EP3859210A1 - Verfahren zur optimierung eines toleranzbereichs einer regelungskennlinie einer elektronischen gemischregelung bei einem gasheizgerät - Google Patents

Verfahren zur optimierung eines toleranzbereichs einer regelungskennlinie einer elektronischen gemischregelung bei einem gasheizgerät Download PDF

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EP3859210A1
EP3859210A1 EP21153150.4A EP21153150A EP3859210A1 EP 3859210 A1 EP3859210 A1 EP 3859210A1 EP 21153150 A EP21153150 A EP 21153150A EP 3859210 A1 EP3859210 A1 EP 3859210A1
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fan
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means

Definitions

  • the invention relates to a method for optimizing a tolerance range of a control characteristic of an electronic mixture control using an ionization current control in a gas heater.
  • control characteristics in the map differ significantly for different types of gas, e.g. LPG or natural gas.
  • a tolerance range around the control characteristics, which is used for different types of gas, must be designed accordingly broadly around all control characteristics. In the case of a plausibility check of sensor values, compliant results are then delivered, although there is a significant deviation from the actual control characteristic, e.g. because a different type of gas is used.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method with which a tolerance range around the control characteristic can be narrowed and thus the safety of the gas heater can be increased.
  • a method for optimizing a tolerance range of a control characteristic of an electronic mixture control of gas and a specific fuel gas using an ionization current control in a gas heater with a burner and a fan is provided suggested.
  • a gas quantity of the gas supplied to the burner is regulated by the fan and a quantity of fuel gas is regulated by an electronically controlled fuel gas actuator through a control unit.
  • the method comprises the steps of a short-term, ie time-limited increase in the amount of fuel gas to enrich a fuel gas-gas mixture supplied to the burner during any operating point of the heater until an ionization signal detected at a burner flame of the burner has a maximum.
  • the air ratio of the fuel gas / gas mixture is equal to 1.0 (lambda value).
  • An ionization signal setpoint value for the specific fuel gas for example liquid gas or natural gas, is then calculated from the maximum of the ionization signal. This lambda value is often fixed with an excess of gas (excess air), in particular at 1.3. Thereafter, the adjustment of the fuel gas / gas mixture takes place until the calculated ionization signal setpoint value is reached via the actuator or actuators (fuel gas actuator, fan).
  • the fan speed of the fan is assigned to the position of the fuel gas control element and the control characteristic is determined in a map formed from the fan speed and the position of the fuel gas control element. The desired tolerance range is defined around the determined control characteristic for the specific fuel gas.
  • the tolerance range can be set around a single, clearly defined control characteristic and can therefore be made significantly smaller.
  • the tolerance range is at least 50% narrower in the range of the maximum fan speed compared to a tolerance range that takes at least two types of gas into account.
  • Operation outside the tolerance range can trigger a switch-off signal, which leads to the gas heater being switched off.
  • the calibration can be carried out again, i.e. the process steps beginning with enrichment are carried out again and a new control characteristic is established.
  • the tolerance range also serves as a plausibility check between the control of the fan and the fuel gas actuator and the actually recorded ionization signals to check the combustion. Any sensors used, for example a fuel gas quantity sensor, a gas quantity sensor and / or a gas mixture sensor, can also be checked for plausibility with regard to their measured sensor values.
  • the optimization of the tolerance range takes place dynamically and directly as a function of the determined gas type while the gas heater is in operation.
  • “Dynamic” is defined as the possibility of not regulating with a fixed control characteristic, but reacting to new situations through the adjustment of the control characteristic and defining a tolerance range that is optimized for this.
  • the adjustment of the fuel gas-air mixture until the ionization signal setpoint is reached is preferably carried out by adjusting the fuel gas quantity via the fuel gas actuator or, alternatively, adjusting the gas quantity via the fan. Either the fuel gas control element and thus its open position are varied or the fan speed is changed.
  • the fuel gas / gas mixture is preferably a fuel gas / air mixture.
  • Figure 1 the schematic structure of a gas heater 200 for performing the method is shown.
  • air is always assumed to be the gas, even if other gases can theoretically also be used.
  • the control unit 9 is used to regulate the blower 5, designed as a premix blower, and in particular the blower speed for supplying a controllable amount of air b and the fuel gas actuator or gas valve 2, which is driven by a stepper motor M, for supplying a controllable amount of fuel gas c in order to generate the fuel gas-air mixture e to generate in a certain fuel gas / air mixture ratio.
