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EP2655971B1 - Verfahren zur stabilisierung eines betriebsverhaltens eines gasgebläsebrenners - Google Patents

Verfahren zur stabilisierung eines betriebsverhaltens eines gasgebläsebrenners Download PDF

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Publication number
EP2655971B1
EP2655971B1 EP11796728.1A EP11796728A EP2655971B1 EP 2655971 B1 EP2655971 B1 EP 2655971B1 EP 11796728 A EP11796728 A EP 11796728A EP 2655971 B1 EP2655971 B1 EP 2655971B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flame ionization
ionization signal
gas
air
burner
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP11796728.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2655971A2 (de
Inventor
Jan Westra
Gordy Koellmann
Sungbae Park
Albrecht Schaefer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2655971A2 publication Critical patent/EP2655971A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2655971B1 publication Critical patent/EP2655971B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N3/00—Regulating air supply or draught
    • F23N3/08—Regulating air supply or draught by power-assisted systems
    • F23N3/082—Regulating air supply or draught by power-assisted systems using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2233/00—Ventilators
    • F23N2233/02—Ventilators in stacks
    • F23N2233/04—Ventilators in stacks with variable speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2233/00—Ventilators
    • F23N2233/06—Ventilators at the air intake
    • F23N2233/08—Ventilators at the air intake with variable speed

Definitions

  • the invention relates to a method for stabilizing a performance of a power-modulating, air-frequency-controlled gas fan burner for the consideration of disturbances in the combustion air, fuel gas-air mixture path, Schugasweg and / or exhaust path according to the preamble of claim 1.
  • Gasgebläsebrenner with air ratio controlled combustion of a fuel.
  • Such burners are often installed in heaters or boilers and are used, for example, the heat generation for domestic heating and / or domestic hot water.
  • Its modulation range is limited by a lower modulation limit and an upper modulation limit.
  • the lower modulation limit means a burner operation at low load where the blower operates at a lower allowable fan speed. Lower speeds are not adjustable.
  • the upper modulation limit means burner operation at full load where the blower operates at an upper allowable blower speed. Higher speeds are also not adjustable.
  • a modulatable and / or switchable e.g. Variable speed fan via an airway to a combustion air amount L and doses a modulatable and / or switchable fuel gas control valve a fuel gas amount G.
  • a mixing device combustion air and fuel gas are combined and processed into a homogeneous fuel gas-air mixture.
  • the fuel gas-air mixture exits the burner is ignited and burns with heat.
  • the resulting hot hot gases flow through a heat exchanger, transfer their heat to a heat transfer fluid and leave as cooled exhaust gases, the heater via an exhaust path in the area.
  • An ionization electrode detects in the combustion zone an actual flame ionization signal I, which arises due to a voltage applied to a burner flame.
  • a control device influences a supply of combustion air and / or fuel gas on the basis of operating data and / or target specifications.
  • Possible exemplary causes of these disturbances are contamination of the Zu Kunststoffweges with leaves, reducing the outlet cross-section of the exhaust path to the open by icing or dead bird, deposits in the heat exchanger of corrosion products, damaged air or exhaust pipes with leakage, wind suction, wind pressure, and so on.
  • the ratio of fuel to combustion air is therefore of great importance for a trouble-free, but also for an efficient burner operation.
  • the air ratio control is often based on a signal from the combustion, the so-called flame ionization signal.
  • a suitable evaluation circuit makes use of the fact that flames conduct electricity when an electrical voltage is applied.
  • a known under the name SCOT (System Control Technology) evaluation circuit for air flow control is in the DE 44 33 425 C2 disclosed.
  • the measured in a flame of a fuel gas-air mixture I ionisation signal is driven at a predetermined operating point by controlling the amount of fuel gas or the combustion air quantity to be maximum signal I MAX.
  • This SETPOINT setting determines the power modulation behavior of the burner until the next calibration.
  • This type of burner operation is reliable only at full load (nominal power) Q NENN or in a limited power modulation range minimum power Q MIN (lower modulation limit ) to nominal power Q NENN (upper modulation limit ) of about 1: 3 to 1: 4 possible.
  • the ionization signal I decreases sharply in intensity and loses its unambiguous assignment to the air ratio ⁇ ( FIG. 2 ). This is due to the low area-based burner performance, the shorter flame lengths and the greater interaction of the flames with the burner mouth.
  • burners with high power modulation ranges which can satisfy very different heat requirements, such as those arising from domestic heating at different outside temperatures or from domestic hot water preparation for small and large dispensing volumes.
  • the DE 199 36 696 A1 discloses a method with which an air ratio control in the lower part load range is possible. Again, an ionization signal is generated in the flame and derived from the current air ratio, which is then compared with a predetermined air ratio and, if the current air ratio differs from the predetermined air ratio, the current air ratio is set to the value of the predetermined air ratio.
  • the current air ratio is, however, determined at full load, since here is an area with a clear assignment between the ionization signal and the air ratio. In the partial load range of the burner is only controlled, ie unregulated operated.
  • a power modulation-dependent ionization setpoint I SOLL Q
  • the relationship given in this characteristic curve I SOLL (Q) can be determined with simple means on the laboratory test bench for a given burner. More difficult is the regulatory implementation in practice at the end user, since the affected burner usually have no determination of the power Q (ie the fuel gas flow G).
  • the object of the power determination is solved by the relationship between the power Q and the amount of combustion air L, which can be represented as a fixed proportional relationship for a desired air ratio ⁇ SOLL .
  • a characteristic I SOLL (L) FIG. 2
  • the amount of combustion air L whose direct measurement is not easy, can be expressed by the revolutions per minute (RPM) of the air-conveying blower, the air quantity L is usually directly proportional to the fan speed RPM.
  • the blower speed can be measured by simple means.
  • the characteristic I SOLL (L) becomes a characteristic I SOLL (RPM).
  • the specified by a burner control flame ionization target signal is given as a function of the fan speed.
  • the US2005 / 0250061 A1 discloses a method according to the preamble of claim 1.
  • the cited prior art has the disadvantage that an air-frequency-controlled burner operation with a wide power modulation range is very susceptible to interference with respect to changed flow resistances in the air, mixture, heating gas and exhaust gas path.
  • the invention has for its object to provide a method for stabilizing the performance of a power modulating air ratio-controlled gas fan burner, are compensated with the interference due to changes in flow resistance in the air, mixture, Edelgas- and exhaust.
  • a composition of a fuel gas-air mixture is adjusted as a function of an actual flame ionization signal and a nominal flame ionization signal by controlling the flame ionization actual signal to the nominal flame ionization signal and the nominal flame ionization signal can be specified as a function of a rotational speed of an air-conveying blower.
  • Essential to the invention is at selected operating conditions of the gas fan burner and in deviation from the normal control mode, the fuel gas-air mixture temporarily and temporarily enriched with fuel gas and the flame ionization actual signal observed. From the difference between a maximum flame ionization actual signal (stoichiometric combustion) observed during the enrichment and the flame ionization actual signal measured before the enrichment, a so-called flame ionization signal stroke H is formed. Now, if this flame ionization signal H (short: signal swing) is smaller than a first tolerance amount T1 or greater than a second tolerance amount T2, a lower allowable fan speed associated with the lower modulation limit is increased. The burner control then returns to normal control mode. First (smaller) tolerance amount T1 and second (larger) tolerance amount T2 define a permissible flame ionization stroke interval ⁇ T ( FIG. 1 right).
