssen. Die genannten Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass über eine geeignete Elektronik-Hardwareschaltung ein Kalibrierpunkt nahe dem gewünschten Arbeitspunkt des Heizgerätes genutzt wird, der zyklisch angefahren wird. Dieser Punkt liegt im Bereich von lambda -1,5 und liefert hier zum einen verhältnismäßig kalte Flammentemperaturen bei gleichzeitig sehr niedrigen CO Emissionen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert und deren Funktionen beschrieben. Figur 1 stellt eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Nachdem ein gewünschtes Gas-Luft-Verhältnis über die Gasarmatur und das Gebläse eingestellt worden ist, wird das Gemisch, das aus dem Brenner austritt über eine Zündspannung, die an der Zündelektrode anliegt und dort Funken bildet gezündet. Sobald eine stabile Flamme erkannt ist funktioniert die Erfindung wie folgt: Das Gebläse fährt auf eine festgelegte Drehzahl (z.B. n=6000 rpm) - das Gasventil folgt der Gebläsedrehzahl über eine ausgelegte Kennlinie (Gasarmatur-Stepperposition über Gebläsedrehzahl). Die Position des Gasarmatur-Steppermotors wird jetzt "eingefroren" und die Gebläsedrehzahl definiert reduziert (Punkt "1", Figur 2). Die Gebläsedrehzahl wird nun stetig hochgefahren wobei das gemessene lonisationssignal von Punkt 1 (Figur 2) kommend der Kennlinie folgt. Der jeweilige Minimalwert des Signals wird gespeichert und der Luftvolumenstrom über das Gebläse soweit erhöht, bis ein Schwellwert vom Anstieg des lonisationsstroms relativ zum Minimalwert (Punkt 3) erreicht ist (Punkt 2). Zuletzt wird der Minimalwert (Punkt 3) angefahren, der gleichzeitig den Arbeitspunkt des Gerätes darstellt. In diesem Punkt läuft das Gerät über eine Regelung des Gebläses bis eine Zeitspanne t abgelaufen ist. Nach Ablauf der Zeitspanne t verfährt das System wieder beginnend von Punkt 1. Das Verfahren zur Regelung einer Verbrennung bei einem gasbetriebenen Heizgerät, ist gekennzeichnet, durch folgende Schritte - das Gebläse fährt auf eine festgelegte Drehzahl - das Gasventil folgt der Gebläsedrehzahl über eine ausgelegte Kennlinie (Gasarmatur-Stepperposition über Gebläsedrehzahl) - die Position des Gasarmatur-Steppermotors wird jetzt "eingefroren" und die Gebläsedrehzahl definiert reduziert, - die Gebläsedrehzahl wird nun stetig hochgefahren wobei das gemessene lonisationssignal der Kennlinie folgt - der jeweilige Minimalwert des Signals wird gespeichert und der Luftvolumenstrom über das Gebläse soweit erhöht, bis ein Schwellwert vom Anstieg des lonisationsstroms relativ zum Minimalwert erreicht ist, - zuletzt wird der Minimalwert angefahren, der gleichzeitig den Arbeitspunkt des Gerätes darstellt, - in diesem Punkt läuft das Gerät über eine Regelung des Gebläses bis eine Zeitspanne t abgelaufen ist, - nach Ablauf der Zeitspanne t verfährt das System wieder beginnend von Punkt 1. ENDE des Prioritätstextes
Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung detailliert erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1:: schematisch ein erfindungsgemäßes Heizgerät,
Fig. 2:: eine schematische Schaltung zur Erzeugung eines lonisationssignals gemäß der Erfindung und
Fig. 3:: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Mess- und Regelvorganges mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung. In einem Heizgerät 1 zur Verbrennung eines Brenngases mit Luft bildet sich beim Betrieb ein Flammenbereich 2 aus. Luft gelangt über eine Luftzufuhr 3 und ein Gebläse 5 in das Heizgerät 1. Brenngas wird der Luft über eine Brenngaszufuhr 4 und ein Brenngasventil 6 beigemischt. Eine Zündelektrode 7 zündet beim Start des Verbrennungsprozesses das Gemisch und wird danach z. B. als Teil eines Flammenwächters verwendet. Mittels einer lonisationselektrode 8 wird ein erstes lonisationssignal im Flammenbereich 2 gemessen. Dazu dient ein erstes Messsystem S1, von dem die lonisationselektrode 8 mit einer Wechselspannung aus einer ersten Wechselspannungsquelle beaufschlagt wird, wobei eine erste Auswerteelektronik 13 das entstehende lonisationssignal misst und nach in einem Kalibrierdatenspeicher 15 gespeicherten Kalibrierdaten (Regelkurve) in einen Lambda-Wert, also ein Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff umrechnet. Mit diesem Wert als Ist-Wert kann eine Regeleinheit 17 das Gebläse 5 und/oder das Brenngasventil 6 so regeln, dass sich ein gewünschter Sollwert für Lambda einstellt. Eine Flammenüberwachung 16 kann ebenfalls vorhanden sein.