  • the fuel gas is fed to the blower 5 via a gas nozzle 4 in the gas line, a gas safety valve 1 being arranged upstream of the fuel gas actuator 2 in the gas line.
  • the gas inlet pressure d is adapted to the gas control pressure.
  • an optional non-return flap 6 is provided at the blower outlet.
  • the burner 28 with an ionization electrode 7 arranged in the burner flame, with which a flame is detected on the burner 28 and a corresponding ionization signal is transmitted to the control device 9.
  • a heat exchanger is arranged around the burner 28.
  • control unit 9 The control of the amount of fuel gas flowing through the gas actuator 2 as well as the fan speed and consequently the air ratio takes place via the control unit 9, in which the corresponding control characteristics are stored and can be saved.
  • the corresponding signal lines to and from the control unit 9 are marked with arrows.
  • Figure 2 shows a diagram 30 of an open position 32 of the fuel gas actuator 2 compared to the fan speed 31 with control characteristics 36, 37 for the gas types liquid gas and natural gas and a tolerance range 38, 39 at high fan speeds 34 and low fan speeds 35 according to the prior art.
  • the tolerance range is indicated by the dotted lines and extends both types of gas. The area enclosed by the tolerance range is therefore comparatively large and the associated security for plausibility checking is low.
  • the amount of fuel gas for enriching the fuel gas-air mixture e fed to the burner 28 is increased using the ionization electrode 7 of the ionization flow control during an operating point of the gas heater 200 until the ionization signal Io signal has a maximum Io-max as it is in Figure 3 is shown.
  • the ionization signal setpoint value lo-soll is calculated for the specific fuel gas.
  • the lambda value calculated as an example is 1.3.
  • the ionization signal is thereby changed from the previous signal value lo-old to the calculated signal value Io-new and the fuel gas-air mixture is adapted until the ionization signal setpoint value lo-target is reached.
  • the value of 1.3 is preferred, however exemplary.
  • the fan speed 43 of the fan 5 is assigned to a position 48 of the fuel gas control element 4.
  • the control characteristic curve 49 is determined in the characteristics map of diagram 40 and the tolerance range 46, 47 around the control characteristic line 49 determined for the determined fuel gas is established.
  • the reduction, ie optimization of the tolerance range 46, particularly at high fan speeds 44, can be clearly seen, but also in the range of lower speeds 45 the tolerance range 47 is smaller than the tolerance range 39 according to FIG Figure 2 .
  • the entire tolerance range of the dashed line is significantly smaller than that which is to be provided for a method with an indefinite type of gas, as shown in FIG Figure 2 is shown.
  • the dotted line Figure 2 is also in Figure 4 registered.
  • the width of the tolerance range around the control characteristic curve 49 is determined as required. This type of calibration of the control characteristic and definition of the tolerance range takes place dynamically and in particular when leaving the tolerance range to define a new control characteristic.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Toleranzbereichs einer Regelungskennlinie einer elektronischen Gemischregelung von Gas und einem bestimmten Brenngas unter Nutzung einer Ionisationsstromregelung bei einem Gasheizgerät.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Toleranzbereichs einer Regelungskennlinie einer elektronischen Gemischregelung unter Nutzung einer Ionisationsstromregelung bei einem Gasheizgerät.
  • Aus dem Stand der Technik sind elektronische Gemischregelungen für Gasheizgeräte basierend auf dem Verbrennungsergebnis, beispielsweise einem lonisationssignal oder einem Kohlenmonoxidwert im Abgas, bekannt. Alternativ sind Gemischregelungen bekannt, welche die Ausgangsstoffe der Gemischbildung (Gas, Brenngas) erfassen und diese für die Gemischregelung nutzen. Bei allen eingesetzten Verfahren ist für den Einsatz an Gasheizgeräten eine Fehlersicherheit der Gemischbildung erforderlich, damit aufgrund einer schlechten oder falschen Gemischbildung keine gefährlichen Zustände, wie z.B. eine überhöhte Kohlenmonoxidbildung, auftreten können. Aus dem Stand der Technik sind dafür Toleranzbereichsüberwachungen zwischen den Aktoren, d.h. z.B. dem Gebläse oder dem Brenngasstellglied vorgesehen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie einen großen Arbeitsbereich der Aktoren (Brenngasstellglied, Gebläse) abdecken müssen und daher vergleichsweise große Toleranzbereiche um die Regelungskennlinie gewährleistet sein müssen. Sie bieten damit nur eine eingeschränkte Sicherheit.
