DE10220774B4

DE10220774B4 - Einrichtung zur Regelung eines Brenners

Info

Publication number: DE10220774B4
Application number: DE10220774A
Authority: DE
Inventors: Bernulf Goesling; Juergen Stoschek; Datong Wu; Pedro Da Silva
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-05-11
Also published as: DE10220774A1

Abstract

Einrichtung zur Regelung eines Brenners, dem Brennstoff über eine Brennstoffzuführung und Luft über eine Luftzuführung zugeführt wird, mit einem in der Brennstoffzuführung angeordneten Brennstoffregelventil und einem zusätzlichen Stellventil sowie mit einer Regelung, die mittels des zusätzliches Stellventils das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf eine vorgegebene Luftzahl einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Stellventil (36) in der Brennstoffzuführung (14, 14') dem Brennstoffregelventil (16) in Strömungsrichtung des Brennstoffs nachgeschaltet ist, dass die Brennstoffzuführung (14, 14') in Strömungsrichtung des Brennstoffs hinter dem Brennstoffregelventil (16) eine Verzweigung in mindestens einen Hauptzufuhrkanal (18) und einen einstellbaren Zufuhrkanal (19) aufweist, und dass das zusätzliche Stellventil (36) im einstellbaren Zufuhrkanal (19) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung eines Brenners nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Eine Einrichtung zur Regelung eines Brenners ist aus DE 35 26 384 C2 bekannt, wobei dem Brenner Brennstoff über eine Brennstoffzuführung und Luft über eine Luftzuführung zugeführt werden. In der Brennstoffzuführung ist ein Brennstoffregelventil als Brennstoff-Luft-Hauptregler und ein zusätzliches Stellventil als Feinregler angeordnet, wobei der Feinregler parallel zum Brennstoff-Luft-Hauptregler geschaltet ist. Mittels der Regelung wird mit dem Feinregler das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf einen Wert eingestellt bis der CO-Gehalt stark zunimmt. Die Laststufen des Brenners werden mittels des Brennstoff-Luft-Hauptreglers eingestellt. In jeder neuen Laststufe wird dann das Brennstoff-Luft-Verhältnis wieder mittels des Feinreglers nachgeführt.
Eine Einrichtung zur Regelung eines Gasbrenners, dem Brenngas über ein Gasventil und Luft über ein Gebläse zugeführt wird und bei dem ein die Flamme überwachender Fühler ein Steuersignal an eine Regelungsschaltung liefert und die Stellung des Gasventils und die Drehzahl des Gebläses steuert, ist aus der DE 196 01 517 A1 bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass die Regelungsschaltung bei im Brennerbetrieb sinkendem Gasnetzdruck zunächst das Gasventil weiter öffnet und bei Erreichen der maximalen Öffnungsstellung des Gasventils und weitersinkendem Gasnetzdruck die Gebläsedrehzahl reduziert. Die Regelungsschaltung ist so konzipiert, dass im Brennerbetrieb bei normalem Gasdruck das Regelventil und/oder die Gebläsedrehzahl so geregelt wird, dass sich ein Sollwert der Luftzahl bei der Leistungssteuerung des Brenners einstellt. Zur Regelung der Luftzahl ist somit sowohl die Nachführung des Gasventils als auch die Nachführung der Drehzahl des Gebläses notwendig.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine präzise und robuste Regelung der Verbrennung möglich ist. Durch Trennung der Leistungssteuerung, die auf das vorhandene Gasventil einwirkt, und der Verbrennungsregelung, die insbesondere zur Kompensation von schwankenden Gasqualitäten und von sich variierenden pneumatischen Widerständen im Zuluft-Abgas-System dient, reagiert die Regelung schnell auf Veränderungen, so dass ebenfalls eine luftzahlgeregelte Verbrennung möglich ist. Dadurch, dass die Feineinstellung in einem Bypasskanal durchgeführt wird und eine zusätzliche Einstellmöglichkeit, die eine leistungsbedingte Maximaleinstellung liefert, in einem zum Bypasskanal parallel verlaufenden Hauptbrennstoffkanal vorgenommen wird, können die üblichen Gasventile zur Leistungssteuerung verwendet werden. Das die Leistungssteuerung übernehmende Gasventil benötigt daher keinen zusätzlichen Eingang für ein zusätzliches Regelsignal.
Durch die beschriebene Einrichtung wird über die Regelung der Luftzahl gleichzeitig eine Stabilisierung des Verbrennungsprozesses und eine Beseitigung von Brennkammerschwingungen, die durch eine instabile Flamme hervorgerufen werden, erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die im Hauptbrennstoffkanal untergebrachte Stelleinrichtung dient der Anpassung an die Gasart bzw. Gasfamilie, z.B. Erdgas oder Propan bzw. Butan.
Mit einer Ionisationselektrode lässt sich somit ebenfalls eine instabile Flamme erfassen und damit ein instabiler Betriebszustand des Heizgerätes frühzeitig erkennen, so dass Gegenmaßnahmen durch die Veränderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses ergriffen werden können.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Gasheizgerätes mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Regelung eines Brenners.
Ausführungsbeispiel
Das in der Figur dargestellte Regelsystem für ein Heizgerät weist einen Brenner 10 mit einer dargestellten Flammenfront 11 auf. Dem Brenner 10 wird über eine Brenngas-Luftgemisch-Leitung 12 ein Brenngas-Luft-Gemisch mit Hilfe eines Gebläses 13 zugeführt. Dem Gebläse 13 ist eine Mischdose 17 vorgeschaltet, in die Verbrennungsluft 15 und über eine Brenngasleitung 14 Brenngas eingeleitet wird. Die Brenngasleitung 14 ist über eine weitere Brenngasleitung 14' und ein Brenngasregelventil 16, das beispielsweise als eine mit der Mischdose 17 zusammenwirkende pneumatische Verbund-Gasarmatur arbeitet, an ein Gasnetz 22 angeschlossen. Das Gebläse 13 saugt das Brenngas-Luft-Gemisch an und drückt es über die Brenngas-Luftgemisch-Leitung 12 zum Brenner 10, wo das Brenngas-Luft-Gemisch als Flammenfront 11 verbrennt.
