[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzahlregelung eines
Brenners, insbesondere eines Öl- oder Gasbrenners.
Hintergrund der Erfindung
[0002] Verfahren zur Luftzahlregelung von Brennern sind im Stand der Technik bekannt. Bei
diesen wird ein Luft-Brennstoff Verhältnis (sogenannte Luftzahl oder Lambda-Wert λ)
eines Luft-Brennstoff-Gemisches durch Variation einer Gebläsedrehzahl oder Regulierung
eines Brennstoffventils auf einen gewünschten Wert eingestellt. Bevorzugte Werte für
die Luftzahl λ liegen hierbei in einem Bereich von 1,15 bis 1,3, in welchem der Brennstoff
mit Luftüberschuss verbrannt wird. Durch Überwachung und entsprechende Nachregelung
der Luftzahl kann auch bei schwankenden Umgebungsbedingungen und bei wechselnder Brennstoffqualität,
wie sie beispielsweise bei der Umstellung der Brennstoffversorgung von Erdgas auf
Flüssiggas vorliegt, eine im Hinblick auf Schadstoffausstoß und feuerungstechnischen
Wirkungsgrad optimale Verbrennung erzielt werden.
[0003] Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen die Erfassung der Luftzahl
durch Messung eines von einer in den Brennraum eingebrachten Ionisationselektrode
abfließenden Ionisationsstromes erfolgt. Dabei wird an der Ionisationselektrode eine
Wechselspannung angelegt und ein von der Ionisationselektrode abfließender, aufgrund
der Gleichrichtereigenschaft der Flamme gleichgerichteter Strom als Ionisationsstrom
erfasst. Mittels einer Regelschaltung wird dann der gemessene Ionisationsstrom mit
einem dem eingestellten Sollwert der Luftzahl entsprechenden Sollwert für den Ionisationsstrom
verglichen, und die Zusammensetzung des Luft-Brennstoff-Gemisches entsprechend nachgeregelt.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift
DE 44 33 425 A1 offenbart.
[0004] Ein Problem bei diesem Verfahren ergibt sich daraus, dass sich im Laufe der Betriebsdauer
des Brenners die thermische Kopplung zwischen der Ionisationselektrode und dem Brenner
ändern kann. Ursache hierfür sind unter Anderem ein Verbiegen der Ionisationselektrode,
Alterung, Verschleiß und Verschmutzen selbiger, sowie ein Verrußen des Brenners. Entsprechend
ändert sich auch bei gleichbleibender tatsächlicher Luftzahl der an der Ionisationselektrode
gemessene Ionisationsstrom, das heißt, der Proportionalitätsfaktor zwischen der tatsächlichen
Luftzahl und dem gemessenen Ionisationsstrom wird durch die obengenannten Effekte
beeinflusst. Daher ist, um trotzdem die Luftzahl weiterhin verlässlich nachregeln
zu können, eine Kalibration der Luftzahlbestimmung, beziehungsweise eine Bestimmung
eines zusätzlichen Proportionalitätsfaktors zwischen der tatsächlichen Luftzahl und
dem gemessenen Ionisationsstrom, erforderlich.
[0005] Ein Verfahren zur Kalibration der auf Messung des Ionisationsstroms basierenden Luftzahlbestimmung
ist in der Druckschrift
DE 195 39 568 C1 offenbart. Bei diesem Verfahren wird in regelmäßigen Abständen die Luftzahl bewusst
in den Bereich λ=
1 (stöchiometrische Verbrennung) abgesenkt, um den maximal auftretenden Ionisationsstrom
zu bestimmen. Ausgehend von dem so ermittelten Wertepaar (λ=
1, maximal auftretender Ionisationsstrom) kann ein Proportionalitätsfaktor zwischen
der tatsächlichen Luftzahl und dem gemessenen Ionisationsstrom berechnet werden.
[0006] Als nachteilig an diesem Verfahren hat sich allerdings herausgestellt, dass im Luftzahlbereich
λ=
1 der Schadstoffausstoß verglichen mit dem optimierten Luftzahlbereich, in dem Verbrennung
mit Luftüberschuss erfolgt, deutlich erhöht ist. Weiterhin bedingt ein Betrieb des
Brenners im Luftzahlbereich λ=
1 eine erhöhte Wärmeproduktion, für welche eine entsprechende Wärmeabnahmekapazität
bereitgestellt werden muss. Gerade während der Sommermonate, in denen der Brenner
typischerweise im Durchlauferhitzerbetrieb gefahren wird, ist eine hierzu erforderliche
Wärmeabnahmekapazität oftmals nicht vorhanden. Insbesondere im Hinblick auf eine erwünschte
Reduktion des Schadstoffausstoßes des Brenners, und auch im Hinblick auf eine Erhöhung
dessen Effizienz ist das in der Druckschrift
DE 195 39 568 C1 vorgeschlagene Verfahren daher als verbesserungswürdig anzusehen.
[0007] Aus der Druckschrift
EP 1 811 230 A2 ist ein Brenner mit einer Brenneroberfläche und stromab des Brenners angeordneter
Zündelektrode bekannt, bei dem ein elektrischer Widerstand auf der der Flamme abgewandten
Seite der Brenneroberfläche erfasst wird. Aus dem erfassten elektrischen Widerstand
wird über eine Widerstands-Temperatur-Relation die Temperatur der Brenneroberfläche
ermittelt. Dabei wird diese besondere Art der Temperaturbestimmung gewählt, um ein
Hineinragen einer Messelektrode in den Verbrennungsraum zu vermeiden. Der erfasste
Widerstand wird weiterhin zur Detektierung der Flamme verwendet, sowie zur Einstellung
des Luft-Brennstoff-Verhältnisses. Letzteres geschieht dadurch, dass zunächst der
Luftzahlwert λ=1 angefahren wird, bei welchem die Flammentemperatur und damit auch
der erfasste elektrische Wiederstand maximal ist, und ausgehend von diesem Punkt das
Luft-Brennstoff-Gemisch in einem vorgegebenen Verhältnis abgemagert wird, oder bis
ein vorbestimmter Messwert des erfassten elektrischen Widerstands erreicht ist. Damit
tritt auch in dem Brenner der Druckschrift
EP 1811230 A2 das Problem auf, dass zunächst der Luftzahlwert λ=1 angefahren werden muss, was wie
oben ausgeführt mit erhöhtem Schadstoffausstoß und unerwünschter Wärmeabgabe verbunden
ist.
[0008] Die Druckschrift
DE 10 2008 053 959 B4 offenbart ein Nahrungsmittelbehandlungsgerät mit Brenner. Der Brenner umfasst eine
zylindrische Außenwandung und eine koaxial zur Außenwandung angeordnete, für ein Brennfluid
durchlässige Innenwandung. Innerhalb der Innenwandung ist ein Hohlraum gebildet, in
dem die Verbrennung hauptsächlich erfolgt. Eine Zündelektrode ist so angeordnet, dass
sie von außen durch die Außenwandung und die Innenwandung in den Hohlraum hineinragt.
Diese Zündelektrode kann zusätzlich zu ihrer Funktion als Zündelektrode zur Messung
entweder eines Ionisationsstroms oder der Flammentemperatur verwendet werden. Auch
hier stellt sich jedoch das Problem, dass insbesondere die Ionisationsstrommessung
durch eine Änderung der thermischen Kopplung zwischen dem Brenner und der Zündelektrode,
beispielsweise durch Alterung der Zündelektrode, beeinflusst werden kann, und damit
keine ausreichend hohe Genauigkeit, wie sie beispielsweise zur Luftzahlregelung erforderlich
wäre, bietet.
[0009] Aus der Druckschrift
EP 1591723 A2 schließlich ist eine Elektrode mit einem Isolierkeramikkörper und einem von der Flamme
beaufschlagten Bereich aus einem elektrisch leitfähigen Keramikkörper bekannt. Diese
Elektrode ist besonders korrosionsfest und kann entsprechend ihrer konkreten Anordnung
in einem Brenner entweder als Elektrode zur Ionisationsstrommessung oder als Teil
eines Zündelektrodenpaares eingesetzt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
[0010] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Luftzahlregelung eines Brenners, insbesondere eines Öl- oder Gasbrenners, zu schaffen,
die frei von den obengenannten Problemen sind. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung,
mit einfachen Mitteln eine Kalibration der Luftzahlbestimmung zu ermöglichen. Es ist
eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Qualität der Luftzahlbestimmung zu erhöhen.