  • the flame ionization actual signal Prior to the enrichment of the fuel gas-air mixture with fuel gas engages the normal control operation, the flame ionization actual signal is due to the regulation equal to the desired signal.
  • the temporary and short-term enrichment or enrichment of the fuel gas-air mixture causes a change in the flame ionization actual signal. If the starting mixture (before enrichment) is significantly lean of stoichiometry or lean, the ionization signal will rise significantly when enriched. If the starting mixture is only slightly more than stoichiometric, the ionization signal grows only slightly. On the other hand, if the starting mixture is stoichiometric or substoichiometric, the ionization signal does not rise or even fall.
  • the magnitude of the ionization signal lift is determined by comparing the actual maximum flame ionization signal observed during enrichment with the original flame ionization actual signal prevailing before enrichment.
  • the measured ionization signals may be individual measurements or, to suitably account for statistically fluctuating measurements, averaged measurements (e.g., the moving average principle).
  • the original fuel gas-air mixture is diagnosed as being too fat.
  • the signal deviation is outside the permissible signal stroke interval. This is attributed to an increase in the flow resistance in the flow path (air, mixture, Schugas- and / or exhaust path).
  • the original fuel gas-air mixture is diagnosed as too lean.
  • the signal deviation is outside the permissible signal stroke interval. This is attributed to a reduction in the flow resistance in the flow path (air, mixture, Schugas- and / or exhaust path).
  • the burner control changes a parameter set on which the control is based by increasing the lower allowable fan speed. This corresponds to an increase in the associated lower modulation limit or an adaptation (restriction) of the power modulation range of the gas-jet burner to a flow resistance that is changed compared to a design state in the flow path.
  • this adaptation operating points accessible to the burner control are limited to a higher power modulation range, operating points in the lower modulation range can no longer be approached.
  • the formation of a fuel gas-air mixture with desired composition at target air and thus a more stable performance of the gas blower burner is achieved because the burner flame neither rests on the outlet surface and these overheats, still stands out from the burner and tends to extinguish, causing excessive pollutant emissions. This results from the flatter characteristic I SOLL (L) at the higher power modulation range ( FIG. 3 ), Like previously described. With this adjusted parameter set, the control returns to the normal control mode.
  • the original fuel gas-air mixture is thus diagnosed as "good".
  • the burner control returns to the normal control mode without intervention in a parameter set on which the control is based.
  • the steps of temporarily, briefly enriching the mixture with fuel gas, comparing the ionization signal stroke with the first amount of tolerance, and optionally increasing the lower allowable fan speed, may be repeated and progressively adjusting the power modulation range lead the gas fan burner.
  • the lower permissible fan speed can be increased step by step and thus the power modulation accessible to the burner control system can be increasingly limited to higher ranges.
  • the lower permissible fan speed can be lowered again, and thus the power modulation range accessible to the burner control unit can be expanded again.
  • the repetition rate of repeated steps may be in minutes or hours.
  • the frequency can also be selected as a function of the Ionisationsshubhubes observed during enrichment of the fuel gas-air mixture, for smaller strokes, the frequency may for example be higher than for larger strokes.
  • the described steps for checking and possibly adjusting the power modulation range of the gas-fired burner are carried out at selected operating conditions of the gas-fired burner and in deviation from the normal control operation, the fuel gas-air mixture.
  • selected operating states may be, for example, operating points of medium and low power modulation, since, according to experience, the largest gradients of the ionization signal setpoint curve are present here.
  • the steps can also be performed only at those operating points that are unchanged during a predetermined minimum period, so for example, after a five-minute burner operation at low load. When carrying out the steps, the burner operation must deviate from the normal control mode in order to enrich the mixture differently from the nominal air number.
  • An embodiment of the method according to the invention is characterized in that the observed maximum flame ionization actual signal is a measured maximum flame ionization actual signal. This means that when enriching, the mixture composition is at least enriched to stoichiometry.
  • the observed maximum flame ionization actual signal is an expected maximum flame ionization actual signal which can be derived from the observed time profile of the flame ionization actual signal in a forward-looking manner (time t).
  • the temporary enrichment of the fuel gas / air mixture with fuel gas includes enrichment and subsequent leaning to the original mixture composition prior to enrichment. According to one embodiment, this is done by a fuel gas supply of the gas fan burner dominant electronic gas valve at constant fan speed temporarily and briefly releases about 10% to 50% more fuel gas.
  • the control of the gas valve is controlled and not in response to a current heat request.
  • the activation of the gas valve and / or the enrichment of the mixture can take place in the manner of a jump function or a ramen function.
  • the enrichment can be achieved by changing the fan speed and changing the amount of air at a constant amount of gas.
  • the enrichment of the mixture takes place in another embodiment of the method by the flame ionization target signal influencing the composition of the fuel gas-air mixture is temporarily increased at constant fan speed by about 10% to 30%.
  • the dependence of the nominal flame ionization signal on the speed of the fan is temporarily suspended.
  • the increase of the desired signal in turn causes an opening of the gas valve and thus an enrichment of the mixture.
  • a duration of the temporary, short-term enrichment of the fuel gas-air mixture with fuel gas is about 0.1 second to 10 seconds.
  • the described adverse effects associated with the enrichment are very limited in time and therefore are not significant.
  • the additional amount of heat released by combustion of the additional amount of gas is very low and can be easily absorbed and mitigated by the thermal storage capacity of the component masses involved.
  • the increase in the lower allowable fan speed always takes place by a fixed, proportionate amount of about 5% to 30% of a currently available speed range.
  • the amount of increase in the lower allowable fan speed depends on the Flammenionisationssignalhub when enrichment. This amount increases with increasing difference between Flammenionisationssignalhub and the respectively associated tolerance amount.
  • a small distance of the flame ionization signal stroke from the first or second tolerance amount ie, a signal stroke lying only slightly outside the signal stroke interval
  • a large distance of the flame ionization signal stroke from the first and second tolerance amounts ie, a signal swing far out of the signal stroke interval results in a large increase in the lower allowable fan speed.
  • An embodiment of the method is characterized in that the first tolerance amount is about 10% to 30% of the nominal flame ionization signal, and that the second tolerance amount is about 30 to 50% of the nominal flame ionization signal.
  • the exact values of the tolerance amounts also depend on the design, operating and / or installation conditions.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the increase in the lower allowable fan speed after each burner-off or after pressing a reset button or after a predetermined increase period is reset. Resetting to the design state means that the entire power modulation range is available again. Subsequent to the provision, the method according to the invention can then be carried out again. Already at the first or only at a repeated increase of the lower allowable fan speed, a warning message can be issued, which signals to a user or installer that there is a fault in the flow path.
  • FIG. 1 schematically shows the typical parabolic shape of a lonisationssignales I as a function of the air ratio ⁇ .
  • the ionization signal I as a signal from the combustion is often the basis for air-fuel control.
  • a suitable evaluation circuit makes use of the circumstance that flames conduct a so-called ionization current when an electrical voltage is applied.
  • the ionization signal falls in the direction of rich mixtures ( ⁇ ⁇ 1) and lean mixtures ( ⁇ > 1).
