EP4449020B1 - Verfahren zum regeln eines brenners sowie brenneranordnung mit einem brenner - Google Patents

Verfahren zum regeln eines brenners sowie brenneranordnung mit einem brenner

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EP4449020B1
EP4449020B1 EP22840020.6A EP22840020A EP4449020B1 EP 4449020 B1 EP4449020 B1 EP 4449020B1 EP 22840020 A EP22840020 A EP 22840020A EP 4449020 B1 EP4449020 B1 EP 4449020B1
Authority
EP
European Patent Office
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ionization
burner
air
determined
signal
Prior art date
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Active
Application number
EP22840020.6A
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English (en)
French (fr)
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EP4449020A1 (de
Inventor
Wilhelm Laux
Bastian Rothmer
Daniel Schättler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG filed Critical Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Publication of EP4449020A1 publication Critical patent/EP4449020A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4449020B1 publication Critical patent/EP4449020B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/36—PID signal processing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/42—Function generator

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a burner. Furthermore, the invention relates to a burner arrangement comprising a burner.
  • the burner is, for example, part of a device for heating ambient air and/or a liquid, e.g., domestic hot water.
  • Burners are used in heating systems or water heaters, where the thermal energy generated by burning an air-fuel mixture is transferred via a heat exchanger to room air and/or a liquid, e.g., water.
  • the fuel used can be, for example, propane, butane, gasoline, or diesel.
  • ionization electrodes which utilize the ionization effect of a flame.
  • the measured ionization signal in the form of a voltage or current signal, is evaluated and used to control the combustion behavior, for example, by adjusting the air-fuel ratio (also known as lambda or air ratio) as the mass ratio of combustion air to fuel.
  • the air-fuel ratio also known as lambda or air ratio
  • a gas valve and a combustion air blower are controlled depending on the ionization signal.
  • a method for monitoring a gas burner using the ionization signal is disclosed, for example, in the following: DE 196 31 821 A1 .
  • Gas burners, and especially fan-operated gas burners, particularly as part of mobile heating devices, are frequently exposed to changing environmental conditions, which can lead to variable combustion behavior (see e.g. the DE 102 20 773 A1
  • environmental parameters include air pressure, combustion air temperature, gas pressure (i.e., the pressure at which the fuel gas is supplied), and the gas's calorific value.
  • the composition of the fuel gas can also vary. This is the case, for example, with typical gas mixtures such as LPG (Liquefied Petroleum Gas; autogas).
  • LPG Liquefied Petroleum Gas; autogas
  • unfavorable combustion conditions can lead to other problems. Thermoacoustic effects can cause disturbing noises, which can also be avoided or at least significantly reduced by adjusting the air ratio.
  • the EP 2 431 663 B1 It can be seen that the ionization signals undergo a Fourier transform and the resulting spectra are evaluated. Reference spectra are generated for different burner types and compared with currently acquired spectra. If combustion instability is detected during operation, the supply of combustion air and/or gas is adjusted until a spectrum indicating stable combustion is measured. For the evaluation, the peaks of the spectra are considered individually.
  • the EP 0 770 824 A2 Disclosing a method for controlling a premix burner. Starting from a measured ionization signal, a control variable is determined, and the air-fuel mixture is adjusted based on this control variable and at least one setpoint. A calibration signal is determined from a frequency range of the ionization signal, and the setpoint is adjusted based on this calibration signal.
  • a disadvantage of the spectral analysis has been found to be that changes to the combustion system, which includes the burner, lead to frequency shifts in the spectral peaks. Such changes include, for example, differing temperature profiles, modifications to the combustion air or exhaust system, or alterations to the burner surface. This reflects the fact that, with the aforementioned method, each burner type, and therefore each system in which the burner is used, requires its own reference spectrum. It should be noted, however, that changes to the system can occur due to use or aging. Furthermore, it is a disadvantage that the spectra exhibit interference originating from outside the system and unrelated to combustion, such as the 50 Hz mains signal. Overall, the analysis is therefore very complex.
  • the object underlying the invention is therefore to propose a method for monitoring a combustion process that is as simple as possible and yet reliable.
  • the invention solves the problem by a method for controlling a burner, wherein the burner is supplied with an air-fuel mixture, wherein an ionization signal is measured, wherein a control variable is determined from the ionization signal, wherein the air-fuel mixture is adjusted depending on the control variable and at least one setpoint, wherein a spectrum is obtained from the ionization signal, wherein a measure for an area is determined from the spectrum or from at least one frequency range of the spectrum, and wherein the setpoint is adjusted depending on the measure for the area.
  • the ionization signal is used to control combustion.
  • a control variable is derived from the ionization signal.
  • a setpoint is used in the control process, which is, for example, initially predefined or determined for the specific application. Based on the ionization signal, the setpoint is adjusted according to the invention. Information is thus extracted from the ionization signal, which is used to correct the setpoint. For example, a disturbance, such as noise generation, can be avoided by using the corrected setpoint, as the control takes place in a different lambda range.