[0011] Zur Lösung dieser Aufgaben werden das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
[0012] Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Luftzahlregelung eines
Brenners vorgeschlagen, insbesondere eines Gas- oder Ölbrenners, mit einer Zündelektrode,
Mitteln zur Erzeugung einer Zündspannung, die mit der Zündelektrode verbindbar sind,
und einer Ionisationselektrode, die mit einer Ionisationsspannung beaufschlagbar ist,
wobei das Verfahren Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zu Erzeugung der Zündspannung,
Erfassen eines ersten elektrischen Signals an der Ionisationselektrode und Ableiten
eines ersten von einer Luftzahl abhängigen Signals in Abhängigkeit von dem ersten
elektrischen Signal, Erfassen eines zweiten elektrischen Signals an der Zündelektrode,
und Ableiten eines zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals in Abhängigkeit von
dem zweiten elektrischen Signal, Bestimmung einer Regelgröße für den Brennerbetrieb
in Abhängigkeit von dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal und dem zweiten
von der Luftzahl abhängigen Signal, Vergleichen des ersten von der Luftzahl abhängigen
Signals und des zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals, und sofern eine Differenz
des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals und des zweiten von der Luftzahl abhängigen
Signals einen Schwellwert überschreitet, Ausführen eines Kalibrationsvorgangs zur
Korrektur des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals umfasst.
[0013] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass neben dem Ionisationsstrom die
Flammentemperatur als zweite Größe zur Luftzahlregelung und zur Kalibration der Luftzahlbestimmung
verwendet werden kann. Auch aus der Flammentemperatur kann, bei bekannter Brennerleistung,
die Luftzahl des Gas-Brennstoff-Gemisches mit hoher Genauigkeit verlässlich abgeleitet
werden. Allerdings ist nach Erkenntnis der Erfinder die Flammentemperatur für sich
genommen nicht als Führungsgröße zur Luftzahlregelung geeignet, da die Flammentemperatur
erfassende Temperaturfühler aufgrund einer endlichen Aufheizzeit nur mit einer zeitlichen
Verzögerung auf auftretende Änderungen der Flammentemperatur reagieren können. Typischerweise
ergeben sich daraus für die Bestimmung der Luftzahl Verzögerungen von etwa ein bis
drei Sekunden. Eine Luftzahlregelung alleine auf Grundlage der Flammentemperatur würde
daher zu erhöhtem Schadstoffausstoß und reduzierter Effizienz der Verbrennung führen.
Aufgrund der zeitlichen Verzögerung bei der Erfassung der Flammentemperatur ist die
Flammentemperatur außerdem nicht zur Detektion der Flamme, also als Detektionssgröße
für einen sogenannten Flammenwächter, geeignet.
[0014] Dennoch ist, wie die Erfinder erkannt haben, die Flammentemperatur sehr wohl als
Kalibrationsgröße für die Luftzahlbestimmung mittels Ionisationsstrommessung geeignet.
Hierzu ist lediglich ein stabiler Zustand des Brenners herzustellen, so dass die zeitliche
Verzögerung der Luftzahlbestimmung mittels Flammentemperaturmessung keinen Einfluss
auf die Bestimmung der Luftzahl hat. In einem solchen stabilen Zustand kann dann durch
Vergleich der mittels Ionisationsstrommessung und Flammentemperaturmessung ermittelten
Luftzahlwerte die Luftzahlbestimmung mittels Ionisationsstrommessung kalibriert werden.
Durch die Erfassung zweier voneinander unabhängiger, von der Luftzahl abhängiger Signale
kann somit die Notwendigkeit der Kalibration der Luftzahlbestimmung auf Grundlage
des Ionisationsstromes erkannt, und dann in einfacher Art und Weise durchgeführt werden.
Ein Absenken der Luftzahl in den Luftzahlbereichs λ=
1 in regelmäßigen Abständen unter Inkaufnahme der oben geschilderten Nachteile ist
damit nicht erforderlich.
[0015] Auch für die Luftzahlregelung selbst ergeben sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren
mehrere Vorteile. Zunächst wird durch das gleichzeitige Vorliegen eines ersten von
der Luftzahl abhängigen Signals, das von einem Ionisationsstrom abgeleitet wird, und
eines zweiten von der Luftzahl abhängige Signals, das von der Flammentemperatur abgeleitet
wird, ein vollständig zweikanaliges System mit erhöhter Fehlersicherheit geschaffen.
Insbesondere kann in diesem auch bei Wegfall eines der beiden Signale, beispielsweise
durch einen Fehler an der entsprechenden Elektrode oder der entsprechenden Signalleitung,
ein Notfallbetrieb aufrechterhalten werden, in dem die Luftzahl weiterhin, wenn auch
mit Einschränkungen, geregelt werden kann.
[0016] Zudem vereint das vorgeschlagene Verfahren in vorteilhafter Weise die kurze Ansprechzeit
der Ionisationsstrommessung mit der Verlässlichkeit und Genauigkeit der Luftzahlbestimmung
mittels Flammentemperaturmessung. Da der Luftzahlregelung sowohl ein erstes von der
Luftzahl abhängiges Signal, das von einem Ionisationsstrom abgeleitet wird, als auch
ein zweites von der Luftzahl abhängiges Signal, das von der Flammentemperatur abgeleitet
wird, zur Verfügung stehen, eröffnen sich zahlreiche vorteilhafte Möglichkeiten der
Signalauswertung. Beispielsweise kann so auf Änderungen der Umgebungsbedingungen oder
der Brennstoffqualität, die sich in einer Änderung der Luftzahl niederschlagen, anhand
der in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom bestimmten tatsächlichen Luftzahl mit sehr
kurzer Ansprechzeit reagiert werden, wodurch der Brenner stets im Bereich der optimalen
Luftzahl betreiben werden kann. Andererseits kann bei gleichbleibenden Umgebungsbedingungen
und gleichbleibender Brennstoffqualität die tatsächliche Luftzahl mittels Flammentemperaturmessung
sehr genau bestimmt werden, weshalb die Luftzahl sehr genau nachgeregelt werden kann.
Hierdurch kann demnach bei gleichbleibenden Umgebungsbedingungen und gleichbleibender
Brennstoffqualität ein verbessertes Verbrennungsergebnis erzielt werden.
[0017] Damit vereint das erfindungsgemäße Verfahren durch die gleichzeitige Auswertung der
Ionisationsstrommessung und der Flammentemperaturmessung nicht nur die Vorteile jeweils
einer Luftzahlbestimmung mittels Ionisationsstrommessung und einer Luftzahlbestimmung
mittels Flammentemperaturmessung, sondern bietet darüber hinaus weitere zusätzliche
Vorteile, die bei Berücksichtigung nur einer der beiden Möglichkeiten zur Luftzahlbestimmung
nicht zu erzielen wären. Zu diesen zusätzlichen Vorteilen zählen zum Beispiel eine
erhöhte Ausfallsicherheit des Brenners, eine besonders einfache Kalibrationsmöglichkeit
der Luftzahlbestimmung während des laufenden Brennerbetriebs, eine besonders schnell
ansprechende Detektion des Erlöschens der Flamme bei gleichzeitig sehr genauer Luftzahlbestimmung,
sowie eine besonders schnell ansprechende und gleichzeitig sehr genaue Luftzahlbestimmung.
[0018] Zusätzlich haben die Erfinder erkannt, dass die Flammentemperatur unter Ausnutzung
des sogenannten glühelektrischen Effekts durch eine an der Zündelektrode des Brenners
abgegriffene Spannung in einfacher Weise bestimmbar ist. Diese Zündelektrode ist bei
jedem Brenner zwingend im Brennerraum vorhanden und wird, nachdem das Luft-Brennstoff-Gemisch
einmal gezündet worden ist, für den Betrieb des Brenners nicht weiter benötigt. Dadurch
ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren in kostengünstiger
Weise umgesetzt werden kann, und keinerlei bauliche Veränderungen der Brennkammer
erforderlich sind, um der Luftzahlregelung das zweite von der Luftzahl abhängige Signal
zur Verfügung zu stellen. So ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit, bereits bestehende
Brennersysteme kostengünstig nachzurüsten.
[0019] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Kalibrationsvorgang
Einstellen einer Brennerleistung auf einen vorbestimmten Leistungswert, Erfassen des
ersten elektrischen Signals bei dem vorbestimmten Leistungswert und Ableiten des ersten
von der Luftzahl abhängigen Signals bei dem vorbestimmten Leistungswert, Erfassen
des zweiten elektrischen Signals bei dem vorbestimmten Leistungswert und Ableiten
des zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals bei dem vorbestimmten Leistungswert,
und Bestimmen einer Kalibrationsgröße in Abhängigkeit von dem bei dem vorbestimmten
Leistungswert abgeleiteten ersten von der Luftzahl abhängigen Signal und dem bei dem
vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal.