  • An enrichment of a fuel gas-air mixture starting from a superstoichiometric to a stoichiometric composition, is on the left side of FIG. 1 represented by the successive (mixing) points along a time axis t.
  • exemplary ionization strokes H are shown as they may result in an enrichment.
  • a permissible flame ionization stroke interval ⁇ T which is limited by a first tolerance amount T1 and a second tolerance amount T2. If, in carrying out the method according to the invention, a flame ionization signal stroke H smaller than T1 or greater T2 is observed, the lower permissible blower speed is increased. The burner control then returns to normal control mode. On the other hand, if the signal swing is within the allowable interval ⁇ T, the burner control returns to normal control operation without any change in the fan speed.
  • FIG. 2 shows schematically exemplary Ionisationssignalverclude I at three different air ratios ⁇ as a function of a burner power Q.
  • a modulation range of a power modulating burner is limited by a lower modulation limit ( low load, Q MIN ) and an upper modulation limit (full load or rated power, Q NOM ).
  • FIG. 3 shows schematically exemplary Ionisationssignalverrough I at three different air ratios ⁇ depending on a combustion air amount L and illustrates the underlying this invention problem.
  • the amount of combustion air L is the amount of air that is required to achieve a burner power Q at a given air ratio.
  • a modulation range of a power modulating burner is limited by a lower modulation limit (minimum air volume, L MIN ) and an upper modulation limit (maximum or nominal air volume, L NOM ).
  • the burner control is given an ionization curve with respect to the RPM (revolutions per minute) fan speed as the setpoint curve.
  • RPM repetitions per minute
  • the combustion air quantity L decreases for example along the paths AB and CD.
  • the fan speed does not change or does not change significantly.
  • the flame ionization setpoint curve is formulated as a function of the blower speed, the ionization setpoint does not change either. In the high modulation range, this reduction in the air volume has no significant effect on the air ratio of the fuel gas-air mixture, compare way AB.
  • FIG. 4 shows the schematic relationship between the enrichment of the fuel gas-air mixture with fuel gas G and the observed ionization signal I over time t.
  • a fuel gas-air mixture is enriched according to the invention temporarily and briefly with fuel gas, the fuel gas is released, for example, by a suitably driven fuel gas valve.
  • the ionization signal I is observed, it follows the fuel gas enrichment G.
  • the fuel gas enrichment results depending on the air ratio of the original mixture a larger or smaller Ionisationssignalhub H, which is subjected to an analysis according to the invention, the result of which then follow the inventive method steps described above.
  • the ionization signal stroke H is smaller than a first tolerance amount T1 or larger than a second tolerance amount T2
  • the lower allowable fan speed is increased.
  • the control returns to the normal control mode, according to the invention now only a limited power modulation range is available.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Betriebsverhaltens eines leistungsmodulierenden, Luftzahl-geregelten Gasgebläsebrenners zur Berücksichtigung von Störungen im Verbrennungsluftweg, Brenngas-Luft-Gemischweg, Heizgasweg und/oder Abgasweg nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Hintergrund der Erfindung sind leistungsmodulierende Gasgebläsebrenner mit Luftzahl-geregelter Verbrennung eines Brennstoffs. Solche Brenner sind häufig in Heizgeräten oder Heizkesseln eingebaut und dienen beispielsweise der Wärmeerzeugung zur Wohnraumbeheizung und/oder Trinkwarmwasserbereitung. Ihr Modulationsbereich wird begrenzt durch eine untere Modulationsgrenze und eine obere Modulationsgrenze. Die untere Modulationsgrenze bedeutet einen Brennerbetrieb auf Kleinlast, bei dem das Gebläse mit einer unteren zulässigen Gebläsedrehzahl arbeitet. Niedrigere Drehzahlen sind nicht einstellbar. Die obere Modulationsgrenze bedeutet einen Brennerbetrieb auf Volllast, bei dem das Gebläse mit einer oberen zulässigen Gebläsedrehzahl arbeitet. Höhere Drehzahlen sind ebenfalls nicht einstellbar.
  • Beim Betrieb solcher Brenner führt ein modulierbares und/oder schaltbares, z.B. Drehzahlvariables Gebläse über einen Luftweg eine Verbrennungsluftmenge L zu und dosiert ein modulierbares und/oder schaltbares Brenngasregelventil eine Brenngasmenge G. In einer Mischvorrichtung werden Verbrennungsluft und Brenngas zusammengeführt und zu einem homogenen Brenngas-Luft-Gemisch aufbereitet. An einer Brennermündung, z.B. eine ebene Brenneraustrittsfläche, tritt das Brenngas-Luft-Gemisch aus dem Brenner aus, wird gezündet und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die entstehenden heißen Heizgase durchströmen einen Wärmetauscher, geben ihre Wärme an ein Wärmeträgerfluid ab und verlassen als abgekühlte Abgase das Heizgerät über einen Abgasweg in die Umgebung. Eine lonisationselektrode erfasst in der Verbrennungszone ein Flammenionisation-Istsignal I, das aufgrund einer an einer Brennerflamme angelegten Spannung entsteht. Ein Regelgerät beeinflusst eine Zufuhr von Verbrennungsluft und/oder Brenngas aufgrund von Betriebsdaten und/oder Sollvorgaben.
  • Bei der Brennerkonstruktion und dem Brennerbetrieb besteht eine wichtige Anforderung, dass nämlich die Flamme stabil bleibt. Das bedeutet, dass die Flamme bzw. die Flammen weder in die Brennermündung zurückschlagen noch von der Brennermündung abheben. Beides wären gefährliche Zustände mit dem potentiellen Risiko der Brennerüberhitzung, der Verpuffung oder sonstigen Störung. Flammen eines mageren Brennstoff-Luft-Gemischs neigen zum Abheben, Flammen eines fetten Gemisches neigen zum Rückschlag. Die Größe des vom Gebläse geförderten Luftstroms hängt nicht nur von der Gebläsedrehzahl, sondern auch von den Strömungswiderständen im Luftweg und den weiteren pneumatisch mit dem Luftweg verbundenen Strömungswegen ab, durch die das Brenngas-Luft-Gemisch, das Heizgas und schließlich das Abgas strömen. Diese Strömungswege können gestört werden, was sich in erhöhten und verringerten Strömungswiderständen äußert. Mögliche beispielhafte Ursachen dieser Störungen sind Verschmutzung des Zuluftweges mit Laub, Verkleinern des Austrittsquerschnitts des Abgaswegs ins Freie durch Vereisung oder toten Vogel, Ablagerungen im Wärmetauscher aus Korrosionsprodukten, schadhafte Luft- oder Abgasleitungen mit Leckage, Windsog, Winddruck, und so weiter.
  • Das Mengenverhältnis von Brennstoff zu Verbrennungsluft ist also von großer Bedeutung für einen störungsfreien, aber auch für einen effizienten Brennerbetrieb. Im Hinblick auf eine optimierte Verbrennung mit stabiler Flamme, minimalem Schadstoffausstoß und hohem feuerungstechnischen Wirkungsgrad auch bei wechselnden Brennstoff-Beschaffenheiten (Brennstoffarten, -qualitäten, -zusammensetzungen) werden moderne Brenner mit Luftzahl-geregelter Verbrennung betrieben, wobei ein Brennstoff-Luft-Gemisch gewünschter Zusammensetzung im mageren Bereich mit beispielsweise etwa 30 % Luftüberschuss gegenüber einem stöchiometrischen Gemisch liegt, also eine Luftzahl λ = λSOLL = 1,3 aufweist.
