EP3715716B1 - Verfahren zur einstellung und regelung eines brennstoff-luft-verhältnisses in einem heizsystem sowie eine steuereinheit und ein heizsystem - Google Patents

Verfahren zur einstellung und regelung eines brennstoff-luft-verhältnisses in einem heizsystem sowie eine steuereinheit und ein heizsystem Download PDF

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EP3715716B1
EP3715716B1 EP20162188.5A EP20162188A EP3715716B1 EP 3715716 B1 EP3715716 B1 EP 3715716B1 EP 20162188 A EP20162188 A EP 20162188A EP 3715716 B1 EP3715716 B1 EP 3715716B1
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EP
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parameter
peak
heating system
fuel
combustion
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Danny Leerkes
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch 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
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/26—Measuring humidity
    • F23N2225/30—Measuring humidity measuring lambda

Definitions

  • the invention relates to a method for setting and controlling a fuel/air ratio in a heating system.
  • the invention also relates to a control unit that is designed to carry out the method according to the invention and a heating system with the control unit according to the invention.
  • the gas burner is controlled on the basis of a combustion parameter measured by sensors, in which this combustion parameter is adjusted to a target combustion parameter.
  • the correct functioning of the sensors used to determine the combustion parameter must be guaranteed.
  • Gas burners are known from the prior art, which carry out methods for calibrating the corresponding sensors.
  • the target combustion parameter is adapted to changing internal and/or external conditions.
  • the gas burner is largely run over its entire power range. This has the disadvantage that more pollutants can be emitted during such a calibration. The duration of such a calibration is in the range from several seconds to minutes. This has the additional disadvantage that the gas burner is not available for normal operation during this time.
  • the EP 3 290 798 A1 shows and describes a method for setting and controlling a fuel-air ratio, in which a combustion parameter is evaluated.
  • the target combustion parameter can be determined during ongoing, regular operation of the heating system.
  • the method represents only a short-term intervention in the control of the heating system, in which only small fluid supply changes are made compared to possible total fluid supply changes during operation of the heating system.
  • the heating system is always operated with a planned, optimized fuel-air ratio.
  • the fuel-air ratio is also referred to as the lambda value.
  • the intended performance of the heating system is generated with minimal pollutant emissions.
  • the fluid supply change is selected so that the change over time from the combustion parameter has at least a double peak structure, the existing combustion conditions detected particularly reliably. This enables a particularly precise determination of the target combustion parameter.
  • the quality of the previously used target combustion parameter can be taken into account. If the oxygen concentration deviates from a desired value, this is an indication that the previously used target combustion parameter was not set correctly. This can be taken into account when setting and controlling the fuel/air ratio, in particular by adjusting the new target combustion parameter.
  • Heating system is to be understood as meaning at least one device for generating thermal energy, in particular a heater or heating burner, in particular for use in heating a building and/or for generating hot water, preferably by burning a gaseous or liquid fuel.
  • a heating system can also consist of several such devices for generating thermal energy as well as other devices that support the heating operation, such as hot water and fuel storage tanks.
  • a "fluid supply parameter" is to be understood in particular as a scalar parameter which is correlated in particular with at least one fluid supplied, in particular to a burner unit of the heating system, in particular a combustion air flow, a fuel flow and/or a mixture flow, in particular of combustion air and a fuel .
  • a volume flow and/or a mass flow of the at least one fluid can advantageously be inferred, in particular by a control and/or regulating unit of the heating system, at least on the basis of the fluid supply parameter, and/or the volume flow and/or the mass flow of the at least one fluid can be determined.
  • An example of a fluid supply parameter is the specification of an opening width of a fuel valve.
  • a “temporary, temporal fluid supply change” is to be understood as meaning a time-restricted variation of the fluid supply parameter, so that it deviates from the value of the fluid supply parameter before the start of the fluid supply change.
  • the fluid supply parameter is preferably increased or decreased over the period of the fluid supply change.
  • the fluid supply parameter is first increased monotonically and then decreased monotonically, or first monotonically reduced and then monotonically enlarged.
  • the duration of the fluid supply change is preferably pulse-like and/or short compared to the temporal variations in the fluid supply parameter provided in normal operation of the heating system, for example when there is a change in heating output.
  • a “pulse”, a “pulse-like change” or a “pulse-shaped signal” is understood to mean a time profile of a parameter which is brought from a first value to at least a second value different from the first value within a limited period of time.
  • a “pulse” is also sometimes referred to as a "pulse”, particularly in electrical engineering.
  • combustion parameter is to be understood in particular as a scalar parameter which is correlated in particular with the combustion, in particular with the mixture, in particular of the combustion air and the fuel.
  • An example of a combustion parameter is an ionization current, which is measured on a flame of the heating system.
  • the presence and/or quality of combustion can be determined and/or the presence and/or quality of combustion can be determined, in particular by the control and/or regulating unit of the heating system, at least based on the combustion parameter.
  • a measure of the quality of the combustion can be clearly assigned on the basis of the combustion parameter at least in partial intervals and at least in certain operating states of the heating system.
  • An example of a measure of the quality of combustion is the fuel-to-air ratio.
  • the combustion parameter advantageously corresponds to at least one or exactly one measured value that maps and/or characterizes the combustion, such as a combustion signal, in particular a light intensity, pollutant emissions, a temperature and/or advantageously an ionization signal, or the combustion parameter can be clearly assigned to such a measured value .
  • Double peak structure is understood to mean a time profile of the combustion parameter in a period of time that is correlated with the change in the fluid supply parameter over time, which has at least two maxima, possibly with largely the same amplitude.
  • the first two maxima of the double peak structure are called “first peak” and “second peak” designate the minimum therebetween as “first trough”.
  • Determining a first peak and a second peak of the change over time in the combustion parameter correlated with the change in fluid supply over time is to be understood as a method step in which a first peak and second peak of a change over time in the combustion parameter correlated with the change in fluid supply over time are measured or is detected. Methods of data processing or data evaluation can also be provided. Depending on the result or value of the first peak and/or second peak, different subsequent steps can optionally be selected in the further course of the method, if this is necessary and/or desired.
  • “Burner power parameter”, a “first burner power parameter” or a “second burner power parameter” is to be understood in particular as a parameter which is correlated with the power, in particular a heating power, of the heating system.
  • the output, in particular heating output, of the heating system can advantageously be determined, in particular by the control and/or regulating unit of the heating system, at least on the basis of the burner output parameter.
  • the burner output parameter corresponds to at least one or exactly one measured value representing the output or can be unambiguously assigned to such a measured value.
  • a measured value can be, for example, a temperature, an air flow rate, a fan control signal or a fan speed or can be derived from these measured parameters.
  • the first burner output parameter preferably depends on a different measured value representing the output than the second burner output parameter or the first burner output parameter is determined using a different method than the second burner output parameter.
  • Determining a first burner output parameter should be understood to mean a method step in which a variable directly or indirectly correlated with an output is measured or established. Methods of data processing or data evaluation can also be provided. Depending on the result or value of the first burner output parameter, different subsequent steps can optionally be selected in the further course of the method, if this is necessary and/or desired.
  • “Set combustion parameter” is to be understood in particular as a scalar parameter that describes the desired size of the combustion parameter. If the combustion parameter assumes the value of the setpoint combustion parameter, the combustion has the intended properties, in particular with regard to pollutant emissions. “Regulating the heating system on the basis of the setpoint combustion parameter” means operation of the heating system in which the operating parameters are set in such a way that the combustion parameter largely assumes the value of the setpoint combustion parameter. For example, a fuel supply and/or a combustion air supply can be set with a controller in such a way that the combustion parameter assumes the value of the desired combustion parameter or at least largely assumes it.
  • Determining a target combustion parameter is to be understood as a method step in which the target combustion parameter is determined or ascertained as a function of the signal maximum, the first burner output parameter and optionally other parameters, in particular operating parameters of the heating system.
  • methods of data processing or data evaluation can also be provided, in particular using a computing unit.
  • “Regulation of the heating system” means the one-off or repeated, in particular periodic, adjustment of operating parameters of the heating system so that the heating system can always fully meet the specified and/or required performance, in particular under changing internal and external conditions, in particular in Wear processes and changing boundary and environmental conditions. “Operating parameters” are to be understood as meaning parameters that are used by the controller of the heating system to control and monitor processes running in the heating system. Examples of “operating parameters” are the fan speed or the fan speed characteristic, a flame ionization characteristic or an opening width of a fuel control valve.
  • the heating system is calibrated when the determined oxygen concentration exceeds a stored critical maximum value or falls below a stored critical minimum value, this has the advantage that particularly safe and clean operation of the heating system is possible. Too high or too low an oxygen concentration is an indication that a previous setting of the target combustion parameter was incorrect, such that the heating system was not operating at the desired fuel/air ratio (rather than with a fuel/air mixture that was too lean with a too high oxygen concentration or with a fuel-air mixture that is too rich and the oxygen concentration is too low).
  • a calibration of the heating system is to be understood in particular as a special operating state which interrupts the regular operation of the heating system and in which the operating parameters—for example combustion parameters, target combustion parameters or characteristics—of the heating system are reset.
  • the operating parameters for example combustion parameters, target combustion parameters or characteristics—of the heating system are reset.
  • different outputs or heating outputs can be run through during calibration.
  • maintenance steps are also carried out during the calibration, such as, in particular, automated cleaning of an ionization probe.
  • calibrating the heating system means that the heating system is shut down or operated in a restricted mode - which is intended to protect the heating system, for example by limiting the heating output - and a calibration and/or inspection is requested, for example by sending a corresponding request to the user of the heating system.
  • a signal maximum is determined from the first peak and the second peak and taken into account when determining the target combustion parameter, this has the advantage that a particularly accurate and reliable determination of the target combustion parameter is possible. If, for example, the signal maximum is determined as the mean value from the first peak and the second peak, temperature-dependent effects on a measuring device for the combustion parameter can be taken into account in this way, for example a temperature-dependent conductivity of an oxidation layer on an ionization probe.
  • a “signal maximum” is to be understood as meaning the maximum amplitude of the combustion parameter in a period of time correlated with the change in the fluid supply parameter over time.
  • a signal maximum can in particular be the maximum amplitude of a pulse of the combustion parameter. If the change in the combustion parameter over time has a double-peak structure, this is an indication that the signal maximum corresponds to the maximum combustion parameter.
  • a “combustion parameter maximum” should be understood to mean a maximum possible value of the combustion parameter in at least certain operating states of the heating system with a constant burner output parameter.
  • the maximum combustion parameter can be clearly assigned to a well-defined value of the fuel/air ratio.
  • a combustion parameter maximum is a maximum possible value of the combustion parameter given a constant burner output parameter.
  • a correction value for correcting the signal maximum is taken into account, which depends on the first burner power parameter and optionally a second burner power parameter.
  • the setpoint combustion parameter is determined by forming a product of the signal maximum with a calibration factor, then a particularly simple and reliable method for determining the setpoint combustion parameter is implemented. In addition, in this way all relevant influences on the combustion are automatically taken into account when selecting the target combustion parameter, which have an influence on the maximum combustion parameter. This saves the need for additional sensors to take these influences into account.
  • Advantageously Calibration factor has a value between 0 and 1, preferably between 0.5 and 0.9, particularly preferably between 0.6 and 0.8, in particular 0.7.
  • the calibration factor is determined as a function of the first burner output parameter and/or of the or a second burner output parameter, a power dependency of the setpoint combustion parameter on the signal maximum can be taken into account.
  • the fluid supply change over time largely has the shape of a ramp and/or largely a triangular shape, it can be ensured in a particularly reliable manner that the change in the combustion parameter over time has a double-peak structure.
  • “largely in the form of a ramp” is to be understood as meaning a time course of the fluid supply parameter in which the fluid supply parameter initially has a normal value. The fluid supply parameter is then increased linearly. When a maximum delivery value is reached, the fluid delivery parameter is quickly reduced to the normal value, in particular as quickly as possible. For a "broad triangle shape," the fluid delivery characteristic is linearly increased as with the ramp shape. If the maximum delivery value is reached, the fluid delivery parameter is reduced linearly until the normal value is reached. In this case, the linear increase in the fluid supply parameter can take place at a speed that is largely the same as or different from the linear decrease in the fluid supply parameter.
  • the fluid supply parameter has the value provided for in regular operation.
  • the fluid supply parameter corresponds to a control signal for metering a fuel and/or the combustion air and/or a mixture of a fuel and combustion air
  • the combustion parameter is determined by measuring the ionization current on a flame of the heating system, this is particularly advantageous since there is a functional relationship between the ionization current on a flame and the fuel-air ratio, which can be evaluated particularly favorably.
  • the ionization current has a maximum combustion parameter which is at a fuel/air ratio of 1.
  • the first burner output parameter is determined from a first time difference between the generation of the change in fluid supply and the determination of the change in the combustion parameter over time that correlates with the change in fluid supply.
  • the first time difference is a measure of a running time or a transport speed of a combustion air and/or a mixture of a fuel and combustion air.
  • the first burner power parameter is determined from the double peak structure, in particular from a second time difference between the first peak and the first sink and/or from a third time difference between the first peak and the second peak, this has the advantage that a reliable estimate of a current burner power is possible.
  • the second time difference and the third time difference are shorter than the first time difference.
  • the second burner output parameter is or depends on a fan speed.
  • the fan speed can be determined easily and reliably and provides a good estimate of a burner output.
  • a second burner output parameter determined in this way allows the first burner output parameter to be checked if it was determined using a different method, for example via a transit time measurement or an analysis of the double peak structure.
  • the change in fluid supply is selected as a function of the first and/or the or a second burner performance parameter, this enables the precise adjustment of the required change in the fluid supply parameter, so that the combustion parameter can assume the maximum combustion parameter at least twice or has a double-peak structure. In this way, the required fluid supply change be minimized so that a quantity of fluid, in particular fuel, is saved and the emissions are reduced.
  • control unit for a heating system, having a data memory, a computing unit and a communication interface, components of the heating system (46) being controllable via the communication interface (52), the control unit being set up to use the method according to the invention for controlling and regulating a fuel -Air ratio in a heating system has the advantage that by operating the heating system with the correct setting of the fuel-air ratio, the durability of the heating system is increased, malfunctions are avoided and safety is increased.
  • a heating system with a control unit according to the invention with a metering device for a fuel and/or for combustion air and/or for a mixture of a fuel and combustion air, and with an ionization probe on a flame and with a fan with a variable fan speed has the advantage that in Incorrect setting of the fuel-air ratio is largely prevented during operation of the heating system. In this way, unforeseen heavy loads on the heating system, for example due to burner temperatures that are too high and/or fan speeds that are too high and/or soot emissions that are too high and/or excessive vibrations, are avoided. This enables the heating system to be manufactured at low cost. In addition, fuel consumption is reduced in this way and the service life of the heating system is increased or the time interval between the required inspection intervals is reduced.
  • the heating system has at least one dosing device for a fuel and/or for combustion air and/or for a mixture of a fuel and combustion air, it is particularly easy to generate a change in a fluid supply parameter over time.
  • a “metering device” is to be understood in particular as an in particular electrical and/or electronic unit, in particular an actuator unit, advantageously a setting unit, which is provided for the at least one fluid, in particular the combustion air flow, the fuel flow and/or the mixture flow, in particular from the combustion air and the fuel.
  • the at least one metering device is provided for a volume flow and/or a Adjust mass flow, in particular the combustion air and / or the fuel to regulate and / or promote.
  • the metering device for combustion air can advantageously be designed as a fan, in particular with a variable speed, and/or preferably as a blower, in particular with a variable speed.
  • the metering device for fuel can advantageously be designed as a fuel pump, in particular with a variable throughput, and/or preferably as a fuel valve, in particular with a variable throughput.
  • the metering device for combustion air and/or the metering device for fuel are provided to modulate a heating output of the heater device.
  • the heating system has an ionization probe on the flame of the heating device, a particularly inexpensive and reliable sensor for measuring a combustion parameter is implemented.
  • Ionization detectors are commonly used in heaters for flame detection.
  • the heating system has a fan with a variable fan speed, a simple and robust means for setting and determining the output of the heater can be implemented in this way.
  • a heating device 10 is shown schematically as an example, which is arranged on a memory 12 in the exemplary embodiment.
  • the heater 10 has a housing 14 which accommodates different components depending on the degree of equipment.
  • the essential components are a heat cell 16, a control unit 18, one or more pumps 20 and piping 22, cables or bus lines 24 and holding means 26 in the heater 10.
  • the number and complexity of the individual components also depends on the equipment level of the heater 10.
  • the heat cell 16 has a burner 28, a heat exchanger 30, a blower 32, a metering device 34 and an air supply system 36, an exhaust system 38 and, when the heat cell 16 is in operation, a flame 40.