  • a frequency spectrum is derived from the time signal. This is done, for example, via a Fourier transform.
  • a value for an area (this measure can also be referred to as the area ratio) is then determined from the frequency spectrum. This is based on the understanding that disturbances, and in particular thermoacoustic effects, manifest themselves as signals in the spectrum. Therefore, the area ratio allows a statement to be made as to whether disturbances are present or whether the combustion process generates noise. In order to leave this noise-laden operating range, the setpoint for the control is adjusted accordingly, e.g., shifted, so that the control takes place in a different air ratio range.
  • the measure for the area is derived from a spectral range that is free of known disturbances such as mains hum.
  • the evaluation of the area ratio has the advantage that frequency shifts due to changed environmental conditions or application conditions do not need to be taken into account or do not change the result of the evaluation.
  • the setpoint is adjusted if the determined area measurement deviates from a predefined reference value and/or a reference value determined for the burner beyond a tolerance value.
  • the area measurement obtained from the spectrum is compared to a reference value. For example, the difference is calculated. If the difference exceeds a predefined tolerance value, the control device interprets this as indicating that a disturbance, in particular a thermoacoustic resonance, is present or at least incipient.
  • One embodiment of the method involves subjecting the ionization signal to a Fast Fourier Transform.
  • the Fast Fourier Transform (FFT) is a very efficient method for transforming discrete-time signals.
  • the controlled variable is adjusted based on the ionization signal.
  • the controlled variable is adjusted based on the ionization signal. Information is thus extracted from the ionization signal, which is used to correct the controlled variable and the setpoint. This results, for example, in a corrected controlled variable whose behavior allows for better, or even reliable, control.
  • the air-fuel mixture is adjusted to ensure both the cleanest and quietest possible combustion.
  • the system is therefore regulated to eliminate or at least reduce resonances caused by thermoacoustic effects.
  • thermoacoustic effects appear in the ionization signal much earlier than they lead to clearly audible noise.
  • At least one value representing the magnitude of the ionization voltage is determined from the ionization signal and used as the controlled variable.
  • the amplitude of the ionization voltage thus serves as the controlled variable.
  • a setpoint is preferably a setpoint of the voltage value.
  • An additional or alternative embodiment of the method involves determining several individual values of the ionization voltage magnitude from the ionization signal, calculating the variance from these individual values, and determining the controlled variable as a function of this variance.
  • individual values for the ionization voltage magnitude are determined from the ionization signal.
  • the variance that is, a measure of the deviation of the individual values from a mean value—is calculated.
  • This variance then serves to correct the controlled variable.
  • This variant of the method is based on the observation that the ionization voltage can change significantly when disturbances are present, and especially when thermoacoustic effects occur.
  • the variation in voltage values manifests itself in the variance, providing a parameter for further processing and, in particular, for determining a controlled variable. Accordingly, an increasing variance in the individual values can indicate, for example, the occurrence of a disturbing noise. Therefore, a correspondingly earlier response and countermeasure can be implemented.
  • the ionization signals are taken from a predefined period during which the air-fuel ratio is essentially constant or changes only within a predefined range. Therefore, no changes are made to the settings during the averaging period.
  • a mean value and the standard deviation are calculated from the individual values, and the controlled variable is determined as the difference between the mean value and the standard deviation.
  • a mean value of the ionization voltage is calculated over a time period. The standard deviation of the voltage values is then subtracted from this mean value. This difference serves, for example, as the controlled variable. The greater the standard deviation and thus the fluctuation of the ionization voltage, the smaller the controlled variable becomes.
  • the individual values are evaluated using a moving average.
  • the ionization signals are evaluated at a predefined time interval (e.g., every five minutes) within a time interval of a predetermined width (e.g., measurements within five seconds).
  • the burner's combustion behavior is essentially continuously controlled, and the variance of individual values is continuously determined using a moving average.
  • the process is designed, for example, to regulate the burner's operation to a desired, predefined operating point. This could be, for instance, a lambda value of 1.5. If the ambient conditions change—e.g., due to a change in air pressure—in one direction, such as towards a leaner air-fuel mixture, this is reflected in the increasing variance. The variance changes primarily before the mean value shifts outside a predefined tolerance range. If, in particular, the difference between the mean value and the variance is used as the controlled variable, regulation towards a richer mixture is triggered.
  • One implementation of the method involves adjusting the air-fuel mixture according to the controlled variable, similar to a PID controller.
  • a PID controller is either present or its behavior is implemented to control the combustion process.
  • a typical PID controller requires a continuous curve for the controlled variable. The aforementioned variations of the method provide this.
  • the controlled variable is determined continuously or at predetermined times.
  • the invention solves the problem by means of a burner arrangement comprising a burner, a heat exchanger, an ionization electrode, an air-fuel mixture supply, and a control device, wherein the control device receives and evaluates ionization signals measured by the ionization electrode, wherein the control device regulates the air-fuel mixture supply based on the evaluation of the ionization signals, and wherein the control device is designed such that it implements the method according to one of the embodiments described above or below.