[0020] Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kalibrationsgröße durch Bilden eines Verhältnisses
des bei dem vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten ersten von der Luftzahl abhängigen
Signals und des bei dem vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten zweiten von der Luftzahl
abhängigen Signals. So kann die Kalibration der Luftzahlbestimmung in besonders einfacher
Weise durchgeführt werden.
[0021] Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das erste von der Luftzahl abhängige Signal
und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal bei der Bestimmung der Regelgröße
für den Brennerbetrieb gleichzeitig vorliegen. Auf diese Weise kann ein zweikanaliges
System nach EN 60730-1 Anhang H zur Luftzahlregelung geschaffen werden.
[0022] Es wird außerdem vorgeschlagen, dass das erste von der Luftzahl abhängige Signal
und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal bei der Bestimmung der Regelgröße
für den Brennerbetrieb jeweils mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet werden. Vorzugsweise
sind diese Gewichtungsfaktoren zeitabhängig. Beispielsweise kann, während eines Zeitraumes
in dem sich der Brenner in stabilem Betrieb befindet, das zweite von der Luftzahl
abhängige Signal höher gewichtet werden. Dieses weist zwar bei Änderungen der vorliegenden
Luftzahl eine längere Ansprechzeit als das erste von der Luftzahl abhängige Signal
auf, ermöglicht aber andererseits eine Bestimmung der Luftzahl mit höherer Genauigkeit.
Umgekehrt kann, während eines Zeitraumes in dem die vorliegende Luftzahl stark schwankt,
das erste von der Luftzahl abhängige Signal höher gewichtet werden.
[0023] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Luftzahl in Abhängigkeit von der
Regelgröße für den Brennerbetrieb geregelt.
[0024] Vorzugsweise wird das zweite elektrische Signal einer Verstärkerschaltung zugeführt,
und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal aus einem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung
abgeleitet. Diese Maßnahme ist unter anderem deshalb sinnvoll, da sich das zweite
elektrische Signal als sehr klein gegenüber dem ersten elektrischen Signal herausgestellt
hat.
[0025] Ferner wird vorgeschlagen, dass das Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zu
Erzeugung der Zündspannung in Abhängigkeit von einem von dem ersten elektrischen Signal
abgeleiteten Signal erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Trennung, wenn anhand einer
auf Messung des Ionisationsstroms basierenden Flammenüberwachung das Vorhandensein
einer Flamme erkannt wurde, und der Zustand des Brenners für stabil befunden wird.
[0026] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brenner vorgeschlagen, insbesondere
ein Gas- oder Ölbrenner, mit einer Zündelektrode, Mitteln zur Erzeugung einer Zündspannung,
die mit der Zündelektrode verbindbar sind, Mitteln zum Verbinden der Zündelektrode
mit den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung und zum Trennen der Zündelektrode von
den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung, einer Ionisationselektrode, die mit einer
Ionisationsspannung beaufschlagbar ist, einer Messeinrichtung zum Erfassen eines ersten
elektrischen Signals an der Ionisationselektrode und eines zweiten elektrischen Signals
an der Zündelektrode, wobei die Zündelektrode als passive Elektrode beschaltet ist,
Mitteln zum Ableiten eines ersten von einer Luftzahl abhängigen Signals in Abhängigkeit
von dem ersten elektrischen Signal und eines zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals
in Abhängigkeit von dem zweiten elektrischen Signal, Mitteln zur Bestimmung einer
Regelgröße für den Brennerbetrieb in Abhängigkeit von dem ersten von der Luftzahl
abhängigen Signal und dem zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal, Mitteln zum
Vergleichen des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals und des zweiten von der
Luftzahl abhängigen Signals, und Mitteln zum Ausführen eines Kalibrationsvorgangs
zur Korrektur des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals, sofern eine Differenz
des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals und des zweiten von der Luftzahl abhängigen
Signals einen Schwellwert überschreitet.
[0027] Vorzugsweise sind die Mittel zum Ausführen des Kalibrationsvorgangs ausgebildet zum
Einstellen einer Brennerleistung auf einen vorbestimmten Leistungswert, und zur Bestimmung
einer Kalibrationsgröße in Abhängigkeit von dem bei dem vorbestimmten Leistungswert
abgeleiteten ersten von der Luftzahl abhängigen Signal und dem bei dem vorbestimmten
Leistungswert abgeleiteten zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal.
[0028] Die Mittel zum Ausführern des Kalibrationsvorgangs sind vorzugsweise ausgestaltet
zur Bestimmung der Kalibrationsgröße durch Bilden eines Verhältnisses des bei dem
vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten ersten von der Luftzahl abhängigen Signals
und des bei dem vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten zweiten von der Luftzahl
abhängigen Signals.
[0029] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenner so ausgestaltet,
dass das erste von der Luftzahl abhängige Signal und das zweite von der Luftzahl abhängige
Signal bei der Bestimmung der Regelgröße für den Brennerbetrieb gleichzeitig an den
Mitteln zur Bestimmung der Regelgröße für den Brennerbetrieb anliegen.
[0030] Vorzugsweise sind die Mittel zur Bestimmung der Regelgröße so ausgestaltet, dass
das erste von der Luftzahl abhängige Signal und das zweite von der Luftzahl abhängige
Signal bei der Bestimmung der Regelgröße für den Brennerbetrieb jeweils mit einem
Gewichtungsfaktor gewichtet werden.
[0031] Der erfindungsgemäße Brenner kann ferner Mittel zur Regelung der Luftzahl in Abhängigkeit
von der Regelgröße für den Brennerbetrieb umfassen.
[0032] Vorzugsweise umfasst der Brenner eine Verstärkerschaltung, der das zweite elektrische
Signal zugeführt wird, wobei das zweite von der Luftzahl abhängige Signal aus einem
Ausgangssignal der Verstärkerschaltung abgeleitet wird.
[0033] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trennen die Mittel
zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung die Zündelektrode
von den Mitteln zu Erzeugung der Zündspannung in Abhängigkeit von einem von dem ersten
elektrischen Signal abgeleiteten Signal.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0034] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, auf die jedoch die Erfindung in ihrem Umfang
nicht beschränkt ist, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brenners
Figur 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Brenners
Figur 3 ein Flussdiagramm zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0035] Ein erfindungsgemäßer Brenner ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Im Folgenden
soll nur auf Gasbrenner Bezug genommen werden, wobei jedoch für den Fachmann unmittelbar
ersichtlich ist, dass, und in welcher Form die vorliegende Erfindung auch auf Ölbrenner
anwendbar ist.
[0036] Gemäß
Figur 1 besitzt der Brenner eine Brennkammer 101, in der unter Zuführung eines Luft-Brennstoffgemisches
ein Verbrennungsvorgang ablaufen kann, und in die eine Ionisationselektrode 103 und
eine Zündelektrode 102 hineinragen. Die Ionisationselektrode 103 steht mit Mitteln
zur Erzeugung einer Ionisationsspannung (nicht gezeigt) und mit einer Messeinrichtung
106, die ein erstes elektrisches Signal 115a von der Ionisationselektrode erfasst,
in Verbindung. Bei der Ionisationsspannung handelt es sich hierbei um eine Wechselspannung,
und bei dem ersten elektrischen Signal 115a um den von der Ionisationselektrode abfließenden
Ionisationsstrom, welcher ein Gleichstrom ist, oder um eine dem Ionisationsstrom entsprechende
Spannung.
[0037] Die Zündelektrode 102 steht mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung
104 so in Verbindung, dass die Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung
einer Zündspannung 104 getrennt werden kann. Dies kann durch zwischen die Zündelektrode
102 und die Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung 104 geschaltete Trennungsmittel
105 geschehen, welche beispielsweise als eine Schalteranordnung realisiert sein können.
Dabei sind die Trennungsmittel 105 insbesondere so eingerichtet, dass nach einer Trennung
der Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung 104 die
Zündelektrode 102 als eine passive Elektrode beschaltet ist. Durch die Messeinrichtung
106 kann ein zweites elektrisches Signal 115b von der Zündelektrode 102 erfasst werden,
beispielsweise kann eine an der passiv geschalteten Zündelektrode 102 anliegende Spannung,
die sich aufgrund des glühelektrischen Effekts aufbaut, und die von der Temperatur
der Zündelektrode 102 abhängig ist, abgegriffen werden. Da die an der passiv geschalteten
Zündelektrode 102 abgegriffene Spannung sehr klein gegenüber der dem von der Ionisationselektrode
abfließenden Ionisationsstrom entsprechenden Spannung ist, ist es zweckmäßig, wenn
das zweite elektrische Signal 115b einer Verstärkerschaltung zugeführt wird. Diese
Verstärkerschaltung kann Bestandteil der Messeinrichtung 106 sein.
