EP4737801A1

EP4737801A1 - Verfahren zum betreiben eines heizgerätes, computerprogramm und heizgerät

Info

Publication number: EP4737801A1
Application number: EP25209092.3A
Authority: EP
Inventors: Jan Jansen; Timo Krah; Julian Sonnenschein
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2024-10-29
Filing date: 2025-10-16
Publication date: 2026-05-06
Also published as: DE102024131510A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1) aufweisend eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3) und ein Gasventil (5) umfassend eine Offset-Einstellung (24) zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas mit einem Aktuator (25) zur Betätigung der Offset-Einstellung (24), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
a) Initiieren einer Inbetriebnahme des Heizgeräts (1),
b) Ermitteln eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_v(t) während der Inbetriebnahme in Schritt a),
c) Feststellen einer Differenz (28) zwischen dem in Schritt b) ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_v(t) und einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ_Z,
d) Ermitteln eines dynamischen Offset-Wertes (29) und eines entsprechenden Stellsignals für den Aktuator (25) der Offset-Einstellung (24) des Gasventils (5), bei dessen Anwendung die in Schritt c) festgestellte Differenz (28) ausgeglichen wird, und
e) Betätigen des Aktuators (25) der Offset-Einstellung (24) des Gasventils (5) mit dem Stellsignal aus Schritt d).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm und ein Heizgerät.
Bei einer Inbetriebnahme eines Heizgerätes wird in der Regel eine Fördereinrichtung auf eine Startleistung angefahren und nach einem Erreichen derselben ein Gasventil geöffnet, das eine der Startleistung bzw. einem Startmassestrom Verbrennungsluft und einem Startverbrennungsluftverhältnis entsprechenden Massestrom Brenngas zusetzt und eine Zündeinrichtung in Betrieb genommen. Häufig wird während des Zündvorganges das Verbrennungsgemisch entsprechend einer Zündrampe kontinuierlich angefettet, also der Anteil Brenngas im Verbrennungsgemisch erhöht, wodurch das Verbrennungsluftverhältnis sinkt. Nach einem Erkennen einer Flamme durch eine Flammenüberwachung wird zumeist eine Öffnungsstellung des Gasventils um einen festen Offset-Wert geändert und das Heizgerät bzw. der Brenner geht in einen Regelbetrieb über. Ein derartiges Verfahren zur Inbetriebnahme wird in der DE 10 2006 006 964 A1 beschrieben. Dabei wird zum Zeitpunkt des Zündens mittels einer Kennlinie aus der Brennertemperatur eine Luftzahl berechnet und ein neues Startverbrennungsluftverhältnis eingestellt. Das Verfahren ist jedoch aufwendig und wenig präzise.
Die DE 10 2022 133 191 A1 beschreibt ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgeräts, bei dem ein virtuelles Verbrennungsluftverhältnis berechnet wird. Dieses Verfahren ist jedoch bei einem Heizgerät mit einem pneumatischen Gas-Luftverbund nicht anwendbar.
Bei dem Betrieb des Heizgeräts können durch unterschiedliche Toleranzen, wie beispielsweise eine variierende Gasqualität, Fertigungstoleranzen des Gasventils oder auch schwankende Umweltbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) Abweichungen des tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnisses von dem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis auftreten, die die Effizienz der Verbrennung mindern und auch kritische Zustände wie ein Auftreten eines Flammenrückschlages begünstigen. Dies gilt insbesondere für Heizgeräte mit einem pneumatischen Gas-Luftverbund mit einer Kopplung der zugeführten Gasmenge an einen Druckabfall an einer Drosselstelle, wobei eine Korrektur der Luftzahl kaum möglich ist. Bei Heizgeräten, die mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas betrieben werden, treten hierbei verstärkt Probleme auf, da Wasserstoff deutlich abweichende Verbrennungseigenschaften hat.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm und ein Heizgerät vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. Insbesondere soll die Erfindung ein stabiles und sicheres Betreiben eines Heizgerätes ermöglichen, insbesondere eines Heizgeräts mit einem pneumatischen Gas-Luftverbund.
Zudem soll das Verfahren dazu geeignet sein, zumindest teilweise, automatisiert durchgeführt zu werden und möglichst geringe bauliche Veränderungen gegenüber einem Heizgerät nach dem Stand der Technik erfordern.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes bei. Das Heizgerät weist eine Fördereinrichtung zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner und ein Gasventil auf. Dabei umfasst das Gasventil eine Offset-Einstellung zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas, welche einen Aktuator zur Betätigung der Offset-Einstellung hat. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) Initiieren einer Inbetriebnahme des Heizgeräts,
b) Ermitteln eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) während der Inbetriebnahme in Schritt a),
c) Feststellen einer Differenz zwischen dem in Schritt b) ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ_Z,
d) Bestimmen eines dynamischen Offset-Wertes anhand der in Schritt c) dessen Einstellbestimmten Differenz der die in Schritt c) festgestellte Differenz minimiert bzw. kompensiert, und
e) Betätigen der Offset-Einstellung des Gasventils um den in Schritt d) bestimmten dynamischen Offset-Wert.