  • the explanations and embodiments also apply accordingly to the burner arrangement, so repetition is omitted.
  • the burner arrangement is, for example, part of a device for heating room air and/or a liquid, e.g., water.
  • the Fig. 1 Figure 1 schematically shows a burner arrangement with a burner 1, which is supplied with an air-fuel mixture via an air-fuel mixture supply 2.
  • the fuel is, for example, a combustible gas such as propane or butane.
  • the flue gas produced during combustion of the air-fuel mixture is fed to a heat exchanger 3, which transfers the thermal energy to water or air.
  • An ionization electrode 4 is provided for monitoring the combustion process. It is positioned relative to the burner 1 such that it protrudes into the flame produced during combustion.
  • an ionization voltage or an ionization current can be measured as an ionization signal via the ionization electrode 4.
  • the ionization signal is fed to the control device 5 for evaluation. Based on the control variable obtained, the control device 5 acts on the air-fuel mixture supply 2, for example, by changing the fuel and/or air ratio. This is with the aim of achieving combustion with the lowest possible emissions and noise levels.
  • thermoacoustic effects in particular occur as disturbances. These noises are subsequently avoided or at least reduced by changing the mixing ratio.
  • the Fig. 2 a This shows a spectrum of the ionization signal obtained by an FFT without an audible thermoacoustic resonance.
  • the x-axis represents the frequency in Hz.
  • the signal was acquired at an air-fuel ratio of 1.2.
  • a mains voltage signal is visible at 50 Hz.
  • the spectrum shows a signal around 104 Hz, which is accompanied by an audible thermoacoustic resonance.
  • the spectrum was recorded at an air-fuel ratio of 1.6.
  • an area in a frequency range of the spectrum is determined during the evaluation according to a specific design and used for a controlled variable.
  • the graphs show the average voltage values of the ionization signals (solid line and left y-axis) and the determined area coefficients (dashed line and right y-axis) as a function of the air-fuel ratio.
  • the graphs differ with respect to the power output of the burner: in the Fig. 3 a) The power output is 1 kW and at the Fig. 3 b) 3.5 kW.
  • the Fig. 3 a This illustrates the case where changing the air-fuel ratio does not result in thermoacoustic resonance.
  • the Fig. 4 This graph shows the fluctuations in the measured ionization voltage values when disturbances occur.
  • the outer y-axis represents the lambda value
  • the inner y-axis the magnitude of the ionization voltage
  • the x-axis represents time.
  • the lambda values were increased in discrete steps, as indicated by the step-like shape of the dashed line.
  • the solid curve represents the unprocessed mean value of the ionization voltage.
  • the dashed curve represents the difference between the mean value and the corresponding standard deviation.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln eines Brenners. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Brenneranordnung mit einem Brenner. Der Brenner ist beispielsweise Teil einer Vorrichtung zum Erwärmen von Raumluft und/oder einer Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser.
  • Brenner finden Anwendung bei Heizungen oder Warmwasserbereitern, in denen die durch das Verbrennen eines Luft-Brennstoff-Gemischs gewonnene thermische Energie durch einen Wärmetauscher auf Raumluft und/oder eine Flüssigkeit, z. B. Wasser übertragen wird. Der Brennstoff ist dabei beispielsweise Propan, Butan, Benzin oder Diesel.
  • Um das Vorliegen einer Flamme oder auch die Verbrennungsqualität selbst zu überwachen und zu regeln, ist es im Stand der Technik bekannt, sog. Ionisationselektroden zu verwenden, über die die Ionisationswirkung einer Flamme ausgenutzt wird. Das gemessene lonisationssignal in Form eines Spannungs- oder Stromsignals wird ausgewertet und für die Regelung des Brennverhaltens verwendet, bei der beispielsweise die Luftzahl (andere Bezeichnungen sind: Verbrennungsluftverhältnis Lambda oder Luftverhältnis) als Massenverhältnis von Verbrennungsluft zu Brennstoff eingestellt wird. Dies geschieht mit dem Ziel, eine möglichst saubere und effiziente Verbrennung zu gewährleisten. Beispielsweise werden ein Gasventil und ein Verbrennungsluftgebläse in Abhängigkeit von dem Ionisationssignal geregelt. Ein Verfahren zum Überwachen eines Gasbrenners anhand des Ionisationssignals offenbart beispielsweise die DE 196 31 821 A1 .
