VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUM ZÜNDEN EINES BRENNSTOFF-LUFT-GEMISCHES IN EINEM HEIZGERÄT, DAS MIT UNTERSCHIEDLICHEN BRENNSTOFFEN BETREIBBAR IST

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-LuftGemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbaren Heizgerät (1) mit einem Vormischbrenner (6), dem Luft (L) durch eine Luftzufuhr (2) und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr (3) in einem Mischungsverhältnis (lambda) vorgemischt zugeführt werden, wobei innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (Δt) zum Zünden das Mischungsverhältnis (lambda) von Brennstoff zu Luft (L) zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches variiert wird, und zwar durch Variation der Luftzufuhr (2). Bevorzugt wird in dem Zeitintervall (Δt) zum Zünden die Brennstoffzufuhr (3) konstant gehalten oder die Luftzufuhr (2) wird in maximal möglicher Weise variiert und die Brennstoffzufuhr (3) nur so stark variiert, wie zur Abdeckung des gesamten Gemischbereiches erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ein Heizgerät (1), welches mit unterschiedlichen Brennstoffen, insbesondere unterschiedlichen Brenngasen (G), betreibbar ist, zuverlässig zu zünden, ohne dabei das Risiko einer unerwünscht hohen Zündlast (Z) mit eventuellen Folgeschäden einzugehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Heizgerät, das mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar ist. Insbesondere sogenannte adaptive Verbrennungssysteme, z. B. mittels eines lonisationsstromes geregelte Systeme, sind in der Lage, ein breites Spektrum von Brenngasen zu verbrennen. So können Erdgase aus unterschiedlichen Quellen oder auch mit Beimischungen von Wasserstoff genutzt werden. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser.

[0002] Die Verbrennung in solchen Systemen wird im Allgemeinen in einem geschlossenen Regelkreis ausgeführt, der für die Einhaltung eines gewünschten Brenngas-Luft-Gemisches (oft mit einem Lambda-Wert charakterisiert, der das Verhältnis von Luft zu Brenngas im Verhältnis zu einem stöchiometrischen Verhältnis angibt). Ein solcher Regelkreis verfügt typischerweise über eine Rückkopplungsschleife, in der die Charakteristika eines Brennstoffes berücksichtigt werden. So kann der Regelkreis unterschiedliche Brennstoffe erkennen und entsprechend reagieren und gleichermaßen sauber verbrennen.

[0003] Bei der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches, die zum größten Teil gesteuert und ohne Rückkopplung abläuft, liegt eine Information zum zugeführten Brenngas jedoch (noch) nicht vor. Da aber unterschiedliche Brenngase nur bei unterschiedlichen Lambda-Werten zuverlässig zünden, wird bei der Zündung innerhalb eines Zeitintervalls der Lambda-Wert über einen vorgebbaren Bereich (Gemischbereich) variiert, innerhalb dessen eine Zündung für alle vorkommenden Brenngase zu erwarten ist. Dies wird nach dem Stand der Technik durch Variation der Brenngaszufuhr bei konstanter Luftzufuhr erreicht. Die Brenngaszufuhr lässt sich sehr schnell verändern, was bei typischerweise sehr kurzen Zeitintervallen zur Zündung (z. B. 0,5 bis 5 s [Sekunden]) und damit zur Variation des Gemisches von Vorteil ist.

[0004] Ein Nachteil ist jedoch, dass mit einer Änderung der Brenngaszufuhr sich auch die Brennstoffenergie (Zündbelastung) ändert, die angibt, wieviel Energie bei einer Zündung zur Verfügung steht und (schlagartig) frei wird. Wird mehr Brennstoff zugeführt, so ändert sich die Energie, die während einer Zündung freigesetzt wird, entsprechend, was bei einer hohen Zündbelastung und zeitlich verzögerter Zündung zu heftigen Verpuffungen oder sogar Beschädigungen an Komponenten führen kann. Abschätzungen ergeben, dass sich die Zündbelastung bei typischen Variationen der Brenngaszufuhr um mehr als 30 % [Prozent] nach oben (oder unten) verändern kann.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Anordnung geschaffen werden, bei denen sich die Zündbelastung trotz Variation des Lambda-Wertes während eines Zeitintervalls zur Zündung nicht oder nur wenig ändert.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.

[0007] Hierzu trägt ein Verfahren bei zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen, insbesondere mit unterschiedlichen Brenngasen, betreibbaren Heizgerät. Dieses Heizgerät hat einen Vormischbrenner, dem Luft durch eine Luftzufuhr und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr in einem Mischungsverhältnis vorgemischt zugeführt werden kann. Dabei wird innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls zum Zünden das Mischungsverhältnis von Brennstoff zu Luft zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches variiert, und zwar (allein) durch Variation der Luftzufuhr.

[0008] Das Verfahren kann zur Zündung verschiedener Brennstoff-Luft-Gemische eingesetzt werden. Der Brennstoff kann z. B. flüssig (Öl, etc.) und/oder fest (Pellets, etc.) und/oder gasförmig bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt, handelt es sich bei dem Brennstoff um ein Brenngas, so dass dieser Anwendungsfall hier besonders hervorgehoben wird - ohne damit den Einsatz des Verfahrens beschränken zu wollen.

