VERFAHREN ZUR REGELUNG EINES BRENNGASBETRIEBENEN HEIZGERÄTES

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein gasartenunabhängiges Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes unter Nutzung eines lonisationsmessverfahrens einer Brennerflamme des Heizgerätes und einer eine Gasstellglied-Regelungskennlinie des Gasstellglieds.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes.

[0002] Gattungsbildende Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenbarung gemäß der Druckschrift WO2006/000366A1. Auch kennt der Fachmann eine Verbrennungsregelung nach dem sog. SCOT-Verfahren, bei dem die Steuerung der dem Brenner des Heizgerätes zugeführte Luftmenge entsprechend der Brennerleistung erfolgt. Dabei wird eine Flammensignalmessung mittels eines lonisationssensors durchgeführt und das Gas-Luftgemisch auf einen in einer Kennlinie hinterlegten Soll-Ionisationsmesswert geregelt. Beim SCOT-Verfahren ist jedoch nachteilig, dass bei kleinen Brennerleistungen das Flammensignal stark absinkt und die Regelung damit unzuverlässig wird. Zudem ist der Adaptionsaufwand, insbesondere zur Anpassung der Brennergeometrie hoch und die Brennerleistung kann nur ungenau über die Gebläsedrehzahl eines den Luftvolumenstrom für das Gas-Luft-Gemisch liefernden Gebläses bestimmt werden.

[0003] Eine Problematik der Regelungsverfahren liegt zudem darin, dass für die Verbrennung unterschiedliche Gasarten, z.B. Erdgas oder Flüssiggas, sowie Gasqualitäten zum Einsatz kommen. Die Parameter des Regelungsverfahrens müssen auf die Gasart bzw. Gasqualität angepasst werden, da die Verbrennung andernfalls unsauber abläuft.

[0004] Alternative Regelungsverfahren basieren auf einer elektronischen Gemischregelung unter Nutzung von thermischen Gasmassensensoren zur Erfassung der Brenngaseigenschaften über die thermische Leitfähigkeit des Brenngases. Aus der Brenngasart wird der Luftbedarf über eine Referenztabelle ermittelt und die Luftmenge entsprechend der gemessenen Gasmenge und dem ermittelten Luftbedarf errechnet und eingeregelt. Das Verfahren erfordert jedoch, dass alle für die Gemischregelung benötigten Eingangsgrößen gemessen und überwacht werden müssen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein brenngasartenunabhängiges Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes über einen breiten Modulationsbereich bereitzustellen, das einen gegenüber den bekannten Verfahren geringeren Überwachungsaufwand und Hardwareeinsatz erfordert. Insbesondere soll auf die Verwendung eines Brenngasmassensensors verzichtet werden können.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

[0007] Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes unter Nutzung eines lonisationsmessverfahrens einer Brennerflamme des Heizgerätes vorgeschlagen, bei dem ein über ein Gasstellglied gesteuerter Brenngasvolumenstrom und ein über ein Gebläse gelieferter Luftvolumenstrom zu einem Brenngas-Luftgemisch gemischt und mit einer auf einer gewünschten Brennerleistung basierenden Luftzahl λ einem Brenner des Heizgerätes zugeführt werden. Die Luftzahl λ wird mittels des lonisationsmessverfahrens der Brennerflamme des Brenners überwacht. Zudem wird eine Gasstellglied-Regelungskennlinie des Gasstellglieds labortechnisch erfasst und in einem Steuergerät hinterlegt. Die Gasstellglied-Regelungskennlinie bestimmt hierbei eine prozentuale Durchflussmenge durch das Gasstellglied in Abhängigkeit von Öffnungsstellungspunkten des Gasstellglieds, wobei die prozentuale Durchflussmenge durch das Gasstellglied eine Brennerleistung des Brenners repräsentiert. Die Regelung der Brennerleistung des Brenners erfolgt in einem ersten Leistungsbereich basierend auf den Ergebnissen des lonisationsmessverfahrens und in einem zweiten Leistungsbereich basierend auf der Gasstellglied-Regelungskennlinie, wobei während der Regelung des Heizgerätes in dem ersten Leistungsbereich bestimmten Öffnungsstellungspunkten des Gasstellglieds bestimmte Leistungen des Brenners zugeordnet werden. Das Verhältnis der Brenngasmenge zur Luftmenge wird dabei im zweiten Leistungsbereich konstant gehalten.