  • Gasbrenner und insbesondere gebläsebetriebene Gasbrenner, insbesondere als Teil von mobilen Heizvorrichtungen, sind häufig wechselnden Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die zu einem veränderlichen Brennverhalten führen können (siehe z. B. die DE 102 20 773 A1 ). Derartige Umgebungsparameter sind Luftdruck, Temperatur der Verbrennungszuluft, Gasdruck (also der Druck, mit dem das Brenngas zugeführt wird) und auch der Brennwert des Gases. Insbesondere kann bei mobilen Anwendungen auch die Zusammensetzung des Brenngases variieren. Dies ist z. B. der Fall bei typischen Gasgemischen wie LPG (Liquefied Petroleum Gas; Autogas). So ist es je nach Gaszufuhr möglich, dass reines Propan, reines Butan oder auch ein undefiniertes Propan/Butan-Gemisch zugeführt wird. Neben erhöhten Abgaswerten können bei ungünstigen Brennverhältnissen durch thermoakustische Effekte störende Geräusche auftreten, die sich ebenfalls durch die Einstellung der Luftzahl vermeiden oder zumindest deutlich reduzieren lassen.
  • Aus der DE 195 02 901 C1 ist es beispielsweise bekannt, an die Ionisationselektrode eine Wechselspannung anzulegen und die von der Luftzahl abhängigen Schwankung des lonisationsstroms für die Einstellung der Zufuhr von Verbrennungsluft oder Gas zu verwenden. Eine verbesserte Aussage über das Brennverhalten ergibt sich gemäß der US 6,356,199 B1 durch eine erweiterte Analyse des Ionisationssignals, indem Mittelwerte, Signalstreuung oder Frequenzen des Signals ausgewertet werden.
  • Der EP 2 431 663 B1 lässt sich entnehmen, dass die Ionisationssignale einer Fourier-Transformation unterzogen und die sich ergebenden Spektren ausgewertet werden. Dabei werden für unterschiedliche Brennertypen Referenz-Spektren erzeugt und mit aktuell gewonnen Spektren verglichen. Wird im laufenden Betrieb eine Instabilität der Verbrennung festgestellt, so wird die Zuführung von Verbrennungsluft und/ oder Gas solange verändert, bis wieder ein Spektrum gemessen wird, welches auf eine stabile Verbrennung schließen lässt. Für die Auswertung werden die Peaks der Spektren jeweils einzeln betrachtet.
  • Weitere Verfahren zur Regelung des Verbrennungsprozesses offenbaren die DE 102 20 772 A1 und die DE 195 02 901 C1 . Die EP 0 770 824 A2 offenbart ein Verfahren zum Regeln eines Vormischbrenners. Ausgehend von einem gemessenen Ionisationssignal wird eine Regelgröße ermittelt und in Abhängigkeit von der Regelgröße und mindestens einem Sollwert wird das Luft-Brennstoff-Gemisch eingestellt. Aus einem Frequenzbereich des Ionisationssignals wird ein Kalibriersignal ermittelt und in Abhängigkeit von dem Kalibriersignal wird der Sollwert angepasst.
  • Als nachteilig bei der Auswertung der Spektren hat sich gezeigt, dass Änderungen am Verbrennungssystem, welches den Brenner umfasst, zu Frequenzverschiebungen der Peaks in den Spektren führen. Solche Änderungen sind beispielsweise unterschiedliche Temperaturhaushalte, Veränderungen am Verbrennungsluft- oder Abgassystem oder Änderungen an der Brenneroberfläche. Dies spiegelt wider, dass bei dem vorgenannten Verfahren jeder Brennertyp und damit auch jedes System, in welchem der Brenner Anwendung findet, ein eigenes Referenzspektrum benötigt. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass sich Änderungen am System durch die Benutzung oder durch Alterung ergeben können. Zudem ist nachteilig, dass sich in den Spektren Störungen zeigen, die von außerhalb des Systems stammen und nichts mit der Verbrennung zu tun haben, so z. B. das Netzsignal mit 50 Hz. Insgesamt ist die Auswertung somit sehr aufwendig.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren für eine Überwachung eines Brennvorgangs vorzuschlagen, das möglichst einfach und dabei zuverlässig ist.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zum Regeln eines Brenners, wobei der Brenner mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch versorgt wird, wobei ein Ionisationssignal gemessen wird, wobei ausgehend von dem Ionisationssignal eine Regelgröße ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit von der Regelgröße und mindestens einem Sollwert das Luft-Brennstoff-Gemisch eingestellt wird, wobei aus dem Ionisationssignal ein Spektrum gewonnen wird, wobei aus dem Spektrum oder aus mindestens einem Frequenzbereich des Spektrums ein Maß für einen Flächeninhalt ermittelt wird, und wobei in Abhängigkeit von dem Maß für den Flächeninhalt der Sollwert angepasst wird.
  • Erfindungsgemäß wird das Ionisationssignal zur Regelung der Verbrennung verwendet. Hierfür wird eine Regelgröße aus dem Ionisationssignal gewonnen. Zudem wird bei der Regelung ein Sollwert benutzt, der beispielsweise zunächst vorgegeben oder für den Anwendungsfall ermittelt wird. Ausgehend von dem Ionisationssignal findet erfindungsgemäß eine Anpassung des Sollwerts statt. Aus dem Ionisationssignal wird somit eine Information entnommen, über die der Sollwert korrigiert wird. So kann beispielsweise über den korrigierten Sollwert eine Störung, z. B. eine Geräuschbildung vermieden werden, indem die Regelung in einem anderen Lambda-Bereich stattfindet.