  • An ionization probe 42 projects into the flame 40 .
  • the dosing device 34 is designed as a fuel valve 44 .
  • a fan speed 96 of the fan 32 can be variably adjusted.
  • the heater 10 and the memory 12 together form a heating system 46.
  • the control unit 18 has a data memory 48, a computing unit 50 and a communication interface 52. The components of the heating system 46 can be controlled via the communication interface 52 .
  • the communication interface 52 allows data to be exchanged with external devices. External devices are, for example, control devices, thermostats and/or devices with computer functionality, for example smartphones.
  • FIG 1 shows a heating system 46 with a control unit 18.
  • the control unit 18 is located outside the housing 14 of the heater 10.
  • the external control unit 18 is designed as a room controller for the heating system 46 in special variants.
  • the control unit 18 is mobile.
  • the external control unit 18 has a communication link to the heater 10 and/or other components of the heating system 46 .
  • the communication connection can be wired and/or wireless, preferably a radio connection, particularly preferably via WLAN, Z-Wave, Bluetooth and/or ZigBee.
  • the control unit 18 can consist of a plurality of components, in particular those which are not physically connected components.
  • At least one or more components of the control unit 18 can be present partially or entirely in the form of software that runs on internal or external devices, in particular on mobile computing units, such as smartphones and tablets, or servers, in particular a cloud.
  • the communication connections are then appropriate software interfaces.
  • a fluid supply change 60 over time in a fluid supply parameter 62 is generated in a step 58 .
  • the fluid supply parameter 62 is an intended opening width 64 of the metering device 34 (see FIG figure 3 ).
  • the opening width 64 is an example of a percentage, with an opening width 64 of 0% corresponding to a completely closed fuel valve 44 and an opening width 64 of 100% describing a completely open fuel valve 44 .
  • a relationship between the opening width 64 and a control signal required for this is preferably stored in the control unit 18 .
  • the intended opening width 64 is implemented by the control unit 18 selecting the control signal and transmitting this control signal to the fuel valve 44 .
  • the opening width 64 describes a request that is transmitted to the fuel valve 44 .
  • the fluid delivery change 60 is in figure 3 pictured.
  • the first abscissa axis 66 represents a time.
  • the fluid supply parameter 62 and an ionization current 86 are represented on the first ordinate axis 68 .
  • the fluid delivery change 60 preferably occurs in a largely ramped pulse.
  • the control signal 64 has a largely constant normal value 70.
  • the control signal 64 is linearly increased, for example, with a largely constant gradient.
  • the control signal 64 is reduced to the normal value 70 as quickly as possible.
  • one inside figure 3 pulse height 76 shown is, for example, 30%.
  • the pulse width 78 shown is, for example, 1 s.
  • the change in fluid supply 60 is selected in step 58 as a function of a second burner output parameter 95 .
  • the second burner output parameter 95 is derived from the fan speed 96 determined (see figure 2 ).
  • Fan speed 96 is preferably a parameter determined by control unit 18, which determines a fan control signal.
  • the blower control signal is sent by control unit 18 to blower 32 and determines a speed of blower 32.
  • a blower speed characteristic curve for example, is stored in control unit 18, which assigns a blower speed 96 to a corresponding second burner output parameter 95.
  • the pulse level 76 is selected as a function of the fan speed 96 in the exemplary embodiment.
  • the pulse height 76 preferably increases linearly with the fan speed 96 .
  • the pulse level 76 is selected as a function of the normal value 70 in the exemplary embodiment. Between a minimum fan speed and a maximum fan speed, the pulse height 76 assumes values in a preferred interval between 5% and 90%. During regular operation of the heating system 46, the pulse height 76 preferably assumes values between 20% and 60%, particularly preferably between 35% and 45%.
  • the pulse width 78 is selected as a function of the fan speed 96 in the exemplary embodiment. The pulse width 78 preferably increases linearly with the fan speed 96 . Between a minimum fan speed and a maximum fan speed, the pulse width 78 assumes values in an interval between 10 ms and 5000 ms, for example. During regular operation of the heating system 46, the pulse width 78 preferably assumes values between 50 ms and 2000 ms, particularly preferably between 250 ms and 1000 ms.
  • a first peak 88 and a second peak 92 as well as a signal maximum 82 of a temporal change of a combustion parameter 84 correlated with the temporal fluid supply change 60 are determined.
  • the combustion parameter 84 is the ionization current 86 (see figure 3 ).
  • the ionization current 86 is determined, for example, by the ionization probe 42 on the flame 40 and transmitted to the control unit 18 .
  • the time course of the ionization current 86 has the first peak 88, a first trough 90 and the second peak 92.
  • FIG. These two local maxima represent a double peak structure 94.
  • the reason for the double peak structure 94 is the design of the fluid delivery change 60 and a relationship between the ionization current 86 and the fuel to air ratio 56.
  • the fuel to air ratio 56 is calculated from an amount of air divided by an amount of fuel in a mixture of the fuel and of the combustion air, which is supplied to the burner 28.
  • figure 4 illustrates the Relationship between the ionization current 86 and the fuel/air ratio 56 at a constant fan speed 96.
  • the ionization current 86 is plotted on the first ordinate axis 68.
  • the fuel/air ratio 56 is shown on a second abscissa axis 97 .
  • the profile of the ionization current 86 has a combustion parameter maximum 98 at a fuel/air ratio 56 of 1.
  • the heating system 46 is preferably operated with excess air, ie with a fuel/air ratio 56 greater than 1.
  • the heating system 46 is particularly preferably operated with a fuel/air ratio 56 between 1.2 and 1.4, preferably 1.3.
  • the method 54 ensures that the heating system 46 is operated with a predetermined fuel-air ratio 56 .
  • the fuel/air ratio 56 is briefly reduced. If the fuel/air ratio 56 is greater than 1, the fuel/air ratio 56 is reduced to a value less than 1 by increasing the fluid delivery parameter 62 to the maximum delivery value 74 . Subsequent lowering of the fluid delivery parameter 62 to the normal value 70 causes the fuel/air ratio 56 to increase to the original value greater than 1. In this way, as a result of the fluid delivery change 60, the fuel/air ratio 56 assumes the value 1 twice.
  • the ionization current 86 assumes the combustion characteristic maximum 98 twice.
  • the ionization current 88 has in figure 3 two local maxima 88, 92, which the double peak structure 94 represents.
  • the first peak 88 and the second peak 92 have a different ionization current value.
  • the at least two local maxima of the double peak structure 94 can be the same or have different sizes or have different ionization current values.
  • One reason for different values of the maxima of the double peak structure 94 is the dependence of the combustion characteristic maximum 98 on operating parameters and/or other, internal and/or external parameters, which can change in the time span between the occurrence of the first peak 88 and the second peak 92. Examples of operating parameters are in particular a flame temperature, fuel quality or fuel calorific value.
  • additional, internal and/or external parameters are a flame height or flame geometry, in particular a contact surface between the flame 40 and the ionization probe 42, air pressure, or outside temperature.
  • a flame height or flame geometry in particular a contact surface between the flame 40 and the ionization probe 42, air pressure, or outside temperature.
  • some of these operating parameters or other parameters can also be changed directly or indirectly by changing the fluid supply 60, for example the flame geometry.
  • Hysteresis means that the ionization current is dependent on a previous history, i.e. that a current value of the ionization current 86 not only depends on a current value of the fuel-air ratio 56, but also on a previous time profile of the value the fuel/air ratio 56. This is due, for example, to temperature-dependent interaction processes between the ionization probe 42 and the flame 40. An important influencing factor for the strength of this hysteresis is the oxygen concentration 103 present.
  • An oxidation layer can be present on the ionization probe 42, which has a temperature-dependent ohmic resistance.
  • the combustion parameter maximum 98 is assumed twice, with a different ionization current value in each case.
  • the double peak structure 94 is evaluated in the exemplary embodiment.
  • the control unit 18 checks whether the ionization current 86 detected and stored by the ionization probe 42 is stronger than a signal noise above an ionization current normal value 100 (see FIG figure 3 ) increases.
  • the ionization current normal value 100 is determined by determining the average ionization current 86 measured over the duration of the pulse width 78 .
  • the control unit 18 checks whether the stored time profile of the change in the combustion parameter 84 as a result of the change in fluid supply 60 has at least two local maxima which stand out significantly from the signal noise.
  • the value of the ionization current 86 of the two maxima that occur first is recorded as the first peak 88 and second peak 92, respectively.
  • the signal maximum 82 results from the arithmetic mean of the first peak 88 and second peak 92.
  • the signal maximum 82 can correspond to the first peak 88 and/or the second peak 92 and/or the smaller or larger maximum of the double peak structure 94. To this way, a characteristic or technical particularities of a device provided for detecting the combustion parameter 84 can be taken into account.
  • the signal maximum 82 using a function or rule from the first peak 88 and / or the second peak 90 and / or other characteristic points of the double peak structure 94, for example the first sink 90, and / or points with the Temporal fluid supply change 60 correlated temporal change in the combustion parameter 84 is determined.
  • the signal maximum 82 can be determined from a weighted arithmetic mean of the first peak 88 and the second peak 92 .
  • the occurrence of a double-peak structure 94 or the reduction of the fuel-air ratio 56 to a value less than 1 is ensured by selecting a sufficiently large fluid supply change 60 for every second burner output parameter 95 through laboratory tests, so that as a result of this fluid supply change 60 in the fuel-air ratio 56 is always reduced below 1 in all operating states and under largely all environmental conditions, in particular when the fuel-air ratio 56 is greater than 1, in particular when the fuel-air ratio 56 is greater than 1.3.
  • the relationships between the required pulse height 76 and the required pulse width 78 are stored in the control unit 18 as a function of the fan speed 96 .
  • the change in fluid supply 60 is selected in alternative embodiments as a function of at least one operating parameter and/or a measured value, in particular of a parameter describing the performance of the heating system 46 .
  • the relationships between the required fluid supply change 60 are stored in the control unit 18 as a function of the at least one operating parameter and/or measured value.
  • the determination time has the length of a previously defined time threshold stored in the control unit 18 .
  • the determination time begins with the fluid supply change 60 or with the first point in time 72. In alternative embodiments, the determination time begins with the end of the Fluid supply change 60 or at the end of a time delay after the fluid supply change 60.
  • the size of the determination time is previously determined in laboratory tests and takes into account a flow time of the fluid from the metering device 34 to the burner 28. It is conceivable that the determination time depends on the performance of the Heating system 46 descriptive parameter is determined or selected.
  • the heating system 46 is controlled with the aid of a flame ionization characteristic 124 (see explanations below and figure 7 ). It is conceivable that in variants of the method 54 the fluid supply change 60 is increased in the next iteration step if no signal maximum 82 or no double peak structure 94 could be determined.
  • a step 101 the oxygen concentration 103 is determined. For this purpose, for example, the quotient of the value of the first peak 88 and the value of the second peak 92 is calculated. The oxygen concentration 103 is then assigned to the determined quotient. In the exemplary embodiment, a linear function is stored for this purpose in the control unit 18, which assigns the associated oxygen concentration 103 to the quotient.
  • a table is stored in the control unit 18, in which pairs of values from quotients and the associated oxygen concentration are stored. If a determined quotient is not stored in the table, the associated oxygen concentration can be interpolated from the two closest pairs of values stored in the table, in particular linearly interpolated.
  • a table stored in the control unit with pairs of values from quotients and oxygen concentrations has the advantage that, in this way, in particular non-linear relationships between the quotient and the oxygen concentration can be taken into account.
  • figure 5 10 illustrates an example of a relationship between the quotient and the oxygen concentration 103.
  • the quotient is plotted on the second ordinate axis 105.
  • the oxygen concentration 103 is plotted on the third abscissa 107 .
  • the inside figure 5 The course of the relationship between the quotient and the oxygen concentration 103 shown is largely linear.
  • three pairs of values 109 from quotient and oxygen concentration 103 are shown as an example.
  • a first pair of values 109a shows a quotient of 0.95 and an oxygen concentration 103a of 2.7%.
  • a second pair of values 109b shows a
  • a third pair of values 109c shows a quotient of 0.68 and an oxygen concentration 103c of 6.2%.
  • a first burner performance parameter 104 is determined.
  • the control unit 18 determines, for example, a second point in time 106 at which the ionization current 86 assumes the first peak 88 (see FIG figure 3 ).
  • the control unit 18 preferably stores a time profile of the ionization current 86.
  • a first time difference 108 between the first point in time 72 and the second point in time 106 is advantageously determined.
  • First time difference 108 determined in this way describes in particular a time interval between the generation of fluid supply change 60 and the determination of the resulting change over time in the combustion parameter.
  • the first time difference 108 is a measure of a flow rate of a fuel-air mixture flowing to the combustor 28 . Due to the known and largely constant dimensions of the tubing 22 transporting the fuel-air mixture, the first time difference 108 is a measure of a volumetric flow of the fuel-air mixture.
  • the first time difference 108 is thus a parameter that describes the power of the heating system 46 .
  • a time burner output function 110 is stored in the control unit 18 and assigns the first burner output parameter 104 to the first time difference 108 .
  • the time/burner output function 110 is a rational functional specification, which the control unit 18 uses to calculate the first burner output parameter 104 from the first time difference 108 .
  • the time burner power function 110 is determined through laboratory testing.
  • the time burner output function 110 is selected such that the values of the first burner output parameter 104 are in the value range of the second burner parameter 95 and correspond to one another. In this way, the first burner output parameter 104 and the second burner output parameter 95 can be compared with one another; in particular, one of the burner output parameters can be used to control or check the other burner output parameter.
  • figure 6 shows the time-burner power function 110.
  • a fourth abscissa axis 112 represents the first burner power parameter 104.
  • the first time difference 108 is shown on a third ordinate axis 114. The smaller the first time difference 108, the larger the first burner power parameter 104 is.
  • the time burner power function 110 is stored in the control unit 18 as a table of values.
  • a range of values for the first time difference 108 is divided at least into intervals and the table of values assigns a first burner output parameter 104 to each of these intervals.
  • the range of values for the first time difference 108 advantageously has values for the first time differences 108 which represent an at least largely complete power range of the heating system 46 .
  • the first time difference 108 is determined between the first point in time 72 and a third point in time 118 at which the ionization current 86 assumes the first sink 90, or between the first point in time 72 and a fourth point in time 120 at which the ionization current 86 den second peak 92, or the first point in time 72 and a point in time at which it is determined for the first time that the ionization current 86 deviates from the normal ionization current value 100 by more than a signal noise. It is also conceivable that the generation of the fluid supply change 60 is described with a point in time at which the fluid supply parameter 62 reaches the maximum supply value 74 or resumes the normal value 70 .
  • a target combustion parameter 130 is determined based on the oxygen concentration 103 and on the first burner output parameter 104 (see FIG figure 2 ).
  • the signal maximum 82 determined from the double peak structure 94 in step 80 is first corrected for this purpose.
  • a correction value 122 is determined from first burner output parameter 104 in conjunction with second burner output parameter 95 .
  • figure 7 shows the flame ionization characteristic 124 stored in the control unit 18. The flame ionization characteristic 124 describes the relationship between the second burner performance parameter 95 and the ionization current 86 for a specified fuel-air ratio 56.
  • a fifth abscissa axis 126 shows the second burner performance parameter 95 and the first burner performance parameter 104
  • the ionization current 86 is shown on the first ordinate axis 68 .
  • figure 7 shows a characteristic flame ionization curve 124 for a fuel-air ratio 56 of 1.
  • the characteristic flame ionization curve 124 is determined empirically and is stored in the control unit 18 .
  • a plurality of flame ionization characteristics 124 for different fuel/air ratios 56 are stored in the control unit 18 .
  • the flame ionization characteristics are 124 rational functional rules.
  • the flame ionization characteristics 124 are updated by the method 54 if necessary (see step 134).
  • a power difference 128 between the second burner power parameter 95 and the first burner power parameter 104 is determined.
  • the control unit 18 assigns the correction value 122 to the power difference 128 .
  • a difference in the ionization current 86 which represents the correction value 122
  • a first ionization value can be assigned to the current second burner performance parameter 95 using the flame ionization characteristic curve 124 for a fuel/air ratio 56 from FIG.
  • the correction value 122 is determined from the difference between the first ionization value and the second ionization value.
  • the signal maximum 82 is corrected by adding the correction value 122 to its value.
  • the correction value 122 and/or the power difference can each assume positive or negative values or the value zero. An advantage of the correction value 122 is discussed below.
  • target combustion parameter 130 is determined as the product of corrected signal maximum 84, a calibration factor 132 and a compensation factor.
  • the calibration factor 132 is a value between 0 and 1 stored in the control unit 18. In the exemplary embodiment, the calibration factor 132 is 0.75. In alternative variants, the calibration factor 132 assumes values between 0.6 and 0.9. In the exemplary embodiment, the calibration factor 132 is an empirically determined constant.