[0039] Weiterhin stehen die Trennungsmittel 105 mit der Messeinrichtung 106 in Verbindung
und können Signale von der Messeinrichtung 106 empfangen. So kann in Abhängigkeit
von einem Signal, das abgeleitet wird von dem von der Ionisationselektrode erfassten
ersten elektrischen Signal 115a, welches in im Stand der Technik bekannter Weise zur
Erkennung einer Flamme in der Brennkammer 101 verwendet werden kann die Zündelektrode
102 von der Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung 104 mittels der Trennungsmittel
105 getrennt werden. Konkret wird gemäß der Erfindung die Zündelektrode 102 dann von
der Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung 104 getrennt, wenn mittels Ionisationsstrommessung
eine stabile Flamme erkannt worden ist.
[0040] Die Messeinrichtung 106 steht in Verbindung mit einer Einrichtung zum Ableiten von
Signalen 107, welche in Abhängigkeit von dem von der Messeinrichtung 106 erfassten
ersten elektrischen Signal 115a ein erstes von der Luftzahl abhängiges Signal 116a
und in Abhängigkeit von dem von der Messeinrichtung 106 erfassten zweiten elektrischen
Signal 115b ein zweites von der Luftzahl abhängiges Signal 116b ableitet. Hierfür
sind in der Einrichtung zum Ableiten von Signalen 107 Kennlinien hinterlegt, die es
erlauben, bei jeweils bekannter Brennerleistung aus den von der Ionisationselektrode
103 und der Zündelektrode 102 erfassten elektrischen Signalen 115a, 115b die Luftzahl
abzuleiten. Entsprechend kann die Einrichtung zum Ableiten von Signalen 107 für eine
Reihe von Brennerleistungen auf jeweils eine Kennlinie zurückgreifen, die den Ionisationsstrom
und die Luftzahl zueinander in Relation setzt, und eine Kennlinie die die Flammentemperatur,
beziehungsweise den von der Zündelektrode 102 abfließenden Strom, und die Luftzahl
zueinander in Relation setzt. Sind für eine tatsächliche Brennerleistung keine Kennlinien
verfügbar, wird die Luftzahl jeweils durch Interpolation der den nächstkommenden Brennerleistungen
entsprechenden Kennlinien bestimmt.
[0041] Die Einrichtung zum Ableiten von Signalen 107 wiederum steht in Verbindung mit einer
Einrichtung zum Bestimmen einer Regelgröße für den Brennerbetrieb 108 und einem Vergleicher
109, an welche das erste von der Luftzahl abhängige Signal 116a und das zweite von
der Luftzahl abhängige Signal 116b jeweils übertragen werden.
[0042] In Abhängigkeit von dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a und dem zweiten
von der Luftzahl abhängigen Signal 116b bestimmt die Einrichtung zum Bestimmen einer
Regelgröße 108 eine Regelgröße für den Brennerbetrieb. Zusätzlich kann in die Bestimmung
der Regelgröße eine Leistungsvorgabe des Brenners oder eine der momentanen Leistung
entsprechende Gebläsedrehzahl eingehen. Die Einrichtung zum Bestimmen einer Regelgröße
108 steht in Verbindung mit einer Brennersteuerung 112 und überträgt ein der Regelgröße
für den Brennerbetrieb entsprechendes Signal an die Brennersteuerung 112, welche in
Abhängigkeit von diesem Signal/der Regelgröße den Brenner steuert. Die Brennersteuerung
112 soll später anhand der
Figur 2 näher beschrieben werden.
[0043] Während des Brennerbetriebs kann sich die Beziehung zwischen der Luftzahl und dem
gemessenen Ionisationsstrom ändern. Dazu kann es beispielsweise durch Alterung, Verschleiß,
Verschmutzen oder Verbiegen der Ionisationselektrode 103 oder durch ein Verrußen der
Brennkammer 101 kommen. Folglich kann die durch das erste von der Luftzahl abhängige
Signal 116a indizierte Luftzahl von der tatsächlichen, im Luft-Brennstoffgemisch der
Brennkammer 101 vorliegenden Luftzahl abweichen, wodurch die Qualität der Luftzahlregelung
verschlechtert wird. Die obengenannten nachteiligen Effekte, die die Luftzahlbestimmung
mittels Ionisationsstrommessung beeinflussen, haben jedoch kaum Einfluss auf die Luftzahlbestimmung
mittels Flammentemperaturmessung. Eine Abweichung zwischen der mittels Ionisationsstrommessung
bestimmten Luftzahl und der mittels Flammentemperaturmessung bestimmten Luftzahl lässt
daher auf die Notwendigkeit einer Neukalibration der Luftzahlbestimmung mittels Ionisationsstrommessung
schließen.
[0044] Entsprechend vergleicht der Vergleicher 109 das erste von der Luftzahl abhängige
Signal 116a und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal 116b miteinander. Sofern
im Folgenden nicht ohnehin ausdrücklich angegeben, kann sich ein solcher Vergleich
auch auf den Vergleich einer Luftzahl λ_
lon, die aus dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a gewonnen wird und einer
Luftzahl λ_
Temp, die aus dem zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal 116b gewonnen wird, beziehen.
Wird bei dem Vergleich eine Abweichung festgestellt, die ein vorbestimmtes Maß überschreitet,
wird ein Signal an eine Kalibrationseinrichtung 110, welche in Verbindung mit dem
Vergleicher 109 steht, ausgegeben. In Antwort auf dieses Signal führt die Kalibrationseinrichtung
110 einen Kalibrationsvorgang aus. Um den Kalibrationsvorgang ausführen zu können,
muss die Kalibrationseinrichtung 110 in der Lage sein, Steuerbefehle an die Brennersteuerung
112, an die Messeinrichtung 106 und an die Einrichtung zum Ableiten von Signalen 107
zu übertragen. Um dies zu gewährleisten, steht die Kalibrationseinrichtung 110 mit
der Brennersteuerung 112 in Verbindung und kann Vorgaben für Betriebsparameter, wie
beispielsweise die Brennerleistung, an diese übermitteln. Gleichsam steht, obwohl
in
Figur 1 nicht ausdrücklich gezeigt, die Kalibrationseinrichtung 110 auch mit der Messeinrichtung
106 und der Einrichtung zum Ableiten von Signalen 107 in Verbindung und kann Befehle,
beispielsweise zur Erfassung des ersten und zweiten elektrischen Signals 115a, 115b
oder zum Ableiten des ersten und zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals 116a,
116b, jeweils an diese übertragen.
[0045] Zur Bewertung, ob eine ein vorbestimmtes Maß überschreitende Abweichung zwischen
dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a und dem zweiten von der Luftzahl
abhängigen Signal 116b vorliegt, kann der Vergleicher 109 zur Durchführung einer Reihe
von Vergleichsverfahren eingerichtet sein. Beispielsweise kann die Differenz der beiden
Signale mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen werden. Der vorbestimmte Schwellwert
kann dabei von der tatsächlichen Brennerleistung, oder einem Mittelwert der beiden
von der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b abhängig sein. Auch ist denkbar, dass
der Vergleicher 109 das zweite von der Luftzahl abhängige Signal 116b, das einem aktuellen
Zeitpunkt entspricht, mit dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a, das
einem um eine Zeitdifferenz Δt vor dem aktuellen Zeitpunkt liegenden Zeitpunkt entspricht,
vergleicht, um so dem verzögerten Ansprechen der Luftzahlbestimmung mittels Flammentemperaturmessung
Rechnung zu tragen. Wie oben bereits bemerkt, können die hier beschriebenen Vergleichsmethoden
auch anhand der aus dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a gewonnenen
Luftzahl λ_
lon und der aus dem zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal 116b gewonnenen Luftzahl
λ_
Temp erfolgen.
[0046] Die Einrichtung zum Ableiten von Signalen 107, die Einrichtung zum Bestimmen einer
Regelgröße 108, der Vergleicher 109 und die Kalibrationseinrichtung 110 sind Bestandteile
einer Regelschaltung 111. Diese Regelschaltung 111 kann als Hardware, Software, oder
als Kombination der beiden realisiert sein.