Die Schritte a), b), c), d) und e) können dabei mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren kann insbesondere bei jeder Inbetriebnahme des Heizgeräts ausgeführt werden. Schritt e) kann insbesondere unmittelbar nach einem Erkennen einer Flamme erfolgen und kann den Übergang von einem Zündbetrieb zu einem Regelbetrieb des Heizgeräts kennzeichnen. Das Verfahren dient insbesondere einer Präzisierung der Verbrennungsregelung eines Heizgeräts, insbesondere eines Heizgeräts mit einem pneumatischen Gas-Luftverbund, durch eine Kompensation der Auswirkung von Toleranzen von Bauteilen des Heizgeräts oder der Qualität des zugeführten Brenngases und/ oder der Auswirkung von sich ändernden Umgebungsbedingungen, insbesondere dem Druck, der Temperatur und der Feuchte der zugeführten Verbrennungsluft.
Das Heizgerät kann zumindest einen Wärmeerzeuger, insbesondere einen Gas-Brennwertkessel, umfassen, der durch Verbrennung eines Brennstoffes Wärmeenergie freisetzt und über mindestens einen Wärmetauscher auf einen Heizkreis übertragen kann, wobei Verbraucher des Heizkreises über einen Vorlauf und einen Rücklauf an das Heizgerät anschließbar sind. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase können über einen Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden. Im Heizgerät kann im Heizkreislauf eine Umwälzpumpe dazu eingerichtet sein, ein Wärmeträgermedium (Heizungswasser) umzuwälzen, wobei über einen Heizungsvorlauf erwärmtes Wärmeträgermedium Verbrauchern, wie Konvektoren oder Flächenheizungen, zugeführt und über einen Heizungsrücklauf zum Wärmeerzeuger bzw. dem mindestens einen Wärmetauscher rückgeführt werden kann.
Hierzu kann das Heizgerät eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, aufweisen, die ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Brenngas einem, in einer Brennkammer angeordneten, Brenner des Heizgerätes zuführen kann. Verbrennungsluft kann dabei den von der Fördereinrichtung geförderten Luftstrom bezeichnen, unabhängig davon, ob diese tatsächlich einer Verbrennung zugeführt wird oder, wie beispielsweise im Rahmen einer Inbetriebnahme, beim Anfahren der Fördereinrichtung oder bei Spülvorgängen gefördert wird. Die Fördereinrichtung kann dabei eine Leistungsregelung umfassen, insbesondere einen Drehzahlregler. Das Heizgerät kann alternativ einen elektronischen Gas-Luftverbund aufweisen, bei dem anhand eines Signals einer Flammenüberwachung ein Rückschluss auf die Flammen und das
Verbrennungsluftverhältnis (auch als Lambda oder Luftzahl bezeichnet) erfolgen kann, so dass eine Regelung desselben ermöglicht wird. Das Heizgerät kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff als Brennstoff oder einem (Brennstoff)Gemisch enthaltend Wasserstoff eingerichtet sein. Das Gemisch kann dabei einen Gehalt von mindestens 80% oder mindestens 90% Wasserstoff aufweisen.
Das Gasventil umfasst eine Offset-Einstellung, die auch als Nullpunkt-Verschiebung bezeichnet werden kann. Diese Offset-Einstellung des Gasventils kann durch einen Aktuator betätigt werden. Der Aktuator kann beispielsweise ein Schrittmotor sein, der eine rotatorische Einstelleinrichtung (Stellschraube) am Gasventil betätigt. Der Aktuator ist elektrisch ansteuerbar und beispielsweise mit einem Regel- und Steuergerät des Heizgeräts derart verbunden, dass ein Stellsignal an den Aktuator übermittelt werden kann und dieser automatisiert die Offset-Einstellung des Gasventils entsprechend dem Stellsignal betätigt. Insbesondere kann es sich bei dem Aktuator um den Aktuator handeln, der zur Regelung der Luftzahl beim Betrieb des Heizgeräts genutzt wird.
Zudem kann das Heizgerät eine Flammenüberwachung aufweisen. Häufig kommt hierzu eine Ionisationselektrode zum Einsatz, die einen Ionisationsstrom der Flamme zum Feststellen derselben nutzen kann. Dieses Prinzip ist jedoch bei einer Wasserstoffflamme, nicht robust einsetzbar, da bei der Verbrennung von Wasserstoff erheblich weniger freie Ladungsträger entstehen. Häufig kommen daher bei mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräten andere Verfahren, wie beispielsweise ein Erfassen der von der Flamme emittierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Infrarot- (IR-) und/ oder UV-(Ultraviolett-) Strahlung oder ein Erfassen der Flammentemperatur zum Einsatz. Ein Signal einer Flammenüberwachung kann dabei das Vorhandensein einer Flamme anzeigen, sowie einen Rückschluss auf ein Verbrennungsluftverhältnis der Flamme ermöglichen.
Gemäß einem Schritt a) kann eine Inbetriebnahme des Heizgeräts initiiert werden. Die Inbetriebnahme kann beispielsweise durch eine Wärmeanforderung an das Heizgerät ausgelöst sein, die durch Öffnen eines Warmwasserauslaufs oder eines Thermostatventils eines Verbrauchers (Heizkörper oder Flächenheizung) auftreten kann.
Eine Inbetriebnahme eines Heizgerätes kann dabei wie folgt ablaufen. Zunächst kann, beispielsweise ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes, eine Fördereinrichtung, die zumeist als Gebläse ausgeführt ist, auf eine vorgegebene Startleistung bzw. Startdrehzahl anfahren. Nach dem Erreichen der vorgegebenen Startleistung bzw. Startdrehzahl kann sich eine Spülphase mit einer vorgegebenen Zeitdauer anschließen, in der möglicherweise in der Brennkammer vorhandenes Brenngas einer vorhergehenden, möglicherweise erfolglosen Inbetriebnahme aus der Brennkammer ausgeblasen wird. Bei der vorgegebenen Startleistung bzw. Startdrehzahl stellt sich ein Startvolumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀)ein. Nunmehr kann eine für die Startleistung bzw. Startdrehzahl vorgegebene Durchflussmenge Brennstoff (Startmassestrom oder Startvolumenstrom Brennstoff) zugeführt werden, indem das Gasventil auf eine entsprechende Öffnungsposition gefahren wird. Dabei kann die Durchführung des Schrittes b) erfolgen. Mit dem Öffnen des Gasventils und dem Zuführen des Brenngases kann eine Zündeinrichtung in Betrieb genommen werden. Mit zunehmendem Volumenstrom Brenngas V̇_Gas kann der Volumenstrom Verbrennungsluft im Verlauf der Zeit t entsprechend einer Zündrampe kontinuierlich abnehmen und umgekehrt proportional der zugeführte Volumenstrom Brenngas V̇_Gas zunehmen, bis sich das Verbrennungsgemisch in der Brennkammer entzündet und eine (stabile) Flamme ausbildet. Diese Flamme kann durch eine Flammenüberwachungseinrichtung erkannt werden. Im Anschluss würde ein Heizgerät nach dem Stand der Technik eine statische Offset-Einstellung vornehmen, als einen fest eingestellten (statischen) Offset-Wert anwenden. Ein Gedanke der Erfindung kann darin erkannt werden, diesen statischen Offset-Wert des Gasventils durch einen sensorisch und rechnerisch ermittelten dynamischen Offset-Wert zu ersetzen. Der dynamisch Offset-Wert ist dabei mit der Maßgabe bestimmt Einflüsse von Toleranzen und Umgebung für die Verbrennungsregelung zu kompensieren. Der beschriebene Vorgang einer Inbetriebnahme eines Heizgerätes kann insbesondere durch ein Regel- und Steuergerät eines Heizgerätes durchgeführt werden. In der Regel wird ab dem Öffnen des Gasventils ein Sicherheitszeitraum gemessen, der häufig gesetzlich vorgegeben ist. Nach dem Ablauf des vorgegebenen Sicherheitszeitraumes ohne ein Erkennen einer Flamme durch die Flammenüberwachung wird die Inbetriebnahme abgebrochen und das Gasventil geschlossen, um zu verhindern, dass eine große Menge unverbranntes Gas abgegeben wird. Gegebenenfalls kann sich ein weiterer Versuch einer Inbetriebnahme mit einem Spülvorgang anschließen. Nach dem Erkennen einer Flamme geht das Heizgerät zudem, gegebenenfalls nach Ablauf eines Stabilisierungszeitraums in den Regelbetrieb über und kann hierfür von dem Verbrennungsluftverhältnis des Zündbetriebs zu einem Verbrennungsluftverhältnis des Regelbetriebs wechseln.
Gemäß einem Schritt b) kann ein virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) während der Inbetriebnahme in Schritt a) ermittelt werden. Das virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) bezeichnet hierbei ein rechnerisch anhand von mindestens einem erfassten Parameter ermitteltes Verbrennungsluftverhältnis, das nach dem Öffnen des Gasventils ermittelt werden kann. Dies kann beispielsweise mit einem geeigneten Sensor, beispielsweise einem Gasgemisch-Sensor oder einem Gasflusssensor erfolgen. Das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis kann somit als ein tatsächliches Verbrennungsluftverhältnis verstanden werden, das gegebenenfalls unter Einbeziehung eines Signals von mindestens einem Sensor im Anschluss an das Öffnen des Gasventils rechnerisch ermittelt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung kann das virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) mit einem Verfahren umfassend zumindest die nachfolgenden Schritte ermittelt werden:

a1) Erfassen eines dem Brenner zugeführten Volumenstromes Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) vor einem Öffnen des Gasventils des Heizgerätes zu einem Zeitpunkt t₀ ,
b1) Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft V_Air (t) nach dem Öffnen des Gasventils zu einem Zeitpunkt t,
c1) Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit $R (t) = \frac{{\dot{V}}_{Air} (t)}{{\dot{V}}_{Air} (t_{0})},$ und
d1) Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) mittels $λ_{V} (t) = \frac{R (t)}{A \times (1 - R (t))}$ , wobei der Faktor A eine Mindestluftmenge der Verbrennung des Brenngases darstellt.

Gemäß einem Schritt a1) kann ein Erfassen eines dem Brenner zugeführten Volumenstromes Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) zu einem Zeitpunkt t₀ vor dem Öffnen eines Gasventils des Heizgerätes erfolgen. Der zugeführte Volumenstrom Verbrennungsluft entspricht dabei insbesondere dem bei der Startleistung bzw. der Startdrehzahl der Fördereinrichtung geförderten Volumenstrom Verbrennungsluft. Der Volumenstrom Verbrennungsluft kann in diesem Zusammenhang auch als Fördervolumenstrom der Fördereinrichtung verstanden werden.
Insbesondere kann der erfasste Volumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) auf einem elektronischen Daten-Speicher, beispielsweise einem Speicher des Regel- und Steuergerätes, hinterlegt werden.
Gemäß Schritt b1) kann ein Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft V_Air (t) während des Öffnens bzw. nach dem Öffnen des Gasventils zu einem Zeitpunkt t, erfolgen. Der Zeitpunkt t kann eine vorgegebene Periode nach dem Zeitpunkt t₀ sein. Insbesondere kann das Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft V_Air (t) kontinuierlich bzw. über eine vorgegebene Erfassungsperiode durchgeführt werden, wobei die Erfassungsperiode zumindest teilweise parallel dem Öffnungsvorgang des Gasventils und/oder dem vollständig geöffneten Gasventil liegt. In der Regel wird der Zeitpunkt t für die Berechnung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ _V (t) derart zu wählen sein, dass sich die Strömung des Verbrennungsgemischs und das resultierende Verbrennungsluftverhältnis stabilisiert haben. Der Zeitpunkt t sollte insbesondere durch einen möglichst konstanten Gasmassestrom gekennzeichnet sein. Dabei kann der genaue Zeitpunkt auch von der Geometrie des Gas-Luftverbunds abhängig sein. In jedem Fall sollte der Zeitpunkt t vor dem tatsächlichen Entzünden des Verbrennungsgemischs liegen. Beispielhaft kann ein Zeitpunkt t in einem Bereich von 200 Millisekunden bis 400 Millisekunden, insbesondere 250 Millisekunden bis 350 Millisekunden sinnvoll sein. Ein geeigneter Zeitpunkt t kann auch anhand von Versuchen an einem Referenzheizgerät bestimmt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) und/ oder des Volumenstromes Verbrennungsluft V_Air (t) mittels eines Durchflusssensors (eines Massestrom- oder Volumenstromsensors) erfolgen, der in einer Zuführung Verbrennungsluft des Heizgerätes, beispielsweise in einem Schalldämpfer einer Zuführung Verbrennungsluft, angeordnet sein kann bzw. ist.
In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass ein (gasförmiger) Volumenstrom auf einfache Art und Weise in einen Massestrom überführbar ist und umgekehrt. Hierzu kann näherungsweise eine Multiplikation mit einem Umrechnungsfaktor erfolgen oder eine präzise Umrechnung in Kenntnis von Zustandsparametern des zu erfassenden Gasstromes, insbesondere der Dichte, Temperatur und des Druckes. Eine Bezugnahme im Rahmen dieses Dokumentes auf einen Massestrom kann somit immer auch als Bezugnahme auf einen Volumenstrom verstanden werden und umgekehrt.
Gemäß Schritt c1) kann ein Verhältnis R(t) bestimmt werden: $R (t) = \frac{{\dot{V}}_{Air} (t)}{{\dot{V}}_{Air} (t_{0})} .$ Das Verhältnis wird aus dem Umstand abgeleitet, dass der, bei konstanter Drehzahl von der Fördereinrichtung geförderte Volumenstrom konstant ist (dichteunabhängig) und der Volumenstrom Brenngas V̇_Gas (t) somit mittels ${\dot{V}}_{Gas} (t) = {\dot{V}}_{Air} (t_{0}) - {\dot{V}}_{Air} (t)$ hergeleitet werden kann.
Anhand des in Schritt c1) ermittelten Verhältnisses R(t) kann ein Rückschluss auf das Verbrennungsluftverhältnis zum Zeitpunkt t erfolgen. Hierzu kann das ermittelte R(t) beispielsweise mit einem vorgegebenen Referenzbereich von R(t) verglichen und die Verbrennung zum Zeitpunkt t bewertet werden.
Nunmehr kann in einem Schritt d1) ein Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) mittels $λ_{V} (t) = \frac{R (t)}{A \times (1 - R (t))}$ erfolgen.
Der Faktor A stellt dabei den Mindestluftbedarf der Verbrennung des Brenngases, auch als stöchiometrischer Luftbedarf bezeichnet, also das benötigte Volumen Verbrennungsluft für die Verbrennung von einem Kubikmeter Brenngas, mit der Annahme, dass die Verbrennungsluft einen Sauerstoffanteil von 21 Prozent [%] hat. In Kenntnis einer chemischen Zusammensetzung des Brennstoffes könnte der Mindestluftbedarf A somit berechnet werden. Beispielsweise beträgt der Faktor A (der Mindestluftbedarf der Verbrennung) für Wasserstoff (100%iges) 2,381, für (100%iges) Methan 9,52, für (100%iges) Propan 23, 8 und für (100%iges) Butan 31. Der Faktor A (der Mindestluftbedarf) kann hierfür beispielsweise auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes des Heizgerätes hinterlegt sein, beispielsweise ein Mittelwert für die Gase einer Gasfamilie.
Alternativ könnte der Mindestluftbedarf A auch ermittelt werden, beispielsweise aus einer Inbetriebnahmeprozedur und/ oder auch mit Hilfe anderer Regelkreise des Heizgerätes. Hierzu kann beispielsweise ein Lamdaregelkreis eines Heizgerätes genutzt werden, der im Betrieb das Verbrennungsluftverhältnis des Heizgerätes unabhängig von der Gasart regeln kann. So kann nach einem Schließen des Gasventils mit $R (t) = \frac{{\overset{\cdot}{Vm}}_{Air} (t_{0})}{{\dot{V}}_{Air} (t)}$ und $λ_{V} (t) = \frac{R (t)}{A \times (1 - R (t))}$ der Mindestluftbedarf A in Kenntnis des Verbrennungsluftverhältnisses im Betrieb bestimmt werden.