  • Ein weiterer Aspekt ist, dass die Regelungskennlinien im Kennfeld sich bei verschiedenen Gasarten, z.B. Flüssiggas oder Erdgas, deutlich unterscheiden. Ein Toleranzbereich um die Regelungskennlinien, der für verschiedene Gasarten Anwendung findet, muss entsprechend breit um alle Regelungskennlinien ausgelegt werden. Bei einer Plausibilisierungsprüfung von Sensorwerten werden dann konforme Ergebnisse geliefert, obwohl eine deutliche Abweichung von der eigentlichen Regelungskennlinie vorliegt, da z.B. eine andere Gasart zum Einsatz kommt.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Toleranzbereich um die Regelungskennlinie enger gefasst und somit die Sicherheit des Gasheizgeräts vergrößert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Optimierung eines Toleranzbereichs einer Regelungskennlinie einer elektronischen Gemischregelung von Gas und einem bestimmten Brenngas unter Nutzung einer lonisationsstromregelung bei einem Gasheizgerät mit einem Brenner und einem Gebläse vorgeschlagen. Dabei werden eine dem Brenner zugeführte Gasmenge des Gases über das Gebläse und eine Brenngasmenge durch ein elektronisch gesteuertes Brenngasstellglied über ein Steuergerät geregelt. Das Verfahren umfasst die Schritte einer kurzzeitigen, d.h. zeitlich begrenzten Erhöhung der Brenngasmenge zur Anfettung eines dem Brenner zugeführten Brenngas-Gasgemisches während eines beliebigen Betriebspunktes des Heizgerätes, bis ein an einer Brennerflamme des Brenners erfasstes lonisationssignal ein Maximum aufweist. Bei dem Maximum des lonisationssignals ist die Luftzahl des Brenngas-Gasgemisches gleich 1,0 (Lambdawert). Aus dem Maximum des lonisationssignals wird anschließend ein lonisationssignal-Sollwert für das bestimmte Brenngas, beispielsweise Flüssiggas oder Erdgas, errechnet. Dieser Lambdawert ist häufig mit einem Gasüberschuss (Luftüberschuss), insbesondere bei 1,3 festgelegt. Danach erfolgt die Anpassung des Brenngas-Gasgemisches bis zum Erreichen des errechneten lonisationssignal-Sollwerts über das oder die Stellglieder (Brenngasstellglied, Gebläse). Bei Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts erfolgt eine Zuordnung der Gebläsedrehzahl des Gebläses zu der Stellung des Brenngasstellglieds und die Ermittlung der Regelungskennlinie in einem Kennfeld gebildet aus der Gebläsedrehzahl und der Stellung des Brenngasstellglieds. Um die ermittelte Regelungskennlinie bei dem bestimmten Brenngas wird der gewünschte Toleranzbereich festgelegt.
  • Nachdem über die Erfassung der stöchiometrischen Verbrennung bei dem Maximum des lonisationssignals und anschließende Errechnung des Ionisationssignal-Sollwerts die Gasart bestimmt ist, kann der Toleranzbereich um eine einzige, eindeutig definierte Regelungskennlinie festgelegt und mithin deutlich kleiner ausgelegt werden. Der Toleranzbereich wird um mindestens 50% enger im Bereich der maximalen Gebläsedrehzahl gegenüber einem Toleranzbereich, der mindestens zwei Gasarten berücksichtigt.
  • Der Betrieb außerhalb des Toleranzbereichs kann ein Abschaltsignal auslösen, welches zum Abschalten des Gasheizgerätes führt. Alternativ kann die Kalibrierung erneut erfolgen, d.h. die Verfahrensschritte beginnend mit der Anfettung werden erneut durchgeführt und eine wieder neue Regelungskennlinie wird festgelegt. Der Toleranzbereich dient zudem zur Plausibilisierungskontrolle zwischen der Steuerung des Gebläses und des Brenngasstellglieds und den tatsächlich erfassten Ionisationssignalen zur Überprüfung der Verbrennung. Auch können etwaige genutzte Sensoren, beispielsweise ein Brenngasmengensensor, ein Gasmengensensor und/oder ein Gasgemischsensor hinsichtlich ihrer gemessenen Sensorwerte plausibilisiert werden.