[0047] Die Brennersteuerung 112 umfasst eine Gebläsesteuerung 113 zur Steuerung der Drehzahl
eines Luftgebläses 232 (siehe
Figur 2), welche die in die Brennkammer 101 eingeblasene Luftmenge, und somit die Brennerleistung,
regelt, sowie eine Ventilsteuerung 114 zur Steuerung eines Gasventils 243 (siehe
Figur 2), welche die in die Brennkammer 101 einströmende Gasmenge regelt. Die Brennersteuerung
112 soll anhand der
Figur 2 näher beschrieben werden.
[0048] Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Brenners. Elemente des Brenners,
die den in
Figur 1 gezeigten entsprechen, sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Hauptbestandteile
des Brenners der
Figur 2 sind die Brennkammer 101, die Gebläsesteuerung 113, die Ventilsteuerung 114 und die
Einrichtung zum Bestimmen einer Regelgröße 108.
[0049] Die Gebläsesteuerung 113 umfasst ein Gebläse 232, einen Drehzahlsensor 233, sowie
einen Regler 231. Das Gebläse 232 bläst Verbrennungsluft in die Brennkammer 101, beziehungsweise
in eine daran angeschlossene Vorkammer, in der die Verbrennungsluft mit Gas als dem
Brennstoff vorgemischt wird. Der Drehzahlsensor 233, der als Hall-Sensor ausgestaltet
sein kann, erfasst die momentane Drehzahl des Gebläses 232. Die tatsächliche Brennerleistung
ist von der Drehzahl des Gebläses 232 abhängig. Entsprechend kann dem Regler 231 eine
Leistungsvorgabe 210 vorgegeben werden. Der Regler 231 überträgt die Leistungsvorgabe
210 in eine Vorgabe für die Gebläsedrehzahl, beispielsweise unter Verwendung einer
Gebläsedrehzahl-Leistungs-Kennlinie, und steuert das Gebläse in Abhängigkeit von der
Vorgabe für die Gebläsedrehzahl und der durch den Drehzahlsensor 233 erfassten momentanen
Gebläsedrehzahl. Der Regler 231 kann dabei ein Proportional-Integral-Derivative (PID)
Regler sein, und die Steuerung des Gebläses kann mittels Pulsweitenmodulation (PWM)
erfolgen.
[0050] Die Ventilsteuerung 114 umfasst ein Gasventil 243, eine Einrichtung 242 zur Einstellung
eines Öffnungsgrades
I des Gasventils, einen Öffnungsgradsensor 244, sowie einen Regler 241. Über das Gasventil
243 strömt Gas in die Brennkammer 101, beziehungsweise in eine daran angeschlossene
Vorkammer, in der das Gas mit Verbrennungsluft vorgemischt wird. Der Öffnungsgradsensor
244 erfasst den momentanen Öffnungsgrad
I des Gasventils 243. Dem Regler 241 kann eine Stellgröße, beispielsweise eine Vorgabe
für den Öffnungsgrad 1, vorgegeben werden. Der Regler 241 steuert das Gasventil 243
mittels der Einrichtung 242 zur Einstellung des Öffnungsgrades des Gasventils in Abhängigkeit
von dem durch den Öffnungsgradsensor 244 erfassten momentanen Öffnungsgrad
I und der Vorgabe für den Öffnungsgrad I. Der Regler 241 kann dabei ein PID Regler
sein, und die Steuerung des Gasventils 243 kann mittels PWM erfolgen. Erfolgt die
Steuerung des Gasventils 243 mittels PWM, kann der Öffnungsgradsensor 244 einen Strom
der Einrichtung 242 zur Einstellung des Öffnungsgrades
I des Gasventils erfassen und an den Regler 241 übertragen, und die Vorgabe für den
Öffnungsgrad
I des Gasventils 243 kann eine Vorgabe für den Modulationsstrom sein. Die Einrichtung
242 zur Einstellung des Öffnungsgrades des Gasventils und das Gasventil 243 bilden
in diesem Fall ein Modulationsventil.
[0051] Die Einrichtung zum Bestimmen einer Regelgröße 108 umfasst eine Bestimmungseinrichtung
282 zur Bestimmung einer relativen Gebläsedrehzahl
N_rel, bezogen auf eine maximale Gebläsedrehzahl
N_max, eine Bestimmungseinrichtung 284 zur Bestimmung eines Verbrennungsluftdurchsatzes
Q_Luft, eine Bestimmungseinrichtung 281 zur Bestimmung eines Durchsatzverhältnisses K, eine
Bestimmungseinrichtung 283 zur Bestimmung eines Gasdurchsatzes Q_Gas, eine Bestimmungseinrichtung
285 zur Bestimmung eines relativen Öffnungsgrades des Gasventils
I_rel bezogen auf einen maximalen Öffnungsgrad
I_
max, und eine Bestimmungseinrichtung 286 zur Bestimmung eines Öffnungsgrades
I des Gasventils.
[0052] Die Bestimmungseinrichtung 282 zur Bestimmung einer relativen Gebläsedrehzahl
I_
rel empfängt ein die momentane Gebläsedrehzahl N anzeigendes Signal von der Gebläsesteuerung
113, bestimmt auf Grundlage dieses Signals und der hinterlegten maximalen Gebläsedrehzahl
N_max eine momentane relative Gebläsedrehzahl
N_rel, und gibt ein die so bestimmte momentane relative Gebläsedrehzahl
N_rel anzeigendes Signal an die Bestimmungseinrichtung 284 zur Bestimmung des Verbrennungsluftdurchsatzes
Q_Luft aus. Die Bestimmungseinrichtung 284 zur Bestimmung des Verbrennungsluftdurchsatzes
Q_Luft bestimmt, unter Verwendung einer Gebläsekennlinie, aus der momentanen relativen Gebläsedrehzahl
N_rel den momentanen Luftdurchsatz
Q_Luft und gibt ein den so bestimmten momentanen Luftdurchsatz
Q_Luft anzeigendes Signal an die Bestimmungseinrichtung 283 zur Bestimmung des Gasdurchsatzes
Q_Gas aus. Die Gebläsekennlinie enthält eine Vielzahl von Wertepaaren (
N_rel, Q_Luft), und setzt so die relative Gebläsedrehzahl
N_rel und den Luftdurchsatz
Q_Luft in Relation zueinander.
[0053] Das erste von der Luftzahl abhängige Signal 116a, welches ausgehend von dem erfassten
Ionisationsstrom abgeleitet wurde, und das zweite von der Luftzahl Signal 116b, welches
ausgehend von der erfassten Flammentemperatur abgeleitet wurde, werden der Bestimmungseinrichtung
281 zur Bestimmung des Durchsatzverhältnisses K zugeführt. Auf Grundlage dieser Signale
116a, 116b wird die momentane Luftzahl bestimmt, beispielsweise durch Durchschnittsbildung
der den beiden Signalen 116a, 116b entsprechend ermittelten Luftzahlen λ_
Ion und λ_
Temp. Hierzu können die von der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b, beziehungsweise
die den jeweiligen von der Luftzahl abhängigen Signalen 116a, 116b entsprechend ermittelten
Luftzahlen λ_
Ion und λ_
Temp mit jeweils einem Gewichtungsfaktor versehen werden, so dass beispielsweise die Luftzahlbestimmung
mittels Ionisationsstrommessung höher gewichtet werden kann als die Luftzahlbestimmung
mittels Flammentemperaturmessung, oder umgekehrt.
[0054] Wie oben ausgeführt, hat die Luftzahlbestimmung mittels Ionisationsstrommessung den
Vorteil, dass sie Schwankungen der tatsächlichen Luftzahl mit sehr kurzer zeitlicher
Verzögerung folgt, während die Luftzahlbestimmung mittels Flammentemperaturmessung
der tatsächlichen Entwicklung der Luftzahl zwar mit einiger zeitlicher Verzögerung
folgt (etwa ein bis drei Sekunden), aber den Vorteil größerer Genauigkeit und Verlässlichkeit
besitzt. Somit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Gewichtungsfaktoren in Abhängigkeit
von Veränderungen der Luftzahl zeitlich veränderlich zu gestalten. Beispielsweise
kann in Perioden nur kleiner Schwankungen der Luftzahl die Luftzahlbestimmung mittels
Flammentemperaturmessung entsprechend höher gewichtet werden, was die Genauigkeit
und Verlässlichkeit der Luftzahlbestimmung verbessert. Andererseits kann in Perioden
starker Schwankungen der Luftzahl die Luftzahlbestimmung mittels Ionisationsstrommessung
entsprechend höher gewichtet werden, um das Ansprechverhalten der Luftzahlregelung
zu verbessern. Rückschlüsse auf die Stärke der Schwankungen der tatsächlichen Luftzahl
können aus beiden der von der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b, insbesondere
jedoch aus dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a, gezogen werden.