Eine alternative Möglichkeit könnte darin bestehen, das Verbrennungsluftverhältnis von einem nicht zündfähigen Bereich zu mindern (den Anteil Brennstoff im Verbrennungsgemisch somit zu erhöhen) bis eine erfolgreiche Zündung stattfindet und somit ein R(t) für das magerste zündfähige Gemisch ermitteln. In Kenntnis einer Lambdagrenze des Gerätes für die Zündung (also des maximalen Lambdas (Verbrennungsluftverhältnisses) mit dem eine Zündung möglich ist) könnte der Mindestluftbedarf A mit dem ermittelten R(t) berechnet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung könnte in einem Schritt e1) ein Bewerten des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) erfolgen. Das Bewerten erfolgt dabei insbesondere im Hinblick auf ein Feststellen einer kritischen Inbetriebnahme und nutzt hierfür das virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und/ oder einen Gradienten des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t). Der Gradient G(t) des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) kann der durch eine mathematische Ableitung ermittelte Anstieg des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) sein.
Gemäße einer Ausgestaltung könnte bei dem Bewerten gemäß Schritt e1) der Umstand einbezogen werden, dass ein zu niedriges virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) möglicherweise eintretende kritischen Zustände des Heizgerätes anzeigen kann. Somit könnte ein Abbruch eines Zündvorganges bei einem zu niedrigen virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) in Erwägung gezogen werden. Demgegenüber kann ein zu hohes virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) kaum zu kritischen Zuständen führen und ein Abbruch aus Sicherheitsgründen muss nicht erfolgen, der Zündversuch kann bis zu einer Beendigung (durch ein Ende der Sicherheitszeit oder einer Flammenbildung) fortgeführt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann im Rahmen der Durchführung des Schrittes e1) ein Vergleichen des in Schritt d1) bestimmten virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) oder des Gradienten G(t) mit einem (jeweiligen) Referenzbereich erfolgen. Ein Verlassen des Referenzbereiches kann dabei einen kritischen Zustand bei der Inbetriebnahme, insbesondere ein kritisches Verbrennungsluftverhältnis λ anzeigen. Der Referenzbereich kann dabei durch einen oberen und einen unteren Grenzwert definiert sein, wobei ein virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) größer dem oberen Grenzwert und/ oder kleiner dem unteren Grenzwert einen möglicherweise kritischen Zustand bei der Inbetriebnahme, insbesondere in Verbindung mit einer verzögerten Zündung, anzeigen kann. Demgegenüber bedeutet ein zu niedriges Verbrennungsluftverhältnis eine geringere Flammengeschwindigkeit und eine geringere Leistung und kann damit zu einer verlangsamten oder auch keiner Flammenbildung bei einem Zündvorgang führen. Dabei kann der Referenzbereich auch ein Grenzwert sein, dessen Unter- oder Überschreiten einen kritischen Zustand anzeigen kann. Hierbei kann insbesondere ein Unterschreiten des Grenzwertes kritisch sein, da dieses ein niedriges λ und somit einen hohen Anteil Brennstoff im Verbrennungsgemisch (fettes Gemisch) anzeigen kann.
Gemäß einer Ausgestaltung können Referenzbereich und/ oder Grenzwert im Vorfeld an einem Referenzheizgerät in (Labor-)Versuchen ermittelt worden sein und auf einem Speicher des Heizgerätes, insbesondere eines Regel- und Steuergerätes des Heizgerätes hinterlegt sein.
Gemäß einer Ausgestaltung kann bei einem Feststellen des Verlassens des Referenzbereiches und/ oder einem Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes durch das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und/ oder das Verhältnis R(t) in Schritt e) der Volumenstrom Brenngas V̇_Gas angepasst werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann bei einem Feststellen des Verlassens des Referenzbereiches und/ oder einem Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes durch das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und/ oder das Verhältnis R(t) in Schritt e1), insbesondere bei einem virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) unterhalb eines Referenzbereiches oder Grenzwertes, der Zündvorgang abgebrochen werden. Anschließend könnte ein erneuter Versuch einer Inbetriebnahme mit einem angepassten Volumenstrom Brenngas V̇_Gas erfolgen, bei dem insbesondere ein hier vorgeschlagenes Verfahren erneut durchgeführt werden kann.
Wie beschrieben ist für die Bestimmung von R(t) bzw. des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λV(t) eine möglichst konstante Drehzahl der Fördereinrichtung maßgeblich. Allerdings kann beim Öffnen oder Schließen des Gasventils eine kurzzeitige Drehzahlabweichung auftreten. Gemäß einer Ausgestaltung kann diese Drehzahlabweichung kompensiert werden, indem zusätzlich die Drehzahl n der Fördereinrichtung zum Zeitpunkt t0 und zum Zeitpunkt t erfasst wird und ein kompensierter Volumenstrom ${\dot{V}}_{{Air}_{Komp}} (t) = {\dot{V}}_{Air} \times \frac{n (t_{0})}{n (t)}$ berechnet wird. Der kompensierte Volumenstrom kann dann zur Berechnung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses herangezogen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann, insbesondere bei einem erneuten Versuch einer Inbetriebnahme, der zugeführte Volumenstrom Brenngas V̇_Gas entsprechend der Abweichung des ermittelten R(t) von einem Soll-R(t) bzw. der Abweichung des ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnis von einem Soll-Verbrennungsluftverhältnis angepasst werden. In Abhängigkeit der Abweichung sind hierbei verschiedene Fallgestaltungen vorstellbar:

bei einer unplausibel großen Abweichung (virtuelles Verbrennungsluftverhältnis deutlich größer/ kleiner als Soll-Verbrennungsluftverhältnis) kann eine Reset-Fahrt des Schrittmotors des Gasventils sinnvoll sein,
bei einem virtuellen Verbrennungsluftverhältnis deutlich unterhalb des Soll-Verbrennungsluftverhältnis, also einem deutlich zu fetten Verbrennungsgemisch, kann eine entsprechend große Korrektur erfolgen, die das Verbrennungsluftverhältnis möglichst wieder in einen mageren Bereich verschieben kann, und
bei einer größeren Abweichung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnis in Richtung mager kann in kleinen Schritten der zugeführte Volumenstrom Brenngas V̇_Gas erhöht werden. Durch eine Erhöhung in kleinen Schritten kann dabei das Risiko eines Sprunges in einen fetten Bereich gemindert werden. Auch könnte eine Erhöhung des zugeführten Volumenstrom Brenngas V̇_Gas von einer Plausibilisierung des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses abhängig gemacht werden.

Gemäß einer Ausgestaltung kann der Ablauf des Zündvorganges an die Abweichung des ermittelten R(t) von einem Soll-R(t) bzw. die Abweichung des ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses von einem Soll-Verbrennungsluftverhältnis angepasst werden. Die Anpassung des Ablaufes des Zündvorganges kann insbesondere die Sicherheitszeit und die Zündleistung (Intensität der Zündung) betreffen. Beispielsweise kann bei einem Verbrennungsluftverhältnis kleiner eins die Sicherheitszeit verkürzt werden. Beispielshaft könnte bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 0,7 die Sicherheitszeit auch mit dem Faktor 0,7 verkürzt werden.
Alternativ oder kumulativ kann auch ein Leistungsfaktor bestimmt werden, der für die Anpassung des Ablaufes des Zündvorganges genutzt werden kann. Der Leistungsfaktor kann aus $\frac{Q_{Soll}}{Q_{λ_Virt}} = \frac{1 + A \times λ_{Virt}}{1 + A \times λ_{Soll}}$ bestimmt werden. Aus dem Leistungsfaktor kann ein Verkürzungsfaktor für die Sicherheitszeit ermittelt werden, wobei eine gleichbleibende Energiemenge pro Zündversuch für die Verkürzung maßgeblich sein kann.. Auch kann aus dem Leistungsfaktor eine notwendige Leistungsänderung für einen nachfolgenden Zündversuch ermittelt werden.
Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung kann bei einem Erreichen einer vorgegebenen maximalen Anzahl von Versuchen einer Inbetriebnahme des Heizgerätes bei denen ein Verlassen des Referenzbereiches bzw. ein Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes festgestellt wurde, die Inbetriebnahme des Heizgerätes abgebrochen werden. Regelmäßig wird die vorgegebene maximale Anzahl von Versuchen einer Inbetriebnahme in einem Bereich von 2 bis 10 Versuchen, insbesondere von 4 bis 6 Versuchen liegen. Häufig beschränken hierbei länderspezifische Regelungen oder Normen die Anzahl der Versuche einer Inbetriebnahme.
Gemäß einer Ausgestaltung kann nach erfolgloser Durchführung der maximalen Anzahl von Versuchen einer Inbetriebnahme das Heizgerät (automatisiert) in einen Fehlerzustand verbracht werden, der aus Sicherheitsgründen nur von einer gerätekundigen Person, wie einem Servicetechniker, beendet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann eine Information das Erreichen der maximalen Anzahl an Versuchen einer Inbetriebnahme über eine (externe oder ins Heizgerät integrierte) Anzeigeeinrichtung angezeigt und/ oder über ein Netzwerk, insbesondere dem Internet, zum Abruf bereitgestellt und/ oder als Nachricht versandt werden. Beispielsweise kann die Information auf einem Appliance Interface des Heizgerätes oder auch auf einem Netzwerkspeicher (Cloud) zum Abruf bereitgestellt werden. Vorteilhaft kann so beispielsweise einem Nutzer/ Betreiber des Heizgerätes und/ oder einem Fachbetrieb eine Information über einen Fehler bei der Inbetriebnahme durch eine Nachricht übermittelt werden und der Fachbetrieb kann einen Termin zur Wartung und/ oder Reparatur entsprechend planen und durchführen. Insbesondere kann so eine schnelle Beendigung eines Fehlerzustandes des Heizgerätes herbeigeführt werden.
Gemäß einem Schritt c) kann ein Ermitteln einer Differenz zwischen dem in Schritt b) ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ_Z für den Zündbetrieb erfolgen. Das vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis λ_Z kann somit auch als Soll- oder Zielverbrennungsluftverhältnis des Zündbetriebs verstanden werden und entspricht dabei dem von der Regelung angenommene bzw. avisierte Verbrennungsluftverhältnis für den Zündbetrieb für den Zeitpunkt t für den das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) in Schritt b) ermittelt wurde. Das vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ_Z kann beispielsweise einer Position bzw. einem Zeitpunkt auf einer Zündrampe des Verbrennungsluftverhältnisses für den Zündbetrieb entsprechen. Gegebenenfalls kann das vorgegebenene Verbrennungsluftverhältnis λ_Z auch außerhalb der Zündrampe liegen. Die Differenz als Abweichung des erfassten (virtuellen) Verbrennungsluftverhältnisses von einem vorgegebenen Soll- oder vorgegebene Verbrennungsluftverhältnis λ_Z kann dabei durch Toleranzen, Schwankungen der Gasqualität oder auch durch Umgebungsbedingungen ausgelöst sein. Das Zielverbrennungsluftverhältnis λ_Z kann dabei für jeden Betriebspunkt, beispielsweise in Form einer Kennlinie auf einem Speicher, beispielsweise einem Speicher eines verfahrensdurchführenden Regel- und Steuergeräts, hinterlegt sein.
Gemäß einem Schritt d) kann ein Ermitteln eines dynamischen Offset-Werts und eines entsprechenden Stellsignals für den Aktuator der Offset-Einstellung des Gasventils, bei dessen Anwendung die in Schritt c) festgestellte Differenz ausgeglichen wird, erfolgen. Das Ermitteln erfolgt rechnerisch bzw. in Anwendung einer vorgegebenen Kennlinie, die einer bekannten gewünschten Änderung der zuzugebenden Gasmenge (und damit des resultierenden Verbrennungsluftverhältnisses wie der Differenz aus Schritt d)), eine Änderung des Offset-Wertes und damit den dynamischen Offset-Wert zuordnet. Für diesen dynamischen Offset-Wert kann nunmehr ein Stellsignal für den Aktuator des Gasventils ermittelt werden. In der Regel ist ein Zusammenhang des Verlaufs der Offset-Einstellung des Gasventils mit einer bewirkten Druckänderung und damit der Änderung der zugeführten Gasmenge durch die vorgegebene Kennlinie bekannt. Alternativ oder kumulativ kann dieser Zusammenhang auch im Vorfeld an einem Referenzgasventil im Rahmen von Versuchen ermittelt worden sein.
Gemäß einem Schritt e) kann nun ein Betätigen des Aktuators der Offset-Einstellung des Gasventils mit dem Stellsignal aus Schritt d) erfolgen.