  • Bei dem Verfahren ist zudem vorteilhaft, dass die Optimierung des Toleranzbereichs dynamisch unmittelbar in Abhängigkeit der ermittelten Gasart im laufenden Betrieb des Gasheizgeräts erfolgt. Als "dynamisch" wird dabei die Möglichkeit definiert, dass nicht mit einer festgelegten Regelungskennlinie geregelt wird, sondern auf neue Situationen durch die Kalibrierung anpassbare Regelungskennlinie reagiert wird und ein hierzu optimierter Toleranzbereich festlegbar ist.
  • Bei dem Verfahren ist als Ausführungsvarianten vorgesehen, dass das Anpassen des Brenngas-Luftgemisches bis zum Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts vorzugsweise durch eine Anpassung der Brenngasmenge über das Brenngasstellglied oder alternativ eine Anpassung der Gasmenge über das Gebläse erfolgt. Dabei wird entweder das Brenngasstellglied und mithin seine Öffnungsstellung variiert oder die Gebläsedrehzahl verändert.
  • Das Brenngas-Gasgemisch ist vorzugsweise ein Brenngas-Luftgemisch.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Darstellung eines Gasheizgeräteaufbaus zur Verwendung des Verfahrens;
    Fig. 2
    ein Diagramm mit Regelungskennlinien und einem Toleranzbereich gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    ein Diagramm zur Darstellung des lonisationssignals;
    Fig. 4
    ein Diagramm mit einem optimierten Toleranzbereich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • In Figur 1 ist der schematische Aufbau eines Gasheizgerätes 200 zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird als Gas stets Luft angenommen, auch wenn theoretisch auch andere Gase verwendet werden können.
  • Über das Steuergerät 9 werden das als Vormischgebläse ausgebildete Gebläse 5 und insbesondere die Gebläsedrehzahl zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Luft b und das über einen Schrittmotor M angetriebene Brenngasstellglied bzw. Gasventil 2 zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Brenngas c geregelt, um das Brenngas-Luftgemisch e in einem bestimmten Brenngas-Luftgemisch-Verhältnis zu erzeugen.
  • Das Brenngas wird dem Gebläse 5 über eine Gasdüse 4 in der Gasleitung zugeführt, wobei in der Gasleitung dem Brenngasstellglied 2 vorgeschaltet ein Gassicherheitsventil 1 angeordnet ist. Der Gaseingangsdruck d wird auf den Gasregeldruck angepasst. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 6 vorgesehen. Daran schließt sich der Brenner 28 mit einer in der Brennerflamme angeordneten Ionisationselektrode 7 an, mit der eine Flamme am Brenner 28 detektiert und ein entsprechendes lonisationssignal an das Steuergerät 9 übermittelt wird. Um den Brenner 28 ist ein Wärmetauscher angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 8. Im Abgassystem herrscht der Abgasdruck f. Die Regelung der durch das Gasstellglied 2 strömende Brenngasmenge sowie der Gebläsedrehzahl und mithin der Luftzahl erfolgt über das Steuergerät 9, in dem entsprechende Regelungskennlinien hinterlegt und abspeicherbar sind. Die entsprechenden Signalleitungen zu dem und von dem Steuergerät 9 sind mit Pfeilen gekennzeichnet.
  • Figur 2 zeigt zur Veranschaulichung ein Diagramm 30 einer Öffnungsstellung 32 des Brenngasstellglieds 2 gegenüber der Gebläsedrehzahl 31 mit Regelungskennlinien 36, 37 für die Gasarten Flüssiggas und Erdgas und einem Toleranzbereich 38, 39 bei hohen Gebläsedrehzahlen 34 und geringen Gebläsedrehzahlen 35 gemäß dem Stand der Technik. Der Toleranzbereich ist über die punktgestrichelte Linien gekennzeichnet und überstreckt beide Gasarten. Somit ist die durch den Toleranzbereich eingeschlossene Fläche vergleichsweise groß und die damit einhergehende Sicherheit zur Plausibilisierung gering.