Die weiterer Brenngasleitung 14' verzweigt sich in Strömungsrichtung des Brenngases hinter dem Gasventil 16 in einen Hauptgaszufuhrkanal 18 und einen als Bypass ausgeführten, verstellbaren Gaszufuhrkanal 19. Vor der Einmündung in die Mischdose 17 vereinigen sich die beiden Gaszufuhrkanäle 18, 19 wieder zur Brenngasleitung 14.
Im Hauptgaszufuhrkanal 18 befindet sich eine Verstelleinrichtung 35, mit der beispielsweise eine Anpassung der Brenngaszufuhr an die entsprechende Gasart bzw. Gasfamilie erfolgt, wobei die Einstellung werksseitig vorgenommen wird. Im verstellbaren Gaszufuhrkanal 19 ist ein Stellventil 36 angeordnet, das beispielsweise von einem Schrittmotor 37 betätigt wird.
In die Flammen 11 des Brenners 10 ragt als Messfühler beispielsweise eine als passive Elektrode wirkende Ionisationselektrode 20, die üblicherweise zur Flammenüberwachung eingesetzt wird. Die Ionisationselektrode 20 dient hierbei als Messfühler zum Erfassen des Verbrennungszustandes der Flamme, wobei über den Verbrennungszustand auf die Luftzahl (Lambda-Wert) des Abgases geschlussfolgert werden kann. Die Ionisationselektrode 20 kann dabei gleichzeitig zur Flammenüberwachung dienen. An Stelle der Ionisationselektrode 20 ist auch die Verwendung eines optischen oder akustischen Sensors denkbar.
Die Ionisationselektrode 20 ist über eine Signalleitung 21 mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 23 verbunden, die beispielsweise drei Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 aufweist. Der Ausgang jeder Signalverarbeitungsanordnung 25, 26, 27 ist jeweils über Signalleitungen 25', 26', 27' an ein Steuergerät 30 angeschlossen. Die Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 enthalten an sich bekannte analoge oder digitale Bandpassfilter zur Signalverarbeitung des über die Ionisationselektrode 20 gewonnenen Ionisationssignals. Dadurch werden für das Steuergerät 30 verarbeitbare Regelsignal 41, 42, 43 erzeugt, die über die jeweiligen Signallei tungen 25', 26', 27' an eine Luftzahl-Regelung 31 im Steuergerät 30 übermittelt werden.
Durch die in den Signalverarbeitungsanordnungen 25, 26, 27 stattfindende Signalverarbeitung werden aus einem storastischen Flammensignal die für die Regelung notwendigen Regelsignale 41, 42, 43 gewonnen. Die Verwendung von drei Regelsignalen hat sich als zweckmäßig erwiesen, da diese drei Regelsignale 41, 42, 43 unterschiedliche Signalverläufe in dem zu regelnden Luftzahl-Bereich aufweisen. Dadurch ist eine präzisere und schnelle Regelung bei einer Änderung der Luftzahl möglich.
Das Steuergerät 30 ist ferner über eine Signalleitung 33 mit dem Gebläse 12 und über eine weitere Signalleitung 34 mit dem Schrittmotor 37 des Stellventils 36 verbunden. Die im Steuergerät 30 integrierte Luftzahl-Regelung 31 vergleicht ständig die aktuellen Regelsignale 41, 42, 43 mit entsprechenden Sollwerten. Wird ein Abweichen des aktuellen Regelsignals 41, 42, 43 vom jeweiligen Sollwert festgestellt, wird von der Luftzahl-Regelung 31 des Steuergerätes 30 eine Stellgröße y generiert, die über die Signalleitung 34 dem Schrittmotor 37 zugeführt wird. Es ist aber genauso denkbar, die Regelsignale 41, 42, 43 mittels eines Extremwert-Suchalgorithmus zu bearbeiten und als Sollwert den Extremwert des Regelsignals 41, 42, 43 heranzuziehen.
Durch die Aktivierung des Schrittmotors 37 erfolgt eine Verstellung des Stellventils 36, so dass je nach Größe der Stellgröße y die über den Gaszufuhrkanal 19 zugeführte Gasmenge erhöht oder reduziert wird. Dadurch erfolgt eine Anpassung der Luftzahl an einen vorgegebenen Sollwert.
Im Steuergerät 30 ist ferner eine Leistungssteuerung und/oder eine Leistungsregelung für die vom Wärmebedarf ab hängige Leistungssteuerung des Brenners 10 integriert. Dabei wird in Abhängigkeit von einer Ist-Temperatur und einer Solltemperatur das Gasventil 16 und/oder die Drehzahl des Gebläses 12 gesteuert bzw. geregelt. Zur Einstellung der Soll-Temperatur ist beispielsweise ein Sollwertsteller vorgesehen, der mit der Leistungssteuerung bzw. Leistungsregelung des Steuergerätes 30 zusammenwirkt.
Es ist auch denkbar, dass bei zu starken Abweichungen der Regelsignale 41, 42, 43 von den jeweiligen Sollwerten das Heizgerät ausgeschaltet und ein Neustart erfolgt.
Mit der beschriebenen Luftzahl-Regelung ist es ebenso möglich, die Flammenstabilität des Brenners zu überwachen. Die Flammeninstabilität in einem Heizkessel kann direkt zu hörbaren und lästigen Schwingungsgeräuschen (Dröhnen, Pfeifen) in der Brennkammer führen. Für die Flammeninstabilität spielt die Luftzahl die entscheidende Rolle. Die Wechselwirkung des Brenners 10 mit dessen Abgasweg kann bei ungünstigen Fällen zusätzlich die Brennkammerschwingungen verstärken.
Mit dem von der Ionisationselektrode 20 gelieferten Ionisationssignal lässt sich ebenso eine instabile Flamme erfassen und damit ein instabiler Betriebszustand des Heizgerätes frühzeitig erkennen, so dass Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Durch die beschriebene Verstellung der Brenngaszufuhr mittels des Stellventils 36 wird über die Bestimmung der Luftzahl gleichzeitig eine Brennkammerschwingung detektieren. Insofern bewirkt die Luftzahl-Regelung 31 gleichzeitig eine Stabilisierung des Verbrennungsprozesses und eine Beseitigung von Brennkammerschwingungen, die durch eine instabile Flamme hervorgerufen werden.