Nach der Durchführung des Schrittes e) kann nunmehr das Heizgerät betrieben werden, wobei durch die Anpassung der Offset-Einstellung in Schritt e) Regelabweichungen des Verbrennungsluftverhältnisses aufgrund des Einflusses Toleranzen von Bauteilen des Heizgeräts bzw. des Gasventils, der Abgasanlage und/ oder der Gasqualität bzw. Umgebungseinflüsse (zum Beispiel Druck, Temperatur und Feuchte der zugeführten Verbrennungsluft) kompensiert.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen. Bei dem Heizgerät kann es sich um ein Gasheizgerät, beispielsweise um ein wasserstoffbetriebenes Heizgerät, handeln. Das Gasheizgerät kann einen Brenner und eine Fördereinrichtung aufweisen, mit der ein Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft dem Brenner zugeführt werden kann. Das Heizgerät kann insbesondere einen pneumatischen Gas-Luftverbund erzeugen und ein Gasventil umfassen, dass mittels eines Steuerdruckes, der von einer Drosselstelle, beispielsweise einer Venturidüse in der Zuführung Verbrennungsluft übermittelt wird. Das Gasventil umfasst eine Offset-Einstellung, die mit einem Aktuator in Wirkverbindung steht und von diesem betätigt werden kann. Das Heizgerät kann ein Regel- und Steuergerät umfassen, dass mit dem Aktuator derart elektrisch verbunden sein kann, dass der Aktuator von dem Regel- und Steuergerät angesteuert und somit eine berechnete bzw. ermittelte Offset-Einstellung bzw. Änderung derselben durch den Aktuator am Gasventil vorgenommen werden kann.
Das Regel- und Steuergerät des Heizgeräts kann zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet sein. Das Regel- und Steuergerät kann hierzu beispielsweise einen Prozessor aufweisen, und/ oder über diesen verfügen. In diesem Zusammenhang kann der Prozessor beispielsweise das auf einem Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. Das Regel- und Steuergerät kann hierfür insbesondere mit einer Fördereinrichtung, einem Aktuator der Offset-Einstellung des Gasventils und/ oder einer Flammenüberwachung elektrisch verbunden sein. Zudem können auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes im Rahmen der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens erfasste oder benötigte Daten hinterlegt werden oder sein, beispielsweise Kennlinien, Grenzwerte etc.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm(-produkt) vorgeschlagen, welches zur (zumindest teilweisen) Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet ist. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm (-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen. Das Computerprogramm kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät des Heizgerätes durchgeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogramm und dem Heizgerät auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Hier wird somit ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm und ein Heizgerät angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, das Computerprogramm, und das Heizgerät zumindest dazu bei, ein sicheres Betreiben eines Heizgerätes, insbesondere bei einem wasserstoffbetriebenen Heizgerät und/ oder einem Heizgerät mit einem pneumatischen Gas-Luftverbund, zu ermöglichen. Weiter vorteilhaft ist ein hier vorgeschlagenes Verfahren vollständig computerimplementiert durchführbar und erfordert somit keine baulichen Änderungen an einem Heizgerät.
Insbesondere vorteilhaft kann das Verfahren bei jeder Inbetriebnahme des Heizgeräts durchgeführt werden und so ein anschließendes Betreiben des Heizgeräts mit einem Verbrennungsluftverhältnis, das weitestgehend einem vorgegebenen Sollverbrennungsluftverhältnis entspricht, ermöglicht werden. Vorteilhaft können so unsichere Betriebszustände, wie ein Flammenrückschlag, wirkungsvoll vermieden werden.
Weiter vorteilhaft erfordert die Erfindung nur geringe oder keine baulichen Anpassungen an einem Heizgerät und kann häufig im Rahmen einer Softwareimplementierung umgesetzt werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1: einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,
Fig. 2: ein hier vorgeschlagenes Heizgerät,
Fig. 3: Parameterverläufe, die sich bei der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können
Fig. 4a) und b) Parameterverläufe bei einer Inbetriebnahme eines Heizgeräts nach dem Stand der Technik, und
Fig. 5a) und b) Parameterverläufe bei einer Inbetriebnahme eines hier vorgeschlagenen Heizgeräts.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die mit Blöcken 110, 120 130, 140 und 150 dargestellten Schritte a), b), c), d) und e) können bei einem regulären Verfahrensablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren kann bei einer Inbetriebnahme und insbesondere bei jeder Inbetriebnahme eines Heizgeräts 1 durchgeführt werden. Das Verfahren dient einer Steigerung der Betriebssicherheit eines, insbesondere mit Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gemisch als Brennstoff betriebenen, Heizgerätes 1.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann einen in einer Brennkammer 8 angeordneten Brenner 3 umfassen. Über eine Zuführung Verbrennungsluft 4, in der ein Massestromsensor 12 angeordnet sein kann, kann ein Volumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air durch eine Fördereinrichtung 2, insbesondere als Gebläse ausgebildet, angesaugt werden. Ein durch den Massestromsensor 12 erfasster Massestrom Verbrennungsluft ṁ_Air kann einfach in einen Volumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air überführt werden. Die Fördereinrichtung 2 kann mit einem Drehzahlregler 6 verbunden sein, der mittels eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals eine Drehzahl n der Fördereinrichtung 2 regeln kann. Ein Gasventil 5 kann dem angesaugten Volumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air einen Volumenstrom Brenngas V̇_Gas aus einer Gaszuführung 14 zusetzen und ein Sicherheitsventil sowie ein Gasregelventil zur Steuerung des zuzusetzenden Volumenstrom Brenngas V̇_Gas umfassen. Das Gasventil 5 umfasst zudem eine OffsetEinstellung 24, die mit einem Aktuator 25 in Wirkverbindung steht und von diesem betätigt werden kann. Das erzeugte Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 11 zum Brenner 3 strömen. Der Brenner 3 kann eine Zylinderform aufweisen, die mit einer Grundfläche an einer Brennertür 15 derart befestigt sein kann, dass Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal 11 in den Brenner 3 strömen kann. Die Verbrennungsprodukte können nach der Verbrennung über ein Abgasrohr 9 des Heizgerätes und eine Abgasanlage 10 nach Außen abgeleitet werden.
Das hier vorgeschlagenen Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet sein. Zudem kann das Heizgerät 1 an/ bzw. in der Brennertür 15 eine (Vorrichtung zur) Flammenüberwachung 13 aufweisen, die hier als Sensor für von der Flamme emittierte UV- (Ultraviolett-) Strahlung ausgebildet sein kann.