[0008] Der erste Leistungsbereich entspricht vorzugsweise einem Regelbereich, in dem die Brennerflamme dem lonisationsmessverfahren ausreichend genaue Signaldaten liefert, dass die Regelung als reine Ionisationsregelung erfolgen kann. Die ist insbesondere bei ausreichend großer Brennerflamme der Fall, bei der die für das lonisationsmessverfahren verwendete Ionisationselektrode exakte Signale an das Steuergerät liefert. Der zweite Leistungsbereich ist insbesondere ein Bereich geringer Brennerleistung, beispielsweise unterhalb von 50% der Maximalleistung.

[0009] Die Gasstellglied-Regelungskennlinie wird labortechnisch vordefiniert. Die Gasstellglied-Regelungskennlinie umfasst beliebig viele Untergliederungspunkte, die den Positionen des Gasstellglieds bei festen Brennerleistungsschritten entspricht. Damit ist auch festgelegt, in welchem Verhältnis die Brenngasmenge zu dem jeweiligen Öffnungsstellungspunkt des Gasstellglieds steht. Bei einer gleichen Brennerleistung, d.h. Wärmeleistung des Heizgerätes ergeben sich je nach Brenngasart aufgrund der unterschiedlichen Dichte des Brenngases, des unterschiedlichen Energieinhaltes und Luftbedarfes unterschiedliche Arbeitsbereiche im Kennlinienfeld. Bei einer Änderung der Gasbeschaffenheit, z. B. von Flüssiggas auf Erdgas würde sich aufgrund der geänderten Dichte der Volumenstrom ändern. Auch der Energieinhalt und somit die erforderliche Brenngasmenge zu Erreichung der gewünschten Brennerleistung wären unterschiedlich. Da diese Zusammenhänge aber für jede der angesteuerten Position gelten, ändert sich zwar die absolute Brennerleistung, nicht aber das Leistungsverhältnis der einzelnen Öffnungsstellungspunkte des Gasstellglieds zueinander. Wenn sich somit die tatsächliche Brennerleistung in einem Öffnungsstellungspunkt beispielsweise halbiert, dann halbiert sich die Brennerleistung auch auf in allen anderen Leistungspunkten entlang der Regelungskennlinie. Erfindungsgemäß wird somit eine Gasstellglied-Regelungskennlinie verwendet, welche eine prozentuale Durchflussmenge durch das Gasstellglied in Abhängigkeit von Öffnungsstellungspunkten des Gasstellglieds bestimmt.

[0010] Das Verfahren sieht vor, dass den bestimmten Öffnungsstellungspunkten des Gasstellglieds die bestimmten Leistungen des Brenners dadurch zugeordnet werden, dass während der Regelung der Brennerleistung des Brenners in dem ersten Leistungsbereich bei einem beliebigen Öffnungsstellungspunkt eine dem Brenner zugeführte Luftmenge gemessen und eine erforderliche Brenngasmenge über das Gasstellglied zugeführt wird, bis eine vorbestimmte Luftzahl λ erreicht ist. Ferner erfolgt eine Änderung der benötigten Brennerleistung durch eine Anpassung der Luftmenge, wobei über das Steuergerät aus der Gasstellglied-Regelungskennlinie der angepassten Brennerleistung korrespondierende Öffnungsstellungspunkte des Gasstellglieds eingestellt werden.

[0011] Das offenbarte Verfahren nutzt, dass die Brennerleistung während der Regelung im ersten Regelungsbereich unter Nutzung des lonisationsmessverfahrens bekannt ist und daraus für alle anderen gewünschten Brennerleistungen die Öffnungsstellungspunkte des Gasstellglieds vorherbestimmt werden können. Dazu wird während der Regelung im ersten Regelungsbereich unter Nutzung des lonisationsmessverfahrens in einem beliebigen Öffnungsstellungspunkt des Gasstellglieds der Luftvolumenstrom zur Erzeugung des Brenngas-Luftgemisches gemessen. Über die Ionisationsregelung wird über das Steuergerät die für eine saubere Verbrennung einer vordefinierten Luftzahl erforderliche Brenngasmenge dazu geregelt. Der dazu passende Öffnungsstellungspunkt des Gasstellglieds wird im Steuergerät dem entsprechenden Luftvolumenstrom zugeordnet. Sinkt oder steigt der Wärmebedarf, wird über das Steuergerät über das Gebläse eine neue Luftmenge eingestellt, beispielsweise 10% weniger oder mehr, dann muss die dazu passende Brenngasmenge ebenfalls prozentual angepasst werden, d.h. ebenfalls 10% weniger oder mehr. Diese Anpassung erfolgt über eine Änderung des Öffnungsstellungspunktes des Gasstellglieds gesteuert durch das Steuergerät.