  • Die Luftzahlregelung basiert häufig auf einem Signal aus der Verbrennung, dem sogenannten Flammenionisationssignal. Eine geeignete Auswerteschaltung macht sich den Umstand zu Nutze, dass Flammen bei Anlegen einer elektrischen Spannung Strom leiten. Der Verlauf des Ionisationssignales zeigt eine klare Abhängigkeit von der Luftzahl λ des Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Signalmaximum bei λ = 1,0 (stöchiometrische Reaktion, Figur 1 links).
  • Eine unter dem Namen SCOT (System Control Technology) bekannte Auswerteschaltung zur Luftzahlregelung ist in der DE 44 33 425 C2 offenbart. Bei dem entsprechenden Regelungsverfahren wird das in einer Flamme eines Brenngas-Luft-Gemischs gemessene lonisationssignal I an einem vorgegebenen Betriebspunkt durch Beeinflussung der Brenngasmenge bzw. der Verbrennungsluftmenge auf sein Signalmaximum IMAX gefahren. Bei der sich daran anschließenden Kalibrierung der Mischvorrichtung wird die Brenngas-Luft-Gemischzusammensetzung kontrolliert um einen bestimmten Betrag in den Luftüberschuss gebracht, bis das sich einstellende Ionisationssignal I = ISOLL um einen vorgebbaren Faktor kleiner als das gemessene Signalmaximum IMAX ist. Diese SOLL-Einstellung bestimmt dann das Leistungsmodulationsverhalten des Brenners bis zur nächsten Kalibrierung. Für dieses Verfahren sind unabhängig voneinander verstellbare Vorrichtungen für die Luft- und die Brenngasförderung erforderlich, also beispielsweise ein drehzahlvariables Gebläse und ein elektronisch verstellbares Gasventil - das Gasventil ist nicht pneumatisch mit der Verbrennungsluftmenge verbunden, sondern erhält sein Stellsignal von einer Geräteregelung. Für einen Luftzahl-geregelten Betrieb über einen weiteren Leistungsmodulationsbereich sind mehrere Korrekturfaktoren erforderlich, die die Einflüsse aus der Brennerleistungsabhängigkeit, dem realisierbaren Brennstoffdurchsatz und der Brennerkonstruktion berücksichtigen.
  • Diese Art des Brennerbetriebes ist zuverlässig nur bei Volllast (Nennleistung) QNENN oder in einem eingeschränkten Leistungsmodulationsbereich Minimalleistung QMIN (untere Modulationsgrenze) zu Nennleistung QNENN (obere Modulationsgrenze) von etwa 1 : 3 bis 1 : 4 möglich. Darunter bei kleineren Brennerleistungen nimmt das Ionisationssignal I in seiner Intensität stark ab und verliert seine eindeutige Zuordnung zur Luftzahl λ (Figur 2). Dies liegt an den geringen flächenbezogenen Brennerleistungen, den geringeren Flammenlängen und der stärkeren Interaktion der Flammen mit der Brennermündung.
  • Heute werden bevorzugt Brenner mit hohen Leistungsmodulationsbereichen verwendet, die ganz unterschiedliche Wärmeanforderungen befriedigen können, wie sie zum Beispiel aus der Wohnraumbeheizung bei verschiedenen Außentemperaturen oder aus der Trinkwarmwasserbereitung für kleine und große Zapfmengen entstehen. Gesucht sind solche Brenner, die bis hinunter zu niedrigen Wärmeanforderungen in einem niedrig modulierenden Dauerbetrieb und ohne Ein- und Austaktungen arbeiten können.
  • Die DE 199 36 696 A1 offenbart ein Verfahren, mit dem eine Luftzahlregelung im niedrigeren Teillastbereich möglich ist. Auch hier wird in der Flamme ein Ionisationssignal erzeugt und daraus die aktuelle Luftzahl abgeleitet, die dann mit einer vorgegebenen Luftzahl verglichen wird und, sofern die aktuelle Luftzahl von der vorgegebenen Luftzahl abweicht, die aktuelle Luftzahl auf den Wert der vorgegebenen Luftzahl eingestellt wird. Die aktuelle Luftzahl wird allerdings bei Volllast ermittelt, da hier ein Bereich mit eindeutiger Zuordnung zwischen Ionisationssignal und Luftzahl vorliegt. Im Teillastbereich wird der Brenner nur gesteuert, d.h. ungeregelt, betrieben.
  • Eine Möglichkeit der echten Luftzahlregelung über den gesamten Modulationsbereich bietet die Vorgabe eines leistungsmodulationsabhängigen Ionisationssollwertes ISOLL(Q). Nach Figur 2 kann beispielsweise die Ionisationskurve I(Q) für λ = 1,3 als Sollkurve ISOLL(Q) vorgegeben werden, die jeder Brennerleistung Q eindeutig ein Flammenionisation-Sollsignal ISOLL zuordnet. Wird das Flammenionisation-Istsignal durch Anpassung der Brenngas-Luft-Gemischzusammensetzung immer auf das Sollsignal geregelt, so wird der Brenner über seinen gesamten Modulationsbereich mit der Luftzahl λ = λSOLL = 1,3 betrieben.
  • Der in dieser Kennlinie ISOLL(Q) wiedergegebene Zusammenhang lässt sich für einen gegebenen Brenner mit einfachen Mitteln am Laborprüfstand bestimmen. Schwieriger ist die regelungstechnische Umsetzung in der Praxis beim Endnutzer, da die betroffenen Brenner in der Regel über keine Bestimmung der Leistung Q (also des Brenngasdurchsatzes G) verfügen. Gelöst wird die Aufgabe der Leistungsbestimmung über die Beziehung zwischen der Leistung Q und der Verbrennungsluftmenge L, die sich für eine gewünschte Luftzahl λSOLL als fester proportionaler Zusammenhang darstellen lässt. Aus der Kennlinie ISOLL(Q) Figur 2, wird eine Kennlinie ISOLL(L), Figur 3. Die Verbrennungsluftmenge L, deren direkte Messung nicht ganz einfach ist, lässt sich anhand der Drehzahl (RPM, revolutions per minute) des Luft-fördernden Gebläses ausdrücken, dabei ist die Luftmenge L in der Regel direkt proportional zur Gebläsedrehzahl RPM. Die Gebläsedrehzahl lässt sich mit einfachen Mitteln messtechnisch erfassen. Aus der Kennlinie ISOLL(L) wird eine Kennlinie ISOLL(RPM). Tatsächlich wird das von einer Brennerregelung vorgegebene Flammenionisation-Sollsignal in Abhängigkeit der Gebläsedrehzahl vorgegeben.
