Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Brenngas-Luft-Einstellung für einen brenngasbetriebenen Brenner.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Brenngas-Luft-Verhältnis eines brenngasbetriebenen Brenners mittels Messung der Ionisationsspannung oder des Ionisationsstrom an einer Überwachungselektrode eingestellt werden kann. Die EP 770 824 B1 beschreibt ein Verfahren, bei dem, ausgehend von einem überstöchiometrischen Brennerbetrieb, der Luftüberschuss so lange reduziert wird, bis eine geringfügig unterstöchiometrische Verbrennung vorliegt. Hierbei wird die Ionisationsspannung zwischen einer Ionisationselektrode und dem Brenner gemessen. Bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1,0) ist die Ionisationsspannung maximal. Demzufolge steigt die Ionisationsspannung, ausgehend von überstöchiometrischer Verbrennung, bei der Reduzierung des Luftüberschusses zunächst an, um bei stöchiometrischer Verbrennung ein Maximum zu erreichen. Fällt die Ionisationsspannung bei Weiterreduzierung des Luftanteils ab, so ist dies ein Indikator dafür, dass die Verbrennung unterstöchiometrisch ist. Das aus der EP 770 824 B1 bekannte Verfahren sieht nun vor, dass, ausgehend von der Luftmenge, welche bei maximaler Ionisationsspannung vorliegt, der Luftanteil um einen definierten Betrag erhöht wird, so dass die Soll-Luftzahl erreicht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses, ausgehend von der stöchiometrischen Verbrennung, um 25% erhöht wird.

Ausgestaltungen dieses Regelverfahrens sind ebenfalls aus der DE 40 27 090 C2, DE 196 18 573 C1 und US 5 971 745 A bekannt.

US 5 971 745 A offenbart ein Verfahren zur Einstellung des Brenngas-Luft-Gemischs mittels Ionisationsstromüberwachung. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist, dass ausgehend von einem Betriebspunkt mit Luftüberschuss das Brenngas-Luft-Gemisch zunächst angefettet wird. Sobald ein Extremwert (Maximum) gefunden ist, wird die Anfettung beendet. Dies kann beispielsweise dadurch festgestellt werden, dass nach einem Anstieg des Ionisationsstroms wieder ein Abfall gemessen wird. Alternativ kann dieser "peak", also Extremwert / Maximum festgestellt werden, wenn der Gradient des Signals Null beträgt. Wenn das Maximum gefunden ist, wird das Gemisch wieder abgemagert.

DE 20 2004 017 850 U1 zeigt einen Gasbrenner, bei dem mittels eines Thermoelements die Flammentemperatur gemessen wird. Die Temperatur verhält sich dabei analog dem Ionisationsstrom gemäß EP 770 824 B1. Es wird zum Kalibrieren das Gemisch angefettet und die Flammentemperatur gemessen. Wird ein Maximum gemessen, so wird das Gemisch definiert abgemagert.

US 4 118 172 A offenbart ein Kalibrierungsverfahren, bei dem eine Temperaturmessung zur Erfassung eines Maximums bei Stöchiometrie eingesetzt wird.

Nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist, dass stets eine stöchiometrische bzw. geringfügig unterstöchiometrische Verbrennung angefahren werden muss. Hierbei entstehen im wesentlichen Maße Kohlenmonoxyd- und Stickoxydemissionen.

Aus DE 102 00 128 B4 und EP 833 106 B1 sind Verfahren zur Einstellung des Brenngas-Luft-Gemischs bekannt, bei denen ein Brenngas-Luft-Gemisch so lange abgemagert wird, bis die Flamme erlischt. Ausgehend von diesem Punkt wird der Brenner anschließend mit definiert fetterem Gemisch betrieben. Auch bei derartigen Verfahren ist nachteilig, dass durch das Erlöschen der Flamme und den anschließenden Neustart erhöhte Schadstoffemissionen entstehen. Ferner kann das Verfahren nicht in den normalen Betrieb integriert werden.