[0012] Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Gasstellglied-Regelungskennlinie in zeitlichen Abständen zum Ausgleich eines Kennliniendrifts kalibriert wird. Ein Kennliniendrift ist durch eine sich über die Lebensdauer ergebende Änderung der Brenngasmenge bei bestimmten Öffnungsstellungspunkten des Gasstellglieds gekennzeichnet.

[0013] Bei einer Kennliniendrift stimmen zwar die einzelnen Öffnungsstellungspunkte mit den entsprechenden Brenngasvolumenströmen nicht mehr überein, die prozentualen Leistungsdifferenzen zwischen den einzelnen Öffnungsstellungspunkte bleiben jedoch konstant, da sich die Durchflusscharakteristik durch das Gasstellglied durch den Kennliniendrift nicht verändert. Das heißt, es verändert sich nicht die Kennlinie selbst, sondern nur die Lage innerhalb des Arbeitsbereiches. Durch eine Kalibrierung kann der Kennliniendrift egalisiert werden.

[0014] In einer Ausgestaltung erfolgt die Kalibrierung während der Regelung der Brennerleistung des Brenners im ersten Leistungsbereich basierend auf den Ergebnissen des lonisationsmessverfahrens, indem über das Steuergerät zwei Leistungspunkte der Brennerleistung angesteuert werden und die der Gasstellglied-Regelungskennlinie hinterlegten Leistungswerte der Brennerleistung mit den tatsächlichen Leistungswerten der Brennerleistung verglichen werden, wobei die Gasstellglied-Regelungskennlinie zu den tatsächlichen Leistungswerten der Brennerleistung korrigiert wird.

[0015] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ferner vor, dass das Gasstellglied über einen Schrittmotor gesteuert wird und eine definierte Schrittzahl des Schrittmotors eine definierte Änderung der Öffnungsstellungspunkte des Gasstellglieds bestimmt.

[0016] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Aufbau eines Heizgerätes;

Fig. 2

eine im Verfahren genutzte Gasstellglied-Regelungskennlinie,

Fig. 3

die Gasstellglied-Regelungskennlinie aus Figur 2 für Erdgas,

Fig. 4

die Gasstellglied-Regelungskennlinie aus Figur 2 für Flüssiggas,

Fig. 5

einen Kennliniendrift der Gasstellglied-Regelungskennlinie aus Figur 2, und

Fig. 6

eine Kalibrierung des Kennliniendrifts der GasstellgliedRegelungskennlinie aus Figur 2.

[0017] In Figur 1 ist ein schematischer Aufbau eines Heizgerätes 100 zur Durchführung des Regelungsverfahrens mit einem modulierenden Vormischgebläse 5, das Umgebungsluft a ansaugt und mit Brenngas mischt. Das Brenngas wird dem Vormischgebläse 5 am Eingang 4 über eine Gasleitung zugeführt, in der ein Gassicherheitsventil 1 und ein beispielhaft über einen Motor M steuerbares Gasventil 2 angeordnet sind, welches das Gasstellglied bildet. Der Gaseingangsdruck d wird auf den Gasregeldruck c angepasst. Nach der Mischung mit Umgebungsluft weist das Gemisch den Gemischdruck b auf. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 6 vorgesehen. Das Gemisch hat dann den Brennerdruck e. Daran schließt sich der Brenner 28 mit der in der Brennerflamme angeordneten Ionisationselektrode 7. Um den Brenner 28 ist der Wärmetauscher 18 angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 8. Im Abgassystem herrscht der Abgasdruck f. Die Regelung der Brenngasmenge sowie der Gebläsedrehzahl und mithin der Luftzahl erfolgt über das Steuergerät 9, in dem die Regelungskennlinien hinterlegt sind.