[0055] Durch Vergleich der so bestimmten momentanen Luftzahl mit einer vorgegebenen (optimalen)
Luftzahl ermittelt die Bestimmungseinrichtung 281 zur Bestimmung des Durchsatzverhältnisses
K eine Vorgabe für das Durchsatzverhältnis K, welches das Verhältnis von Gasdurchsatz
Q_Gas zu Luftdurchsatz
Q_Luft angibt, oder eine Vorgabe für eine relative Änderung des momentanen Durchsatzverhältnisses
K, und gibt diese Vorgabe, oder ein die Vorgabe anzeigendes Signal, an die Bestimmungseinrichtung
283 zur Bestimmung des Gasdurchsatzes
Q_Gas aus. Die Bestimmungseinrichtung 283 zur Bestimmung des Gasdurchsatzes
Q_Gas ermittelt auf Grundlage des von der Bestimmungseinrichtung 284 zur Bestimmung des
Verbrennungsluftdurchsatzes
Q_Luft zugeführten momentanen Luftdurchsatzes
Q_Luft und der Vorgabe für das Durchsatzverhältnis K, oder der Vorgabe für die relativen
Änderung des momentanen Durchsatzverhältnisses, eine Vorgabe für den Gasdurchsatz
Q_Gas und gibt ein diese Vorgabe anzeigendes Signal an die Bestimmungseinrichtung 285 zur
Bestimmung des relativen Öffnungsgrades
I_rel des Gasventils aus.
[0056] Die Bestimmungseinrichtung 285 zur Bestimmung des relativen Öffnungsgrades
I_rel des Gasventils bestimmt, unter Verwendung einer Gasventilkennlinie aus der Vorgabe
für den Gasdurchsatz
Q_Gas oder der Vorgabe für die relative Änderung des momentanen Gasdurchsatzes
Q_Gas eine Vorgabe für einen relativen Öffnungsgrad
I_rel des Gasventils 243 und gibt ein die so bestimmte Vorgabe anzeigendes Signal an die
Bestimmungseinrichtung 286 zur Bestimmung des Öffnungsgrades
I des Gasventils aus. Die Gasventilkennlinie enthält eine Vielzahl von Wertepaaren
(I_
rel,
Q_Gas), und setzt so den relativen Öffnungsgrad
I_
rel des Gasventils 243 und den Gasdurchsatz
Q_Gas in Relation zueinander.
[0057] Die Bestimmungseinrichtung 286 zur Bestimmung des Öffnungsgrades
I des Gasventils bestimmt, auf Grundlage der Vorgabe für den relativen Öffnungsgrad
I_
rel des Gasventils 243 und dem hinterlegten maximalen Öffnungsgrad
I_
max des Gasventils 243 eine Vorgabe für den Öffnungsgrad
I des Gasventils 243 als Stellgröße für das Gasventil 243 und gibt ein die so bestimmte
Vorgabe anzeigendes Signal an den Regler 241 in der Gasventilsteuerung 114 aus.
[0058] Damit kann die Einrichtung zur Bestimmung einer Regelgröße 108 anhand des ersten
von der Luftzahl abhängigen Signals 116a und des zweiten von der Luftzahl abhängigen
Signals 116b Abweichungen der momentanen Luftzahl von der vorgegebenen (optimalen)
Luftzahl reagieren und die Luftzahl entsprechend nachregeln. Liegt die momentane Luftzahl
über der vorgegebenen Luftzahl, kann die Luftzahl beispielsweise durch Erhöhung der
Gaszufuhr abgesenkt werden. Liegt die momentane Luftzahl im anderen Fall unter der
vorgegebenen Luftzahl, kann die Luftzahl beispielsweise durch Verringern der Gaszufuhr
erhöht werden.
[0059] Im Flussdiagram der
Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb des Brenners, insbesondere zur Kalibration
der Luftzahlbestimmung, gezeigt.
[0060] Zunächst wird (in
Figur 3 nicht gezeigt) die Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung
104 mittels der Trennungsmittel 105 getrennt. Konkret erfolgt die Trennung der Zündelektrode
102 erfindungsgemäß dann von der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104, wenn
mittels Ionisationsstrommessung eine stabile Flamme erkannt worden ist.
[0061] Darauf werden in Schritt S301 das erste elektrische Signal 115a (von der Ionisationselektrode
103) und das zweite elektrische Signal 115b (von der Zündelektrode 102) erfasst. Im
folgenden Schritt S302 wird aus dem ersten elektrischen Signal 115a das erste von
der Luftzahl abhängige Signal 116a und aus dem zweiten elektrischen Signal 115b das
zweite von der Luftzahl abhängige Signal 116b abgeleitet. Hierfür sind Kennlinien
hinterlegt, die es erlauben, bei jeweils bekannter Brennerleistung aus den an der
Ionisationselektrode 103 und der Zündelektrode 102 erfassten elektrischen Signalen
115a, 115b jeweils die Luftzahl abzuleiten. Entsprechend kann für eine Reihe von Brennerleistungen
auf jeweils eine Kennlinie zurückgegriffen werden, die den Ionisationsstrom und die
Luftzahl zueinander in Relation setzt, und eine Kennlinie die die Flammentemperatur,
beziehungsweise den von der Zündelektrode 102 abfließenden Strom und die Luftzahl
zueinander in Relation setzt. Sind für eine tatsächliche Brennerleistung keine Kennlinien
verfügbar, wird die Luftzahl jeweils durch Interpolation der den nächstkommenden Brennerleistungen
entsprechenden Kennlinien bestimmt.
[0062] Das erste von der Luftzahl abhängige Signal 116a und das zweite von der Luftzahl
abhängige Signal 116b, beziehungsweise die aus den beiden von der Luftzahl abhängigen
Signalen 116a, 116b gewonnenen Luftzahlen werden in Schritt S303 miteinander verglichen,
und es wird ermittelt, ob eine ein vorgegebenes Maß überschreitende Abweichung zwischen
den beiden von der Luftzahl abhängigen Signalen 116a, 116b, beziehungsweise den jeweils
daraus gewonnenen Luftzahlen λ_
Ion, λ_
Temp, vorliegt. Liegt keine solche Abweichung vor, fährt das Verfahren mit Schritt S304
fort, andernfalls mit Schritt S305.
[0063] Die Ermittlung, ob eine das vorgegebene Maß überschreitende Abweichung zwischen den
beiden von der Luftzahl abhängigen Signalen 116a, 116b vorliegt, kann auf verschiedene
Arten erfolgen. So kann beispielsweise ein Vergleich der Differenz der beiden von
der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b, beziehungsweise der daraus gewonnenen
Luftzahlen λ_
Ion, λ_
Temp, mit einem vorbestimmten Schwellwert erfolgen. Dabei kann der vorbestimmte Schwellwert
von der tatsächlichen Brennerleistung, oder einem Mittelwert der beiden von der Luftzahl
abhängigen Signale 116a, 116b, beziehungsweise der daraus gewonnenen Luftzahlen λ_
Ion, λ_
Temp, abhängig sein. Auch ist denkbar, dass ein Vergleich zwischen dem zweiten von der
Luftzahl abhängige Signal 116b (oder der daraus gewonnenen Luftzahl λ_
Temp), das einem aktuellen Zeitpunkt entspricht, und dem ersten von der Luftzahl abhängigen
Signal 116a (oder der daraus gewonnenen Luftzahl λ_
Ion), das einem um eine Zeitdifferenz Δ
t vor dem aktuellen Zeitpunkt liegenden Zeitpunkt entspricht, durchgeführt wird, um
so dem verzögerten Ansprechen der Luftzahlbestimmung mittels Flammentemperaturmessung
Rechnung zu tragen.
[0064] In Schritt S304 wird in Abhängigkeit von dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal
116a und dem zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal 116b eine Regelgröße für den
Brennerbetrieb bestimmt. Hierzu wird eine auf Grundlage der beiden von der Luftzahl
abhängigen Signale 116a, 116b ermittelte Luftzahl mit einer Vorgabe für die Luftzahl
verglichen, und in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs die Regelgröße
bestimmt. Bei der Regelgröße kann es sich zum Beispiel um eine Vorgabe für einen Gasdurchsatz
Q_Gas, eine Vorgabe für einen relativen Öffnungsgrad
I_rel des Gasventils 243, eine Vorgabe für einen Öffnungsgrad
I des Gasventils 243, oder eine Vorgabe einer Steuer- oder Stellgröße für das Gasventil
243, wie eines Modulationsstromes, handeln. Auch kann es sich bei der Regelgröße um
eine Vorgabe für eine relative Änderung der obengenannten Größen handeln. In die Bestimmung
der Regelgröße können neben den beiden von der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b
auch die momentane Brennerleistung oder die momentane Gebläsedrehzahl N, über welche
die momentane Brennerleistung geregelt werden kann, eingehen.