[0009] Die Luftzufuhr wird im Allgemeinen durch ein Gebläse bewirkt, welches einen von seiner Drehzahl abhängigen Volumenstrom erzeugt. Durch Variation der Drehzahl kann daher der Volumenstrom und damit die Luftzufuhr verändert werden. Dies ist ein bevorzugter Weg der Variation der Luftzufuhr, jedoch schließt dies andere Wege, wie z. B. die Veränderung der Stellung einer Drosselklappe, Blende oder dergleichen nicht aus.

[0010] Bevorzugt wird in dem Zeitintervall zum Zünden die Brennstoffzufuhr konstant gehalten. Dies ist immer dann der einfachste und bevorzugte Weg, wenn die Möglichkeiten zur Veränderung des Volumenstromes an Luft ausreichen, um den ganzen Gemischbereich innerhalb des Zeitintervalls zu durchfahren bzw. abzudecken.

[0011] In einer speziellen Variante wird in dem Zeitintervall die Luftzufuhr in maximal möglicher Weise variiert und die Brennstoffzufuhr bzw. Brenngaszufuhr nur so stark variiert, wie zur Abdeckung des gesamten Gemischbereiches erforderlich ist. Dies kann insbesondere notwendig sein, wenn ein Gebläse, dessen rotierende Teile sich nicht beliebig schnell beschleunigen oder abbremsen lassen (dessen sogenannte Drehzahldynamik also nicht für eine gewünschte schnelle Änderung ausreicht), allein für die notwendige Gemischveränderung in dem Zeitintervall nicht ausreicht. Dann wird auch die Zufuhr von Brennstoff bzw. Brenngas variiert, aber wegen des beschriebenen Nachteils dieser Vorgehensweise nur im geringstmöglichen Maße. Dazu kann bevorzugt die Stellung eines Brenngasventil geändert werden, aber auch hier sind prinzipiell andere Wege zur Veränderung der Brenngaszufuhr möglich.

[0012] Insbesondere werden das Zeitintervall und der Gemischbereich so gewählt, dass bis zum Ende des Zeitintervalls eine maximale Zündlast unabhängig von der Art des zugeführten Brennstoffes bzw. Brenngases nicht überschritten wird. Dies stellt sicher, dass es auch unter ungünstigsten Bedingungen mit dem Brennstoff bzw. Brenngas, welches die höchste Zündlast erzeugt, keine zu heftigen (harten) Zündungen geben kann, so dass ein sicheres Zünden erfolgreich durchgeführt oder aber eine Wiederholung des Zündvorganges eingeleitet werden kann.

[0013] Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbaren Heizgerät mit einem Vormischbrenner, dem Luft durch eine Luftzufuhr und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr in einem Mischungsverhältnis vorgemischt zuführbar ist, wobei eine Zündsteuerung vorhanden ist, die eingerichtet ist, während eines Zeitintervalls zum Zünden die Luftzufuhr zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches zu variieren.

[0014] In einer besonderen Ausführungsform ist die Zündsteuerung eingerichtet, ein Gebläse zur Luftzufuhr mit einer maximalen Drehzahldynamik zu variieren und zusätzlich die Brennstoffzufuhr zu variieren, wenn die Drehzahldynamik nicht für eine Abdeckung eines Gemischbereiches innerhalb des Zeitintervalls ausreicht.

[0015] Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Durchführung des beschriebenen Ablaufs der Zündung benötigt ein Programm und Daten, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.

[0016] Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.

[0017] Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1:

ein Heizgerät mit einer Zündautomatik und

Fig. 2

Diagramme zur Veranschaulichung der Zündlast des hier vorgeschlagenen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik.

[0018] Fig. 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1 mit einer Luftzufuhr 2, die mit einem Gebläse 4 ausgestattet ist und Luft zu einem Brenner 6 befördert. Über eine Brennstoffzufuhr, hier in Form einer Brenngaszufuhr 3 mit einem Brenngasventil 5 wird Brenngas G der Luft L beigemischt. Das entstehende Brenngas-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündeinrichtung 10 in einem Verbrennungsraum 7 gezündet und verbrannt. Entstehende Abgase geben den größten Teil ihrer Wärme an einen Wärmetauscher 9 ab und werden dann durch eine Abgasanlage 8 in die Umgebung abgeführt. Eine Zündsteuerung 12, meistens integriert in eine Steuer- und Regeleinheit 11 des Heizgerätes 1, steuert jeden Start des Heizgerätes 1 und den dabei ablaufenden eigentlichen Zündvorgang. Die Zündsteuerung 12 steuert über Daten- bzw. Steuerleitungen 13 das Gebläse 4 und das Brenngasventil 5. Eine Zündleitung 14 verbindet die Zündsteuerung 12 mit der Zündeinrichtung10, in den meisten Fällen eine Zündelektrode zur Erzeugung von Zündfunken.