Aus EP 1 176 364 A1 ist bekannt, dass Verfahren mit Maximum bei Stöchiometrie den Nachteil haben, dass vorübergehend der Brenner mit hohen Schadstoffemissionen betrieben wird. Bei dem aus EP 1 176 364 A1 bekannten Verfahren wird bei Inbetriebnahme das Ionisationssignal gemessen, dann die Brenngasmenge verändert und wieder das Ionisationssignal gemessen. Aus der Auswertung der Signaldifferenz wird auf die Zusammensetzung des Brenngases geschlussfolgert und die Brenngasdrossel entsprechend eingestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Brenngas-LuftGemisches bei brenngasbetriebenen Brennern mittels Ionisationsstrommessung zu schaffen, welches umweltbelastende Verbrennungszustände vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Betriebs des Brenners das Brenngas-Luft-Gemisch abgemagert wird und hierbei das Ionisationssignal kontinuierlich gemessen wird. Aus dem Ionisationssignal wird bei der Veränderung ein Gradient gebildet. Überschreitet der Gradient einen bestimmten Gradienten bzw. steigt der Gradient im Vergleich zum bisherigen Verlauf überproportional an, so wird die Abmagerung beendet und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet.

Das Messsignal ist stark von Ablagerungen an der Elektrode sowie der Position der Elektrode abhängig. Daher ist es nicht zielführend, das Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Absolutwertes als relevantes Ereignis zu verwenden. Der starke Anstieg des Gradienten hingegen ist ein sicheres Indiz für das baldige Abheben der Flamme bei weiterem Anstieg des Luftanteils.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. So kann der Gradient durch die Division des Differenzsignals der Ionisationselektrode mit der Differenzdrehzahl des Gebläsemotors ermittelt werden. Alternativ hierzu kann eine Division des Differenzsignals der Ionisationselektrode mit der Differenzstellposition des Stellantriebs eines Gasventils oder einer Differenzzeiteinheit erfolgen.

Das Signal der Ionisationselektrode kann dadurch ermittelt werden, dass eine Konstantspannungsquelle mit der Flamme des Brenners und einem Widerstand seriell verschaltet ist und der Spannungsabfall am Widerstand gemessen wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen

• Figur 1 einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• Figur 2 den Verlauf des Ionisationssignals beim erfindungsgemäßen Verfahren.

Figur 1 zeigt einen Brenner 1 mit Gebläse 8 mit Gebläsemotor 9 in einem Lufteintritt 12. In den Lufteintritt 12 mündet eine Gasleitung 13, in der sich ein Gasventil 10 mit Stellantrieb 11 befindet. Der Gebläsemotor 9 und der Stellantrieb 11 sind mit einer Regelung 7 verbunden. Am Brenner 1 befindet sich eine Flamme 2, in welche eine Ionisationselektrode 3 hineinragt. Die Ionisationselektrode 3 ist mit einer Spannungsquelle 4 verbunden. Diese ist mit ihrer zweiten Elektrode mit einem Widerstand 5 verbunden, der wiederum an den Brenner 1 angeschlossen ist. Parallel zum Widerstand 5 ist ein Spannungsmesser 6 angeschlossen, welcher mit der Regelung 7 verbunden ist.

Beim Betrieb des Brenners saugt das Gebläse 8 über den Lufteintritt 12 Verbrennungsluft an. Die Drehzahl n des Gebläses 8 kann hierbei kontinuierlich verstellt werden. Über das Gasventil 10 kann die zugeführte Brenngasmenge, welche über die Gasleitung 13 einströmt, kontinuierlich verändert werden; hierbei wird die Schrittzahl n_s des Stellantriebs 11 erfasst. Im Gebläse 8 werden Brenngas und Luft miteinander vermischt und am Austritt des Brenners 1 gezündet, so dass sich eine Flamme 2 bildet. Da die Ionen der Flamme 2 elektrisch leitend sind, kann zwischen der Ionisationselektrode 3 und dem Brenner 1 ein Strom fließen. Hieraus folgt, dass eine elektrische Spannung U_Flamme anliegt. Der Ionenfluss durch die Flamme 2 sorgt dafür, dass der elektrische Kreislauf (Brenner 1, Ionisationselektrode 3, Spannungsquelle 4, Widerstand 5) geschlossen ist. Figur 2 zeigt den Verlauf der am Widerstand 5 gemessenen Spannung U über die Luftzahl λ und die Gebläsedrehzahl n. U₀ ist die Spannung der Spannungsquelle 4. Es gilt: $$\mathrm{U}={\mathrm{U}}_{\mathrm{0}}-{\mathrm{U}}_{\mathrm{Flamme}}$$