  • Hierbei ergibt sich nun das Problem, dass die Gebläsedrehzahl nur solange proportional zur geförderten Luftmenge ist, wie die Strömungswiderstände im gesamten Strömungsweg (Luftweg (z.B. Zuluftleitung), Brenngas-Luft-Gemischweg (z.B. Brenner), Heizgasweg (z.B. Wärmetauscher), Abgasweg (z.B. Abgasleitung, Schornstein)) konstant sind. Diese Regel kann aber gestört werden durch plötzlich eintretende oder langsam fortschreitende Verstopfungen im Strömungsweg. Ursachen hierfür können sein Wind, Verschmutzung und Verstopfung aufgrund von Korrosion, Laub und Vögeln, sowie andere Störeinflüsse. In diesen Fällen wird bei unveränderter Gebläsedrehzahl weniger Luft gefördert.
  • Reduziert sich aufgrund erhöhter Strömungswiderstände die Verbrennungsluftmenge, so bleibt aber wegen der unveränderten Gebläsedrehzahl das Flammenionisation-Sollsignal ISOLL(RPM) konstant (Figur 3). Im Bereich hoher Luftmengen L (hohe Brennerleistung Q) hat eine Reduzierung der Luftmenge keine oder nur geringe Auswirkung auf die Luftzahl, da die Kennlinie ISOLL(L) annähernd konstant verläuft und eine waagerechte Verschiebung des Betriebspunktes (Figur 3, Verschiebung A-B) bei konstanter Drehzahl und konstantem Ionisationssollsignal daher keine Luftzahländerung bewirkt. Im Bereich niedriger Luftmengen L (niedrige Brennerleistung Q), wo die Kennlinie ISOLL(L) einen deutlichen Gradienten aufweist, bewirkt eine Reduzierung der Luftmenge bei konstanter Gebläsedrehzahl und konstantem Ionisationssollsignal eine starke Änderung der Luftzahl. Das nach Figur 3, Verschiebung C-D, fetter werdende Brenngas-Luft-Gemisch wirkt sich, wie oben beschrieben, negativ auf den Brennerbetrieb aus. Die vom Gasventil freigegebene Brenngasmenge stellt sich jeweils in Abhängigkeit der veränderten Luftmenge und dem konstanten lonisationssollsignal ein.
  • Die US2005/0250061 A1 offenbart ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Der genannte Stand der Technik zeigt den Nachteil, dass ein Luftzahl-geregelter Brennerbetrieb mit weitem Leistungsmodulationsbereich gegenüber veränderten Strömungswiderständen im Luft-, Gemisch-, Heizgas- und Abgasweg stark störanfällig ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Stabilisierung des Betriebsverhaltens eines leistungsmodulierenden Luftzahl-geregelten Gasgebläsebrenners zu schaffen, mit dem Störeinflüsse aufgrund von veränderten Strömungswiderständen im Luft-, Gemisch, Heizgas- und Abgasweg kompensiert werden.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stabilisierung eines Betriebsverhaltens eines leistungsmodulierenden, Luftzahl-geregelten Gasgebläsebrenners mit einer unteren Modulationsgrenze und einer oberen Modulationsgrenze kompensiert mit veränderten (z.B. erhöhten) Strömungswiderständen einhergehende Störungen in einem Zuluft-, Brenngas-Luft-Gemisch-, Heizgas- und/oder Abgasweg durch Anpassung des Leistungsmodulationsbereichs. In einem normalen Regelbetrieb des Gasgebläsebrenners wird eine Zusammensetzung eines Brenngas-Luft-Gemischs in Abhängigkeit eines Flammenionisation-Istsignales und eines Flammenionisation-Sollsignales eingestellt, indem das Flammenionisation-Istsignal auf das Flammenionisation-Sollsignal geregelt wird und das Flammenionisation-Sollsignal in Abhängigkeit einer Drehzahl eines Luft fördernden Gebläses vorgebbar ist. Erfindungswesentlich wird bei ausgewählten Betriebszuständen des Gasgebläsebrenners und in Abweichung vom normalen Regelbetrieb das Brenngas-Luft-Gemisch vorübergehend und kurzzeitig mit Brenngas angereichert und das Flammenionisation-Istsignal beobachtet. Aus der Differenz eines beim Anreichern beobachteten maximalen Flammenionisation-Istsignal (stöchiometrische Verbrennung) und dem vor dem Anreichern gemessenen Flammenionisation-Istsignal wird ein sogenannter Flammenionisationssignalhub H gebildet. Wenn nun dieser Flammenionisationssignalhub H (kurz: Signalhub) kleiner ist als ein erster Toleranzbetrag T1 oder größer ist als ein zweiter Toleranzbetrag T2, so wird eine der unteren Modulationsgrenze zugeordnete untere zulässige Gebläsedrehzahl erhöht. Anschließend kehrt die Brennerregelung in den normalen Regelbetrieb zurück. Erster (kleinerer) Toleranzbetrag T1 und zweiterer (größerer) Toleranzbetrag T2 definieren ein zulässiges Flammenionisationshubintervall ΔT (Figur 1 rechts).
  • Vor der Anreicherung des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas greift der normale Regelbetrieb, das Flammenionisation-Istsignal ist aufgrund der Regelung gleich dem Sollsignal. Die vorübergehende und kurzzeitige Anreicherung bzw. Anfettung des Brenngas-Luft-Gemischs bewirkt eine Veränderung des Flammenionisation-Istsignales. Ist das Ausgangsgemisch (vor der Anreicherung) deutlich überstöchiometrisch bzw. mager, so wird das Ionisationssignal bei Anfettung deutlich steigen. Ist das Ausgangsgemisch nur leicht überstöchiometrisch, so wächst das Ionisationssignal nur wenig. Ist das Ausgangsgemisch dagegen stöchiometrisch oder unterstöchiometrisch, so steigt das Ionisationssignal nicht oder fällt sogar. Durch Vergleich des während der Anfettung beobachteten maximalen Flammenionisation-Istsignales mit dem vor der Anfettung herrschenden, ursprünglichen Flammenionisation-Istsignal wird die Größe des Ionisationssignalhubs (lonisationssignalzuwachs) bestimmt.
  • Die gemessenen Ionisationssignale können Einzelmesswerte oder, um statistisch schwankende Messwerte geeignet zu berücksichtigen, gemittelte Messwerte (z.B. nach dem Prinzip des gleitendenden Durchschnitts) sein.
  • Ist der Signalhub kleiner als der erste Toleranzbetrag, so wird das ursprüngliche Brenngas-Luft-Gemisch damit als zu fett diagnostiziert. Der Signalhub liegt außerhalb des zulässigen Signalhubintervalls. Dies wird auf eine Erhöhung der Strömungswiderstände im Strömungsweg (Luft-, Gemisch, Heizgas- und/oder Abgasweg) zurückgeführt.
  • Ist der Signalhub größer als der zweite Toleranzbetrag, so wird das ursprüngliche Brenngas-Luft-Gemisch damit als zu mager diagnostiziert. Der Signalhub liegt außerhalb des zulässigen Signalhubintervalls. Dies wird auf eine Verringerung der Strömungswiderstände im Strömungsweg (Luft-, Gemisch, Heizgas- und/oder Abgasweg) zurückgeführt.