[0018] Figur 2 zeigt die für das Verfahren genutzte Gasstellglied-Regelungskennlinie 82 mit Öffnungsstellungspunkten p1, p2, p3 - p9, welche eine definierte Öffnungsstellung des Gasventils 2 und mithin eine festgelegte prozentuale Durchflussmenge F an Brenngas repräsentieren.

[0019] Die Regelung der Brennerleistung des Brenners 28 erfolgt im Leistungsbereich, in dem die Ionisationsregelung ausreichend exakt ist, basierend auf den Ergebnissen des lonisationsmessverfahrens unter Nutzung der Ionisationselektrode 7. Die Gasstellglied-Regelungskennlinie 82 des Gasventils 2 wird labortechnisch erfasst und im Steuergerät 9 hinterlegt. Sie wird für das Verfahren in einem Leistungsbereich genutzt, in dem die Ionisationsregelung basierend auf der Ionisationsmessung über die Ionisationselektrode 7 nicht ausreichend genau ist. Dabei werden während der Regelung des Heizgerätes 100 in dem Leistungsbereich der Ionisationsregelung bestimmten Öffnungsstellungspunkten p des Gasstellglieds bestimmte Leistungen des Brenners 28 zugeordnet. Das Verhältnis der Brenngasmenge zur Luftmenge bleibt bei der Regelung unter Nutzung der Gasstellglied-Regelungskennlinie 82 konstant. Den Öffnungsstellungspunkten p des Gasventils 2 werden bestimmte Leistungen des Brenners 28 zugeordnet, indem während der Regelung der Brennerleistung des Brenners 28 im Leistungsbereich der Ionisationsregelung bei einem beliebigen Öffnungsstellungspunkt p der dem Brenner 28 zugeführte Luftmenge die entsprechend erforderliche Brenngasmenge über das Gasventil 2 zugeführt wird, bis die gewünschte Luftzahl λ erreicht ist. Die Änderung der benötigten Brennerleistung erfolgt durch die Anpassung der Luftmenge, wobei über das Steuergerät 9 aus der Gasstellglied-Regelungskennlinie 82 der angepassten Brennerleistung korrespondierende Öffnungsstellungspunkte p des Gasventils 2 eingestellt werden.

[0020] Die Figuren 3 und 4 zeigen die Gasstellglied-Regelungskennlinie aus Figur 2 für zwei unterschiedliche Brenngasarten, wobei Figur 3 beispielhaft Erdgas, Figur 4 Flüssiggas entspricht. Gemäß Figur 3 wird in dem Öffnungsstellungspunkt p8, der 80% der Regelungskennlinie entspricht, ein Gasvolumenstrom für beispielsweise 10 kW Brennerleistung erreicht. Wird von der Steuerung des Heizgeräts 100 beispielsweise die halbe Leistung von 5 kW gefordert, wird von der Steuerung die Position p4 angesteuert, welche 40% der Regelungskennlinie entspricht. Ändert sich das Brenngas von Erdgas auf Flüssiggas ergibt sich bei identischer Brennerleistung eine Brennerleistung von 10kW bei einem Öffnungsstellungpunkt p6, die halbe Brennerleistung bei p3, wie in Figur 4 dargestellt. Das Steuergerät 9 kann somit aus jeder einmal während der Ionisationsregelung festgelegten und verifizierten Brennerleistung durch Anpassung der Öffnungsstellungspunkte p des Gasventils 2 die Brennerleistung dem entsprechenden Luftstrom anpassen bzw. interpolieren.