  • Target combustion parameter 130 is stored in data memory 48 of control unit 18 .
  • the compensation factor depends on the value of the oxygen concentration 103 determined in step 101 .
  • a rational function is advantageously stored in the control unit 18, which assigns the compensation factor to the oxygen concentration 103.
  • the compensation factor advantageously has a value which is between 0.6 and 1.4, preferably 0.8 and 1.2, particularly preferably between 0.9 and 1.1.
  • the compensation factor advantageously increases steadily with the oxygen concentration 103 .
  • the compensation factor preferably has the value 1 or a value close to 1 if the oxygen concentration 103 is in a desired range. If the oxygen concentration 103 is below a desired range, the compensation factor preferably has a value less than 1. Because if the oxygen concentration 103 is too low, this indicates that the value of the fuel/air ratio 86 is too low.
  • a compensation factor of less than 1 is preferably selected in order to correct the new target combustion parameter 130 downwards. Accordingly, the compensation factor preferably has a value greater than 1 when the oxygen concentration 103 is above a desired range.
  • FIG 8 a connection between the oxygen concentration 103 and the compensation factor is shown as an example.
  • the compensation factor is plotted on the fourth ordinate axis 131 .
  • the oxygen concentration 103 is plotted on the third abscissa axis 107 . from the im figure 8
  • the compensation factor is preferably assigned to the determined oxygen concentration 103 according to the functional relationship applied.
  • Three pairs of values 133 from the compensation factor and oxygen concentration 103 of the functional relationship are shown as an example.
  • a first pair of values 133a shows a compensation factor of 0.82 and an oxygen concentration 103d of 2.0%.
  • a second pair of values 133b shows a compensation factor of 1.00 and an oxygen concentration 103e of 4.21%.
  • a third pair of values 133c shows a compensation factor of 1.30 and an oxygen concentration 103f of 6.4%.
  • the second pair of values 133b represents a preferred oxygen concentration 103e for which no compensation or correction is necessary, which is why the compensation factor has the value 1.0.
  • Oxygen concentrations 103 below the preferred oxygen concentration 103e, such as 103d, are assigned a compensation factor less than one.
  • Oxygen concentrations 103 above the preferred oxygen concentration 103e, such as 103c, are assigned a compensation factor greater than one.
  • a functional relationship between the oxygen concentration and the compensation factor is preferred, such as in figure 8 mapped, depending on the first burner performance parameter 104 and / or second burner performance parameter 95 and / or another parameter, which the Output of the heater characterized, deposited or saved.
  • This relationship can be in the form of a rational function and/or a table of values, in which case values between the entries in the table of values are preferably interpolated, for example linearly interpolated.
  • the critical maximum value and/or the critical minimum value are stored in the control unit 18, preferably in the data memory 48.
  • the critical maximum value of the oxygen concentration 103c is between 4% and 9%, preferably between 5% and 8%, particularly preferably between 6% and 7%.
  • the critical minimum value of the oxygen concentration 103 is between 1% and 6%, preferably between 2% and 5%, particularly preferably between 3% and 4%.
  • the stored critical minimum value is smaller than the stored critical maximum value.
  • the heating system is preferably calibrated.
  • the method 54 can be interrupted or aborted in order to carry out the calibration.
  • heating system 46 is regulated on the basis of setpoint combustion parameter 130 ascertained in step 116 .
  • the heating system 46 is regulated using the flame ionization characteristic 124 stored in the control unit 18 .
  • a flame ionization characteristic 124 for a fuel/air ratio 56 of 1.3 is used. If necessary, the flame ionization characteristic 124 for a fuel/air ratio of 56 1.3 is updated by the setpoint combustion characteristic 130 determined in step 116 .
  • a value of the ionization current 86 is assigned to the current blower speed 96 using the flame ionization characteristic curve 124 for a fuel-air ratio 56 of 1.3 and compared with the target combustion parameter 130 ascertained in step 116 .
  • the flame ionization characteristic 124 is updated by the associated rational Functional specification is changed.
  • this rational functional rule is changed in such a way that the updated values of the ionization current 86 assigned to the second burner performance parameter 95 are multiplied by a correction factor.
  • the correction factor equals the desired combustion characteristic 130 divided by the corresponding value of the ionization current 86 before the update.
  • setpoint combustion parameter 130 from flame ionization characteristic 124 is used for a fuel-air ratio 56 of 1.3. If desired fuel/air ratio 56 changes and there is no setpoint combustion parameter 130 determined in step 116 for this changed operating parameter, setpoint combustion parameter 130 from flame ionization characteristic 124 stored in control unit 18 is used for corresponding fuel/air ratio 56 . In alternative specific embodiments, setpoint combustion parameter 130 determined last in step 116 is used for controlling heating system 46, independently of second burner output parameter 95 and/or operating parameters that are currently present.
  • heating system 46 is controlled on the basis of a target combustion parameter 130, which is determined as a function of second burner output parameter 95 and the appropriate flame ionization characteristic 124 if a target combustion parameter 130 cannot be determined in step 116, for example because no signal maximum 82 can be determined in step 80 .
  • step 134 in the exemplary embodiment, normal value 70 of control signal 64 is selected by control unit 18 or transmitted to fuel valve 44 in such a way that ionization current 86 assumes the value of setpoint combustion parameter 130 .
  • a closed control loop is used in the exemplary embodiment, with the ionization current 86 being a controlled variable, the control signal 64 being a manipulated variable and the target combustion parameter 130 being a reference variable.
  • the method 54 is repeated in the exemplary embodiment.
  • a time interval between the iterations of the method 54 will depend on the operating status of the Heating system 46 and chosen by external conditions.
  • the time interval between 2 seconds is 240 seconds, preferably between 10 seconds and 120 seconds, particularly preferably 30 seconds.
  • the method 54 is carried out largely periodically.
  • a time interval between iterations of the method 54 is largely constant.
  • the execution of the method 54 is triggered by an event, in particular as a function of an operating parameter of the heating system 46.
  • the method 54 can be used in the event of an incorrect measurement of the combustion parameter 84 and/or when the heating system 46 is restarted and/or in the event of unusual changes be carried out on the basis of recorded measured values, in particular measured values dependent on the combustion.
  • the method 54 is performed at least substantially once every 24 hours.
  • steps 80 and 102 are carried out largely in parallel. These can also be executed in any order one after the other. For method 54, the order of steps 80 and 102 is irrelevant.
  • first burner output parameter 104 is determined in step 102 as a function of fluid supply change 60 .
  • the first burner performance parameter 104 can be determined independently of the fluid supply parameter 60, for example by measuring a temperature at the flame 40 and/or by measuring a fuel flow using a mass flow sensor.
  • step 102 may be performed at any position prior to step 116, specifically prior to step 58.
  • the flame ionization characteristic 124 (see figure 7 ) describes the relationship between the first burner output parameter 95 and the ionization current 86.
  • the regulation of the heating system or the method 54 determines the output of the heating system 46 by determining the first burner output parameter 95 sufficiently frequently.
  • the second burner output parameter 95 is used for correction, for example via the output difference 128.
  • correction value 122 is an empirically determined constant stored in the control unit.
  • setpoint combustion parameter 130 is determined in step 116 by forming the product of signal maximum 82 and calibration factor 132 .
  • setpoint combustion parameter 130 is determined from signal maximum 82 by control unit 18 with the aid of a functional specification, in particular a rational functional specification. It is conceivable that this functional specification depends on other operating parameters.
  • the calibration factor 132 is a constant stored in the control unit 18 .
  • the calibration factor 132 is determined as a function of the first burner power parameter 104 and/or the second burner power parameter 95 . In this way, it can be taken into account that, in general, the ionization current 86 corresponding to a desired fuel-air ratio 56 differs from the signal maximum 82 of the ionization current 86 by a power-dependent factor. This circumstance is taken into account in the exemplary embodiment by taking correction value 122 into account. In special variants of these alternative embodiments, the correction value 122 is a constant, in particular with the value zero.
  • the fluid delivery change 60 is largely in the form of a ramp. In alternative embodiments, the fluid delivery change 60 is generally triangular in shape. This has the advantage that the second peak 92 of the double peak structure 94 is formed particularly clearly. In other embodiments, the fluid delivery change 60 has a substantially rectangular shape and/or a substantially sinusoidal shape and/or a substantially Gaussian shape. These fluid delivery changes 60 are particularly appropriate for short pulses.
  • an additional fluid delivery change is created in an additional step.
  • the additional fluid delivery change is largely the opposite of the fluid delivery change 60 .
  • the average fluid delivery characteristic 62 over a period of time corresponding to the Fluid supply change 60 and the additional fluid supply change largely includes the normal value 70.
  • the graph of the time profile of the fluid supply parameter 62 of the fluid supply change 126 largely resembles the graph of the time profile of the fluid supply parameter 62 of the fluid supply change 60, which is mirrored and time-shifted at the normal value 70.
  • the additional fluid supply change 60 is selected by a largely ramp-shaped pulse with a largely identical pulse width 78 and an additional pulse height which is based on the magnitude of the pulse height 76 of the first substantially ramping pulse of the fluid supply change 60 substantially corresponds and is negative.
  • this additional step may be performed anywhere in the method 54 .
  • the additional step is positioned such that the additional fluid delivery change does not affect the change in the combustion characteristic 84 correlated with the fluid delivery change 60 .
  • the additional step is performed after step 58, more preferably after step 80.
  • the fluid supply parameter 62 is a control signal 64 to the fuel valve 44.
  • the fluid supply parameter 62 is a scalar value that can be derived from the control signal 64.
  • the fluid supply parameter 62 corresponds to a control signal 64 for metering combustion air and/or a mixture of fuel and combustion air.
  • the control signal 64 sent by the control unit 18 is composed of at least one control command to at least one dosing device 34 .
  • the at least one doser 34 is at least one fuel valve 44 and/or at least one blower 32.
  • a dosing value of the doser 34 is measured and used as a fluid supply parameter 62.
  • Dosing value is to be understood as a parameter that describes the state of the dosing device 34 and that allows conclusions to be drawn about the amount of substance that is supplied and/or let through by the dosing device 34 .
  • An example of a dosing value is a measured opening size of the fuel valve 44 and/or a measured fuel flow.
  • the combustion parameter 84 is an ionization current 86.
  • the ionization current 86 is determined by an ionization current measurement on a flame 40 of the heating system 46 is determined.
  • the ionization current 86 is determined by the ionization probe 42 and transmitted to the control unit 18 .
  • the combustion parameter 84 is a light intensity, a spectrum, a lambda value, pollutant emissions and/or a temperature.
  • the light intensity and/or the spectrum at the flame 40 is determined by at least one photodiode.
  • the lambda value is measured with a lambda probe in an exhaust gas.
  • the exhaust system 38 has the lambda probe.
  • the pollutant emission is determined by a sensor device which is located on the flame 40 and/or in the exhaust system 38 .
  • the temperature is determined by a contact thermometer and/or a non-contact thermometer, in particular a pyrometer.
  • the thermometer can be located in the exhaust system 38 and/or the flame 40 can be measured.
  • first burner output parameter 104 is determined from first time difference 108 between first point in time 72 and second point in time 106 .
  • the first burner output parameter 104 is determined from a second time difference 136 between the second point in time 106 and the third point in time 118 and/or from a third time difference 138 between the second point in time 106 and the fourth point in time 120 (see figure 3 ).
  • the second time difference 136 and the third time difference 138 are a measure of a time width of the double peak structure 94.
  • the time width of the double peak structure 94 is a measure of a flow rate of a fuel-air mixture flowing to the burner 28.
  • the second time difference 136 and the third time difference 138 like the first time difference 108, describe the output of the heating system 46.
  • the first time difference 108, the second time difference 136 or the third time difference 138 can be used in any combination to determine the first burner output parameter 104 . In this way, measurement inaccuracies in particular when determining first time difference 108 and/or second time difference 136 and/or third time difference 138 can be taken into account.
  • the second burner performance parameter 95 is a fan speed 96.
  • the second burner performance parameter 95 and/or the first burner performance parameter 104 is a measured fan speed and/or a temperature and/or an air flow rate and/or a flow rate of the air-fuel mixture and/or an output of the fan.
  • the air flow rate or the flow rate of the air-fuel mixture can be determined as a volume flow or as a mass flow. These parameters can also be used in combination.
  • the temperature can be determined in the exhaust system 38 and/or by the flame 40 .
  • the first burner power parameter 104 and the second burner power parameter 95 are each determined using different methods.
  • the change in fluid supply 60 is selected as a function of the second burner output parameter 95 .
  • the pulse height 76 and pulse width 78 each depend linearly on the fan speed 96 . In this way it is ensured that the heating system 46 is not disturbed too much in its regular operation by the fluid supply change 60 .
  • the fluid delivery change 60 has a functional relationship to the second burner performance parameter 95 . The functional relationship is chosen in such a way that a good detection of the signal maximum 82 is possible, taking into account the technical properties of the heating system 46 . If, for example, resonances occur at certain fan speeds 96 which increase the signal noise of the ionization current 86, then at these fan speeds 96 the fluid supply change 60 is increased.
  • the change in fluid supply is selected depending on the second burner output parameter 95 and/or the first burner output parameter 104 .
  • the fluid supply change 60 is more closely matched to an actual performance of the heating system 46 .
  • a first burner output parameter 104 from a previous iteration of method 54 can be used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinheit, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist sowie ein Heizsystem mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit.
    • Stand der Technik
  • Um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten, ist es bei dem Betrieb von Gasbrenner notwendig, das richtige Brennstoff-Luft-Verhältnis sicherzustellen. Dazu wird der Gasbrenner auf Basis von einer Sensorik gemessenen Verbrennungskenngröße geregelt, in dem diese Verbrennungskenngröße einer Sollverbrennungskenngröße angeglichen wird. Dabei muss die korrekte Funktionsweise der für die Bestimmung der Verbrennungskenngröße eingesetzten Sensorik gewährleistet sein. Aus dem Stand der Technik sind Gasbrenner bekannt, welche dazu Verfahren zur Kalibrierung der entsprechenden Sensorik ausführen. Dabei wird in der Regel die Sollverbrennungskenngröße an veränderliche innere und/oder äußere Bedingungen angepasst. In solchen Kalibrierverfahren wird der Gasbrenner weitgehend über seinen gesamten Leistungsbereich gefahren. Das hat den Nachteil, dass während einer solchen Kalibrierung verstärkt Schadstoffe ausgestoßen werden können. Die Dauer einer solchen Kalibrierung liegt im Bereich von mehreren Sekunden bis hin zu Minuten. Das hat den zusätzlichen Nachteil, dass in dieser Zeit der Gasbrenner für den normalen Betrieb nicht zur Verfügung steht.
  • Die EP 3 290 798 A1 zeigt und beschreibt ein Verfahren zur Einstellung und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses, in welchem eine Verbrennungskenngröße ausgewertet wird.
    • Offenbarung der Erfindung Vorteile
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Einstellung und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • Erzeugen einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung einer Fluidzufuhrkenngröße, welche dazu vorgesehen ist, eine zeitliche Änderung der Verbrennungskenngröße zu erzeugen, wobei die Fluidzufuhränderung so gewählt ist, dass die zeitliche Änderung der Verbrennungskenngröße eine Doppelpeakstruktur aufweist, welche zumindest einen ersten Peak, eine erste Senke und einen zweiten Peak aufweist
    • Ermitteln des ersten Peaks und des zweiten Peaks von der mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße,
    • Ermitteln einer Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von einem Quotienten aus dem ersten Peak und dem zweiten Peak,
    • Ermitteln eines ersten Brennerleistungsparameters,
    • Ermitteln einer Sollverbrennungskenngröße auf Basis der Sauerstoffkonzentration und des ersten Brennerleistungsparameters,
    • Regeln des Heizsystems auf Basis der Sollverbrennungskenngröße.
  • Mit Hilfe des Verfahrens kann die Sollverbrennungskenngröße im laufenden, regulären Betrieb des Heizsystems ermittelt werden. Das Verfahren stellt nur einen kurzzeitigen Eingriff in die Regelung des Heizsystems dar, bei dem nur kleine Fluidzufuhränderungen vorgenommen werden im Vergleich zu möglichen gesamten Fluidzufuhränderungen im Betrieb des Heizsystems. Auf diese Weise wird das Heizsystem stets mit einem vorgesehenen, optimierten Brennstoff-Luft-Verhältnis betrieben. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis wird auch als Lambdawert bezeichnet. So wird eine vorgesehene Leistung des Heizsystems unter einem minimalen Schadstoffausstoß erzeugt. Zusätzlich entfällt die Notwendigkeit, spezielle Kalibrierzyklen zur Einstellung der Sollverbrennungskenngröße zu fahren. Das hat den Vorteil, dass keine weiteren Emissionen entstehen und das Heizsystem weitgehend immer in einem Regelbetrieb operieren kann, sodass es stets im vollen Umfang zur Verfügung steht.