Es ist zu erkennen, dass die am Widerstand 5 gemessene Spannung U bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1,0) minimal ist. Mit Erhöhen des Luftüberschusses steigt die Spannung U kontinuierlich an. Bei einer Luftzahl von etwa 1,6 steigt die Spannung U deutlich stärker als bisher an. Bei einem Luftüberschuss von etwa λ = 1,7 hebt die Flamme ab. Es kann kein Ionisationssignal mehr gemessen werden; ein nicht dargestelltes Sicherheitsventil verriegelt die Brenngaszufuhr.

Beim erfindungsgemäßen Regelverfahren läuft zunächst der Brenner 1 mit einem bisher nicht bekannten Luftüberschuss. Bei konstant geöffnetem Gasventil 10 wird die Drehzahl n des Gebläses 8 erhöht. Hierdurch steigt die Luftzahl λ an. Der Spannungsabfall U am Widerstand 5 wird kontinuierlich über der Zeit t gemessen und an die Regelung 7 weitergegeben. In der Regelung 7 wird der Gradient ΔU/Δn berechnet, wobei n die Drehzahl des Gebläses 8 ist. Steigt der Gradient ΔU/Δn ab einem bestimmten Punkt übermäßig an, so ist dies ein Indiz dafür, dass demnächst die Flamme abhebt und somit abreißt. Die Luftzahl λ beträgt dann etwa 1,6. Ausgehend von diesem Punkt wird nun die Drehzahl n des Gebläses gezielt derartig reduziert, dass sich eine Luftzahl λ ≈ 1,25) einstellt. Alternativ zur Gradientenermittlung mittels Quotient aus Differenzsignal zur Differenzdrehzahl ΔU/Δn kann auch ein Gradient aus Differenzspannung ΔU zu Differenzstellposition des Stellantriebs Δn_S gebildet werden, wenn anstelle einer Erhöhung der Gebläsedrehzahl eine Reduzierung der Brenngasmenge vorgenommen wird. Als weitere Variante kann bei konstanter Abmagerung auch ein Gradient aus der Zeit gebildet werden (ΔU̇).

Der Betriebszustand, bei dem ein Abheben bevorsteht kann dadurch bestimmt werden, dass der aktuelle Gradient mit mindestens einem früheren Gradienten verglichen wird und in dem Fall, dass der aktuelle Gradient den oder die Vergleichswerte um einen bestimmten Prozentsatz überschreitet, der erwartete Zustand vorliegt. Als Vergleichswert kann zum Beispiel der geringste gemessene Gradient verwendet werden. Alternativ kann ein Absolutwert vorgegeben werden.

Um den Einfluss von Signalrauschen (Schwanken des Messsignals um eine Trendlinie) zu eliminieren, darf die Zeitdifferenz beziehungsweise Drehzahldifferenz nicht zu klein gewählt werden.

Anstelle des Spannungsabfalls U am Widerstand 5 kann auch direkt die Spannung der Flamme U_Flamme gemessen werden. In diesem Fall ist jedoch die Ionisationsspannung bei stöchiometrischer Verbrennung maximal und das Ionisationsspannungssignal fällt bei Erhöhung der Luftzahl ab.

Anstelle einer konstanten Spannung U₀ kann auch eine Konstantstromquelle mit einem konstanten Strom I₀ an die Serienschaltung des Widerstandes 5 mit der Flamme 2 geschaltet werden. In Abhängigkeit des Flammenwiderstandes stellt sich eine bestimmte Spannung ein.