Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer

Abstract

 Die Erfindung geht aus von einem Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer, mit einer Mischeinrichtung für das dem Brenner zugeführte Brennstoff-Luftgemisch und einem mit einem Meßfühler im Abgasweg versehenen Regler, der das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne einer Minimierung der Abgasverluste beeinflußt.
Es wird vorgeschlagen, daß der Meßfühler (14, 16) auf CO beziehungsweise NO_x im Abgas ansprechend und den Volumengehalt dieser Abgaskomponenten erfassend ausgebildet ist, und daß der Regler (18) das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne der Einhaltung beziehungsweise kleinstmöglichen Unterschreitung der zulässigen Grenzwerte von CO beziehungsweise NO_x steuernd ausgeführt ist.
Dadurch ist erreicht, daß ein Sicherheitsabstand zu mindestens einer der Abgaskomponenten CO beziehungsweise NO_x entfällt und dadurch der Abgasverlust beziehungsweise die Schadstoffemission der Verbrennung möglichst klein gehalten wird.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Regelsystem nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten Regelsystemen dieser Gattung (DE 28 55 012 A1) ist als Meßfühler ein Feststoffelektrolyt vorgesehen, der den Sauerstoffgehalt des Abgases erfaßt und bei welchem durch Überwachung des Sauerstoffgehaltes eine Minimierung der Luftzahl (Brennstoff-Luftverhältnis) und damit der Abgasverluste angestrebt wird. Bei dieser Anordnung muß jedoch ein gewisser Sicherheitsabstand zu den Grenzwerten von CO und NO_x-Gehalt eingehalten werden, um unterschiedlichen Brennstoffzusammensetzungen, Luftdruck- und Temperaturänderungen, mechanischen Toleranzen der Geräte und anderen Einflüssen Rechnung zu tragen.

Vorteile der Erfindung

[0002] Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Sicherheitsabstand zu mindestens einer der genannten Abgaskomponenten entfällt, so daß die Verbrennung an oder möglichst nahe an dem zulässigen Grenzwert dieser Komponente geregelt und dadurch der Energie- und Abgasverlust der Verbrennung beziehungsweise die Schadstoffemission möglichst klein gehalten werden kann.

[0003] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.

[0004] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß im Abgasweg des Wärmeerzeugers zwei Meßfühler vorgesehen sind, von denen der eine den CO-Gehalt und der andere den NO_x-Gehalt erfassend ausgebildet ist. Dadurch ist sichergestellt, daß keine der beiden genannten Abgaskomponenten den zulässigen Grenzwert überschreiten kann.

[0005] Bei Regelsystemen mit katalytischen Brennern beziehungsweise katalytischer Abgasreinigung sieht die Erfindung einen den CO-Gehalt im Abgas erfassenden Meßfühler vor, und daß die Luftzahl auf einen kurz vor dem Steilanstieg des CO-Gehalts liegenden Betriebspunkt zurückgeregelt ist. Bei diesem Betriebspunkt, bei dem auch der NO_x-Gehalt unter dem zulässigen Grenzwert liegt, läuft die Verbrennung annähernd stöchiometrisch ab, wobei sich minimale Emissionswerte ergeben.

[0006] In weiterer Ausgestaltung dieser Anordnung kann zusätzlich ein den NO_x-Gehalt im Abgas erfassenden Meßfühler vorgesehen und die Summe aus beiden gemessenen Abgaskomponenten auf ein Minimum geregelt sein. Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Grenzwerte beider Abgaskomponenten kann vor der Summenbildung jede Komponente mit einem Faktor gewertet werden.

Zeichnung

[0007] Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein für beide Ausführungsbeispiele gültiges Regelsystem in schematischer Darstellung und die Figuren 2 und 3 Funktionsschaubilder eines konventionellen und eines katalytischen Brenners, in welchen die Abgasemissionen von CO und NO_x des Brenners über der Luftzahl des zugeführten Brennstoff-Luftgemisches aufgetragen sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0008] Das erfindungsgemäße Regelsystem für einen vorzugsweise mit Gas betriebenen Wärmeerzeuger 10, zum Beispiel einen Wassererhitzer für Heizung und/oder Warmwasserbereitung hat im Abgasweg 12 einen den CO-Gehalt der Abgase erfassenden Meßfühler 14 und einen deren NO_x-Gehalt erfassenden Meßfühler 16. Beide Meßfühler 14, 16 sind mit einem Regler 18 verbunden, der über ein Stellglied 20 auf eine Brennstoffleitung 22 und ein Stellglied 24 auf eine Luftleitung 26 einwirkt. Die beiden Leitungen 22, 26 führen zu einer Mischeinrichtung im Wärmeerzeuger 10, welche dessen Brenner vorgeschaltet ist.