Bei einer wie auch immer gearteten Störung dieser Regelung wird mittels einer Umschalteinheit 10 ein zweites Messsystem S2 in Betrieb gesetzt, welches eine zweite Wechselspannungsquelle 12 statt einer Zündelektronik auf die Zündelektrode 7 aufschaltet (sofern dies nicht zur Flammenüberwachung bereits erfolgt ist), wobei in einer zweiten Auswerteelektronik 14 ein zweites lonisationssignal gemessen und ausgewertet wird, das ebenfalls einen Ist-Wert für Lambda liefert und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Regelung des Lambda-Wertes ermöglicht. Grundsätzlich ist diese Art der Regelung auch als primäre Regelung einsetzbar, und zwar parallel zu einer Flammenüberwachung mittels einer Zündelektrode als einzige lonisationselektrode oder mittels einer eigenen lonisationselektrode nur für die Regelung. In diesem Fall muss nur das zweite Messsystem S2 vorhanden sein und kann mittels eigener Kalibrierdaten als primäres Regelungssystem eingesetzt werden.
In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel arbeitet das Heizgerät zunächst im Normalbetrieb bei einer bestimmten Zufuhr von Brenngas und einer zugehörigen Drehzahl des Gebläses 5, wobei mittels des ersten Messsystems S1 das Ionisationssignal I1 auf einen für diesen Zustand als Soll-Wert vorgegebenen Wert von z. B. 100 µA [mikroAmpere] geregelt wird, indem die Drehzahl des Gebläses und/oder die Brennstoffzufuhr verstellt werden. Diese Art der Regelung bewirkt bei gültigen Kalibrierdaten (Kennfeld, Regelkurve), dass über einen großen Lastbereich ein gewünschter Lambda-Wert eingehalten wird. Bei einer Störung in diesem System, kann statt einer Abschaltung eine Umschaltung auf ein Notlaufsystem ausgelöst werden. In diesem Fall wird vom ersten Messsystem S1 auf das zweite Messsystem S2 umgeschaltet. Eine definierte Drehzahl wird über das Gebläse 5 angefahren und die über hinterlegte Kennlinien zugehörige Brennstoffmenge eingestellt. Das Messsystem S2 ermittelt zu Beginn des Notlaufes ein mittels der Zündelektrode 7 ermitteltes zweites Ionisationssignal I2. Dann wird die Gaszufuhr unverändert gelassen, während die Gebläsedrehzahl definiert abgesenkt wird, bis sicher ein Wert unterhalb des gewünschten Lambda-Wertes erreicht ist, der aber immer noch deutlich oberhalb eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brenngas liegt, so dass kaum Kohlenmonoxid bei diesem Vorgang erzeugt wird und auch keine übermäßig erhöhte Flammtemperatur herrscht (siehe Punkt "1" in Fig. 3). Von diesem Lambda-Wert ausgehend wird die Drehzahl des Gebläses 5 erhöht, bis das zweite lonisationssignal durch einen starken Anstieg ein Abheben der Flamme vom Brenner 9 detektiert (siehe Punkt "2" in Fig. 3). Von diesem Punkt aus wird nun die Drehzahl des Gebläses 5 wieder abgesenkt, wobei das lonisationssignal beobachtet wird, um die genaue Lage des (absoluten) Minimums des lonisationssignals zu bestimmen und den Sollwert auf dem Minimum oder dessen Nähe einzuregeln (siehe Punkt "3" in Fig. 3).
Regelungstechnisch ist es einfacher einen Wert in einer Flanke nahe eines Minimums als Sollwert zu nutzen (hier insbesondere in der Flanke hin zum fetteren Gemisch, also zwischen Punkt "1" und "3" in Fig. 3), weil dann bei einer (positiven oder negativen) Änderung des Istwertes klar ist, in welcher Richtung eine Korrektur erfolgen muss. In jedem Fall lässt sich so ein gewünschter Lambda-Wert nahe 1,4 einregeln und einhalten, ohne dass bei dem Vorgang in unzulässigem Maße Kohlenmonoxid erzeugt wird.