  • In beiden Fällen ändert die Brennerregelung einen der Regelung zugrunde liegenden Parametersatz, indem die untere zulässige Gebläsedrehzahl erhöht wird. Dies entspricht einer Erhöhung der zugeordneten unteren Modulationsgrenze bzw. einer Anpassung (Einschränkung) des Leistungsmodulationsbereichs des Gasgebläsebrenners an einen gegenüber einem Auslegungszustand veränderten Strömungswiderstand im Strömungsweg. Mit dieser Anpassung werden der Brennerregelung zugängliche Betriebspunkte auf einen höheren Leistungsmodulationsbereich beschränkt, Betriebspunkte im niedrigeren Modulationsbereich können nicht mehr angefahren werden. Damit werden die Bildung eines Brenngas-Luft-Gemischs mit gewünschter Zusammensetzung bei Sollluftzahl und somit ein stabileres Betriebsverhalten des Gasgebläsebrenners erreicht, da die Brennerflamme weder auf der Austrittsoberfläche aufsitzt und diese überhitzt, noch vom Brenner abhebt und zum Verlöschen neigt, noch überhöhte Schadstoffemissionen bewirkt. Dies ergibt sich aus der flacheren Kennlinie ISOLL(L) beim höheren Leistungsmodulationsbereich (Figur 3), wie zuvor beschrieben. Mit diesem angepassten Parametersatz kehrt die Regelung in den normalen Regelbetrieb zurück.
  • Liegt der Ionisationssignalhub im zulässigen Signalhubintervall, ist also größer oder gleich dem ersten Toleranzbetrag sowie kleiner oder gleich dem zweiten Toleranzbetrag, so wird das ursprüngliche Brenngas-Luft-Gemisch damit als "gut" diagnostiziert. Die Brennerregelung kehrt ohne Eingriff in einen der Regelung zugrunde liegenden Parametersatz in den normalen Regelbetrieb zurück.
  • Nach Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl greift wieder der normale Regelbetrieb, das heißt dass der Brenner die seitens eines zu versorgenden Heizsystems an ihn gestellten Wärmeanforderungen innerhalb des nun zur Verfügung stehenden, angepassten Modulationsbereichs erfüllt und dabei die beschriebene Luftzahlregelung ausführt.
  • Die Schritte der vorübergehenden, kurzzeitigen Anreicherung des Gemischs mit Brenngas, des Vergleichs des Ionisationssignalhubs mit dem ersten Toleranzbetrag sowie gegebenenfalls der Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl können wiederholt ausgeführt werden und zu einer fortschreitenden Anpassung des Leistungsmodulationsbereichs des Gasgebläsebrenners führen. So kann z.B. bei zunehmendem Strömungswiderstand im Strömungsweg die untere zulässige Gebläsedrehzahl Schritt für Schritt angehoben und damit die der Brennerregelung zugängliche Leistungsmodulation zunehmend auf höhere Bereiche eingeschränkt werden. Andererseits kann bei ausgeräumtem Strömungswiderstand die untere zulässige Gebläsedrehzahl wieder abgesenkt und damit der der Brennerregelung zugängliche Leistungsmodulationsbereich wieder erweitert werden.
  • Die Wiederholfrequenz der wiederholt durchgeführten Schritte kann im Minuten- oder im Stundenbereich liegen. Die Frequenz kann auch in Abhängigkeit des bei Anreicherung des Brenngas-Luft-Gemischs beobachteten Ionisationssignalhubes gewählt werden, bei kleineren Hüben kann die Frequenz beispielsweise höher liegen als bei größeren Hüben.
  • Die beschriebenen Schritte zur Überprüfung und gegebenenfalls Anpassung des Leistungsmodulationsbereichs des Gasgebläsebrenners werden bei ausgewählten Betriebszuständen des Gasgebläsebrenners und in Abweichung vom normalen Regelbetrieb das Brenngas-Luft-Gemisch ausgeführt. Solche ausgewählten Betriebszustände können beispielsweise Betriebspunkte mittlerer und niedriger Leistungsmodulation sein, da hier erfahrungsgemäß die größten Gradienten der lonisationssignal-Sollwertkurve vorliegen. Die Schritte können auch nur bei solchen Betriebspunkten ausgeführt werden, die während einer vorgebbaren Mindestdauer unverändert vorliegen, also beispielsweise nach einem fünfminütigen Brennerbetrieb bei Kleinlast. Bei Durchführung der Schritte muss der Brennerbetrieb vom normalen Regelbetrieb abweichen, um das Gemisch abweichend von der Sollluftzahl anzureichern.
  • Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das beobachtete maximale Flammenionisation-Istsignal ein gemessenes maximales Flammenionisation-Istsignal ist. Dies bedeutet, dass beim Anreichern die Gemischzusammensetzung mindestens bis zur Stöchiometrie angefettet wird.
  • Eine dazu alternative Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das beobachtete maximale Flammenionisation-Istsignal ein erwartetes maximales Flammenionisation-Istsignal ist, das aus dem beobachteten zeitlichen Verlauf des Flammenionisation-Istsignals vorausschauend ableitbar ist (Zeit t). Der Ableitung des erwarteten Istsignales liegt ein Modell über den Verlauf des Ionisationssignales zugrunde, dies ist der in Figur 1 dargestellte parabelähnliche Verlauf über der Luftzahl λ, der bei λ = 1,0 sein Maximum erreicht. Der zu erwartende Verlauf und das Maximum können aus dem bei Anfettung gemessenen Verlauf vorausschauend berechnet werden, ohne dass der stöchiometrische Betriebspunkt tatsächlich erreicht wird. Damit werden alle Nachteile im Hinblick auf Brennerüberhitzung und Schadstoffbildung, die ein stöchiometrischer Betriebspunkt mit sich bringt, vermieden.
  • Das vorübergehende Anreichern des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas umfasst ein Anreichern und ein anschließendes Abmagern auf die vor dem Anreichern herrschende, urprüngliche Gemischzusammensetzung. Nach einer Ausgestaltung erfolgt dies, indem ein eine Brenngasversorgung des Gasgebläsebrenners beherrschendes elektronisches Gasventil bei konstanter Gebläsedrehzahl vorübergehend und kurzzeitig etwa 10 % bis 50 % mehr Brenngas freigibt. Das Ansteuern des Gasventils erfolgt gesteuert und nicht in Abhängigkeit einer aktuellen Wärmeanforderung. Das Ansteuern des Gasventils und/oder das Anfetten des Gemischs können nach der Art einer Sprungfunktion oder einer Ramenfunktion erfolgen. Ebenso kann das Anreichern durch eine veränderte Gebläsedrehzahl und eine so veränderte Luftmenge bei konstanter Gasmenge erreicht werden.
  • Das Anreichern des Gemischs erfolgt bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens, indem das die Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs beeinflussende Flammenionisation-Sollsignal bei konstanter Gebläsedrehzahl vorübergehend um etwa 10 % bis 30 % erhöht wird. Dabei ist die Abhängigkeit des Flammenionisation-Sollsignals von der Drehzahl des Gebläses vorübergehend aufgehoben. Die Erhöhung des Sollsignales bewirkt wiederum ein Öffnen des Gasventils und damit ein Anreichern des Gemischs.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens beträgt eine Dauer des vorübergehenden, kurzzeitigen Anreicherns des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas etwa 0,1 Sekunden bis 10 Sekunden. Damit sind einerseits die beschriebenen nachteiligen Effekte, die mit der Anfettung einhergehen, zeitlich sehr stark eingeschränkt und fallen daher nicht ins Gewicht. Andererseits ist die durch Verbrennung der zusätzlichen Gasmenge zusätzlich freigesetzte Wärmemenge nur sehr gering und kann leicht durch die thermische Speicherkapazität der beteiligten Bauteilmassen aufgefangen und abgemildert werden.