[0009] Der Regler 18 steuert bei einem Wärmeerzeuger 10 mit konventionellem Brenner das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) so, daß die Verbrennung an dem Grenzwert der einen Abgaskomponente CO beziehungsweise NO_x erfolgt, der niedriger als der Grenzwert der anderen Abgaskomponente ist. Das ist im Schaubild nach Figur 2 verdeutlicht, in welchem die Abgasemissionen von NO_x mit einer voll ausgezogenen Kennlinie 30 und jene von CO mit einer gestrichelten Kennlinie 32 über der Luftzahl Lambda aufgetragen sind. In das Schaubild sind ferner die Grenzwertlinien 34 für den zulässigen NO_x-Gehalt und die Grenzwertlinie 36 für den zulässigen CO-Gehalt aufgetragen.

[0010] Der Sollwert der Regelung ist erfindungsgemäß auf den Betriebspunkt P gelegt, dessen Ordinate 38 die Kennlinie 30 für den NO_x-Gehalt an jenem Punkt 40 schneidet, durch den auch die Grenzwertlinie 34 für diese Abgaskomponente geht. Die Regelabweichung ist in Richtung des Luftzahlanstiegs gelegt, so daß der zulässige Grenzwert von NO_x mit Sicherheit nicht überschritten wird. Wie das Schaubild nach Figur 2 ferner zeigt, kann durch entsprechende Ausbildung beziehungsweise Auslegung aller die Verbrennung beeinflussenden Größen die Kennlinie 32 des CO-Gehalts so verlaufen, daß die Ordinate 38 des Betriebspunktes P auch die Kennlinie 32 gemeinsam mit der Grenzwertlinie 36 dieser Abgaskomponente in einem gemeinsamen Punkt 42 schneidet.

[0011] Beim katalytischen beziehungsweise mit einer katalytischen Abgasreinigung arbeitenden Brenner nach dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbrennung nahezu stöchiometrisch mit der Luftzahl 1. Im Schaubild nach Figur 3 ist die Abgasemission von NO_x mit einer voll ausgezogenen Kennlinie 46 und die CO-Emission mit der gestrichelten Kennlinie 48 über der Luftzahl Lambda aufgetragen. Ferner sind auch in dieses Schaubild die Grenzwertlinien 34 und 36 für NO_x- und CO-Gehalt eingezeichnet.

[0012] Bei der Luftzahl 1 fällt die CO-Kennlinie 48 auf einen nahe Null liegenden Wert ab und auch die NO_x-Emission ist, wie die Kennlinie 46 zeigt, beim Wert 1 der Luftzahl stark vermindert. Die Regelung erfolgt vorteilhaft so, daß ausgehend von einer etwas über dem Wert 1 liegenden Luftzahl die Luftmenge stetig vermindert wird, bis der CO-Gehalt im Abgas plötzlich ansteigt. Die Verbrennung erfolgt danach geregelt in dem Betriebsbereich 50, in welchem beide Abgaskomponenten die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten beziehungsweise unterhalb diesen Grenzwerten liegen und die Emissionswerte ein Minimum erreichen.

[0013] Zusätzlich zum CO-Gehalt des Abgases kann auch der NO_x-Gehalt erfaßt und die Summe aus beiden Abgaskomponenten auf ein Minimum geregelt werden. Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Grenzwerte der beiden Abgaskomponenten kann bei der Summenbildung jede Komponente mit einem Faktor gewichtet werden. Bei kontinuierlicher Messung und Regelung bleibt der als ideal erkannte Betriebspunkt auch bei Änderung der die Verbrennung beeinflussenden Faktoren erhalten.

Ansprüche

1. Regelsystem für einen mit Brennstoff betriebenen Wärmeerzeuger, insbesondere Wassererhitzer, mit einer Mischeinrichtung für das den Brenner zugeführte Brennstoff-Luftgemisch und einem mit einem Meßfühler im Abgasweg versehenen Regler, der das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne einer Minimierung der Abgasverluste beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (14, 16) auf CO beziehungsweise NO_x im Abgas ansprechend und den Volumengehalt dieser Abgaskomponenten erfassend ausgebildet ist, und daß der Regler (18) das Brennstoff-Luftverhältnis (die Luftzahl) im Sinne der Einhaltung beziehungsweise kleinstmöglichen Unterschreitung der zulässigen Grenzwerte von CO beziehungsweise NO_x steuernd ausgeführt ist.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg zwei Meßfühler (14, 16) vorgesehen sind, von denen der eine den CO-Gehalt und der andere den NO_x-Gehalt erfassend ausgebildet ist.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, für einen Wärmeerzeuger, der mit einem katalytischen Brenner beziehungsweise einer katalytischen Abgasreinigung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein den CO-Gehalt im Abgas erfassender Meßfühler (14) vorgesehen und die Luftzahl auf einen kurz vor dem Steilanstieg des CO-Gehalts liegenden Betriebspunkt P zurückgeregelt ist.

4. Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den NO_x-Gehalt im Abgas erfassender Meßfühler (16) vorgesehen und die Summe aus den gemessenen Werten der beiden Abgaskomponenten auf ein Minimum geregelt ist.

5. Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Summenbildung jede gemessene Komponente mit einem Faktor gewichtet ist.

Zeichnung