  • Dadurch, dass die Fluidzufuhränderung so gewählt ist, dass die zeitlichen Änderung von der Verbrennungskenngröße zumindest eine Doppelpeakstruktur aufweist, können die vorliegenden Verbrennungsbedingungen besonders zuverlässig erkannt. Das ermöglicht eine besonders präzise Bestimmung der Sollverbrennungskenngröße.
  • Dadurch, dass eine Sauerstoffkonzentration ermittelt und beim Ermitteln der Sollverbrennungskenngröße berücksichtigt wird, kann die Qualität der vorher verwendeten Sollverbrennungskenngröße berücksichtigt werden. Weicht die Sauerstoffkonzentration von einem gewünschten Wert ab, ist das ein Indiz, dass die vorher verwendete Sollverbrennungskenngröße nicht korrekt eingestellt war. Das kann bei der Einstellung und Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses berücksichtigt werden, insbesondere durch ein Anpassen der neuen Sollverbrennungskenngröße.
  • Dabei ist unter "Heizsystem" mindestens ein Gerät zur Erzeugung von Wärmeenergie zu verstehen, insbesondere ein Heizgerät bzw. Heizbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Gebäudeheizung und/oder zur Warmwassererzeugung, bevorzugt durch das Verbrennen von einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff. Ein Heizsystem kann auch aus mehreren solchen Geräten zur Erzeugung von Wärmeenergie sowie weiteren, den Heizbetrieb unterstützenden Vorrichtungen, wie etwa Warmwasser- und Brennstoffspeichern, bestehen.
  • Unter einer "Fluidzufuhrkenngröße" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche insbesondere mit zumindest einem, insbesondere einer Brennereinheit des Heizsystems zugeführten, Fluid, insbesondere einem Verbrennungsluftstrom, einem Brennstoffstrom und/oder einem Gemischstrom, insbesondere aus einer Verbrennungsluft und einem Brennstoff, korreliert ist. Vorteilhaft kann, insbesondere durch eine Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand der Fluidzufuhrkenngröße auf einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom des zumindest einen Fluids geschlossen werden und/oder der Volumenstrom und/oder der Massenstrom des zumindest einen Fluids ermittelt werden.
  • Ein Beispiel für eine Fluidzufuhrkenngröße ist die Angabe einer Öffnungsweite eines Brennstoffventils. Unter einer "vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung" soll eine zeitlich eingeschränkte Variation der Fluidzufuhrkenngröße verstanden werden, sodass diese vom Wert der Fluidzufuhrkenngröße vor Beginn der Fluidzufuhränderung abweicht. Bevorzugt wird die Fluidzufuhrkenngröße über den Zeitraum der Fluidzufuhränderung vergrößert oder verkleinert. Bevorzugt wird dabei die Fluidzufuhrkenngröße zuerst monoton vergrößert und anschließend monoton verkleinert, bzw. zuerst monoton verkleinert und anschließend monoton vergrößert. Bevorzugt ist die Zeitdauer der Fluidzufuhränderung pulsartig und/oder kurz gegenüber den im üblichen Betrieb des Heizsystems vorgesehenen zeitlichen Variationen der Fluidzufuhrkenngröße, beispielsweise bei einer Änderung einer Heizleistung.
  • Dabei ist unter einem "Puls", einer "pulsartigen Änderung" oder einem "pulsförmigen Signal" ein zeitlicher Verlauf einer Kenngröße zu verstehen, welche von einem ersten Wert innerhalb einer beschränkten Zeitspanne auf mindestens einen zweiten, vom ersten Wert verschiedenen Wert, gebracht wird. Ein "Puls" wird manchmal auch als "Impuls" bezeichnet, insbesondere in der Elektrotechnik.
  • Unter einer "Verbrennungskenngröße" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche insbesondere mit der Verbrennung, insbesondere des Gemischs, insbesondere aus der Verbrennungsluft und dem Brennstoff, korreliert ist. Ein Beispiel für eine Verbrennungskenngröße ist ein lonisationsstrom, welcher an einer Flamme des Heizsystems gemessen wird. Vorteilhaft kann, insbesondere durch die Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand der Verbrennungskenngröße auf ein Vorhandensein und/oder eine Güte der Verbrennung geschlossen werden und/oder das Vorhandensein und/oder die Güte der Verbrennung ermittelt werden. Vorteilhaft kann anhand der Verbrennungskenngröße zumindest in Teilintervallen und zumindest in bestimmten Betriebszuständen des Heizsystems eindeutig einem Maß für die Güte der Verbrennung zugeordnet werden. Ein Beispiel für ein Maß für die Güte der Verbrennung ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis. Ein weiteres Beispiel ist eine Sauerstoffkonzentration, insbesondere eine Sauerstoffkonzentration in einer Brennstoff-Luft-Mischung und/oder in Verbrennungsabgasen. Die Sauerstoffkonzentration ist mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis korreliert. Vorteilhaft entspricht die Verbrennungskenngröße zumindest einem oder genau einem, die Verbrennung abbildenden und/oder charakterisierenden Messwert, wie beispielsweise einem Verbrennungssignal, insbesondere einer Lichtintensität, einem Schadstoffausstoß, einer Temperatur und/oder vorteilhaft einem lonisationssignal bzw. kann die Verbrennungskenngröße einem solchen Messwert eindeutig zugeordnet werden.
  • Unter "Doppelpeakstruktur" ist ein zeitlicher Verlauf der Verbrennungskenngröße in einem mit der zeitlichen Änderung der Fluidzufuhrkenngröße korrelierten Zeitraum zu verstehen, welcher mindestens zwei Maxima, gegebenfalls mit weitgehend gleicher Amplitude, aufweist. Die ersten beiden Maxima der Doppelpeakstruktur werden als "erster Peak" und "zweiter Peak" bezeichnet, das dazwischen liegende Minimum als "erste Senke".
  • Unter "Ermitteln" eines ersten Peaks und zweiten Peaks von der mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße, soll ein Verfahrensschritt verstanden werden, in welchem ein erster Peak und zweiter Peak einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von der Verbrennungskenngröße gemessen bzw. festgestellt wird. Dabei können auch Methoden der Datenverarbeitung bzw. Datenauswertung vorgesehen sein. Abhängig vom Ergebnis bzw. Wert des ersten Peaks und/oder zweiten Peaks können im weiteren Verlauf des Verfahrens optional unterschiedliche folgende Schritte ausgewählt werden, falls das notwendig und/oder erwünscht ist.
  • Unter "Brennerleistungsparameter", einem "ersten Brennerleistungsparameter" oder einem "zweiten Brennerleistungsparameter" soll insbesondere eine Kenngröße verstanden werden, welche mit der Leistung, insbesondere einer Heizleistung, des Heizsystems korreliert ist. Vorteilhaft kann, insbesondere durch die Steuer- und/oder Regeleinheit des Heizsystems, wenigstens anhand des Brennerleistungsparameters die Leistung, insbesondere Heizleistung, des Heizsystems ermittelt werden. Vorteilhaft entspricht der Brennerleistungsparameter mindestens einem oder genau einem, die Leistung abbildenden Messwert bzw. kann einem solchen Messwert eindeutig zugeordnet werden. Ein solcher Messwert kann beispielsweise eine Temperatur, eine Luftdurchflussmenge, ein Gebläsesteuersignal oder eine Gebläsedrehzahl sein bzw. von diesen gemessenen Parametern abgeleitet werden. Bevorzugt hängt der erste Brennerleistungsparameter von einem anderen, die Leistung abbildenden Messwert ab als der zweiten Brennerleistungsparameter bzw. wird der erste Brennerleistungsparameter mit einer anderen Methode ermittelt als der zweite Brennerleistungsparameter.
  • Unter "Ermitteln" eines ersten Brennerleistungsparameters soll ein Verfahrensschritt verstanden werden, in welchem eine direkt oder indirekt mit einer Leistung korrelierte Größe gemessen bzw. festgestellt wird. Dabei können auch Methoden der Datenverarbeitung bzw. Datenauswertung vorgesehen sein. Abhängig vom Ergebnis bzw. Wert des ersten Brennerleistungsparameters können im weiteren Verlauf des Verfahrens optional unterschiedliche folgende Schritte ausgewählt werden, falls das notwendig und/oder erwünscht ist.
  • Unter "Sollverbrennungskenngröße" soll insbesondere eine skalare Kenngröße verstanden werden, welche die gewünschte Größe der Verbrennungskenngröße beschreibt. Nimmt die Verbrennungskenngröße den Wert der Sollverbrennungskenngröße an, weist die Verbrennung die vorgesehenen Eigenschaften auf, insbesondere bezüglich einer Schadstoffemission. Damit ist mit "Regeln des Heizsystems auf Basis der Sollverbrennungskenngröße" ein Betrieb des Heizsystems gemeint, bei dem die Betriebsparameter so eingestellt werden, dass die Verbrennungskenngröße weitgehend den Wert der Sollverbrennungskenngröße annimmt. Beispielsweise kann eine Brennstoff-Zufuhr und/oder eine VerbrennungsluftZufuhr mit einer Regelung so eingestellt werden, dass die Verbrennungskenngröße den Wert der Sollverbrennungskenngröße annimmt oder zumindest weitgehend annimmt.
  • Unter "Ermitteln" einer Sollverbrennungskenngröße soll ein Verfahrensschritt verstanden werden, in welchem in Abhängigkeit vom Signalmaximum, des ersten Brennerleistungsparameters und optional weiteren Parametern, insbesondere Betriebsparametern des Heizsystems, die Sollverbrennungsgröße bestimmt bzw. festgestellt wird. Dabei können insbesondere auch Methoden der Datenverarbeitung bzw. Datenauswertung vorgesehen sein, insbesondere unter Verwendung einer Recheneinheit.
  • Unter "Regeln des Heizsystems" ist das einmalige oder wiederholte, insbesondere periodische, Einstellen von Betriebsparametern des Heizsystems gemeint, so dass das Heizsystem die spezifizierte und/oder angeforderte Leistung im vollen Umfang stets erfüllen kann, insbesondere unter veränderlichen inneren und äußeren Bedingungen, insbesondere bei Verschleißprozessen und wechselnden Rand- und Umweltbedingungen. Dabei sind unter "Betriebsparameter" Parameter zu verstehen, die von der Steuerung des Heizsystems zum Steuern und Überwachen von im Heizsystem ablaufenden Prozessen verwendet werden. Beispiele für "Betriebsparameter" sind die Gebläsedrehzahl bzw. die Gebläsedrehzahlkennlinie, eine Flammenionisationskennlinie oder eine Öffnungsweite eines Brennstoffregelventils.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch möglich.
  • Wird eine Kalibrierung des Heizsystems durchgeführt, wenn die ermittelte Sauerstoffkonzentration einen hinterlegten kritischen Maximalwert überschreitet oder einen hinterlegten kritischen Minimalwert unterschreitet, hat das den Vorteil, dass ein besonders sicherer und sauberer Betrieb des Heizsystems möglich ist. Eine zu hohe oder zu geringe Sauerstoffkonzentration ist ein Hinweis darauf, dass eine frühere Einstellung der Sollverbrennungskenngröße fehlerhaft war, so dass das Heizsystem nicht mit dem gewünschten Brennstoff-Luft-Verhältnis betrieben wurde (sondern mit einem zu mageren Brennstoff-Luft-Gemisch bei einer zu hohen Sauerstoffkonzentration bzw. mit einem zu fetten Brennstoff-Luft-Gemisch bei einer zu niedrigen Sauerstoffkonzentration).
  • Ist die Abweichung vom gewünschten Brennstoff-Luft-Verhältnis niedrig genug bzw. die Sauerstoffkonzentration unterhalb vom kritischen Maximalwert und oberhalb vom kritischen Minimalwert, so kann dieser Mangel wahrscheinlich durch eine Anpassung der neuen Sollverbrennungskenngröße gemäß dem vorliegenden Verfahren korrigiert werden. Ist die Abweichung vom gewünschten Brennstoff-Luft-Verhältnis jedoch groß bzw. liegt die Sauerstoffkonzentration oberhalb vom kritischen Maximalwert oder unterhalb vom kritischen Minimalwert, kann das ein Hinweis sein, dass eine neue Kalibrierung des Heizsystems notwendig ist.
  • Unter einer Kalibrierung des Heizsystems soll insbesondere ein besonderer Betriebszustand verstanden werden, der den regulären Betrieb des Heizsystems unterbricht und in welchem die Betriebsparameter - beispielsweise Verbrennungskenngrößen, Sollverbrennungskenngrößen oder Kennlinien -des Heizsystems neu eingestellt werden. Beispielsweise können beim Kalibrieren unterschiedliche Leistungen bzw. Heizleistungen durchfahren werden. Es ist denkbar, dass beim Kalibrieren auch Wartungsschritte durchgeführt werden, wie beispielsweise ein insbesondere automatisiertes Reinigen einer lonisationssonde. Es ist auch denkbar, dass unter Kalibrieren des Heizsystems verstanden wird, dass das Heizsystem heruntergefahren wird oder in einem eingeschränkten Modus betrieben wird - welcher dazu vorgesehen ist, das Heizsystem zu schonen, beispielsweise durch eine Einschränkung der Heizleistung - und eine Kalibrierung und/oder Inspektion angefordert wird, beispielsweise durch das Senden einer entsprechenden Aufforderung an den Nutzer des Heizsystems.
  • Wird ein Signalmaximum aus dem ersten Peak und dem zweiten Peak ermittelt und beim Ermitteln der Sollverbrennungskenngröße berücksichtigt, hat das den Vorteil, dass eine besonders genaue und zuverlässige Bestimmung der Sollverbrennungskenngröße möglich ist. Wird beispielsweise das Signalmaximum als Mittelwert aus dem ersten Peak und dem zweiten Peak bestimmt, können auf diese Weise temperaturabhängige Effekte auf eine Messvorrichtung der Verbrennungskenngröße berücksichtigt werden, beispielsweise eine temperaturabhängige Leitfähigkeit einer Oxidationsschicht auf einer lonisationssonde.
  • Unter einem "Signalmaximum" ist die maximale Amplitude der Verbrennungskenngröße in einem mit der zeitlichen Änderung der Fluidzufuhrkenngröße korrelierten Zeitraum zu verstehen. Ein Signalmaximum kann insbesondere die maximale Amplitude eines Pulses der Verbrennungskenngröße sein. Weist die zeitliche Änderung der Verbrennungskenngröße eine Doppelpeakstruktur auf, ist das ein Hinweis darauf, dass das Signalmaximum dem Verbrennungskenngrößenmaximum entspricht. Unter einem "Verbrennungskenngrößenmaximum" soll ein in zumindest bestimmten Betriebszuständen des Heizsystems maximal möglicher Wert der Verbrennungskenngröße bei einem konstanten Brennerleistungsparameter verstanden werden. Vorteilhaft lässt sich das Verbrennungskenngrößenmaximum eindeutig einem wohlbestimmten Wert des Brennstoff-Luft-Verhältnisses zuordnen. Ein Verbrennungskenngrößenmaximum ist ein maximal möglicher Wert der Verbrennungskenngröße bei einem konstanten Brennerleistungsparameter.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Korrekturwert zur Korrektur des Signalmaximums berücksichtigt, welcher vom ersten Brennerleistungsparameter und optional einem zweiten Brennerleistungsparameter abhängt. Das hat den Vorteil, dass das Ermitteln der Sollverbrennungskenngröße besonders präzise ist. Insbesondere kann eine Leistungsabhängigkeit der Sollverbrennungskenngröße vom Signalmaximum berücksichtigt werden.
  • Wird die Sollverbrennungskenngröße durch eine Produktbildung vom Signalmaximum mit einem Kalibrierungsfaktor ermittelt, so wird eine besonders einfache und zuverlässige Methode zur Bestimmung der Sollverbrennungskenngröße realisiert. Zusätzlich werden auf diese Weise alle relevanten Einflüsse auf die Verbrennung automatisch bei der Wahl der Sollverbrennungskenngröße mitberücksichtigt, welche einen Einfluss auf das Verbrennungskenngrößenmaximum haben. Das erspart die Notwendigkeit einer zusätzlichen Sensorik zur Berücksichtigung dieser Einflüsse. Vorteilhaft hat der Kalibrierungsfaktor einen Wert zwischen 0 und 1, bevorzugt zwischen 0.5 und 0.9, besonders bevorzugt zwischen 0.6 und 0.8, insbesondere 0.7.