  • Nach einer Ausgestaltung erfolgt die Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl immer um einen festen, anteiligen Betrag von etwa 5 % bis 30 % eines aktuell zur Verfügung stehenden Drehzahlbereiches.
  • Nach einer dazu alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung hängt der Betrag der Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl von dem Flammenionisationssignalhub bei Anreicherung ab. Dieser Betrag wächst mit größer werdender Differenz zwischen Flammenionisationssignalhub und dem jeweils zugeordneten Toleranzbetrag. Ein geringer Abstand des Flammenionisationssignalhubs vom ersten bzw. zweiten Toleranzbetrag (also ein nur geringfügig außerhalb des Signalhubintervalls liegender Signalhub) hat eine geringe Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl zur Folge. Ein großer Abstand des Flammenionisationssignalhubs vom ersten bzw. zweiten Toleranzbetrag (also ein weit außerhalb des Signalhubintervalls liegender Signalhub) hat eine große Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl zur Folge.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Toleranzbetrag etwa 10 % bis 30 % des Flammenionisation-Sollsignals, und dass der zweite Toleranzbetrag etwa 30 bis 50 % des Flammenionisation-Sollsignals beträgt. Das heißt dass ein Flammenionisation-Istsignal eines verbrennenden Brenngas-Luft-Gemischs mit Sollzusammensetzung (Sollluftzahl) um den entsprechenden Betrag kleiner ist als das bei stöchiometrischer Anreicherung beobachtete maximale Ionisationssignal. Die genauen Werte der Toleranzbeträge ergeben sich auch in Abhängigkeit der Konstruktions-, Betriebs- und/oder Aufstellbedingungen.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl nach jedem Brenner-Aus oder nach Betätigung einer Rückstelltaste oder nach einer vorgebbaren Erhöhungsdauer zurückgestellt wird. Die Rückstellung auf den Auslegungszustand bedeutet, dass wieder der gesamte Leistungsmodulationsbereich zur Verfügung steht. Anschließend an die Rückstellung kann dann das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchgeführt werden. Bereits bei der ersten oder erst bei einer wiederholten Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl kann eine Warnmeldung ausgegeben werden, die einem Nutzer oder Installateur signalisiert, dass im Strömungsweg eine Störung vorliegt.
  • Die Zeichnungen stellen die physikalischen Zusammenhänge der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
    • Figur 1
    den charakteristischen parabelförmigen Zusammenhang zwischen dem Ionisationssignal I und der Luftzahl λ,
    Figur 2
    den beispielhaften Zusammenhang zwischen dem Ionisationssignal I und der Brennerleistung Q für verschiedene Luftzahlen λ,
    Figur 3
    den beispielhaften Zusammenhang zwischen dem Ionisationssignal I und der Verbrennungsluftmenge L für verschiedene Luftzahlen λ und
    Figur 4
    den schematischen Zusammenhang zwischen Anreicherung des Brenngas-Luft-Gemischs und beobachtetem Ionisationssignal.
  • Figur 1 zeigt schematisch den typischen parabelförmigen Verlauf eines lonisationssignales I in Abhängigkeit von der Luftzahl λ. Das Ionisationssignal I ist als ein Signal aus der Verbrennung oft die Basis für eine Luftzahlregelung. Eine geeignete Auswerteschaltung macht sich den Umstand zu Nutze, dass Flammen bei Anlegen einer elektrischen Spannung einen sogenannten Ionisationsstrom leiten. Der Verlauf des Ionisationssignales zeigt eine klare Abhängigkeit von der Luftzahl λ des Brennstoff-Luft-Gemischs mit einem Signalmaximum bei λ = 1,0 (stöchiometrische Verbrennung). In Richtung fetter Gemische (λ< 1) und magerer Gemische (λ > 1) fällt das Ionisationssignal. Ein Anreichern eines Brenngas-Luft-Gemischs, ausgehend von einer überstöchiometrischen bis zu einer stöchiometrischen Zusammensetzung, ist auf der linken Seite der Figur 1 durch die aufeinanderfolgenden (Misch-) Punkte entlang einer Zeitachse t dargestellt. Auf der rechten Seite der Figur 1 sind beispielhafte Ionisationssignalhübe H dargestellt, wie sie sich bei einer Anreicherung ergeben können. Dargestellt ist ferner ein zulässiges Flammenionisationshubintervall ΔT, das durch einen ersten Toleranzbetrag T1 und einen zweiten Toleranzbetrag T2 begrenzt wird. Wird bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Flammenionisationssignalhub H kleiner T1 oder größer T2 beobachtet, so wird die untere zulässige Gebläsedrehzahl erhöht. Anschließend kehrt die Brennerregelung in den normalen Regelbetrieb zurück. Liegt der Signalhub dagegen im zulässigen Intervall ΔT, so kehrt die Brennerregelung ohne eine Veränderung der Gebläsedrehzahl in den normalen Regelbetrieb zurück.
  • Figur 2 zeigt schematisch beispielhafte Ionisationssignalverläufe I bei drei verschiedenen Luftzahlen λ in Abhängigkeit einer Brennerleistung Q. Zu erkennen ist, dass die lonisationssignale I bei fetter Verbrennung (z.B. λ = 1,1) höher sind und zum mageren Gemischbereich (z.B. λ = 1,3... 1,5) hin abfallen. Auffällig sind die bei konstanter Luftzahl (Beispiel λ = 1,3) an Intensität deutlich abnehmenden Ionisationssignale im Bereich kleiner Brennerleistungen QMIN - hier verliert das Ionisationssignal I seine eindeutige Zuordnung zur Luftzahl λ. Eine Funktionszuordnung des Ionisationssignals zu Leistung und Luftzahl ist auch in diesem Bereich noch gegeben - aufgrund der abfallenden und konvergierenden Kurven ist hier aber eine zuverlässige Regelung, basierend auf der Vorgabe eines lonisationssollsignals, in Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl, erschwert. Störungen im Strömungskanal führen in diesem Bereich zu stärkeren Abweichungen in der eingestellten Luftzahl als dies im Bereich höherer Leistung der Fall wäre.
  • Ein Modulationsbereich eines leistungsmodulierenden Brenners wird durch eine untere Modulationsgrenze (Kleinlast, QMIN) und eine obere Modulationsgrenze (Volllast oder Nennleistung, QNENN) begrenzt. Einer Luftzahlregelung kann beispielsweise die hier mittlere Ionisationskurve, die sich bei einer Luftzahl λ = 1,3 ergibt, als Sollwertkurve vorgegeben werden.