  • Erfindungsgemäß wird aus dem Zeitsignal ein Frequenzspektrum gewonnen. Dies geschieht beispielsweise über eine Fourier-Transformation. Aus dem Frequenzspektrum wird dann ein Wert für einen Flächeninhalt (dieses Maß kann auch als Flächenzahl bezeichnet werden) ermittelt. Dies baut auf der Erkenntnis, dass sich Störungen und insbesondere thermoakustische Effekte als Signale im Spektrum zeigen. Daher erlaubt die Flächenzahl eine Aussage darüber, ob Störungen vorhanden sind oder der Brennvorgang Geräusche erzeugt. Um diesen geräuschbelasteten Betriebsbereich zu verlassen, wird der Sollwert für die Regelung entsprechend angepasst, z. B. verschoben, so dass die Regelung in einem anderen Luftzahlbereich stattfindet. In einer Ausgestaltung wird das Maß für den Flächeninhalt aus einem spektralen Bereich gewonnen, der frei von bekannten Störungen wie z. B. dem Netzbrummen ist.
  • Die Auswertung der Flächenzahl hat den Vorteil, dass Frequenzverschiebungen durch geänderte Umgebungsbedingungen oder Anwendungsbedingungen nicht beachtet werden müssen bzw. das Ergebnis der Auswertung nicht verändern.
  • Vorzugsweise wird der Sollwert dann angepasst, wenn das ermittelte Maß für den Flächeninhalt über einen Toleranzwert hinaus von einem vorgegebenen und/oder für den Brenner ermittelten Referenzwert abweicht. In dieser Ausgestaltung wird das aus dem Spektrum gewonnene Maß für den Flächeninhalt in Beziehung zu einem Referenzwert gesetzt. So wird beispielsweise die Differenz gebildet. Wird die Differenz über einen vorgebbaren Toleranzwert hinaus größer, so wird dies von der Steuervorrichtung dahingehend interpretiert, dass eine Störung, insbesondere eine thermoakustische Resonanz vorhanden oder zumindest am Entstehen ist.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass das Ionisationssignal einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen wird. Die schnelle oder Fast-Fourier-Transformation (FFT) erlaubt eine sehr effektive Methode, um zeitdiskrete Signale zu transformieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ausgehend von dem Ionisationssignal die Regelgröße angepasst wird. In dieser Ausgestaltung findet ausgehend von dem Ionisationssignal eine Anpassung der Regelgröße statt. Aus dem Ionisationssignal wird somit in dieser Ausgestaltung eine Information entnommen, über die die Regelgröße und der Sollwert korrigiert werden. Damit ergibt sich beispielsweise eine korrigierte Regelgröße, deren Verlauf eine bessere oder gar überhaupt erst eine zuverlässige Regelung erlaubt.
  • In einer Ausgestaltung wird die Einstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs so vorgenommen, dass zum einen eine möglichst saubere, aber zum anderen auch geräuscharme Verbrennung stattfindet. In dem Luftzahlbereich, in dem sich die Emissionen auf einem niedrigen Niveau befinden, wird daher darauf geregelt, dass Resonanzen, die sich durch thermoakustische Effekte ergeben, verschwinden oder zumindest reduziert werden.
  • Als Vorteil hat sich vor allem gezeigt, dass sich im Ionisationssignal thermoakustische Effekte viel früher zeigen, als dass sie zu deutlich hörbaren Geräuschen führen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird aus dem Ionisationssignal mindestens ein Wert eines Betrags der Ionisationsspannung ermittelt und als Regelgröße verwendet. In dieser Ausgestaltung dient somit die Amplitude der Ionisationsspannung als Regelgröße. Ein Sollwert ist dabei vorzugweise ein Sollbetrag des Spannungswerts.
  • Eine ergänzende oder alternative Ausgestaltung des Verfahrens ist dergestalt, dass aus dem lonisationssignale mehrere Einzel-Werte eines Betrags der Ionisationsspannung ermittelt werden, dass aus den Einzel-Werten eine Streuung ermittelt wird, und dass die Regelgröße in Abhängigkeit von der Streuung ermittelt wird. In dieser Ausgestaltung werden aus dem Ionisationssignal Einzel-Werte für den Betrag der Ionisationsspannung ermittelt. Ausgehend von den Einzel-Werten wird eine Streuung, also ein Maß der Abweichung der Einzel-Werte von einem Mittelwert ermittelt. Die Streuung dient anschließend für die Korrektur der Regelgröße. Diese Variante des Verfahrens baut auf der Feststellung, dass sich die Ionisationsspannung dann stark ändern kann, wenn Störungen und insbesondere, wenn thermoakustische Effekte vorliegen. Die Variation der Spannungswerte äußerte sich in der Streuung, sodass sich eine Größe für die weitere Verarbeitung und insbesondere für die Ermittlung einer Regelgröße ergibt. Entsprechend kann ausgehend von einer zunehmenden Streuung der Einzel-Werte geschlussfolgert werden, dass sich beispielsweise ein störendes Geräusch einstellt. Daher kann entsprechend früher reagiert und gegengesteuert werden.