Claims

Einrichtung zur Regelung eines Brenners, dem Brennstoff über eine Brennstoffzuführung und Luft über eine Luftzuführung zugeführt wird, mit einem in der Brennstoffzuführung angeordneten Brennstoffregelventil und einem zusätzlichen Stellventil sowie mit einer Regelung, die mittels des zusätzliches Stellventils das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf eine vorgegebene Luftzahl einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Stellventil (36) in der Brennstoffzuführung (14, 14') dem Brennstoffregelventil (16) in Strömungsrichtung des Brennstoffs nachgeschaltet ist, dass die Brennstoffzuführung (14, 14') in Strömungsrichtung des Brennstoffs hinter dem Brennstoffregelventil (16) eine Verzweigung in mindestens einen Hauptzufuhrkanal (18) und einen einstellbaren Zufuhrkanal (19) aufweist, und dass das zusätzliche Stellventil (36) im einstellbaren Zufuhrkanal (19) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellventil (36) mit einem Schrittmotor (37) in Wirkverbindung steht und das dem Schrittmotor (37) eine von der Regelung erzeugte Stellgröße y zum Verstellen des Stellventils (36) zuführbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße y zur Verstellung des Stellventils (36) aus einem Flammensignal ableitbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungseinrichtung (23) vorgesehen ist, mit der das Flammensignal einer Signalverarbeitung unterzogen und mindesten ein Regelsignal (41, 42, 43) erzeugt wird.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Regelsignals (41, 42, 43) in der Regelung die Stellgröße y generierbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftzahl-Regelung (31) das Regelsignal (41, 42, 43) einem Soll-Ist-Vergleich unterziehbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftzahl-Regelung (31) das Regelsignal (41, 42, 43) einem Extremwert-Suchalgorithmus unterziehbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptzufuhrkanal (18) eine Stelleinrichtung (35) zur Voreinstellung der Brennstoffzufuhr integriert ist.