[0019] Fig. 2 veranschaulicht die Erfindung anhand von Beispielen für die zeitlichen Abläufe und die dabei auftretenden Gemischverhältnisse und Zündlasten. Das obere Diagramm zeigt den Stand der Technik und die dabei auftretende Zündlast Z (Kurve A), wenn das Mischungsverhältnis von Luft L und Brenngas G durch Variation der Brenngaszufuhr 3 geändert wird. Die Zündlast Z steigt direkt proportional mit einer zunehmenden Brenngaszufuhr 3 an, während das Mischungsverhältnis lambda (Kurve B) abnimmt. Auf der X-Achse ist die Zeit t aufgetragen (z. B. in Sekunden), wobei das Zeitintervall Δt für die Zündung hier 10 s beträgt. Auf der linken Y-Achse ist die Zündlast Z aufgetragen, auf der rechten Y-Achse das Mischungsverhältnis lambda.

[0020] Im mittleren Diagramm ist wiederum auf der X-Achse die Zeit t aufgetragen, auf der rechten Y-Achse ein Massenstrom an Luft L und auf der linken Y-Achse ein Massenstrom an Brenngas G. Gemäß der Erfindung wird hier die Brenngaszufuhr 3 (Kurve C) konstant gehalten, dafür aber die Luftzufuhr 2 (Kurve D) im Zeitintervall Δt abgesenkt.

[0021] Das Ergebnis ist aus dem unteren Diagramm zu erkennen, in dem die Zündlast Z (Kurve E) konstant bleibt, während sich das Mischungsverhältnis lambda (Kurve F) ändert (und zwar in gleicher Weise wie im oberen Diagramm nach dem Stand der Technik). Die Darstellung im unteren Diagramm entspricht der im oberen, und man erkennt, dass bei Durchfahren des gleichen Mischungsbereiches die Zündlast Z konstant und damit deutlich geringer ist als beim Stand der Technik. Auch hier verhält sich die Zündlast Z praktisch proportional zur Brenngaszufuhr 3 und diese bleibt während des gesamten Zeitintervalls Δt konstant.

[0022] Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ein Heizgerät 1, welches mit unterschiedlichen Brenngasen G betreibbar ist, sicher zu zünden, ohne dabei das Risiko einer unerwünscht hohen Zündlast Z mit eventuellen Folgeschäden einzugehen.

Bezugszeichenliste

[0023] 

1

Heizgerät

2

Luftzufuhr

3

Brenngaszufuhr

4

Gebläse

5

Brenngasventil

6

(Vormisch-)Brenner

7

Verbrennungsraum

8

Abgasanlage

9

Wärmetauscher

10

Zündeinrichtung

11

Steuer- und Regeleinheit

12

Zündsteuerung

13

Steuerleitungen

14

Zündleitung

A

Kurve Zündlast nach Stand der Technik

B

Kurve Gemischverhältnis (lambda) bei Änderung der Brenngaszufuhr

C

Kurve Brenngas

D

Kurve Luft

E

Kurve Zündlast bei Änderung der Luftzufuhr

F

Kurve Gemischverhältnis (lambda) bei Änderung der Luftzufuhr

G

Brenngas

L

Luft

Z

Zündlast

t

Zeit

Δt

(Delta t) Zeitintervall

Ansprüche

1. Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbaren Heizgerät (1) mit einem Vormischbrenner (6), dem Luft (L) durch eine Luftzufuhr (2) und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr (3) in einem Mischungsverhältnis (lambda) vorgemischt zugeführt werden, wobei innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (Δt) zum Zünden das Mischungsverhältnis (lambda) von Brennstoff zu Luft (L) zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches variiert wird, und zwar durch Variation der Luftzufuhr (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Zeitintervall (Δt) zum Zünden die Brennstoffzufuhr (3) konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Zeitintervall (Δt) die Luftzufuhr (2) in maximal möglicher Weise variiert und die Brennstoffzufuhr (3) nur so stark variiert wird, wie zur Abdeckung des gesamten Gemischbereiches erforderlich ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zeitintervall (Δt) und der Gemischbereich so gewählt werden, dass bis zum Ende des Zeitintervalls (Δt) eine maximale Zündlast (Z) unabhängig von der Art des zugeführten Brennstoffes nicht überschritten wird.

5. Anordnung zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbaren Heizgerät (1) mit einem Vormischbrenner (6), dem Luft (L) durch eine Luftzufuhr (2) und Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhr (3) in einem Mischungsverhältnis (lambda) vorgemischt zuführbar ist, wobei eine Zündsteuerung (12) vorhanden ist, die eingerichtet ist, während eines Zeitintervalls (Δt) zum Zünden die Luftzufuhr (2) zur Abdeckung eines vorgebbaren Gemischbereiches zu variieren.

6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Zündsteuerung (12) eingerichtet ist, ein Gebläse (4) der Luftzufuhr (2) mit einer maximalen Drehzahldynamik zu variieren und zusätzlich die Brennstoffzufuhr (3) zu variieren, wenn die Drehzahldynamik nicht für eine Abdeckung eines Gemischbereiches innerhalb des Zeitintervalls (Δt) ausreicht.

7. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.

Zeichnung