  • Wird der Kalibrierungsfaktor in Abhängigkeit vom ersten Brennerleistungsparameter und/oder von dem bzw. einem zweiten Brennerleistungsparameter ermittelt, kann eine Leistungsabhängigkeit der Sollverbrennungskenngröße vom Signalmaximum berücksichtigt werden.
  • Weist die zeitliche Fluidzufuhränderung weitgehend die Form einer Rampe und/oder weitgehend eine Dreiecksform auf, kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass die zeitliche Änderung der Verbrennungskenngröße eine Doppelpeakstruktur aufweist. Dabei ist unter "weitgehend die Form einer Rampe" ein zeitlicher Verlauf der Fluidzufuhrkenngröße zu verstehen, bei dem die Fluidzufuhrkenngröße zunächst einen Normalwert aufweist. Anschließend wird die Fluidzufuhrkenngröße linear erhöht. Bei Erreichen eines Maximalzufuhrwerts wird die Fluidzufuhrkenngröße schnell auf den Normalwert gesenkt, insbesondere so schnell wie möglich. Bei einer "weitgehenden Dreieckform" wird die Fluidzufuhrkenngröße wie bei der Rampenform linear erhöht. Wird der Maximalzufuhrwert erreicht, wird die Fluidzufuhrkenngröße so lange linear gesenkt, bis der Normalwert erreicht wird. Dabei kann die lineare Erhöhung der Fluidzufuhrkenngröße mit einer weitgehend gleichen oder verschiedenen Geschwindigkeit erfolgen wie die lineare Senkung der Fluidzufuhrkenngröße.
  • Wird in einem zusätzlichen Schritt eine vorübergehende zeitliche zusätzliche Fluidzufuhränderung erzeugt, wobei diese zusätzliche Fluidzufuhränderung der Fluidzufuhränderung entgegengesetzt ist, so hat das den Vorteil, dass die durch die Fluidzufuhränderung bedingte zusätzliche Heizleistung und die zusätzlichen Emissionen ausgeglichen werden. Im zeitlichen Mittel über die Fluidzufuhränderung und die zusätzliche Fluidzufuhränderung hat die Fluidzufuhrkenngröße den im Regelbetrieb vorgesehenen Wert.
  • Entspricht die Fluidzufuhrkenngröße einem Steuersignal zum Dosieren eines Brennstoffs und/oder der Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft, wird auf diese Weise keine Vermessung des Brennstoffs und/oder der Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft bzw. eines Durchflusses dieser Fluide benötigt. Das vereinfacht das Verfahren und macht es robust gegenüber Fehlfunktionen.
  • Wird die Verbrennungskenngröße durch eine lonisationsstrommessung an einer Flamme des Heizsystems bestimmt, ist das besonders vorteilhaft, da zwischen dem lonisationsstrom an einer Flamme und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis ein funktionaler Zusammenhang besteht, welcher besonders günstig auswertbar ist. Insbesondere weist der lonisationsstrom ein Verbrennungskenngrößenmaximum auf, welches bei einem Brennstoff-Luft-Verhältnis von 1 liegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der erste Brennerleistungsparameter aus einem ersten Zeitunterschied zwischen dem Erzeugen der Fluidzufuhränderung und dem Ermitteln der mit der Fluidzufuhränderung korrelierten zeitlichen Änderung von der Verbrennungskenngröße ermittelt. Der erste Zeitunterschied ist ein Maß für eine Laufzeit bzw. eine Transportgeschwindigkeit einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich der erste Zeitunterschied besonders einfach und kostengünstig bestimmen lässt.
  • Wird der erste Brennerleistungsparameter aus der Doppelpeakstruktur ermittelt, insbesondere aus einem zweiten Zeitunterschied zwischen dem ersten Peak und der ersten Senke und/oder aus einem dritten Zeitunterschied zwischen dem ersten Peak und dem zweiten Peak, hat das den Vorteil, dass eine zuverlässige Abschätzung einer momentanen Brennerleistung möglich ist. Der zweite Zeitunterschied und der dritte Zeitunterschied sind in bevorzugten Ausführungen kürzer als der erste Zeitunterschied.
  • In einer bevorzugten Varianten ist der zweite Brennerleistungsparameter eine Gebläsedrehzahl oder hängt von dieser ab. Die Gebläsedrehzahl lässt sich einfach und zuverlässig bestimmen und liefert eine gute Abschätzung einer Brennerleistung. Zusätzlich erlaubt ein so bestimmter zweiter Brennerleistungsparameter eine Überprüfung des ersten Brennerleistungsparameters, wenn dieser mit einer anderen Methode ermittelt wurde, beispielsweise über eine Laufzeitmessung oder eine Analyse der Doppelpeakstruktur.
  • Wird die Fluidzufuhränderung abhängig von dem ersten und/oder dem bzw. einem zweiten Brennerleistungsparameter gewählt, ermöglicht das die präzise Anpassung der benötigten Änderung der Fluidzufuhrkenngröße, so dass Verbrennungskenngröße das Verbrennungskenngrößenmaximum mindestens zwei Mal anzunehmen kann bzw. eine Doppelpeakstruktur aufweist. Auf diese Weise kann die benötigte Fluidzufuhränderung minimiert werden, so dass eine Fluidmenge, insbesondere Brennstoff, eingespart wird und so die Emissionen reduziert werden.
  • Die Verwendung einer Steuereinheit für ein Heizsystem, aufweisend einen Datenspeicher, eine Recheneinheit sowie eine Kommunikationsschnittstelle, wobei über die Kommunikationsschnittstelle (52) Komponenten des Heizsystems (46) ansteuerbar sind, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystem auszuführen, hat den Vorteil, dass durch das Betreiben des Heizsystems bei der richtigen Einstellung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses die Haltbarkeit des Heizsystems erhöht wird, Fehlfunktionen vermieden werden und somit die Sicherheit erhöht wird.
  • Ein Heizsystem mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit, mit einem Dosierer für einen Brennstoff und/oder für Verbrennungsluft und/oder für eine Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft, sowie mit einer lonisationssonde an einer Flamme und mit einem Gebläse mit variierbarer Gebläsedrehzahl hat den Vorteil, dass im Betrieb des Heizsystems eine falsche Einstellung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses weitgehend verhindert wird. Auf diese Weise werden unvorhergesehene, starke Belastungen des Heizsystems durch beispielsweise zu hohe Brennertemperaturen und/oder zu hohe Gebläsedrehzahlen und/oder zu hohe Rußemissionen und/oder zu starke Vibrationen vermieden. Das ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Heizsystems. Zusätzlich wird auf diese Weise der Brennstoffverbrauch gesenkt und die Lebensdauer des Heizsystems erhöht bzw. das Zeitintervall zwischen den erforderlichen Inspektionsintervallen gesenkt.
  • Weist das Heizsystem mindestens einen Dosierer für einen Brennstoff und/oder für Verbrennungsluft und/oder für eine Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft auf, ist damit eine zeitliche Änderung einer Fluidzufuhrkenngröße besonders einfach erzeugbar.
  • Dabei soll unter einem "Dosierer" insbesondere eine, insbesondere elektrische und/oder elektronische, Einheit, insbesondere Aktoreinheit, vorteilhaft Stelleinheit, verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist das zumindest eine Fluid, insbesondere den Verbrennungsluftstrom, den Brennstoffstrom und/oder den Gemischstrom, insbesondere aus der Verbrennungsluft und dem Brennstoff, zu beeinflussen. Insbesondere ist der zumindest eine Dosierer dazu vorgesehen, einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom, insbesondere der Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffs, einzustellen, zu regulieren und/oder zu fördern. Der Dosierer für Verbrennungsluft kann dabei vorteilhaft als, insbesondere drehzahlvariabler, Ventilator und/oder vorzugsweise als, insbesondere drehzahlvariables, Gebläse ausgebildet sein. Der Dosierer für Brennstoff kann vorteilhaft als, insbesondere durchsatzvariable, Brennstoffpumpe und/oder vorzugsweise als, insbesondere durchsatzvariables, Brennstoffventil ausgebildet sein. Insbesondere sind der Dosierer für Verbrennungsluft und/oder der Dosierer für Brennstoff dazu vorgesehen, eine Heizleistung der Heizgerätevorrichtung zu modulieren.
  • Weist das Heizsystem eine lonisationssonde an der Flamme des Heizgeräts auf, ist damit ein besonders günstiger und zuverlässiger Sensor zur Messung einer Verbrennungskenngröße realisiert. lonisationsdetektoren werden üblicherweise in Heizgeräten zur Flammendetektion eingesetzt.
  • Weist das Heizsystem ein Gebläse mit variierbarer Gebläsedrehzahl auf, kann auf diese Weise ein einfaches und robustes Mittel zur Einstellung und Bestimmung einer Leistung des Heizgeräts realisiert werden.
    • Zeichnungen
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Einstellung und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses in einem Heizsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung und des Heizsystems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1 eine schematische Darstellung des Heizsystems mit der Steuereinheit,
    • Figur 2 das Verfahren zum Regeln des Heizsystems,
    • Figur 3 eine schematische Darstellung einer Fluidzufuhränderung und einer zeitlichen Änderung von einer Verbrennungskenngröße,
    • Figur 4 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit des lonisationsstroms vom Brennstoff-Luft-Verhältnis,
    • Figur 5 eine schematische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Sauerstoffkonzentration und einem Quotienten aus einem ersten Peak und einem zweiten Peak und einem zweiten Peak,
    • Figur 6 eine schematische Darstellung einer Zeit-Brennerleistung-Funktion,
    • Figur 7 eine schematische Darstellung einer Flammenionisationskennlinie und
    • Figur 8 eine schematische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Sauerstoffkonzentration und einem Kompensationsfaktor.
    Beschreibung
  • In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile bzw. Schritte die gleichen Bezugszahlen.
  • In Figur 1 ist beispielhaft ein Heizgerät 10 schematisch dargestellt, das im Ausführungsbeispiel auf einem Speicher 12 angeordnet ist. Das Heizgerät 10 weist ein Gehäuse 14 auf, das je nach Ausstattungsgrad unterschiedliche Komponenten aufnimmt.
  • Als wesentliche Komponenten befinden sich eine Wärmezelle 16, eine Steuereinheit 18, eine oder mehrere Pumpen 20 sowie Verrohrungen 22, Kabel oder Busleitungen 24 und Haltemittel 26 im Heizgerät 10. Auch bei den einzelnen Komponenten hängt deren Anzahl und Komplexität vom Ausstattungsgrad des Heizgeräts 10 ab.
  • Die Wärmezelle 16 weist einen Brenner 28, einen Wärmetauscher 30, ein Gebläse 32, ein Dosierer 34 sowie ein Zuluftsystem 36, ein Abgassystem 38 und, wenn die Wärmezelle 16 in Betrieb ist, eine Flamme 40 auf. In die Flamme 40 ragt eine lonisationssonde 42. Der Dosierer 34 ist als Brennstoffventil 44 ausgebildet. Eine Gebläsedrehzahl 96 des Gebläses 32 ist variabel einstellbar. Das Heizgerät 10 und der Speicher 12 bilden zusammen ein Heizsystem 46. Die Steuereinheit 18 weist einen Datenspeicher 48, eine Recheneinheit 50 und eine Kommunikationsschnittstelle 52 auf. Über die Kommunikationsschnittstelle 52 sind die Komponenten des Heizsystems 46 ansteuerbar. Die Kommunikationsschnittstelle 52 ermöglicht einen Datenaustausch mit externen Geräten. Externe Geräte sind beispielsweise Steuergeräte, Thermostate und/oder Geräte mit Computerfunktionalität, beispielsweise Smartphones.
  • Figur 1 zeigt ein Heizsystem 46 mit einer Steuereinheit 18. In alternativen Ausführungsformen befindet sich die Steuereinheit 18 außerhalb des Gehäuses 14 des Heizgeräts 10. Die externe Steuereinheit 18 ist in besonderen Varianten als Raumregler für das Heizsystem 46 ausgeführt. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuereinheit 18 mobil. Die externe Steuereinheit 18 weist eine Kommunikationsverbindung zum Heizgerät 10 und/oder anderen Komponenten des Heizsystems 46 auf. Die Kommunikationsverbindung kann kabelgebunden und/oder kabellos sein, bevorzugt eine Funkverbindung, besonders bevorzugt über WLAN, Z-Wave, Bluetooth und/oder ZigBee. Die Steuereinheit 18 kann in weiteren Varianten aus mehreren Komponenten bestehen, insbesondere nicht physisch verbundenen Komponenten. In besonderen Varianten können zumindest eine oder mehrere Komponenten der Steuereinheit 18 teilweise oder ganz in der Form von Software vorliegen, die auf internen oder externen Geräten, insbesondere auf mobilen Recheneinheiten, beispielsweise Smartphones und Tablets, oder Servern, insbesondere einer Cloud, ausgeführt wird. Die Kommunikationsverbindungen sind dann entsprechende Softwareschnittstellen.
  • In Figur 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren 54 zur Kontrolle und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 im Heizsystem 46 abgebildet. Im Ausführungsbeispiel wird in einem Schritt 58 eine zeitliche Fluidzufuhränderung 60 einer Fluidzufuhrkenngröße 62 erzeugt. Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 eine vorgesehene Öffnungsweite 64 des Dosierers 34 (siehe Figur 3). Die Öffnungsweite 64 ist beispielhaft eine Prozentangabe, wobei eine Öffnungsweite 64 von 0 % einem vollständig geschlossenen Brennstoffventil 44 entspricht und eine Öffnungsweite 64 von 100 % ein vollständig geöffnetes Brennstoffventil 44 beschreibt. In der Steuereinheit 18 ist bevorzugt ein Zusammenhang zwischen der Öffnungsweite 64 und einem dafür nötigen Steuersignal hinterlegt. Die vorgesehene Öffnungsweite 64 wird im Ausführungsbeispiel durch eine Auswahl des Steuersignals und Übertragung dieses Steuersignals an das Brennstoffventil 44 durch die Steuereinheit 18 realisiert. Die Öffnungsweite 64 beschreibt eine Anforderung, welche an das Brennstoffventil 44 übermittelt wird.
  • Die Fluidzufuhränderung 60 ist beispielsweise in Figur 3 abgebildet. Die erste Abszissenachse 66 stellt eine Zeit dar. Auf der ersten Ordinatenachse 68 sind die Fluidzufuhrkenngröße 62 und ein lonisationsstrom 86 dargestellt. Die Fluidzufuhränderung 60 verläuft bevorzugt in einem weitgehend rampenförmigen Puls. Zunächst hat das Steuersignal 64 einen weitgehend konstanten Normalwert 70. Zu einem ersten Zeitpunkt 72 wird das Steuersignal 64 beispielsweise mit einer weitgehend konstanten Steigung linear erhöht. Sobald das Steuersignal 64 einen Maximalzufuhrwert 74 erreicht, wird das Steuersignal 64 wird so schnell wie möglich auf den Normalwert 70 gesenkt. Eine in Figur 3 abgebildete Pulshöhe 76 beträgt zum Beispiel 30 %. Eine in Figur 3 abgebildete Pulsbreite 78 beträgt beispielsweise 1 s.
  • Im Ausführungsbeispiel wird die Fluidzufuhränderung 60 in Schritt 58 abhängig von einem zweiten Brennerleistungsparameter 95 gewählt. Der zweite Brennerleistungsparameter 95 wird im Ausführungsbeispiel aus der Gebläsedrehzahl 96 ermittelt (siehe Figur 2). Die Gebläsedrehzahl 96 ist bevorzugt ein von der Steuereinheit 18 bestimmter Kennwert, welcher ein Gebläsesteuersignal bestimmt. Das Gebläsesteuersignal wird im Ausführungsbeispiel von der Steuereinheit 18 an das Gebläse 32 gesendet und bestimmt eine Drehzahl des Gebläses 32. In der Steuereinheit 18 ist beispielsweise eine Gebläsedrehzahlkennlinie hinterlegt, welche einer Gebläsedrehzahl 96 einen entsprechenden zweiten Brennerleistungsparameter 95 zuordnet. Die Pulshöhe 76 wird im Ausführungsbeispiel abhängig von der Gebläsedrehzahl 96 gewählt. Die Pulshöhe 76 steigt bevorzugt linear mit der Gebläsedrehzahl 96 an. Die Pulshöhe 76 wird im Ausführungsbeispiel abhängig vom Normalwert 70 gewählt. Zwischen einer minimalen Gebläsedrehzahl und einer maximalen Gebläsedrehzahl nimmt die Pulshöhe 76 Werte in einem bevorzugten Intervall zwischen 5 % und 90 % an. Im regulären Betrieb des Heizsystems 46 nimmt die Pulshöhe 76 bevorzugt Werte zwischen 20 % und 60 % an, besonders bevorzugt zwischen 35 % und 45 %. Die Pulsbreite 78 wird im Ausführungsbeispiel abhängig von der Gebläsedrehzahl 96 gewählt. Die Pulsbreite 78 steigt bevorzugt linear mit der Gebläsedrehzahl 96 an. Zwischen einer minimalen Gebläsedrehzahl und einer maximalen Gebläsedrehzahl nimmt die Pulsbreite 78 beispielsweise Werte in einem Intervall zwischen 10 ms und 5000 ms an. Im regulären Betrieb des Heizsystems 46 nimmt die Pulsbreite 78 bevorzugt Werte zwischen 50 ms und 2000 ms an, besonders bevorzugt zwischen 250 ms und 1000 ms.