  • Figur 3 zeigt schematisch beispielhafte Ionisationssignalverläufe I bei drei verschiedenen Luftzahlen λ in Abhängigkeit einer Verbrennungsluftmenge L und verdeutlicht die dieser Erfindung zu Grunde liegende Problemstellung. Dabei ist die Verbrennungsluftmenge L die Luftmenge, die für eine Erzielung einer Brennerleistung Q bei vorgegebener Luftzahl erforderlich ist. Zu erkennen ist wiederum, dass die Ionisationssignale I bei fetter Verbrennung (z.B. λ = 1,1) höher sind und zum mageren Gemischbereich (z.B. λ = 1,3...1,5) hin abfallen. Auffällig sind die bei konstanter Luftzahl (Beispiel λ = 1,3) an Intensität deutlich abnehmenden Ionisationssignale im Bereich kleiner Luftmengen LMIN (entspricht kleinen Brennerleistungen QMIN). Ein Modulationsbereich eines leistungsmodulierenden Brenners wird durch eine untere Modulationsgrenze (minimale Luftmenge, LMIN) und eine obere Modulationsgrenze (maximale oder Nennluftmenge, LNENN) begrenzt. Einer Luftzahlregelung kann beispielsweise die hier mittlere Ionisationskurve, die sich bei einer Luftzahl λ = 1,3 ergibt, als Sollwertkurve vorgegeben werden.
  • Tatsächlich wird der Brennerregelung eine Ionisationskurve mit Bezug auf die Gebläsedrehzahl RPM (revolutions per minute) als Sollwertkurve vorgegeben. Bei erhöhten Strömungswiderständen im Luft-, Gemisch-, Heizgas- und/oder Abgasweg verringert sich die Verbrennungsluftmenge L zum Beispiel entlang der Wege A-B und C-D. Die Gebläsedrehzahl ändert sich dabei jedoch nicht oder nicht wesentlich. Da nun aber die Flammenionisation-Sollwertkurve als Funktion der Gebläsedrehzahl formuliert ist, ändert sich auch der Ionisationssollwert nicht. Im hohen Modulationsbereich hat diese Verringerung der Luftmenge keine nennenswerten Auswirkungen auf die Luftzahl des Brenngas-Luft-Gemischs, vergleiche Weg A-B. Im Bereich niedriger Leistungsmodulation ergibt sich jedoch eine deutliche Änderung der Luftzahl gegenüber der Sollzusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs, zum Beispiel der Weg C-D, mit einer deutlich fetteren Zusammensetzung. Diese fettere Gemischzusammensetzung D als Auswirkung der Störung im Strömungsweg (Erhöhung des Strömungswiderstandes) ist aus oben beschriebenen Gründen unerwünscht.
  • Figur 4 zeigt den schematischen Zusammenhang zwischen der Anreicherung des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas G und dem beobachteten Ionisationssignal I über der Zeit t. Ein Brenngas-Luft-Gemisch wird gemäß der Erfindung vorübergehend und kurzzeitig mit Brenngas angereichert, wobei das Brenngas beispielsweise durch ein entsprechend angesteuertes Brenngasventil freigegeben wird. Das Ionisationssignal I wird beobachtet, es folgt der Brenngasanreicherung G. Entsprechend der Brenngasanreicherung ergibt sich je nach Luftzahl des ursprünglichen Gemischs ein größerer oder kleinerer Ionisationssignalhub H, der gemäß der Erfindung einer Analyse unterzogen wird, auf deren Ergebnis dann die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte folgen. Wenn der lonisationssignalhub H kleiner ist als ein erster Toleranzbetrag T1 oder größer als ein zweiter Toleranzbetrag T2, so wird die untere zulässige Gebläsedrehzahl erhöht. Anschließend kehrt die Regelung in den normalen Regelbetrieb zurück, wobei erfindungsgemäß nun nur noch ein eingeschränkter Leistungsmodulationsbereich zur Verfügung steht.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Stabilisierung eines Betriebsverhaltens eines leistungsmodulierenden, Luftzahl-geregelten Gasgebläsebrenners mit einer unteren Modulationsgrenze und einer oberen Modulationsgrenze, zur Berücksichtigung von Störungen in einem Verbrennungsluftweg, Gemischweg, Heizgasweg und/oder Abgasweg, wobei in einem normalen Regelbetrieb des Gasgebläsebrenners
    • eine Zusammensetzung eines Brenngas-Luft-Gemischs in Abhängigkeit eines Flammenionisation-Istsignales und eines Flammenionisation-Sollsignales eingestellt wird,
    • das Flammenionisation-Istsignal auf das Flammenionisation-Sollsignal geregelt und das Flammenionisation-Sollsignal in Abhängigkeit einer Drehzahl eines Luft fördernden Gebläses vorgegeben wird, wobei bei ausgewählten Betriebszuständen des Gasgebläsebrenners und in Abweichung vom normalen Regelbetrieb
    • das Brenngas-Luft-Gemisch vorübergehend und kurzzeitig mit Brenngas angereichert und das Flammenionisation-Istsignal beobachtet wird, und
    • die Regelung anschließend in den normalen Regelbetrieb zurückkehrt.
    dadurch gekennzeichnet, dass bei den oben genannten ausgewählten Betriebszuständen des Gasgebläsebrenners und in der oben genannten Abweichung vom normalen Regelbetrieb, eine der unteren Modulationsgrenze zugeordnete untere zulässige Gebläsedrehzahl erhöht wird, wenn ein Flammenionisationssignalhub, das ist die Differenz zwischen einem beim Anreichern beobachteten maximalen Flammenionisation-Istsignal und dem vor dem Anreichern gemessenen Flammenionisation-Istsignal, kleiner ist als ein erster Toleranzbetrag oder größer ist als ein zweiter Toleranzbetrag.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das beobachtete maximale Flammenionisation-Istsignal ein gemessenes maximales Flammenionisation-Istsignal ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das beobachtete maximale Flammenionisation-Istsignal ein erwartetes maximales Flammenionisation-Istsignal ist, das aus dem beobachteten Verlauf des Flammenionisation-Istsignals vorausschauend ableitbar ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das vorübergehende Anreichern des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas ein Anreichern und ein anschließendes Abmagern umfasst und erfolgt, indem ein eine Brenngasversorgung des Gasgebläsebrenners beherrschendes elektronisches Gasventil bei konstanter Gebläsedrehzahl vorübergehend etwa 10 % bis 50 % mehr Brenngas freigibt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das vorübergehende Anreichern des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas ein Anreichern und ein anschließendes Abmagern umfasst und erfolgt, indem das die Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs beherrschende Flammenionisation-Sollsignal bei konstanter Gebläsedrehzahl vorübergehend um etwa 10 % bis 30 % erhöht wird, wobei die Abhängigkeit des Flammenionisation-Sollsignals von der Drehzahl des Gebläses aufgehoben ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer des vorübergehenden, kurzzeitigen Anreicherns des Brenngas-Luft-Gemischs mit Brenngas etwa 0,1 Sekunden bis 10 Sekunden beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl um einen Betrag von etwa 5 % bis 30 % eines aktuell zur Verfügung stehenden Drehzahlbereiches erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl von dem Flammenionisationssignalhub abhängt und mit zunehmender Differenz zwischen Flammenionisationssignalhub und dem jeweils zugeordneten Toleranzbetrag wächst.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Toleranzbetrag etwa 10 % bis 30 % des Flammenionisation-Sollsignals, und der zweite Toleranzbetrag etwa 30 % bis 50 % des Flammenionisation-Sollsignals beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der unteren zulässigen Gebläsedrehzahl nach jedem Brenner-Aus oder nach Betätigung einer Rückstelltaste oder nach einer vorgebbaren Erhöhungsdauer zurückgestellt wird.
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