Ein Regel- und Steuergerät 7 kann zur Regelung des Heizgerätes 1 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses beispielsweise mit dem Drehzahlregler 6, der Fördereinrichtung 2, dem Gasventil 5, dem Aktuator 25, der Flammenüberwachung 13, dem Massestromsensor 12 und einem Netzwerk 16 (Internet) elektrisch verbunden sein. Das Regel- und Steuergerät 7 kann zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet sein. Hierfür kann das Regel- und Steuergerät einen Speicher umfassen, auf dem ein Computerprogramm 23 hinterlegt ist, das das Regel- und Steuergerät 7 dazu veranlasst ein Verfahren gemäß den Blöcken 110, 120, 130, 140 und 150 auszuführen.
In Block 110 kann gemäß Schritt a) ein Initiieren einer Inbetriebnahme es Heizgeräts 1, also eine Einleitung eines Start- bzw. Zündvorgangs erfolgen. Dies kann beispielsweise durch eine Wärmeanforderung an das Heizgerät 1 ausgelöst sein.
In Block 120 kann gemäß Schritt b) ein Ermitteln eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) während der in Schritt a) initiierten Inbetriebnahme erfolgen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Parameterverläufe, die sich bei dem Ermitteln des virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) im Rahmen der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können. Es wird ein Volumenstrom Verbrennungsluft V_Air (t) 17 und ein Volumenstrom Brenngas V̇_Gas (t) 18 in Abhängigkeit der Zeit t während einer Inbetriebnahme des Heizgerätes 1 gezeigt. Anfänglich wurde eine Startleistung bzw. Startdrehzahl der Fördereinrichtung 2 angefahren, wodurch sich ein konstanter Volumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) 21 einstellen kann.
In Block 210 und gemäß Schritt a1) kann der dem Brenner 3 zugeführte Volumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) 21 vor dem Öffnen des Gasventils 5 zu einem ersten Zeitpunkt t₀ 19 durch den Massestromsensor 12 erfasst und beispielsweise auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes 7 hinterlegt werden. Im Anschluss an den ersten Zeitpunkt t₀ 19 erfolgt ein Öffnen des Gasventils 5, wobei das Gasregelventil ein Startvolumenstrom Brenngas 22, entsprechend einem Steuerdruck einer hier nicht gezeigten Drosselstelle die von dem Startvolumenstrom Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) 21 durchströmt wird.
In Block 220 kann gemäß Schritt b1) nun insbesondere kontinuierlich der Volumenstrom Verbrennungsluft V_Air (t) 21 erfasst werden. Durch das Öffnen des Gasventils 5 steigt der Volumenstrom Brenngas 18 auf den Startvolumenstrom Brenngas 22 an, wobei gleichzeitig der Volumenstrom Verbrennungsluft V_Air (t) 17 um den Betrag des Volumenstromes Brenngas 18 abnimmt, so dass bei konstanter Drehzahl der Fördereinrichtung (2) ein zu jedem Zeitpunkt der Bildung des Verbrennungsgemisches konstanter Volumenstrom Verbrennungsgemisch resultiert.
In Block 230 kann gemäß einem Schritt c1) ein Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit wurden, und $R (t) = \frac{{\dot{V}}_{Air} (t)}{{\dot{V}}_{Air} (t_{0})} .$
In Block 240 kann gemäß Schritt d1) ein Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) mit $λ_{V} (t) = \frac{R (t)}{A \times (1 - R (t))}$ erfolgen.
Gemäß einem optionalen, hier nicht dargestellten, Schritt e1) kann das in Block 240 (Schritt d1)) bestimmte virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) bewertet werden. Insbesondere kann das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) mit einem Grenzwert verglichen werden. Vorliegend wurde der Grenzwert zu einem zweiten Zeitpunkt 20 vom virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) unterschritten, was ein zu geringes virtuelles Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und damit einen zu hohen Anteil Brenngas im Verbrennungsgemisch anzeigen kann, der mit einem hohen Risiko von Problemen bei der Zündung, beispielsweise einem Flammenrückschlag, einhergehen kann. Aufgrund des Unterschreitens des Grenzwertes wird zu dem zweiten Zeitpunkt 20 der Versuch der Inbetriebnahme abgebrochen und das Gasventil 5 geschlossen, wodurch der Volumenstrom Brenngas V̇_Gas (t) 18 auf null zurück geht und der Volumenstrom Verbrennungsluft V_Air (t) 17 wieder auf den Volumenstrom Verbrennungsluft 21 ansteigen kann.
Fig. 4a) und 4b) zeigen Diagramme des Verbrennungsluftverhältnisses λ über der Zeit t während einer Inbetriebnahme eines Heizgeräts nach dem Stand der Technik. Das Zielverbrennungsluftverhältnis Regelbetrieb 26 gibt das Sollverbrennungsluftverhältnis an, das nach einem erfolgreichen Zündvorgang eingeregelt werden soll. Dabei zeigt die Fig. 4a) einen Zündvorgang mit einem toleranzbedingt zu mageren Verbrennungsluftverhältnis Zündbetrieb 31. Nach einem Erkennen einer Flamme zu einem dritten Zeitpunkt 30 wird an dem Gasventil 5 ein statischer Offset-Wert 27 angewendet und das Heizgerät 1 im Regelbetrieb betrieben. Dabei verbleibt eine Differenz 28 zwischen dem tatsächlich eingestellten Verbrennungsluftverhältnis Regelbetrieb 32 und dem Zielverbrennungsluftverhältnis Regelbetrieb 26, die unerwünscht ist und in Abhängigkeit der Größe der Differenz 28 zu unsicheren Betriebszuständen führen kann. Fig. 4b) zeigt analog zu Fig. 4a) einen Zündvorgang mit einem toleranzbedingt zu fetten Verbrennungsgemisch.
Fig. 5a) und 5b) zeigen die Diagramme gemäß Fig. 4a) und 4b) mit einem hier vorgeschlagenen Heizgerät 1, das ein hier vorgeschlagenes Verfahren ausführt. Dabei zeigt auch die Fig. 5a) einen Zündvorgang mit einem toleranzbedingt zu mageren Verbrennungsluftverhältnis und die Fig. 5b) mit einem toleranzbedingt zu fetten Verbrennungsluftverhältnis, erkennbar an dem (tatsächlich auftretendem) Verbrennungsluftverhältnis Zündbetrieb 31. Mittels Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens wird ein dynamischer Offset-Wert 29 ermittelt und an der Offset-Einstellung 24 des Gasventils 5 durch den Aktuator 25 eingestellt. Dies bewirkt, dass das tatsächliche sich einstellende Verbrennungsluftverhältnis Regelbetrieb 32 sich dem Zielverbrennungsluftverhältnis 26 angleicht und eine Differenz 28 nicht mehr auftritt. Vorteilhaft kann so die Betriebssicherheit beim Betreiben des Heizgeräts 1 erheblich gesteigert werden, da die Regelung ein exaktes Verbrennungsluftverhältnis einstellen kann und die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von Flammenrückschlägen erheblich gemindert werden kann.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter ("erste", "zweite", ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann ("mindestens ein"), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.