  • Bezugnehmend auf die Figuren 3 und 4 sind für das erfindungsgemäße Verfahren genutzte Diagramme dargestellt. Zur Optimierung des Toleranzbereichs, d.h. praktisch die Verkleinerung der im Diagramm 40 gemäß Figur 4 eingeschlossenen Fläche der die Regelungskennlinie 48 umgebenden gestrichelten Toleranzbandlinien wird unter Nutzung der lonisationselektrode 7 der lonisationsstromregelung die Brenngasmenge zur Anfettung des dem Brenner 28 zugeführten Brenngas-Luftgemisches e während eines Betriebspunktes des Gasheizgerätes 200 erhöht, bis das lonisationssignal Io-Signal ein Maximum Io-max aufweist, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Von diesem Wert ausgehend wird der lonisationssignal-Sollwert lo-soll für das bestimmte Brenngas errechnet. In der gezeigten Ausführung ist der beispielhaft errechnete Lambdawert 1,3. Das lonisationssignal wird dadurch von dem bisherigen Signalwert lo-alt auf den errechneten Signalwert Io-neu geändert und das Brenngas-Luftgemisch bis zum Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts lo-Soll angepasst. Der Wert von 1,3 ist bevorzugt, gleichwohl exemplarisch.
  • Bei Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts Io-Soll wird die Gebläsedrehzahl 43 des Gebläses 5 zu einer Stellung 48 des Brenngasstellglieds 4 zugeordnet. Hieraus wird die Regelungskennlinie 49 in dem Kennfeld des Diagramms 40 ermittelt und der Toleranzbereich 46, 47 um die ermittelte Regelungskennlinie 49 für das ermittelte Brenngas festgelegt. Gut zu erkennen ist die Verkleinerung, d.h. Optimierung des Toleranzbereichs 46 insbesondere bei hohen Gebläsedrehzahlen 44, jedoch auch im Bereich geringere Drehzahlen 45 ist der Toleranzbereich 47 kleiner als derjenige Toleranzbereich 39 gemäß Figur 2. Im Ergebnis ist der gesamte Toleranzbereich der gestrichelten Linie deutlich geringer ist als derjenige der für ein Verfahren mit unbestimmter Gasart vorzusehen ist, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Die punktgestrichelte Linie aus Figur 2 ist zur Veranschaulichung auch in Figur 4 eingetragen. Die Breite des Toleranzbereichs um die Regelungskennlinie 49 wird bedarfsgerecht festgelegt. Diese Art der Kalibrierung der Regelungskennlinie und Festlegung des Toleranzbereichs erfolgt dynamisch und insbesondere bei Verlassen des Toleranzbereichs zur Festlegung einer neuen Regelungskennlinie.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Optimierung eines Toleranzbereichs einer Regelungskennlinie einer elektronischen Gemischregelung von Gas und einem bestimmten Brenngas unter Nutzung einer Ionisationsstromregelung bei einem Gasheizgerät (200) mit einem Brenner (28) und einem Gebläse (5), wobei eine dem Brenner (28) zugeführte Gasmenge des Gases über das Gebläse (5) und eine Brenngasmenge durch ein elektronisch gesteuertes Brenngasstellglied (2) über eine Steuergerät (9) geregelt werden, umfassend die Schritte:
    - zeitlich begrenzte Erhöhung der Brenngasmenge zur Anfettung eines dem Brenner (28) zugeführten Brenngas-Gasgemisches während eines Betriebspunktes des Gasheizgerätes (200), bis ein an einer Brennerflamme des Brenners (28) erfasstes lonisationssignal (lo-Signal) ein Maximum (Io-max) aufweist,
    - Errechnen eines lonisationssignal-Sollwerts (lo-Soll) für das bestimmte Brenngas,
    - Anpassen des Brenngas-Gasgemisches bis zum Erreichen des Ionisationssignal-Sollwerts (lo-Soll),
    - Zuordnen einer Gebläsedrehzahl des Gebläses zu einer Stellung des Brenngasstellglieds bei Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts (Io-Soll),
    - Ermittlung der Regelungskennlinie in einem Kennfeld gebildet aus der Gebläsedrehzahl und der Stellung des Brenngasstellglieds,
    - Festlegen des Toleranzbereichs um die ermittelte Regelungskennlinie bei dem bestimmten Brenngas.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung des Toleranzbereichs dynamisch unmittelbar in Abhängigkeit der bestimmten Gasart im laufenden Betrieb des Gasheizgeräts (200) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des Brenngas-Luftgemisches bis zum Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts (Io-Soll) durch eine Anpassung der Brenngasmenge über das Brenngasstellglied oder eine Anpassung der Gasmenge über das Gebläse (5) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas-Gasgemisch ein Brenngas-Luftgemisch (e) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzbereich um die Stellung des Brenngasstellglieds oder um die Gebläsedrehzahl gelegt wird.
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