[0065] Die Ermittlung der momentanen Luftzahl auf Grundlage der beiden von der Luftzahl
abhängigen Signale 116a, 116b kann durch Durchschnittsbildung der beiden den von der
Luftzahl abhängigen Signalen 116a, 116b entsprechenden Luftzahlen erfolgen. Dabei
können das erste von der Luftzahl abhängige Signal 116a und das zweite von der Luftzahl
abhängige Signal 116b, beziehungsweise die daraus gewonnenen Luftzahlen λ_
Ion, λ_
Temp, unterschiedlich gewichtet werden. Beispielsweise kann die momentane Luftzahl wie
folgt ermittelt werden. Aus dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a wird
die mittels Ionisationsstrommessung bestimmte Luftzahl λ_
Ion, und aus dem zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal 116b wird die mittels Flammentemperaturmessung
bestimmte Luftzahl λ_
Temp extrahiert. Die momentane Luftzahl λ kann dann mittels der Gleichung λ
=(A·λ
_lon+
B·λ
_Temp)/
(A+
B) bestimmt werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Gewichtung der von
der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b in Abhängigkeit von Veränderungen der Luftzahl
zeitlich veränderlich zu gestalten. In Perioden nur kleiner Schwankungen der Luftzahl
kann die Luftzahlbestimmung mittels Flammentemperaturmessung entsprechend höher gewichtet
werden (
B>
A), was die Genauigkeit und Verlässlichkeit der Luftzahlbestimmung verbessert. Andererseits
kann in Perioden starker Schwankungen der Luftzahl die Luftzahlbestimmung mittels
Ionisationsstrommessung entsprechend höher gewichtet werden (
A>B), um das Ansprechverhalten der Luftzahlregelung zu verbessern. Rückschlüsse auf die
Stärke der Schwankungen der tatsächlichen Luftzahl können aus beiden der von der Luftzahl
abhängigen Signale 116a, 116b, insbesondere jedoch aus dem ersten von der Luftzahl
abhängigen Signal 116a, gezogen werden. In Extremfällen kann einer der beiden Gewichtungsfaktoren
A,
B auf null gesetzt werden, beispielsweise im Notfallbetrieb. Nach Bestimmung der Regelgröße
für den Brennerbetrieb kehrt das erfindungsgemäße Verfahren an seinen Anfangspunkt
zurück und kann erneut durchlaufen werden.
[0066] In den Schritten S305 bis S309 wird ein Kalibrationsvorgang zur Kalibration der Luftzahlbestimmung
mittels Ionisationsstrommessung durchgeführt. In Schritt S305 wird hierzu eine vorbestimmte,
vorgegebene Brennerleistung angefahren. Die Wahl dieser vorbestimmten Brennerleistung
kann sich daran orientieren, für welche Brennerleistungen Kennlinien vorliegen, die
die Luftzahl und den erfassten Ionisationsstrom, beziehungsweise die Luftzahl und
die erfasste Flammentemperatur, zueinander in Relation setzen. Weiterhin kann die
vorbestimmte Brennerleistung so gewählt werden, dass sich der Brenner bei dieser Brennerleistung
in möglichst stabilem Betrieb befindet und die tatsächliche Luftzahl möglichst geringen
Schwankungen unterworfen ist. Ein weiteres Kriterium für die Auswahl der vorbestimmten
Brennerleistung kann sein, dass die vorbestimmte Brennerleistung einer üblicherweise
vorliegenden, durchschnittlichen Brennerleistung entsprechen soll.
[0067] In den Schritten S306 und S307 werden in Entsprechung zu den Schritten S301 und S302
bei der nunmehr vorliegenden, vorbestimmten Brennerleistung das erste und zweite elektrische
Signal 115a, 115b erfasst, und daraus das erste und zweite von der Luftzahl abhängige
Signal 116a, 116b abgeleitet.
[0068] In Schritt S308 wird aus den in Schritt S307 abgeleiteten, von der Luftzahl abhängigen
Signalen eine Kalibrationsgröße bestimmt. Dies kann durch Bildung eines Quotienten
des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals 116a und des zweiten von der Luftzahl
abhängigen Signals 116b, beziehungsweise durch Bildung eines Quotienten der aus dem
ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a gewonnenen Luftzahl λ_
Ion und der aus dem zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal 116b gewonnenen Luftzahl
λ_
Temp geschehen. Mit anderen Worten kann ein Kalibrationsfaktor durch Quotientenbildung
der mittels Ionisationsstrommessung bestimmten Luftzahl λ_
Ion und der mittels Flammentemperaturmessung bestimmten Luftzahl λ_
Temp erhalten werden, wobei die mittels Flammentemperaturmessung bestimmte Luftzahl λ_
Temp als die tatsächliche Luftzahl angenommen wird. Die so bestimmte Kalibrationsgröße
kann dann verwendet werden, um die Ableitung des ersten von der Luftzahl abhängigen
Signals 116a aus dem ersten elektrischen Signal 115a entsprechend anzupassen, das
heißt beispielsweide durch Division der anhand einer hinterlegten Kennlinie ermittelten
Luftzahl λ_
Ion durch den Kalibrationsfaktor. In diesem Fall sendet die Kalibrationseinrichtung 110
ein die Kalibrationsgröße anzeigendes Signal an die Einrichtung zum Ableiten von Signalen
107, in welcher die derzeit gültige Kalibrationsgröße gespeichert wird. Abweichend
hiervon kann die Kalibrationsgröße auch verwendet werden, um die Bestimmung der Regelgröße
für den Brennerbetrieb entsprechend anzupassen, das heißt durch Division der mittels
Ionisationsstrommessung ermittelten Luftzahl λ_
Ion durch den Kalibrationsfaktor vor dem Schritt der oben in Schritt S304 beschriebenen
Durchschnittsbildung. In diesem Fall ist die Kalibrationsgröße auch in dem Vergleich
der beiden von der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b in entsprechender Weise
zu berücksichtigen. Entsprechend sendet die Kalibrationseinrichtung 110 ein die Kalibrationsgröße
anzeigendes Signal an die Einrichtung zum Bestimmen einer Regelgröße 108 und den Vergleicher
109, in welchen jeweils die derzeit gültige Kalibrationsgröße gespeichert wird.
[0069] Mit Schritt S309, in dem wieder die ursprüngliche, vor Feststellung der Abweichung
zwischen dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal 116a und dem zweiten von der
Luftzahl abhängigen Signal 116b in Schritt S303 vorliegende Brennerleistung angefahren
wird, endet der Kalibrationsvorgang.
[0070] Nach Abschluss des Kalibrationsvorgangs kann in Schritt S310 ein erneuter Vergleich
des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals 116a mit dem zweiten von der Luftzahl
abhängigen Signal 116b, beziehungsweise ein Vergleich der aus diesen Signalen gewonnenen
Luftzahlen, erfolgen. Hierzu werden (in
Figur 3 nicht gezeigt), entsprechend den Schritten S301 und S302 zunächst das erste und zweite
elektrische Signal 115a, 115b erfasst, und daraus das erste und zweite von der Luftzahl
abhängige Signal 116a, 116b abgeleitet. Die abgeleiteten Signale werden dann, entsprechend
Schritt S303 erneut verglichen (in
Figur 3 nicht gezeigt). Hierbei ist zu beachten, dass die während des Kalibrationsvorgangs
erhaltene Kalibrationsgröße entweder in die Ableitung des ersten von der Luftzahl
abhängigen Signals 116a aus dem ersten elektrischen Signal 115a, oder in den Vergleich
der von der Luftzahl abhängigen Signale 116a, 116b, beziehungsweise der daraus gewonnenen
Luftzahlen λ_
Ion, λ_
Temp, entsprechend Eingang findet.
[0071] Liegt in Schritt S310, also nach Durchlaufen des Kalibrationsvorgangs der Schritte
S305 bis S308, weiterhin eine Abweichung zwischen den von der Luftzahl abhängigen
Signalen 116a, 116b, beziehungsweise den daraus gewonnenen Luftzahlen, vor, können
verschiedene Schritte durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Kalibration der
Luftzahlmessung mittels Ionisationsstrommessung durch Anfahren des Luftzahlbereichs
λ=
1 erfolgen, wie in Schritt S311 der
Figur 3 gezeigt. Alternativ kann auch, da die fortbestehende Abweichung auf einen Defekt
der Ionisationselektrode schließen lässt, ein Alarmsignal ausgegeben werden, und/oder
eine Notabschaltung des Brenners oder Start eines Notbetriebs durchgeführt werden.