  • In einem folgenden Schritt 80 (siehe Figur 2) wird ein erster Peak 88 und ein zweiter Peak 92 sowie ein Signalmaximum 82 einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung 60 korrelierten zeitlichen Änderung von einer Verbrennungskenngröße 84 ermittelt. Die Verbrennungskenngröße 84 ist im Ausführungsbeispiel der lonisationsstrom 86 (siehe Figur 3). Der lonisationsstrom 86 wird beispielsweise von der lonisationssonde 42 an der Flamme 40 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. Nach der Fluidzufuhränderung 60 weist der zeitliche Verlauf des lonisationsstroms 86 den ersten Peak 88, eine erste Senke 90 und denzweiten Peak 92 auf. Diese zwei lokalen Maxima stellen eine Doppelpeakstruktur 94 dar.
  • Der Grund der Doppelpeakstruktur 94 ist die Ausgestaltung der Fluidzufuhränderung 60 und ein Zusammenhang zwischen dem lonisationsstrom 86 und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 berechnet sich aus einer Luftmenge geteilt durch eine Brennstoffmenge in einer Mischung aus dem Brennstoff und der Verbrennungsluft, welche dem Brenner 28 zugeführt wird. Figur 4 illustriert den Zusammenhang zwischen dem lonisationsstrom 86 und dem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 bei einer konstanten Gebläsedrehzahl 96. Auf der ersten Ordinatenachse 68 ist der lonisationsstrom 86 aufgetragen. Auf einer zweiten Abszissenachse 97 ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 dargestellt. Der Verlauf des lonisationsstroms 86 weist ein Verbrennungskenngrößenmaximum 98 bei einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1 auf. Bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 ausgehend vom Verbrennungskenngrößenmaximum 98 nimmt der lonisationsstrom 86 ab. Bevorzugt wird das Heizsystem 46 mit einem Luftüberschuss betrieben, also mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 größer als 1. Besonders bevorzugt wird das Heizsystem 46 mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 zwischen 1.2 und 1.4, bevorzugt 1.3 betrieben. Das Verfahren 54 stellt sicher, dass das Heizsystem 46 mit einem vorgegebenen Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 betrieben wird.
  • Aufgrund der Fluidzufuhränderung 60 wird kurzzeitig das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 gesenkt. Ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 größer als 1, wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 durch die Erhöhung der Fluidzufuhrkenngröße 62 auf den Maximalzufuhrwert 74 auf einen Wert kleiner als 1 gesenkt. Die anschließende Absenkung der Fluidzufuhrkenngröße 62 auf den Normalwert 70 bewirkt ein Ansteigen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 auf den ursprünglichen Wert größer als 1. Auf diese Weise nimmt infolge der Fluidzufuhränderung 60 das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 zwei Mal den Wert 1 an. Der lonisationsstrom 86 nimmt zweimal das Verbrennungskenngrößenmaximum 98 an. Der lonisationsstrom 88 weist in Figur 3 zwei lokale Maxima 88, 92 auf, was die Doppelpeakstruktur 94 darstellt.
  • In der in Figur 3 dargestellten Doppelpeakstruktur 94 weisen der erste Peak 88 und der zweite Peak 92 einen unterschiedlichen lonisationsstromwert auf. Im Allgemeinen können die mindestens zwei lokalen Maxima der Doppelpeakstruktur 94 gleich sein oder unterschiedlich groß sein bzw. unterschiedliche lonisationsstromwerte aufweisen. Ein Grund für unterschiedliche Werte der Maxima der Doppelpeakstruktur 94 ist die Abhängigkeit des Verbrennungskenngrößenmaximums 98 von Betriebsparametern und/oder weiteren, innerer und/oder äußeren Parametern, welche sich in der Zeitspanne zwischen dem Auftreten des ersten Peaks 88 und des zweiten Peaks 92 verändern können. Beispiele für Betriebsparameter sind insbesondere eine Flammentemperatur, Brennstoffqualität bzw. Brennstoffbrennwert. Beispiele für weitere, innere und/oder äußere Parameter sind eine Flammenhöhe bzw. Flammengeometrie, insbesondere eine Kontaktfläche zwischen der Flamme 40 und der lonisationssonde 42, Luftdruck, oder Außentemperatur. Insbesondere können einige dieser Betriebsparameter oder weiteren Parameter auch mittelbar oder unmittelbar durch die Fluidzufuhränderung 60 veränderbar sein, beispielsweise die Flammengeometrie.
  • Ein weiterer Grund für im Allgemeinen unterschiedliche Werte der Maxima der Doppelpeakstruktur 94 ist, dass der in Figur 4 dargestellte idealisierte Zusammenhang zwischen dem Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 und dem lonisationsstrom 86 im Allgemeinen eine Hysterese aufweist. Unter einer Hysterese ist dabei zu verstehen, dass der lonisationsstrom von einer Vorgeschichte abhängig ist, also dass ein aktueller Wert des lonisationsstrom 86 nicht alleine vom einem aktuellen Wert des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 abhängt, sondern auch von einem davor liegenden zeitlichen Verlauf des Wertes des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56. Das ist beispielsweise auf temperaturabhängige Wechselwirkungsprozesse zwischen der lonisationssonde 42 und der Flamme 40 zurückzuführen. Ein wichtiger Einflussfaktor für die Stärke dieser Hysterese ist eine vorliegende Sauerstoffkonzentration 103. Auf der lonisationssonde 42 kann eine Oxidationsschicht vorhanden sein, welche einen temperaturabhängigen Ohm'schen Widerstand aufweist. In der in Figur 3 dargestellten Doppelpeakstruktur 94 wird das Verbrennungskenngrößenmaximum 98 zwei Mal angenommen, es hat dabei jeweils einen unterschiedlichen Wert des Ionisationsstroms.
  • In Schritt 80 wird im Ausführungsbeispiel wird beispielsweise die Doppelpeakstruktur 94ausgewertet. Die Steuereinheit 18 überprüft, ob der durch die lonisationssonde 42 erfasste und gespeicherte lonisationsstrom 86 stärker als ein Signalrauschen über einen lonisationsstromnormalwert 100 (siehe Figur 3) ansteigt. Der lonisationsstromnormalwert 100 wird im Ausführungsbeispiel bestimmt, in dem der über die Zeitdauer der Pulsbreite 78 gemessene, mittlere lonisationsstrom 86 ermittelt wird. Die Steuereinheit 18 überprüft zum Ermitteln einer Doppelpeakstruktur 94, ob der gespeicherte zeitliche Verlauf der Änderung der Verbrennungskenngröße 84 infolge der Fluidzufuhränderung 60 mindestens zwei lokale Maxima aufweist, welche sich signifikant vom Signalrauschen abheben. Der Wert des lonisationsstroms 86 der beiden zuerst auftretenden Maxima wird als erster Peak 88 bzw. zweiter Peak 92 erfasst. Das Signalmaximum 82 ergibt sich aus dem arithmetischen Mittel aus dem ersten Peak 88 und zweiten Peak 92. In alternativen Ausführungsformen kann das Signalmaximum 82 dem ersten Peak 88 und/oder dem zweiten Peak 92 und/oder dem kleineren oder größeren Maximum der Doppelpeakstruktur 94 entsprechen. Auf diese Weise kann eine Charakteristik bzw. technische Besonderheiten einer für die Erfassung der Verbrennungskenngröße 84 vorgesehenen Vorrichtung berücksichtigt werden. Es ist auch denkbar, dass das Signalmaximum 82 mithilfe einer Funktion bzw. Vorschrift aus dem ersten Peak 88 und/oder dem zweiten Peak 90 und/oder weiteren charakteristischen Punkten der Doppelpeakstruktur 94, beispielsweise der ersten Senke 90, und/oder Punkten einer mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung 60 korrelierten zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße 84 ermittelt wird. Beispielsweise kann das Signalmaximum 82 aus einem gewichteten arithmetischen Mittel aus dem ersten Peak 88 und zweiten Peak 92 ermittelt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel wird das Auftreten einer Doppelpeakstruktur 94 bzw. die Absenkung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 auf einen Wert kleiner 1 sichergestellt, in dem für jeden zweiten Brennerleistungsparameter 95 durch Labortests eine ausreichend große Fluidzufuhränderung 60 ausgewählt ist, so dass infolge dieser Fluidzufuhränderung 60 in allen Betriebszuständen und unter weitgehend allen Umweltbedingungen stets das Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 unterhalb von 1 gesenkt wird, insbesondere bei einem vorliegenden Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 größer 1, insbesondere bei einem vorliegenden Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 größer 1.3. Die Zusammenhänge zwischen der benötigten Pulshöhe 76 bzw. der benötigten Pulsbreite 78 sind abhängig von der Gebläsedrehzahl 96 in der Steuereinheit 18 gespeichert.
  • Es ist denkbar, dass die Fluidzufuhränderung 60 in alternativen Ausführungsformen in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter und/oder einen Messwert ausgewählt wird, insbesondere von einem die Leistung des Heizsystems 46 beschreibenden Parameter. In solchen Ausführungsformen sind die in Labortests ermittelten Zusammenhänge zwischen der benötigten Fluidzufuhränderung 60, beispielsweise charakterisiert durch die Pulshöhe 76 und/oder die Pulsbreite 78, in Abhängigkeit von dem mindestens einem Betriebsparameter und/oder Messwert in der Steuereinheit 18 gespeichert.
  • Ist eine Doppelpeakstruktur 94 innerhalb einer Ermittlungszeit nicht ermittelbar, kann kein Signalmaximum 82 ermittelt werden. Die Ermittlungszeit hat die Länge einer in der Steuereinheit 18 hinterlegten, vorher festgelegten Zeitschwelle. Die Ermittlungszeit beginnt mit der Fluidzufuhränderung 60 bzw. mit dem ersten Zeitpunkt 72. In alternativen Ausführungsformen beginnt die Ermittlungszeit mit dem Ende der Fluidzufuhränderung 60 oder mit dem Ende einer Zeitverzögerung nach der Fluidzufuhränderung 60. Die Größe der Ermittlungszeit wird vorher in Laborversuchen ermittelt und berücksichtigt eine Fließdauer des Fluids vom Dosierer 34 bis zum Brenner 28. Es ist denkbar, dass die Ermittlungszeit in Abhängigkeit von einem die Leistung des Heizsystems 46 beschreibenden Parameter ermittelt bzw. ausgewählt wird. Kann kein Signalmaximum 82 ermittelt werden, wird im Ausführungsbeispiel das Heizsystem 46 mit Hilfe einer Flammenionisationskennlinie 124 geregelt (siehe Erläuterungen unten und Figur 7). Es ist denkbar, dass in Varianten des Verfahrens 54 die Fluidzufuhränderung 60 im nächsten Iterationsschritt vergrößert wird, falls kein Signalmaximum 82 bzw. keine Doppelpeakstruktur 94 ermittelt werden konnte.
  • In einem Schritt 101 (siehe Figur 2) wird die Sauerstoffkonzentration 103 ermittelt. Dazu wird beispielsweise der Quotient aus dem Wert des ersten Peaks 88 und dem Wert des zweiten Peaks 92 berechnet. Anschließend wird dem ermittelten Quotienten die Sauerstoffkonzentration 103 zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist dazu in der Steuereinheit 18 eine lineare Funktion hinterlegt, welche dem Quotienten die dazugehörige Sauerstoffkonzentration 103 zuordnet.
  • In alternativen Ausführungsformen ist in der Steuereinheit 18 eine Tabelle hinterlegt, in welcher Wertepaare aus Quotienten und zugehöriger Sauerstoffkonzentration hinterlegt sind. Ist ein ermittelter Quotient nicht in der Tabelle hinterlegt, kann die zugehörige Sauerstoffkonzentration aus den zwei nächstliegenden in der Tabelle gespeicherten Wertepaaren interpoliert werden, insbesondere linear interpoliert werden. Ein in der Steuereinheit hinterlegte Tabelle mit Wertepaaren aus Quotienten und Sauerstoffkonzentrationen hat den Vorteil, dass auf diese Weise insbesondere nicht lineare Zusammenhänge zwischen dem Quotienten und der Sauerstoffkonzentration berücksichtigt werden können.
  • Figur 5 illustriert beispielhaft einen Zusammenhang zwischen dem Quotienten und der Sauerstoffkonzentration 103. Auf der zweiten Ordinatenachse 105 ist der Quotient aufgetragen. Auf der dritten Abszisse 107 ist die Sauerstoffkonzentration 103 aufgetragen. Der in Figur 5 abgebildete Verlauf des Zusammenhangs zwischen dem Quotienten und der Sauerstoffkonzentration 103 ist weitgehend linear. In Figur 5 sind beispielhaft drei Wertepaare 109 aus Quotient und Sauerstoffkonzentration 103 abgebildet. Ein erstes Wertepaar 109a zeigt einen Quotienten von 0.95 und eine Sauerstoffkonzentration 103a von 2.7 %. Ein zweites Wertepaar 109b zeigt einen
  • Quotienten von 0.92 und eine Sauerstoffkonzentration 103b von 3.5 %. Ein drittes Wertepaar 109c zeigt einen Quotienten von 0.68 und eine Sauerstoffkonzentration 103c von 6.2 %.
  • In einem Schritt 102 (siehe Figur 2) wird ein erster Brennerleistungsparameter 104 ermittelt. Die Steuereinheit 18 ermittelt beispielsweise einen zweiten Zeitpunkt 106, an welchem der lonisationsstrom 86 den ersten Peak 88 annimmt (siehe Figur 3).
  • Im Ausführungsbeispiel speichert die Steuereinheit 18 bevorzugt einen zeitlichen Verlauf des lonisationsstroms 86. Ein erster Zeitunterschied 108 zwischen dem ersten Zeitpunkt 72 und dem zweiten Zeitpunkt 106 wird vorteilhaft ermittelt. Der so ermittelte erste Zeitunterschied 108 beschreibt insbesondere einen Zeitabstand zwischen dem Erzeugen der Fluidzufuhränderung 60 und dem Ermitteln der daraus resultierenden zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße. Der erste Zeitunterschied 108 ist ein Maß für eine Fließgeschwindigkeit eines zum Brenner 28 fließenden Brennstoff-Luft-Gemischs. Aufgrund der bekannten und weitgehend konstanten Maße der das Brennstoff-Luft-Gemisch transportierenden Verrohrung 22 ist der erste Zeitunterschied 108 eine Maß für einen Volumenfluss des Brennstoff-Luft-Gemischs. Damit ist der erste Zeitunterschied 108 ein die Leistung des Heizsystems 46 beschreibender Parameter. In der Steuereinheit 18 ist eine Zeit-Brennerleistung-Funktion 110 gespeichert, welche dem ersten Zeitunterschied 108 den ersten Brennerleistungsparameter 104 zuordnet. Im Ausführungsbeispiel ist die Zeit-Brennerleistung-Funktion 110 eine rationale Funktionsvorschrift, anhand welcher die Steuereinheit 18 den ersten Brennerleistungsparameter 104 aus dem ersten Zeitunterschied 108 berechnet. Die Zeit-Brennerleistung-Funktion 110 ist durch Labortests ermittelt. Im Ausführungsbeispiel ist die Zeit-Brennerleistung-Funktion 110 so gewählt, dass die Werte des ersten Brennerleistungsparameters 104 im Wertebereich des zweiten Brennerparameters 95 liegen und einander entsprechen. Auf diese Weise sind der erste Brennerleistungsparameter 104 und der zweite Brennerleistungsparameter 95 miteinander vergleichbar, insbesondere kann jeweils einer der Brennerleistungsparameter zur Kontrolle bzw. Überprüfung des anderen Brennerleistungsparameters verwendet werden. Figur 6 zeigt die Zeit-Brennerleistung-Funktion 110. Eine vierte Abszissenachse 112 stellt den ersten Brennerleistungsparameter 104 dar. Auf einer dritten Ordinatenachse 114 ist der erste Zeitunterschied 108 dargestellt. Der erste Brennerleistungsparameter 104 ist umso größer, je kleiner der erste Zeitunterschied 108 ist.