[0021] In Figur 5 ist ein Kennliniendrift der Gasstellglied-Regelungskennlinie 82 im Laufe der Lebensdauer des Heizgeräts 100 dargestellt. Vorzugsweise wird für die Steuerung des Gasventils 2 ein Schrittmotor M verwendet. Im Laufe der Lebensdauer ergeben sich bei gleicher Schrittzahl des Schrittmotors M unterschiedliche Brenngas-Volumenströme. Für die Regelung bedeutet dies eine Verschiebung des Regelbereiches und der Öffnungsstellungspunkte p für das Gasventil 2 von dem ursprünglichen Leistungsbereich 86 auf einen neuen Leistungsbereich 83, wie in Figur 5 dargestellt. Zur Kalibrierung der Gasstellglied-Regelungskennlinie 82 und Egalisierung des Kennliniendrifts werden gemäß der Offenbarung der Figur 6 im Bereich der Ionisationsregelung zwei Leistungspunkte mit beispielsweise Öffnungsstellungspunkten p9 und p6 angesteuert, welche 90 % und 60 % der Brennerleistung des Brenners 28 bestimmen. Aus einem Vergleich der angesteuerten Positionen mit den im Steuergerät 9 hinterlegten Positionen wird eine Differenz der Schrittänderung des Schrittmotors M wie auch eine mögliche Leistungsänderung ermittelt, welche in Figur 6 beispielhaft als Δ9 und Δ6 eingezeichnet sind. Aus den Verschiebungen der zwei Leistungspunkte werden eine neue Kennlinienlage bestimmt und alle neuen Öffnungsstellungspunkte p korrigiert. Figur 6 zeigt, dass bei einer beispielhaften Leistung von 10% aus der Schrittdifferenz des Schrittmotors M zwischen dem alten im Steuergerät 9 hinterlegten Leistungspunkt 60% zu 10 % einen neue Schrittdifferenz, als Δ1-6 gekennzeichnet, berechnet wird. Die kalibrierte Kennlinie ersetzt anschließend im Steuergerät 9 die bisherige Kennlinie.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes (100) unter Nutzung eines lonisationsmessverfahrens einer Brennerflamme des Heizgerätes, wobei

a. ein über ein Gasstellglied gesteuerter Brenngasvolumenstrom und ein über ein Gebläse gelieferter Luftvolumenstrom zu einem Brenngas-Luftgemisch gemischt und mit einer auf einer gewünschten Brennerleistung basierenden Luftzahl λ einem Brenner (28) des Heizgerätes zugeführt werden,

b. die Luftzahl λ mittels des lonisationsmessverfahrens der Brennerflamme des Brenners (28) überwacht wird,

c. eine Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) des Gasstellglieds labortechnisch erfasst und in einem Steuergerät (9) hinterlegt wird, wobei die Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) eine prozentuale Durchflussmenge durch das Gasstellglied in Abhängigkeit von einer Öffnungsstellungspunkten (P) des Gasstellglieds bestimmt, wobei die prozentuale Durchflussmenge durch das Gasstellglied eine Brennerleistung des Brenners repräsentiert,

d. die Regelung einer Brennerleistung des Brenners in einem ersten Leistungsbereich basierend auf den Ergebnissen des lonisationsmessverfahrens und in einem zweiten Leistungsbereich basierend auf der Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) erfolgt, wobei während der Regelung des Heizgerätes in dem ersten Leistungsbereich bestimmten Öffnungsstellungspunkten (P) des Gasstellglieds bestimmte Leistungen des Brenners zugeordnet werden, und wobei das Verhältnis der Brenngasmenge zur Luftmenge im zweiten Leistungsbereich konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den bestimmten Öffnungsstellungspunkten (P) des Gasstellglieds die bestimmten Leistungen des Brenners dadurch zugeordnet werden, dass während der Regelung der Brennerleistung des Brenners in dem ersten Leistungsbereich bei einem beliebigen Öffnungsstellungspunkt (P) eine dem Brenner (28) zugeführte Luftmenge und eine erforderliche Brenngasmenge über das Gasstellglied zugeführt wird, bis eine vorbestimmte Luftzahl λ erreicht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der benötigten Brennerleistung durch eine Anpassung der Luftmenge erfolgt, und wobei über das Steuergerät (9) aus der Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) der angepassten Brennerleistung korrespondierende Öffnungsstellungspunkte (P) des Gasstellglieds eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) in zeitlichen Abständen zum Ausgleich eines Kennliniendrifts kalibriert wird.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung während der Regelung der Brennerleistung des Brenners (28) im ersten Leistungsbereich basierend auf den Ergebnissen des lonisationsmessverfahrens erfolgt, indem über das Steuergerät (9) zwei Leistungspunkte der Brennerleistung angesteuert werden und die der Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) hinterlegten Leistungswerte der Brennerleistung mit den tatsächlichen Leistungswerten der Brennerleistung verglichen werden, wobei die Gasstellglied-Regelungskennlinie (82) zu den tatsächlichen Leistungswerten der Brennerleistung korrigiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasstellglied über einen Schrittmotor (M) gesteuert wird und eine definierte Schrittzahl des Schrittmotors (M) eine definierte Änderung der Öffnungsstellungspunkte (P) des Gasstellglieds bestimmt.

Zeichnung