  • In einer Ausgestaltung stammen die Ionisationssignale aus einem vorgebbaren Zeitraum, in welchem die Luftzahl im Wesentlichen konstant ist oder sich nur innerhalb eines vorgebbaren Bereichs ändert. Es werden also für den Zeitraum der Mittelwertbildung insbesondere keine Änderungen an den Einstellungen vorgenommen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass aus den Einzel-Werten ein Mittelwert und die Streuung ermittelt werden, und dass die Regelgröße als Differenz zwischen dem Mittelwert und der Streuung ermittelt wird. In dieser Ausgestaltung wird über einen zeitlichen Bereich ein Mittelwert des Betrags der Ionisationsspannung gebildet. Von diesem Mittelwert wird dann die Streuung der Spannungswerte abgezogen. Diese Differenz dient beispielsweise als Regelgröße. Je größer die Streuung und damit die Schwankung der Ionisationsspannung, desto kleiner wird die Regelgröße.
  • In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auswertung der Einzel-Werte in der Art eines gleitenden Mittels vorgenommen wird. In einer ergänzenden Ausgestaltung erfolgt in einem vorgebbaren zeitlichen Abstand (z. B. alle fünf Minuten) eine Auswertung der lonisationssignale in einem Zeitintervall einer vorgegebenen Breite (z. B. die Messungen innerhalb von fünf Sekunden).
  • Gemäß einer Ausgestaltung findet eine im Wesentlichen permanente Regelung des Brennverhaltens des Brenners statt und wird die Streuung der Einzel-Werte fortlaufend im Sinne der gleitenden Mittelwertbildung ermittelt. In dieser Ausgestaltung gestaltet sich das Verfahren beispielweise derartig, dass für den Betrieb des Brenners auf einen gewünschten, vorgebbaren Betriebspunkt geregelt wird. Dies sei beispielsweise mit dem Lambda-Wert 1,5. Verändern sich die Umgebungsbedingungen - z. B. durch eine Änderung des Luftdrucks - in einer Richtung, z. B. in Richtung einer mageren Mischung von Luft und Brennstoff, so zeigt sich dies in der zunehmenden Streuung. Die Streuung ändert sich vor allem, bevor der Mittelwert sich außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs verschiebt. Wird insbesondere die Differenz zwischen Mittelwert und Streuung als Regelgröße verwendet, so wird eine Regelung in den fetteren Bereich ausgelöst. Dabei gilt, dass im Normalfall ohne Störungen die Ionisationsspannung mit zunehmender Luftzahl abnimmt. Versuche haben gezeigt, dass im Bereich von Störungen die Ionisationsspannung größer wird oder konstant bleibt. Durch die vorgenannte Ausgestaltung mit der Differenzbildung aus Mittelwert und Streuung ergibt sich eine Regelgröße, auf die geregelt werden kann, z. B. unter Anwendung eines PID-Reglers.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass in Abhängigkeit von der Regelgröße das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Art eines PID-Reglers eingestellt wird. Somit ist beispielsweise ein PID-Regler vorhanden oder sein Verhalten ist entsprechend implementiert, um die Regelung des Brennverhaltens vorzunehmen. Ein üblicher PID-Regler benötigt eine stetige Kurve der Regelgröße. Dies bieten die vorgenannten Varianten des Verfahrens.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Regelgröße permanent oder zu vorgegebenen Zeitpunkten ermittelt. Somit gibt es entweder eine ständige Überwachung, sodass auch ständig eine Regelung vorgenommen werden kann, oder es wird nur in vorgegebenen Zeitintervallen die Überwachung und Regelung vorgenommen. Letzteres z. B. für den Fall, dass Änderungen, die einen Eingriff notwendig machen, selten auftreten oder nicht sogleich kompensiert werden müssen.
  • Gemäß einer weiteren Lehre löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Brenneranordnung mit einem Brenner, einem Wärmetauscher, einer Ionisationselektrode, einer Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung und einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung von der Ionisationselektrode gemessene Ionisationssignale empfängt und auswertet, wobei die Steuervorrichtung ausgehend von der Auswertung der Ionisationssignale auf die Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung regelnd einwirkt, und wobei die Steuervorrichtung derartig ausgestaltet ist, dass die Steuervorrichtung das Verfahren nach einem der zuvor oder im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen umsetzt. Die Erläuterungen und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für die Brenneranordnung, sodass auf eine Wiederholung verzichtet wird. Die Brenneranordnung ist beispielsweise Teil einer Vorrichtung zum Erwärmen von Raumluft und/oder einer Flüssigkeit, z. B. Wasser.
  • Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brenneranordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen die:
    • Fig. 1
    ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung,
    Fig. 2
    a) und b) Spektren ohne und mit thermoakustischen Effekten,
    Fig. 3
    a) und b) Kurvenverläufe der Ionisationsspannung und der Flächenzahl bei unterschiedlichen Leistungen des Brenners,
    Fig. 4
    Kurvenverläufe der Luftzahl sowie der Ionisationsspannung über der Zeit und
    Fig. 5
    zwei Kurven mit einem Wert der Ionisationsspannung und einer daraus ermittelten Regelgröße in Abhängigkeit von der Luftzahl.
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Brenneranordnung mit einem Brenner 1, der über eine Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung 2 mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch versorgt wird. Bei dem Brennstoff handelt es sich beispielsweise um ein brennbares Gas wie Propan oder Butan. Das beim Verbrennen des Luft-Brennstoff-Gemischs erzeugte Rauchgas wird einem Wärmetauscher 3 zugeführt, der die thermische Energie auf Wasser oder Luft überträgt. Für die Überwachung des Brennvorgangs ist eine Ionisationselektrode 4 vorhanden, die so relativ zum Brenner 1 angeordnet ist, dass sie in die beim Verbrennen entstehende Flamme hineinragt. Über die Ionisationselektrode 4 lässt sich je nach Ausgestaltung eine Ionisationsspannung oder ein Ionisationsstrom als Ionisationssignal messen. Das Ionisationssignal wird der Steuervorrichtung 5 für die Auswertung zugeführt. Ausgehend von der dabei gewonnenen Regelgröße wirkt die Steuervorrichtung 5 auf die Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung 2 ein, indem sie beispielsweise den Brennstoff- und/oder Luft-Anteil verändert. Dies mit dem Ziel, dass eine möglichst emissions- und geräuscharme Verbrennung stattfindet.
  • In den Abbildungen Fig. 2 bis Fig. 5 ist die Auswertung der Ionisationssignals beispielhaft verdeutlicht, wobei insbesondere thermoakustische Effekte als Störungen auftreten. Diese Geräusche werden anschließend durch die Änderung des Mischungsverhältnisses vermieden oder zumindest reduziert.
  • Die Fig. 2 a) zeigt ein durch eine FFT erhaltenes Spektrum des Ionisationssignals ohne eine hörbare thermoakustische Resonanz. Auf der x-Achse ist die Frequenz in Hz aufgetragen. Das Signal wurde gewonnen bei einer Luftzahl von 1,2. Bei 50 Hz zeigt sich ein Signal der Netzspannung.
  • Bei der Fig. 2 b) zeigt sich im Spektrum ein Signal um 104 Hz herum, das mit einer hörbaren thermoakustischen Resonanz einhergeht. Das Spektrum wurde bei einer Luftzahl von 1,6 aufgenommen.
  • Um die Resonanz im Spektrum der Fig. 2 b) zu reduzieren, wird bei der Auswertung gemäß einer Ausgestaltung ein Flächeninhalt in einem Frequenzbereich des Spektrums ermittelt und für eine Regelgröße verwendet.
  • In den Fig. 3 a) und b) sind die Verläufe der Mittelwerte der Spannungswerte der Ionisationssignale (durchgezogene Linie und linke y-Achse) und der ermittelten Flächenzahlen (gestrichelte Linie und rechte y-Achse) in Abhängigkeit von der Luftzahl dargestellt. Dabei unterscheiden sich die Graphen in Bezug auf die Leistung, die mit dem Brenner erbracht wird: bei der Fig. 3 a) beträgt die Leistung 1 kW und bei der Fig. 3 b) 3,5 kW.
  • Die Fig. 3 a) zeigt den Fall, dass sich bei Änderung der Luftzahl keine thermoakustische Resonanz einstellt. Je größer die Luftzahl wird, desto mehr nimmt der Betrag der Ionisationsspannung ab. Da sich kein Geräusch ergibt, zeigt sich kein zusätzliches Signal im Spektrum, sodass das Integral des Frequenzbereichs, also die Flächenzahl konstant bleibt.
  • Bei einer höheren Leistung des Brenners ändert sich der Verlauf deutlich. In der Fig. 3 b) nimmt wieder der Betrag der Ionisationsspannung ab, wohingegen bei der Luftzahl von 1,6 (vgl. die Fig. 2 b)) ein deutlicher Anstieg der Flächenzahl zu erkennen ist. Man beachte, dass in diesem Bereich die Ionisationsspannung einen sehr flachen Verlauf zeigt. Ändert sich die Flächenzahl signifikant, so wird der Sollwert korrigiert, mit dem der Betrag der lonisationsspannung als Regelgröße für die Regelung des Brennvorgangs verwendet wird.
  • Die Fig. 4 zeigt die Schwankungen, die sich bei den gemessenen Werten der Ionisationsspannung ergeben, wenn Störungen auftreten. Aufgetragen ist dabei auf der äußeren y-Achse der Lambda-Wert und auf der inneren y-Achse der Betrag der Ionisationsspannung. Auf der x-Achse ist die Zeit aufgetragen. Die Lambda-Werte wurden in diskreten Schritten erhöht, was an der Treppenform der gestrichelten Linie zu erkennen ist.
