EP3859210B1 - 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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EP3859210B1
EP3859210B1 EP21153150.4A EP21153150A EP3859210B1 EP 3859210 B1 EP3859210 B1 EP 3859210B1 EP 21153150 A EP21153150 A EP 21153150A EP 3859210 B1 EP3859210 B1 EP 3859210B1
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gas
fuel gas
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control
mixture
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Stephan Wald
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means

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, eg liquid gas or natural gas.
  • a tolerance range around the control characteristics, which is used for different types of gas, must be designed to be correspondingly wide around all control characteristics.
  • compliant results are then delivered even though there is a clear deviation from the actual control characteristic, since a different type of gas is used, for example.
  • a generic method is in EP 0 806 610 A2 disclosed.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method with which a tolerance range around the control characteristic can be defined more narrowly and thus the safety of the gas heater can be increased. This object is achieved by the combination of features according to claim 1.
  • a method for optimizing a tolerance range of a control characteristic of an electronic mixture control of gas and a specific combustible gas using an ionization current control in a gas heater with a burner and a blower suggested.
  • a gas quantity of the gas supplied to the burner via the blower and a combustion gas quantity are regulated by an electronically controlled combustion gas actuator via a control device.
  • the method comprises the steps of a short-term, ie time-limited, increase in the fuel gas quantity to enrich a fuel gas/gas mixture fed 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 combustible gas/gas mixture is equal to 1.0 (lambda value).
  • an ionization signal target value for the specific fuel gas for example liquid gas or natural gas, is then calculated. This lambda value is often set with an excess of gas (excess of air), in particular at 1.3.
  • the fuel gas/gas mixture is then adjusted until the calculated ionization signal target value is reached via the actuator(s) (fuel gas actuator, blower).
  • the ionization signal target value is reached, the fan speed of the fan is assigned to the position of the fuel gas actuator and the control characteristic is determined in a characteristic map formed from the fan speed and the position of the fuel gas actuator. The desired tolerance range is defined around the determined control characteristic for the specific fuel gas.
  • 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 the enrichment are carried out again and a new control characteristic is defined again.
  • the tolerance range also serves as a plausibility check between the control of the blower and the fuel gas actuator and the actually recorded ionization signals for checking 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 method provides as an embodiment variant that the fuel gas/gas mixture is adjusted until the ionization signal setpoint is reached, preferably by adjusting the fuel gas quantity via the fuel gas actuator or alternatively by adjusting the gas quantity via the blower. In this case, either the fuel gas actuator and thus its open position is varied or the fan speed is changed.
  • figure 1 shows the schematic structure of a gas heater 200 for carrying out the method.
  • air is always assumed to be the gas, even if other gases can theoretically also be used.
  • Fan 5 designed as a premix fan and in particular the fan speed for supplying a controllable quantity of air b and the fuel gas actuator or gas valve 2 driven by a stepper motor M for supplying a controllable quantity of fuel c are regulated via control unit 9 in order to regulate the fuel gas-air mixture e to generate a specific fuel gas-air mixture ratio.
  • figure 2 shows a diagram 30 of an opening position 32 of the fuel gas actuator 2 in relation 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 marked by the dot-dash lines and covers both gas types. The area enclosed by the tolerance range is therefore comparatively large and the associated security for the plausibility check is low.
  • the fuel gas quantity is increased using the ionization electrode 7 of the ionization current control to enrich the fuel gas-air mixture e supplied to the burner 28 during an operating point of the gas heater 200 until the ionization signal Io signal has a maximum Io-max , like it in figure 3 is shown.
  • the ionization signal setpoint value lo-soll is calculated for the specific combustible gas.
  • the lambda value calculated as an example is 1.3.
  • the ionization signal is thereby changed from the previous signal value Io-old to the calculated signal value Io-new and the combustible gas/air mixture is adjusted until the ionization signal setpoint value lo-setpoint is reached.
  • the value of 1.3 is preferred, although exemplary.
  • the fan speed 43 of the fan 5 is assigned to a position 48 of the combustion gas actuator 4 . From this, the control characteristic 49 is determined in the characteristics map of diagram 40 and the tolerance range 46, 47 around the determined control characteristic 49 for the determined combustible gas is established.
  • the total tolerance range of the dashed line is significantly lower than that to be provided for a process with an undetermined gas type, as described in figure 2 is shown.
  • the dot-dash line off figure 2 is also in for illustration figure 4 registered.
  • the width of the tolerance range around the control characteristic 49 is defined as required. This type of calibration of the control characteristic and definition of the tolerance range takes place dynamically and in particular when the tolerance range is left to define a new control characteristic.

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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. Ein gattungsgemäßes Verfahren ist in EP 0 806 610 A2 offenbart.
  • 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 lonisationssignal-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 lonisationssignalen 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-Gasgemisches 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 1angeordnet 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 Io-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 (Io-Soll) für das bestimmte Brenngas,
    - Anpassen des Brenngas-Gasgemisches bis zum Erreichen des Ionisationssignal-Sollwerts (Io-Soll),
    - Zuordnen einer Gebläsedrehzahl des Gebläses zu einer Stellung des Brenngasstellglieds bei Erreichen des lonisationssignal-Sollwerts (Io-Soll),
    gekennzeichnet durch die Schritte:
    - 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, wobei die Optimierung des Toleranzbereichs dynamisch unmittelbar in Abhängigkeit des bestimmten Brenngases im laufenden Betrieb des Gasheizgeräts (200) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Anpassen des Brenngas-Gasgemisches 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, wobei dasBrenngas-Gasgemisch ein Brenngas-Luftgemisch (e) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Toleranzbereich um die Stellung des Brenngasstellglieds oder um die Gebläsedrehzahl gelegt wird.
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