In diesem Notfallbetrieb kann die Luftzahl weiterhin, wenn auch mit Einschränkungen,
auf Grundlage der Flammentemperaturmessung geregelt werden. Andernfalls, wenn in Schritt
S310 keine unzulässige Abweichung festgestellt wurde, kehrt das erfindungsgemäße Verfahren
an seinen Anfangspunkt zurück und kann erneut durchlaufen werden.
[0072] Die Erfindung wurde anhand konkreter Ausgestaltungen näher erläutert, ohne auf die
konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Insbesondere ist es möglich, Merkmale,
Bestandteile und spezifische Details der unterschiedlichen Ausführungsformen auszutauschen
oder zu kombinieren um weitere, für eine entsprechende Anwendung optimierte Ausführungsformen
zu erhalten. Soweit diese Anpassungen dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind,
sollen sie als in der obenstehenden Beschreibung implizit offenbart angesehen werden.
Entsprechend wird, um der Prägnanz der vorliegenden Beschreibung willen, nicht jede
einzelne mögliche Kombination ausdrücklich aufgeführt.
1. Verfahren zur Luftzahlregelung eines Brenners, insbesondere eines Gas- oder Ölbrenners,
mit
einer Zündelektrode (102),
Mitteln zur Erzeugung einer Zündspannung (104), die mit der Zündelektrode (102) verbindbar
sind, und
einer Ionisationselektrode (103), die mit einer Ionisationsspannung beaufschlagbar
ist,
wobei das Verfahren umfasst:
Trennen der Zündelektrode (102) von den Mitteln zu Erzeugung der Zündspannung (104),
Erfassen eines ersten elektrischen Signals (115a) an der Ionisationselektrode (103)
und Ableiten eines ersten von einer Luftzahl abhängigen Signals in Abhängigkeit von
dem ersten elektrischen Signal (115a),
Erfassen eines zweiten elektrischen Signals (115b) an der Zündelektrode (102), und
Ableiten eines zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals in Abhängigkeit von dem
zweiten elektrischen Signal (115b),
Bestimmung einer Regelgröße für den Brennerbetrieb in Abhängigkeit von dem ersten
von der Luftzahl abhängigen Signal (116a) und dem zweiten von der Luftzahl abhängigen
Signal (116b),
Vergleichen des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals (116a) und des zweiten
von der Luftzahl abhängigen Signals (116b), und
sofern eine Differenz des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals (116a) und des
zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals (116b) einen Schwellwert überschreitet,
Ausführen eines Kalibrationsvorgangs zur Korrektur des ersten von der Luftzahl abhängigen
Signals (116a).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kalibrationsvorgang umfasst:
Einstellen einer Brennerleistung auf einen vorbestimmten Leistungswert,
Erfassen des ersten elektrischen Signals (115a) bei dem vorbestimmten Leistungswert
und Ableiten des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals (116a) bei dem vorbestimmten
Leistungswert,
Erfassen des zweiten elektrischen Signals (115b) bei dem vorbestimmten Leistungswert
und Ableiten des zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals (116b) bei dem vorbestimmten
Leistungswert, und
Bestimmen einer Kalibrationsgröße in Abhängigkeit von dem bei dem vorbestimmten Leistungswert
abgeleiteten ersten von der Luftzahl abhängigen Signal (116a) und dem bei dem vorbestimmten
Leistungswert abgeleiteten zweiten von der Luftzahl abhängigen Signal (116b).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bestimmung der Kalibrationsgröße durch Bilden
eines Verhältnisses des bei dem vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten ersten von
der Luftzahl abhängigen Signals (116a) und des bei dem vorbestimmten Leistungswert
abgeleiteten zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals (116b) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste von der Luftzahl
abhängige Signal (116a) und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal (116b) bei
der Bestimmung der Regelgröße für den Brennerbetrieb gleichzeitig vorliegen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste von der Luftzahl
abhängige Signal (116a) und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal (116b) bei
der Bestimmung der Regelgröße für den Brennerbetrieb jeweils mit einem Gewichtungsfaktor
gewichtet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftzahl in Abhängigkeit
von der Regelgröße für den Brennerbetrieb geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite elektrische Signal
(115b) einer Verstärkerschaltung zugeführt wird, und das zweite von der Luftzahl abhängige
Signal (116b) aus einem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung abgeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trennen der Zündelektrode
(102) von den Mitteln zu Erzeugung der Zündspannung (104) in Abhängigkeit von einem
von dem ersten elektrischen Signal (115a) abgeleiteten Signal erfolgt.
9. Brenner, insbesondere Gas- oder Ölbrenner, mit einer Zündelektrode (102),
Mitteln zur Erzeugung einer Zündspannung (104), die mit der Zündelektrode (102) verbindbar
sind,
Mitteln (105) zum Verbinden der Zündelektrode (102) mit den Mitteln zur Erzeugung
der Zündspannung (104) und zum Trennen der Zündelektrode (102) von den Mitteln zur
Erzeugung der Zündspannung (104),
einer Ionisationselektrode (103), die mit einer Ionisationsspannung beaufschlagbar
ist,
einer Messeinrichtung (106) zum Erfassen eines ersten elektrischen Signals (115a)
an der Ionisationselektrode (103) und eines zweiten elektrischen Signals (115b) an
der Zündelektrode (102), wobei die Zündelektrode (102) als passive Elektrode beschaltet
ist,
Mitteln (107) zum Ableiten eines ersten von einer Luftzahl abhängigen Signals (116a)
in Abhängigkeit von dem ersten elektrischen Signal (115a) und eines zweiten von der
Luftzahl abhängigen Signals (116b) in Abhängigkeit von dem zweiten elektrischen Signal
(115b),
Mitteln (108) zur Bestimmung einer Regelgröße für den Brennerbetrieb in Abhängigkeit
von dem ersten von der Luftzahl abhängigen Signal (116a) und dem zweiten von der Luftzahl
abhängigen Signal (116b),
Mitteln (109) zum Vergleichen des ersten von der Luftzahl abhängigen Signals (116a)
und des zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals (116b), und
Mitteln (110) zum Ausführen eines Kalibrationsvorgangs zur Korrektur des ersten von
der Luftzahl abhängigen Signals (116a), sofern eine Differenz des ersten von der Luftzahl
abhängigen Signals (116a) und des zweiten von der Luftzahl abhängigen Signals (116b)
einen Schwellwert überschreitet.
10. Brenner nach Anspruch 9, wobei die Mittel (110) zum Ausführen des Kalibrationsvorgangs
ausgebildet sind:
zum Einstellen einer Brennerleistung auf einen vorbestimmten Leistungswert, und
zur Bestimmung einer Kalibrationsgröße in Abhängigkeit von dem bei dem vorbestimmten
Leistungswert abgeleiteten ersten von der Luftzahl abhängigen Signal (116a) und dem
bei dem vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten zweiten von der Luftzahl abhängigen
Signal (116b).
11. Brenner nach Anspruch 10, wobei die Bestimmung der Kalibrationsgröße durch Bilden
eines Verhältnisses des bei dem vorbestimmten Leistungswert abgeleiteten ersten von
der Luftzahl abhängigen Signals (116a) und des bei dem vorbestimmten Leistungswert
abgeleiteten zweiten von der Luftzahl abhängiges Signal (116b) erfolgt.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das erste von der Luftzahl abhängige
Signal (116a) und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal (116b) bei der Bestimmung
der Regelgröße für den Brennerbetrieb gleichzeitig an den Mitteln (108) zur Bestimmung
der Regelgröße für den Brennerbetrieb vorliegen.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das erste von der Luftzahl abhängige
Signal (116a) und das zweite von der Luftzahl abhängige Signal (116b) bei der Bestimmung
der Regelgröße für den Brennerbetrieb jeweils mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet
werden.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner umfassend Mittel (112) zur Regelung
der Luftzahl in Abhängigkeit von der Regelgröße für den Brennerbetrieb.
15. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das zweite elektrische Signal (115b)
einer Verstärkerschaltung zugeführt wird, und das zweite von der Luftzahl abhängige
Signal (116b) aus einem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung abgeleitet wird.
16. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Mittel (105) zum Trennen der
Zündelektrode (102) von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung (104) die Zündelektrode
(102) von den Mitteln zu Erzeugung der Zündspannung (104) in Abhängigkeit von einem
von dem ersten elektrischen Signal (115a) abgeleiteten Signal trennen.