Es kann allerdings sein, dass nach Einstellung des gewünschten Lambda-Wertes (noch) nicht die gewünschte Leistung (gewünschte Drehzahl des Gebläses) exakt erreicht ist. Änderungen z. B. an der Gasarmatur, deren Stellmotor, den Umgebungsbedingungen oder den Strömungsverhältnissen in dem Heizgerät können dazu führen, dass nach Einstellung des gewünschten Lambda-Wertes eine andere als die zur gewünschten Leistung gehörige Gebläsedrehzahl (die am genauesten festlegbare Größe in dem System) anliegt. In diesem Fall wird die Öffnung der Gasarmatur in der erforderlichen Richtung geändert und der ganze Vorgang, falls erforderlich iterativ, wiederholt, bis Lambda-Wert und Leistung die gewünschten Sollwerte annehmen. In der Regel wird dies maximal drei Durchgänge des beschriebenen Verfahrens erfordern.
Mit den so gefundenen Einstellungen kann jetzt die weitere Regelung für eine vorgebbare Zeitspanne t durchgeführt werden, nach der der beschriebene Vorgang zur Kalibrierung oder Überprüfung dieser Regelung wiederholt wird. Grundsätzlich kann das Heizgerät allein mit dieser Art der Regelung als primäre Regelung (weiter) betrieben werden. Falls sie nur als Notlaufregelung dient, kann bei einem Neustart des Heizgerätes jeweils geprüft werden, ob die primäre Regelung wieder funktioniert und erst dann auf die Notlaufregelung umgeschaltet werden, wenn dies nicht der Fall ist.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Schaltung, wie sie für das Messsystem S2 eingesetzt werden kann. Eine zweite Wechselspannungsquelle 12 mit einem hohen Ausgangswiderstand 18 liefert zunächst eine Wechselspannung ohne Gleichspannungsanteil an die Zündelektrode 7 und die Gegenelektrode 9 (Masse). Beim Auftreten einer Flamme zwischen den beiden (hier als Ersatzschaltbild 19 dargestellt) fällt die Spannung wegen der Gleichrichterwirkung der Flamme (im Ersatzschaltbild als Diode dargestellt) nur in einer Halbwelle ab, so dass am Eingang der zweiten Auswerteelektronik 14 (Verstärker und Umwandler) eine Wechselspannung mit einem negativen Gleichspannungsanteil anliegt, die in der Auswerteelektronik 14 zu dem zweiten lonisationssignal wird und in einem Analog/Digitalwandler 20 umgewandelt und dann weiter verarbeitet werden kann.
Fig. 3 veranschaulicht qualitativ, was bei dem Vorgang der erfindungsgemäßen Regelung mittels des zweiten Messsystems S2 geschieht. In dem gezeigten Diagramm ist das zweite lonisationssignal I2 auf der Y-Achse (in digitalisierter Form als Zahl zwischen 0 und 1023) gegen die Gebläsedrehzahl [rpm] auf der X-Achse bei konstanter Gaszufuhr aufgetragen. Das entstehende charakteristische Diagramm zeigt einen fast konstanten Anfangsbereich, einen Abfall zu einem Minimum (Punkt "3") und darauf folgend einen Anstieg. Erfahrungswerte haben gezeigt, dass das Minimum in etwa bei einem üblicherweise gewünschten Lambda-Wert von 1,3 bis 1,4 liegt, der konstante Bereich links davon, z. B. bei Punkt "1" aber noch weit von Lambda =1 entfernt ist. In dem Anstieg etwa bei Punkt "2" beginnt die Ablösung der Flamme, die dann mit steigender Luftzufuhr instabil werden kann. Zwischen den Punkten "1" und "2" kann jedoch die Luftzufuhr ohne Erzeugung von unzulässigen Mengen Kohlenmonoxid oder Instabilitäten variiert werden, um das Minimum bei Punkt "3" zu finden und zur Regelung zu nutzen. Die X-Achse könnte wegen des beschriebenen Zusammenhanges zwischen Gebläsedrehzahl und Lambda-Wert auch mit dem Lambda-Wert als Skala versehen sein.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ohne wesentliche Veränderungen an einem Heizgerät selbst nur durch zusätzliche Elektronik eine zuverlässige Notlaufregelung einzurichten oder sogar als primäre Regelung ein Verfahren einzusetzen, welches auch bei einer (Nach-)Kalibrierung keine unzulässigen Mengen an Kohlenmonoxid erzeugt.