  • In alternativen Varianten ist die Zeit-Brennerleistung-Funktion 110 als Wertetabelle in der Steuereinheit 18 gespeichert. Dabei ist ein Wertebereich für den ersten Zeitunterschied 108 zumindest in Intervalle unterteilt und die Wertetabelle ordnet jedem dieser Intervalle einen ersten Brennerleistungsparameter 104 zu. Vorteilhaft weist der Wertebereich für den ersten Zeitunterschied 108 solche Werte für erste Zeitunterschiede 108 auf, welche einen zumindest weitgehend vollständigen Leistungsbereich des Heizsystems 46 abbildenden. In weiteren Ausführungsformen wird der erste Zeitunterschied 108 zwischen dem ersten Zeitpunkt 72 und einem dritten Zeitpunkt 118 ermittelt, an welchen der lonisationsstrom 86 die erste Senke 90 annimmt, oder zwischen dem ersten Zeitpunkt 72 und einem vierten Zeitpunkt 120 ermittelt, an welchem der lonisationsstrom 86 den zweiten Peak 92 annimmt, oder dem ersten Zeitpunkt 72 und einem Zeitpunkt ermittelt, an welchem zum ersten Mal festgestellt wird, dass der lonisationsstrom 86 stärker als ein Signalrauschen vom lonisationsstromnormalwert 100 abweicht. Es ist auch denkbar, dass das Erzeugen der Fluidzufuhränderung 60 mit einem Zeitpunkt beschrieben wird, an dem die Fluidzufuhrkenngröße 62 den Maximalzufuhrwert 74 erreicht oder wieder den Normalwert 70 annimmt.
  • In einem weiteren Schritt 116 wird eine Sollverbrennungskenngröße 130 basierend auf der Sauerstoffkonzentration 103 und auf dem ersten Brennerleistungsparameter 104 bestimmt (siehe Figur 2). Im Ausführungsbeispiel wird dazu zunächst das im Schritt 80 aus der Doppelpeakstruktur 94 ermittelte Signalmaximum 82 korrigiert. Aus dem ersten Brennerleistungsparameter 104 wird in Verbindung mit dem zweiten Brennerleistungsparameter 95 ein Korrekturwert 122 ermittelt. Figur 7 zeigt die in der Steuereinheit 18 hinterlegte Flammenionisationskennlinie 124. Die Flammenionisationskennlinie 124 beschreibt den Zusammenhang zwischen dem zweiten Brennerleistungsparameter 95 und dem lonisationsstrom 86 bei einem vorgegebenen Brennstoff-Luft-Verhältnis 56. Eine fünfte Abszissenachse 126 zeigt den zweiten Brennerleistungsparameter 95 bzw. den ersten Brennerleistungsparameter 104. Auf der ersten Ordinatenachse 68 ist der lonisationsstrom 86 abgebildet. Figur 7 zeigt eine Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1. Die Flammenionisationskennlinie 124 wird empirisch ermittelt und ist in der Steuereinheit 18 abgelegt. In der Steuereinheit 18 sind mehrere Flammenionisationskennlinien 124 für unterschiedliche Brennstoff-Luft-Verhältnisse 56 gespeichert. Im Ausführungsbeispiel sind die Flammenionisationskennlinien 124 rationale Funktionsvorschriften. Im Ausführungsbeispiel werden die Flammenionisationskennlinien 124 durch das Verfahren 54 aktualisiert, falls das notwendig ist (siehe Schritt 134).
  • In Schritt 116 wird eine Leistungsdifferenz 128 zwischen dem zweiten Brennerleistungsparameter 95 und dem ersten Brennerleistungsparameter 104 ermittelt. Die Steuereinheit 18 ordnet der Leistungsdifferenz 128 den Korrekturwert 122 zu. Dazu wird mithilfe der Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1 an der Position des aktuellen zweiten Brennerleistungsparameters 95 der Leistungsdifferenz 128 eine Differenz im lonisationsstrom 86 zugeordnet, welche den Korrekturwert 122 darstellt. Alternativ kann dem aktuellen zweiten Brennerleistungsparameter 95 mithilfe der Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1 ein erster lonisationswert zugeordnet werden und dem ersten Brennerleistungsparameter 104 ein zweiter lonisationswert zugeordnet werden. Der Korrekturwert 122 wird aus der Differenz zwischen dem ersten lonisationswert und dem zweiten lonisationswert ermittelt. Das Signalmaximum 82 wird korrigiert, in dem zu seinem Wert der Korrekturwert 122 addiert wird. Der Korrekturwert 122 und/oder die Leistungsdifferenz können jeweils positive oder negative Werte oder den Wert Null annehmen. Ein Vorteil des Korrekturwerts 122 wird unten erläutert.
  • Im Ausführungsbeispiel wird die Sollverbrennungskenngröße 130 als das Produkt aus dem korrigierten Signalmaximum 84,einem Kalibrierungsfaktor 132 und einem Kompensationsfaktor ermittelt. Der Kalibrierungsfaktor 132 ist ein in der Steuereinheit 18 hinterlegter Wert zwischen 0 und 1. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Kalibrierungsfaktor 132 0.75. In alternativen Varianten nimmt der Kalibrierungsfaktor 132 Werte zwischen 0.6 und 0.9 an. Im Ausführungsbeispiel ist der Kalibrierungsfaktor 132 eine empirisch ermittelte Konstante. Die Sollverbrennungskenngröße 130 wird im Datenspeicher 48 der Steuereinheit 18 gespeichert.
  • Der Kompensationsfaktor hängt vom in Schritt 101 ermittelten Wert der Sauerstoffkonzentration 103 ab. Vorteilhaft ist in der Steuereinheit 18 eine rationale Funktion hinterlegt, welche der Sauerstoffkonzentration 103 den Kompensationsfaktor zuordnet. Vorteilhaft hat der Kompensationsfaktor einen Wert, welcher zwischen 0.6 und 1.4, bevorzugt 0.8 und 1.2, besonders bevorzugt zwischen 0.9 und 1.1 liegt. Vorteilhaft steigt der Kompensationsfaktor mit der Sauerstoffkonzentration 103 stetig an. Bevorzugt hat der Kompensationsfaktor den Wert 1 oder einen Wert nahe 1, wenn die Sauerstoffkonzentration 103 in einem gewünschten Bereich liegt. Liegt die Sauerstoffkonzentration 103 unterhalb eines gewünschten Bereichs, hat der Kompensationsfaktor bevorzugt einen Wert kleiner als 1. Denn wenn die Sauerstoffkonzentration 103 zu niedrig ist, deutet das auf ein zu niedrigen Wert des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 86 hin. Entsprechend der Darstellung in Figur 4 deutet das darauf hin, dass die früher verwendete Sollverbrennungskenngröße 130 zu groß ist. Daher wird in einem solchen Fall bevorzugt ein Kompensationsfaktor kleiner als 1 gewählt, um die neue Sollverbrennungskenngröße 130 nach unten zu korrigieren. Entsprechend hat der Kompensationsfaktor bevorzugt einen Wert größer als 1, wenn die Sauerstoffkonzentration 103 oberhalb eines gewünschten Bereichs liegt.
  • In Figur 8 ist beispielhaft ein Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration 103 und dem Kompensationsfaktor abgebildet. Auf der vierten Ordinatenachse 131 ist der Kompensationsfaktor aufgetragen. Auf der dritten Abszissenachse 107 ist die Sauerstoffkonzentration 103 aufgetragen. Aus dem im Figur 8 aufgetragenen funktionellen Zusammenhang wird bevorzugt der ermittelten Sauerstoffkonzentration 103 der Kompensationsfaktor zugeordnet. Beispielhaft sind drei Wertepaare 133 aus Kompensationsfaktor und Sauerstoffkonzentration 103 des funktionellen Zusammenhangs abgebildet. Ein erstes Wertepaar 133a zeigt einen Kompensationsfaktor von 0.82 und eine Sauerstoffkonzentration 103d von 2.0 %. Ein zweites Wertepaar 133b zeigt einen Kompensationsfaktor von 1.00 und eine Sauerstoffkonzentration 103e von 4.21 %. Ein drittes Wertepaar 133c zeigt einen Kompensationsfaktor von 1.30 und eine Sauerstoffkonzentration 103f von 6.4%. Das zweite Wertepaar 133b repräsentiert einen bevorzugte Sauerstoffkonzentration 103e, bei welcher keine Kompensation bzw. Korrektur notwendig ist, daher hat der Kompensationsfaktor den Wert 1.0. Unterhalb von der bevorzugten Sauerstoffkonzentration 103e liegenden Sauerstoffkonzentrationen 103, wie beispielsweise 103d, wird ein Kompensationsfaktor kleiner als Eins zugeordnet. Oberhalb von der bevorzugten Sauerstoffkonzentration 103e liegenden Sauerstoffkonzentrationen 103, wie beispielsweise 103c, wird ein Kompensationsfaktor größer als Eins zugeordnet.
  • Bevorzugt ist ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Kompensationsfaktor, wie beispielsweise in Figur 8 abgebildet, in Abhängigkeit vom ersten Brennerleistungsparameter 104 und/oder zweiten Brennerleistungsparameter 95 und/oder einem anderen Parameter, welcher die Leistung des Heizgeräts charakterisiert, hinterlegt bzw. abgespeichert. Dieser Zusammenhang kann insbesondere in der Form einer rationalen Funktion und/oder einer Wertetabelle vorliegen, wobei Werte zwischen den Einträgen der Wertetabelle bevorzugt interpoliert werden, beispielsweise linear interpoliert werden.
  • In Varianten des Ausführungsbeispiels wird in einem optionalen Schritt, welcher bevorzugt unmittelbar dem Ermitteln 101 der Sauerstoffkonzentration 103 folgt, überprüft ob die ermittelte Sauerstoffkonzentration 103 einen hinterlegten kritischen Maximalwert überschreitet oder einen hinterlegten kritischen Minimalwert unterschreitet. Beispielsweise sind der kritische Maximalwert und/oder der kritische Minimalwert in der Steuereinheit 18 gespeichert, bevorzugt im Datenspeicher 48. Beispielsweise liegt der kritische Maximalwert der Sauerstoffkonzentration 103c zwischen 4 % und 9 %, bevorzugt zwischen 5 % und 8 %, besonders bevorzugt zwischen 6 % und 7 %. Beispielsweise liegt der kritische Minimalwert der Sauerstoffkonzentration 103 zwischen 1 % und 6 %, bevorzugt zwischen 2 % und 5 %, besonders bevorzugt zwischen 3 % und 4 %. Dabei ist der hinterlegte kritische Minimalwert kleiner als der hinterlegte kritische Maximalwert.
  • Unterschreitet der ermittelte Wert der Sauerstoffkonzentration 103 den kritischen Minimalwert oder überschreitet der ermittelte Wert der Sauerstoffkonzentration 103 den kritischen Maximalwert, so wird bevorzugt eine Kalibrierung des Heizsystems durchgeführt. Insbesondere kann das Verfahren 54 unterbrochen oder abgebrochen werden, um die Kalibrierung durchzuführen.
  • In einem weiteren Schritt 134 wird das Heizsystem 46 auf Basis der in Schritt 116 ermittelten Sollverbrennungskenngröße 130 geregelt. Im Ausführungsbeispiel wird das Heizsystem 46 mithilfe der in der Steuereinheit 18 hinterlegten Flammenionisationskennlinie 124 geregelt. Es wird eine Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1.3 verwendet. Falls notwendig, wird die Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis von 56 1.3 durch die im Schritt 116 ermittelte Sollverbrennungskenngröße 130 aktualisiert. Dazu wird der aktuellen Gebläsedrehzahl 96 unter Verwendung der Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1.3 ein Wert des lonisationsstromes 86 zugeordnet und mit der in Schritt 116 ermittelten Sollverbrennungskenngröße 130 verglichen. Übersteigt die relative Abweichung eine vorher festgelegte Toleranzgröße, wird die Flammenionisationskennlinie 124 aktualisiert, indem die zugehörige rationale Funktionsvorschrift verändert wird. Im Ausführungsbeispiel wird diese rationale Funktionsvorschrift in der Art geändert, sodass die den zweiten Brennerleistungsparameter 95 zugeordneten aktualisierten Werte des lonisationsstroms 86 mit einem Korrekturfaktor multipliziert werden. Der Korrekturfaktor gleicht der Sollverbrennungskenngröße 130 geteilt durch den entsprechenden Wert des lonisationsstroms 86 vor der Aktualisierung.
  • Wird im Ausführungsbeispiel die Gebläsedrehzahl 96 verändert und liegt für diesen veränderten zweiten Brennerleistungsparameter 95 keine in einem Schritt 116 ermittelte Sollverbrennungskenngröße 130 vor, so wird die Sollverbrennungskenngröße 130 aus der Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1.3 verwendet. Ändert sich das gewünschte Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 und liegt für diesen veränderten Betriebsparameter keine in einem Schritt 116 ermittelte Sollverbrennungskenngröße 130 vor, so wird die Sollverbrennungskenngröße 130 aus der in der Steuereinheit 18 gespeicherten Flammenionisationskennlinie 124 für das entsprechende Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 verwendet. In alternativen Ausführungsformen wird unabhängig vom aktuell vorliegenden zweiten Brennerleistungsparameter 95 und/oder Betriebsparametern die als letztes in einem Schritt 116 ermittelte Sollverbrennungskenngröße 130 für die Regelung des Heizsystems 46 verwendet.
  • Im Ausführungsbeispiel wird das Heizsystem 46 auf Basis einer Sollverbrennungskenngröße 130 geregelt, welche in Abhängigkeit vom zweiten Brennerleistungsparameter 95 und der passenden Flammenionisationskennlinie 124 ermittelt wird, falls eine Sollverbrennungskenngröße 130 im Schritt 116 nicht ermittelbar ist, beispielsweise, weil in Schritt 80 kein Signalmaximum 82 ermittelbar ist.
  • In Schritt 134 wird im Ausführungsbeispiel der Normalwert 70 des Steuersignals 64 durch die Steuereinheit 18 so gewählt bzw. an das Brennstoffventil 44 übermittelt, dass der lonisationsstrom 86 den Wert der Sollverbrennungskenngröße 130 annimmt. Dazu wird im Ausführungsbeispiel ein geschlossener Regelkreis verwendet, wobei der lonisationsstrom 86 eine Regelgröße, das Steuersignal 64 eine Stellgröße und die Sollverbrennungskenngröße 130 eine Führungsgröße ist.
  • Das Verfahren 54 wird im Ausführungsbeispiel wiederholt. Ein Zeitabstand zwischen den Iterationen des Verfahrens 54 wird abhängig vom Betriebszustand des Heizsystems 46 und von äußeren Bedingungen gewählt. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Zeitabstand zwischen 2 Sekunden 240 Sekunden, bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 120 Sekunden, besonders bevorzugt 30 Sekunden. In Varianten des Ausführungsbeispiels wird das Verfahren 54 weitgehend periodisch ausgeführt. Ein Zeitabstand zwischen den Iterationen des Verfahrens 54 ist weitgehend konstant. In weiteren Ausführungsformen wird die Ausführung des Verfahrens 54 durch ein Ereignis ausgelöst, insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Heizsystems 46. Beispielsweise kann das Verfahren 54 bei einer Fehlmessung der Verbrennungskenngröße 84 und/oder bei einem Neustart des Heizsystems 46 und/oder bei ungewöhnlichen Veränderungen von erfassten Messwerten, insbesondere von der Verbrennung abhängigen Messwerten, ausgeführt werden. In bevorzugten Varianten wird das Verfahren 54 zumindest weitgehend einmal in 24 Stunden durchgeführt.
  • Im Ausführungsbeispiel werden die Schritte 80 und 102 weitestgehend parallel ausgeführt. Diese können auch in beliebiger Reihenfolge hintereinander ausgeführt werden. Für das Verfahren 54 spielt die Reihenfolge der Schritte 80 und 102 keine Rolle. Im Ausführungsbeispiel wird in Schritt 102 der erste Brennerleistungsparameter 104 in Abhängigkeit von der Fluidzufuhränderung 60 ermittelt. In alternativen Ausführungsformen kann der erste Brennerleistungsparameter 104 unabhängig von der Fluidzufuhrkenngröße 60 ermittelt werden, beispielsweise durch eine Temperaturmessung an der Flamme 40 und/oder durch eine Messung eines Brennstoffflusses durch einen Masseflusssensor. In diesen Ausführungen kann der Schritt 102 an einer beliebigen Position vor dem Schritt 116 ausgeführt werden, insbesondere vor dem Schritt 58.