  • In der Kurve zeigt sich generell, dass die Ionisationsspannung mit steigendem Lambda-Wert abnimmt. Es lässt sich auch erkennen, dass pro eingestellter Luftzahl ein direkter Zusammenhang mit der Spannung besteht. Es zeigt sich jedoch, dass die Spannungswerte stark schwanken können, wenn Störungen vorhanden sind. Dies sind hier im Versuch deutlich hörbare thermoakustische Resonanzen, die bei Lambda = 1,6 und Lambda = 1,7 (ab ca. 180 Sekunden) auftreten. Die Schwankungen wirken sich sogar deutlich erkennbar auf den Mittelwert aus. Die Streuung allein ist somit auch ein Indikator für das Vorliegen einer Störung.
  • In der Fig. 5 sind zwei Kurven eingezeichnet, wobei jeweils ein Wert für die Ionisationsspannung in Abhängigkeit vom Lambda-Wert aufgetragen ist.
  • Bei der durchgezogenen Kurve ist jeweils ein unbearbeiteter Mittelwert der Ionisationsspannung aufgetragen. Bei der gestrichelten Kurve wurde die Differenz aus dem Mittelwert und der zugehörigen Streuung gebildet.
  • Bei der durchgezogenen Kurve ist wieder die Abnahme der Spannung zu erkennen. Durch die Streuung im Bereich der thermoakustischen Effekte wird im Bereich zwischen Lambda = 1,5 und 1,6 der Mittelwert angehoben und bleibt fast konstant. Angedeutet ist hier die Auswirkung dieses Verhaltens auf die Regelung. Wäre als Sollwert für die Ionisationsspannung beispielsweise der Wert von 1,4 V vorgegeben, so wären damit zwei Lambda-Werte verbunden. Das bedeutet, dass die reine Betrachtung der Ionisationsspannung für die Regelung nicht ausreichend ist.
  • Bei der gestrichelten Kurve wurde vom Mittelwert der Ionisationsspannung jeweils die Streuung abgezogen. Entsprechend verschiebt sich die Kurve nach unten. Ein dramatischer Effekt stellt sich bei dem Bereich größer 1,5 für Lambda ein. Der verrechnete Wert bei Lambda = 1,6 unterscheidet sich deutlich vom Vorgängerwert bei Lambda = 1,5. Die erhöhte Streuung gleicht die Erhöhung des Mittelwerts aus. Somit ergibt sich ein stetig abfallender Verlauf, der eine eindeutige Regelung erlaubt. Daher würde bei der Abnahme des verrechneten Spannungswerts als Regelgröße im Bereich der thermoakustischen Resonanz der Regler feststellen, dass die Regelgröße kleiner als ein Sollwert ist und würde dann den Betriebspunkt in den fetten Bereich mit kleinerem Lambda-Wert regeln.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Regeln eines Brenners (1),
    wobei der Brenner (1) mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch versorgt wird,
    wobei ein Ionisationssignal gemessen wird,
    wobei ausgehend von dem Ionisationssignal eine Regelgröße ermittelt wird,
    wobei in Abhängigkeit von der Regelgröße und mindestens einem Sollwert das Luft-Brennstoff-Gemisch eingestellt wird,
    wobei aus dem lonisationssignal - insbesondere durch eine Fourier-Transformation - ein Spektrum gewonnen wird,
    wobei aus dem Spektrum oder aus mindestens einem Frequenzbereich des Spektrums ein Maß für einen Flächeninhalt ermittelt wird, und
    wobei in Abhängigkeit von dem Maß für den Flächeninhalt der Sollwert angepasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei aus dem Ionisationssignal mindestens ein Wert eines Betrags der Ionisationsspannung ermittelt und als Regelgröße verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei aus dem Ionisationssignal mehrere Einzel-Werte eines Betrags der Ionisationsspannung ermittelt werden,
    wobei aus den Einzel-Werten eine Streuung ermittelt wird, und
    wobei die Regelgröße in Abhängigkeit von der Streuung angepasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    wobei aus den Einzel-Werten ein Mittelwert und die Streuung ermittelt werden, und wobei die Regelgröße als Differenz zwischen dem Mittelwert und der Streuung ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei in Abhängigkeit von der Regelgröße das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Art eines PID-Reglers eingestellt wird.
  6. Brenneranordnung mit einem Brenner (1), einem Wärmetauscher (3), einer Ionisationselektrode (4), einer Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung (2) und einer Steuervorrichtung (5),
    wobei die Steuervorrichtung (5) von der Ionisationselektrode (4) gemessene Ionisationssignale empfängt und auswertet,
    wobei die Steuervorrichtung (5) ausgehend von der Auswertung der Ionisationssignale auf die Luft-Brennstoff-Gemisch-Versorgung (2) regelnd einwirkt, und
    wobei die Steuervorrichtung (5) derartig ausgestaltet ist, dass die Steuervorrichtung (5) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umsetzt.
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