Bezugszeichenliste

1: Heizgerät
2: Flammenbereich
3: Luftzufuhr
4: Brenngaszufuhr
5: Gebläse
6: Brenngasventil
7: Zündelektrode
8: lonisationselektrode
9: Brenner / Gegenelektrode
10: Umschalteinheit
11: erste Wechselspannungsquelle
12: zweite Wechselspannungsquelle
13: erste Auswerteelektronik
14: zweite Auswerteelektronik
15: Kalibrierdatenspeicher
16: Flammenüberwachung
17: Regeleinheit
18: Ausgangswiderstand
19: Ersatzschaltbild einer Flamme
20: Analog/Digitalwandler
S1: erstes Messsystem
S2: zweites Messsystem
I1: erstes lonisationssignal
I2: zweites lonisationssignal

Claims

Verfahren zur Regelung einer Verbrennung in einem Heizgerät (1) mittels eines in einem Flammenbereich (2) des mit Verbrennungsluft und Brenngas betriebenen Heizgerätes (1) gemessenen Ionisationssignals (I2), welches aus einem von einer lonisationselektrode (7, 8) zu einer Gegenelektrode (9) durch den Flammenbereich (2) fließenden lonenstrom abgeleitet wird, wobei das Verhältnis (Lambda-Wert) von Verbrennungsluft zu Brenngas bei der Verbrennung in dem Heizgerät (1) anhand von Kalibrierdaten aus dem Ionisationssignal (I2) bestimmt und mittels Einstellung der Zufuhr an Brenngas und/oder der Zufuhr an Verbrennungsluft geregelt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
1.1 Ein Gebläse (5) zur Zufuhr von Verbrennungsluft wird auf eine vorgebbare Drehzahl gebracht,

1.2 Ein Brenngasventil (6) wird mittels einer vorgebbaren Kennlinie auf eine dieser Drehzahl zugeordnete Stellung gebracht,

1.3 In dieser Stellung wird das Brenngasventil (6) festgehalten,

1.4 Die Drehzahl wird um einen vorgebbaren Betrag reduziert,

1.5 Anschließend wird die Drehzahl kontinuierlich oder schrittweise erhöht und das jeweilige Ionisationssignal (I2) gemessen,

1.6 Dabei wird ein Minimum des Ionisationssignals (I2) festgestellt und mit der zugehörigen Gebläsedrehzahl gespeichert,

1.7 Die Gebläsedrehzahl wird weiter erhöht, bis ein vorgebbarer Schwellwert des lonisationssignals relativ zum Minimum erreicht wird,

1.8 Danach wird die Gebläsedrehzahl auf die zu dem Minimum gehörige Gebläsedrehzahl reduziert und dort für eine vorgebbare Zeitspanne (t) gehalten oder zur Regelung des Ionisationssignals (I2) auf den aktuellen konstanten Wert genutzt,

1.9 Nach Ablauf der Zeitspanne (t) werden die Schritte ab 1.4 wiederholt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei einer Abweichung der in Schritt 1.6 gespeicherten Gebläsedrehzahl von der in Schritt 1.1 eingestellten größer als ein vorgebbarer Abweichungswert eine entsprechende Korrektur der Einstellung des Brenngasventils vorgenommen und die Schritte 1.3 bis 1.7 so oft wiederholt werden, bis die Abweichung kleiner als der Abweichungswert ist, was dem Erreichen einer gewünschten Leistung des Heizgerätes (1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der vorgebbare Betrag in Schritt 1.4 so gering gewählt wird, dass ein Abstand des Lambda-Wertes zu einem Bereich, in dem eine unzulässige Menge oder Konzentration an Kohlenmonoxid erzeugt werden kann, eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren für unterschiedlichen Leistungen entsprechende Gebläsedrehzahlen und zugehörigen Einstellungen des Brenngasventils (6) in gleicher Weise durchgeführt wird, woraus sich eine immer wieder in Zeitabständen der Länge der Zeitspanne (t) aktualisierte Kalibrierung der Regelung ergibt, die alle Änderungen im System berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für Heizgeräte, die eine Regelung mittels eines ersten Messsystems (S1) mit einer ersten lonisationsmessung und eine separate von einer Überwachungs-Elektronik durchgeführte Flammenüberwachung mittels einer zweiten lonisationsmessung aufweisen, bei Ausfall der ersten lonisationsmessung oder der darauf basierenden Regelung auf ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 unter Nutzung einer vorhandenen Überwachungs-Elektronik umgeschaltet wird.
Heizgerät (1), aufweisend eine Luftzufuhr (3) und eine Brenngaszufuhr (4), die von einer ersten Regeleinheit (17) geregelt werden, und mit einem ersten Messsystem (S1), umfassend eine lonisationselektrode (8), eine Gegenelektrode (9), eine erste Wechselstromquelle (11) und eine erste Auswertelektronik (13) zur Ermittlung eines ersten Ionisationssignales (I1), das der Regeleinheit (17) zuführbar ist, wobei ein zweites Messsystem (S2) zur Messung eines zweiten Ionisationssignales (I2) vorhanden ist, welches zwischen einer zur Zündung einer Verbrennung vorhandenen Zündelektrode (7) und der Gegenelektrode (9) vom zweiten Messsystem (S2) erzeugbar ist und wobei das erste (S1) und das zweite (S2) System jeweils zur Bestimmung eines Lambda-Wertes eingerichtet sind.
Heizgerät (1) nach Anspruch 6, wobei eine Umschalteinheit (10) vorhanden ist, die bei Ausfall mindestens einer Komponente des ersten Messsystems (S1) auf eine Regelung mit dem zweiten Messsystem (S2) umschaltet.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Heizgerät nach einem der Ansprüche 6 oder 7 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.