  • Es ist denkbar, dass in Varianten der Ausführungsform die Flammenionisationskennlinie 124 (siehe Figur 7) den Zusammenhang zwischen dem ersten Brennerleistungsparameter 95 und dem lonisationsstrom 86 beschreibt. In diesen Varianten wird der Regelung des Heizsystems bzw. dem Verfahren 54 die Leistung des Heizsystems 46 durch ausreichend häufiges Ermitteln des ersten Brennerleistungsparameter 95 bestimmt. Der zweite Brennerleistungsparameter 95 dient zur Korrektur, beispielsweise über die Leistungsdifferenz 128.
  • Weiterhin ist es denkbar, dass in weiteren Varianten der Ausführungsform in Schritt 116 zur Korrektur des Signalmaximums 82 der Korrekturwert 122 aus der Leistungsdifferenz 128 und einer in der Steuereinheit 18 hinterlegten Flammenionisationskennlinie 124 für ein Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 von 1.3 oder für einen gewünschten Wert des Brennstoff-Luft-Verhältnisses 56 ermittelt wird. In anderen Ausführungsformen ist der Korrekturwert 122 eine in der Steuereinheit hinterlegte, empirisch ermittelte Konstante.
  • Im Ausführungsbeispiel wird in Schritt 116 die Sollverbrennungskenngröße 130 durch eine Produktbildung vom Signalmaximum 82 mit dem Kalibrierungsfaktor 132 ermittelt. In alternativen Ausführungsformen wird die Sollverbrennungskenngröße 130 durch die Steuereinheit 18 mithilfe einer Funktionsvorschrift, insbesondere einer rationalen Funktionsvorschrift, aus dem Signalmaximum 82 ermittelt. Es ist denkbar, dass diese Funktionsvorschrift von weiteren Betriebsparametern abhängt.
  • Im Ausführungsbeispiel ist der Kalibrierungsfaktor 132 eine in der Steuereinheit 18 gespeicherte Konstante. In alternativen Ausführungsformen wird der Kalibrierungsfaktor 132 in Abhängigkeit vom ersten Brennerleistungsparameter 104 und/oder am zweiten Brennerleistungsparameter 95 ermittelt. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass sich im Allgemeinen der einem gewünschten Brennstoff-Luft-Verhältnis 56 entsprechende lonisationsstrom 86 um einen leistungsabhängigen Faktor vom Signalmaximum 82 des lonisationsstroms 86 unterscheidet. Dieser Umstand wird im Ausführungsbeispiel durch die Berücksichtigung des Korrekturwerts 122 berücksichtigt. In besonderen Varianten dieser alternativen Ausführungsformen ist der Korrekturwert 122 eine Konstante, insbesondere mit dem Wert Null.
  • Im Ausführungsbeispiel hat die Fluidzufuhränderung 60 weitgehend die Form einer Rampe. In alternativen Ausführungsformen hat die Fluidzufuhränderung 60 weitgehend eine Dreiecksform. Das hat den Vorteil, dass der zweite Peak 92 der Doppelpeakstruktur 94 besonders deutlich ausgebildet wird. In weiteren Ausführungsformen hat die Fluidzufuhränderung 60 eine weitgehend rechteckige Form und/oder weitgehend die Form eines Sinus und/oder weitgehend die Form einer Gaußkurve. Diese Fluidzufuhränderungen 60 sind besonders für kurze Pulse geeignet.
  • In alternativen Ausführungsformen wird in einem zusätzlichen Schritt eine zusätzliche Fluidzufuhränderung erzeugt. Die zusätzliche Fluidzufuhränderung ist der Fluidzufuhränderung 60 weitgehend entgegengesetzt. Auf diese Weise entspricht die mittlere Fluidzufuhrkenngröße 62 über einen Zeitraum, welcher die Fluidzufuhränderung 60 und die zusätzlichen Fluidzufuhränderung umfasst weitgehend dem Normalwert 70. In bevorzugten Ausführungsformen gleicht der Graph des zeitlichen Verlaufes der Fluidzufuhrkenngröße 62 der Fluidzufuhränderung 126 weitgehend dem am Normalwert 70 gespiegelten und zeitlich verschobenen Graphen des zeitlichen Verlaufs der Fluidzufuhrkenngröße 62 der Fluidzufuhränderung 60. Wird beispielsweise die Fluidzufuhränderung 60 durch einen weitgehend rampenförmigen Puls mit einer bestimmten positiven Pulshöhe 76 und einer bestimmten Pulsbreite 78 realisiert, so wird die zusätzliche Fluidzufuhränderung durch einen weitgehend rampenförmigen Puls mit einer weitgehend gleichen Pulsbreite 78 und einer zusätzlichen Pulshöhe gewählt, welche vom Betrag der Pulshöhe 76 des ersten weitgehend rampenförmigen Pulses der Fluidzufuhränderung 60 weitgehend entspricht und negativ ist. Dabei kann dieser zusätzliche Schritt an einer beliebigen Stelle im Verfahren 54 ausgeführt werden In bevorzugten Ausführungsformen ist der zusätzliche Schritt so positioniert, dass die zusätzliche Fluidzufuhränderung die mit der Fluidzufuhränderung 60 korrelierten Änderung der Verbrennungskenngröße 84 nicht beeinflusst. Bevorzugt wird der zusätzliche Schritt nach dem Schritt 58 ausgeführt, besonders bevorzugt nach dem Schritt 80.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 ein Steuersignal 64 an das Brennstoffventil 44. In alternativen Ausführungsformen ist die Fluidzufuhrkenngröße 62 ein vom Steuersignal 64 ableitbarer skalarer Wert. In weiteren Varianten entspricht die Fluidzufuhrkenngröße 62 einem Steuersignal 64 zum Dosieren einer Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und einer Verbrennungsluft. Dabei setzt enthält das durch die Steuereinheit 18 gesendete Steuersignal 64 aus mindestens einem Steuerbefehl an mindestens einen Dosierer 34 zusammen. Der mindestens eine Dosierer 34 ist mindestens ein Brennstoffventil 44 und/oder mindestens ein Gebläse 32. In alternativen Ausführungsformen wird ein Dosierungswert des Dosierers 34 gemessen und als Fluidzufuhrkenngröße 62 verwendet. Dabei ist unter "Dosierungswert" ein Kennwert zu verstehen, der den Zustand des Dosierers 34 beschreibt und der Rückschlüsse auf die durch den Dosierer 34 zugeführte und/oder durchgelassene Stoffmenge erlaubt. Ein Beispiel für ein Dosierungswert ist eine gemessene Öffnungsweite des Brennstoffventils 44 und/oder ein gemessener Brennstofffluss.
  • Im Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskenngröße 84 ein lonisationsstrom 86. Der lonisationsstrom 86 wird durch eine lonisationsstrommessung an einer Flamme 40 des Heizsystems 46 bestimmt. Der lonisationsstrom 86 wird durch die lonisationssonde 42 ermittelt und an die Steuereinheit 18 übermittelt. In weiteren Ausführungsformen ist die Verbrennungskenngröße 84 eine Lichtintensität, ein Spektrum, ein Lambda-Wert, ein Schadstoffausstoß und/oder eine Temperatur. Dabei wird die Lichtintensität und/oder das Spektrum an der Flamme 40 durch mindestens eine Fotodiode ermittelt. Der Lambda-Wert wird mit einer Lambda-Sonde in einem Abgas gemessen. Das Abgassystem 38 weist die Lambda-Sonde auf. Der Schadstoffausstoß wird durch eine Sensorvorrichtung ermittelt, welche sich an der Flamme 40 und/oder im Abgassystem 38 befindet. Die Temperatur wird durch ein Kontaktthermometer und/oder ein berührungslos arbeitendes Thermometer, insbesondere ein Pyrometer bestimmt. Dabei kann sich das Thermometer im Abgassystem 38 befinden und/oder die Flamme 40 vermessen.
  • Im Ausführungsbeispiel wird der erste Brennerleistungsparameter 104 aus dem ersten Zeitunterschied 108 zwischen dem ersten Zeitpunkt 72 und dem zweiten Zeitpunkt 106 ermittelt. In alternativen Ausführungsformen wird der erste Brennerleistungsparameter 104 aus einem zweiten Zeitunterschied 136 zwischen dem zweiten Zeitpunkt 106 und dem dritten Zeitpunkt 118 und/oder aus einem dritten Zeitunterschied 138 zwischen dem zweiten Zeitpunkt 106 und dem vierten Zeitpunkt 120 ermittelt (siehe Figur 3). Der zweite Zeitunterschied 136 und der dritte Zeitunterschied 138 sind ein Maß für eine zeitliche Breite der Doppelpeakstruktur 94. Die zeitliche Breite der Doppelpeakstruktur 94 ist ein Maß für eine Fließgeschwindigkeit eines zum Brenner 28 fließenden Brennstoff-Luft-Gemischs. Damit beschreiben der zweite Zeitunterschied 136 und der dritte Zeitunterschied 138, wie der erste Zeitunterschied 108, die Leistung des Heizsystems 46. Es können der erste Zeitunterschied 108, der zweite Zeitunterschied 136 oder der dritte Zeitunterschied 138 beliebig kombiniert zur Ermittlung des ersten Brennerleistungsparameters 104 eingesetzt werden. Auf diese Weise können insbesondere Meßungenauigkeiten bei der Ermittlung des ersten Zeitunterschieds 108 und/oder des zweiten Zeitunterschieds 136 und/oder des dritten Zeitunterschieds 138 berücksichtigt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel ist der zweite Brennerleistungsparameter 95 eine Gebläsedrehzahl 96. In alternativen Ausführungsformen der zweite Brennerleistungsparameter 95 und/oder der erste Brennerleistungsparameter 104 eine gemessene Gebläsedrehzahl und/oder eine Temperatur und/oder eine Luftdurchflussmenge und/oder eine Durchflussmenge des Luft-Brennstoff-Gemisches und/oder eine Leistung des Gebläses. Dabei kann die Luftdurchflussmenge bzw. die Durchflussmenge des Luft-Brennstoff-Gemisches als ein Volumenfluss oder als ein Massenfluss bestimmt werden. Diese Parameter können auch in Kombination eingesetzt werden. Die Temperatur kann im Abgassystem 38 und/oder von der Flamme 40 bestimmt werden. Der erste Brennerleistungsparameter 104 und der zweite Brennerleistungsparameter 95 werden jeweils mit unterschiedlichen Methoden bestimmt.
  • Im Ausführungsbeispiel wird die Fluidzufuhränderung 60 abhängig vom zweiten Brennerleistungsparameter 95 gewählt. Die Pulshöhe 76 und Pulsbreite 78 hängen jeweils linear von der Gebläsedrehzahl 96 ab. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Heizsystem 46 durch die Fluidzufuhränderung 60 nicht zu stark in seinem Regelbetrieb gestört wird. In alternativen Ausführungen weist die Fluidzufuhränderung 60 einen funktionalen Zusammenhang zum zweiten Brennerleistungsparameter 95 auf. Der funktionale Zusammenhang ist so gewählt, dass eine gute Detektion des Signalmaximums 82 unter der Berücksichtigung der technischen Eigenschaften des Heizsystems 46 möglich ist. Treten beispielsweise bei bestimmten Gebläsedrehzahlen 96 Resonanzen auf, welche das Signalrauschen des lonisationsstroms 86 vergrößern, so wird bei diesen Gebläsedrehzahlen 96 die Fluidzufuhränderung 60 erhöht. In weiteren Ausführungsformen wird die Fluidzufuhränderung abhängig vom zweiten Brennerleistungsparameter 95 und/oder ersten Brennerleistungsparameter 104 gewählt. Auf diese Weise wird die Fluidzufuhränderung 60 genauer an eine tatsächliche Leistung des Heizsystems 46 angepasst. Optional kann, beispielsweise falls der Schritt 102 noch nicht ausgeführt wurde, ein erster Brennerleistungsparameter 104 aus einer vorherigen Iteration des Verfahrens 54 verwendet werden.

Claims (15)

  1. Verfahren (54) zur Einstellung und Regelung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses (56) in einem Heizsystem (46) mit einem Sensor zur Erfassung einer Verbrennungskenngröße (84), insbesondere eines lonisationsstroms (86), welches die folgenden Schritte umfasst:
    • Erzeugen (58) einer vorübergehenden, zeitlichen Fluidzufuhränderung (60) einer Fluidzufuhrkenngröße (62) welche dazu vorgesehen ist, eine zeitliche Änderung der Verbrennungskenngröße (84) zu erzeugen, wobei die Fluidzufuhränderung (60) so gewählt ist, dass die zeitliche Änderung der Verbrennungskenngröße (84) eine Doppelpeakstruktur (94) aufweist, welche zumindest einen ersten Peak (88), eine erste Senke (90) und einen zweiten Peak (92) aufweist,
    • Ermitteln (80) des ersten Peaks (88) und des zweiten Peaks (92) von der mit der zeitlichen Fluidzufuhränderung (60) korrelierten zeitlichen Änderung der Verbrennungskenngröße (84),
    • Ermitteln (101) einer Sauerstoffkonzentration (103) in Abhängigkeit von einem Quotienten aus dem ersten Peak (88) und dem zweiten Peak (92),
    • Ermitteln (102) eines ersten Brennerleistungsparameters (104),
    • Ermitteln (116) einer Sollverbrennungskenngröße (130) auf Basis der Sauerstoffkonzentration (103) und des ersten Brennerleistungsparameters (104),
    • Regeln des Heizsystems (46) auf Basis der Sollverbrennungskenngröße (130).
  2. Verfahren (54) nach Anspruch 1, wobei eine Kalibrierung des Heizsystems (46) durchgeführt wird, wenn die ermittelte Sauerstoffkonzentration (103) einen hinterlegten kritischen Maximalwert überschreitet oder einen hinterlegten kritischen Minimalwert unterschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Signalmaximum (82) aus dem ersten Peak (88) und/oder dem zweiten Peak (92) ermittelt wird und beim Ermitteln (116) der Sollverbrennungskenngröße berücksichtigt wird.
  4. Verfahren (54) nach Anspruch 3, wobei die Sollverbrennungskenngröße (130) durch eine Produktbildung vom Signalmaximum (82) mit einem Kalibrierungsfaktor (132) ermittelt wird.
  5. Verfahren (54) nach Anspruch 4, wobei beim Ermitteln (116) der Sollverbrennungskenngröße (130) ein Kompensationsfaktor berücksichtigt wird, welcher von der ermittelten Sauerstoffkonzentration (103) abhängt.
  6. Verfahren (54) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Kalibrierungsfaktor (132) in Abhängigkeit vom ersten Brennerleistungsparameter (104) und/oder von einem zweiten Brennerleistungsparameter (95) ermittelt wird.
  7. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zeitliche Fluidzufuhränderung (60) weitgehend die Form einer Rampe und/oder weitgehend eine Dreiecksform aufweist.
  8. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem zusätzlichen Schritt eine vorübergehende zeitliche zusätzliche Fluidzufuhränderung erzeugt wird, wobei diese zusätzliche Fluidzufuhränderung der Fluidzufuhränderung (60) weitgehend entgegengesetzt ist.
  9. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidzufuhrkenngröße (62) einem Steuersignal (64) zum Dosieren eines Brennstoffs und/oder der Verbrennungsluft und/oder einer Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft entspricht.
  10. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungskenngröße (84) durch eine lonisationstrommessung an einer Flamme (40) des Heizsystems (46) bestimmt wird.
  11. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennerleistungsparameter (104) aus einem ersten Zeitunterschied (108) zwischen dem Erzeugen der Fluidzufuhränderung (60) und dem Ermitteln der mit der Fluidzufuhränderung (60) korrelierten zeitlichen Änderung von der Verbrennungskenngröße (84) ermittelt wird.
  12. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennerleistungsparameter (104) aus der Doppelpeakstruktur (94) ermittelt wird, insbesondere aus einem zweiten Zeitunterschied (136) zwischen dem ersten Peak (88) und der ersten Senke (90) und/oder aus einem dritten Zeitunterschied (138) zwischen dem ersten Peak (88) und dem zweiten Peak (92).
  13. Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidzufuhränderung (60) abhängig von dem ersten Brennerleistungsparameter (104) und/oder dem bzw. einem zweiten Brennerleistungsparameter (95) gewählt wird.
  14. Steuereinheit (18) für ein Heizsystem (46), aufweisend einen Datenspeicher (48), eine Recheneinheit (50) sowie eine Kommunikationsschnittstelle (52), wobei über die Kommunikationsschnittstelle (52) Komponenten des Heizsystems (46) ansteuerbar sind, wobei die Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  15. Heizsystem (46) mit einer Steuereinheit (18) nach Anspruch 14, mit einem Dosierer (34) für einen Brennstoff und/oder Verbrennungsluft und/oder für eine Mischung aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft, sowie mit einer lonisationssonde (42) an einer Flamme (40) und mit einem Gebläse (32) mit variierbarer Gebläsedrehzahl (96).
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