Bezugszeichenliste

1: Heizgerät
2: Fördereinrichtung
3: Brenner
4: Zuführung Verbrennungsluft
5: Gasventil
6: Drehzahlregler
7: Regel- und Steuergerät
8: Brennkammer
9: Abgasrohr
10: Abgasanlage
11: Gemischkanal
12: Massestromsensor
13: Flammenüberwachung
14: Gaszuführung
15: Brennertür
16: Netzwerk
17: Volumenstrom Verbrennungsluft
18: Volumenstrom Brenngas
19: erster Zeitpunkt
20: zweiter Zeitpunkt
21: Volumenstrom Verbrennungsluft vor dem Öffnen des Gasventils
22: Volumenstrom Brenngas vor dem Öffnen des Gasventils
23: Computerprogramm
24: Offset-Einstellung
25: Aktuator
26: Zielverbrennungsluftverhältnis Regelbetrieb
27: statischer Offset-Wert
28: Differenz
29: dynamischer Offset-Wert
30: dritter Zeitpunkt
31: Verbrennungsluftverhältnis Zündbetrieb
32: Verbrennungsluftverhältnis Regelbetrieb

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (1), aufweisend eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3) und ein Gasventil (5) mit einer Offset-Einstellung (24) zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas, welche einen Aktuator (25) zur Betätigung der Offset-Einstellung (24) hat, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
a) Initiieren einer Inbetriebnahme des Heizgeräts (1),

b) Ermitteln eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) während der Inbetriebnahme in Schritt a),

c) Feststellen einer Differenz (28) zwischen dem in Schritt b) ermittelten virtuellen Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) und einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis λ_Z,

d) Ermitteln eines dynamischen Offset-Wertes (29) und eines entsprechenden Stellsignals für den Aktuator (25) der Offset-Einstellung (24) des Gasventils (5), bei dessen Anwendung die in Schritt c) festgestellte Differenz (28) ausgeglichen wird, und

e) Betätigen des Aktuators (25) der Offset-Einstellung (24) des Gasventils (5) mit dem Stellsignal aus Schritt d).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das virtuelle Verbrennungsluftverhältnis λ_V(t) während der Inbetriebnahme in Schritt a) wie folgt ermittelt wird:
a1) Erfassen eines dem Brenner (3) zugeführten Volumenstromes Verbrennungsluft V̇_Air (t ₀) (17) vor einem Öffnen des Gasventils (5) des Heizgerätes (1) zu einem Zeitpunkt t₀ ,

b1) Erfassen des Volumenstromes Verbrennungsluft V_Air (t) (17) nach dem Öffnen des Gasventils (5) zu einem Zeitpunkt t,

c1) Ermitteln eines Verhältnisses R(t) mit $R (t) = \frac{{\dot{V}}_{Air} (t)}{{\dot{V}}_{Air} (t_{0})},$

d1) Berechnen eines virtuellen Verbrennungsluftverhältnisses λ_V(t) mittels
$λ_{V} (t) = \frac{R (t)}{A \times (1 - R (t))}$ , wobei der Faktor A eine Mindestluftmenge der Verbrennung des Brenngases darstellt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach einer erfolglosen oder abgebrochenen Inbetriebnahme des Heizgerätes (1) in Schritt a) bei einer folgenden Inbetriebnahme der Volumenstrom Brenngas V̇_Gas (18) und/ oder die Offset-Einstellung (24) derart angepasst wird, dass ein Startverbrennungsluftverhältnis eingestellt wird.
Heizgerät (1), aufweisend eine Fördereinrichtung (2) zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenner (3), ein Gasventil (5) mit einer Offset-Einstellung (24) zum Steuern einer Durchflussmenge Brenngas, einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator (25) zum Betätigen der Offset-Einstellung (24) des Gasventil (5) sowie ein Regel- und Steuergerät (7), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Computerprogramm (23), umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Heizgerät (1) nach Anspruch 4 die Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt.