DE3607386C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Zusammensetzung des einem Gasgebläsebrenner zuzuführenden Gemisches aus Verbrennungsgas und Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist bereits bekannt (DE-OS 27 45 459). Bei der bekannten Vorrichtung wird die Luftzufuhr entsprechend dem Lastgrad mittels eines Luftmengensteuerorgans gesteuert, so daß sich mit der Luftzufuhr auch die Gaszufuhr ändert, obwohl die Zufuhr des Gases bzw. Brennstoffs selbst nicht gesteuert wird. Über die Luftsteuerung wird auch die Gemischzusammensetzung in Abhängigkeit von Parametern beeinflußt, welche die Güte der Verbrennung beeinflussen bzw. charakterisieren. Hierfür dienen verschiedene Fühler. In Abhängigkeit von deren Sensorsignalen finden Berechnungen mit Hilfe von Sauerstoffmengenrechnern, Luftmengenrechnern und dergleichen statt. Der Aufwand einer solchen Vorrichtung ist verhältnismäßig groß.

Darüber hinaus ist eine Vorrichtung ähnlicher Gattung bekannt (DE-OS 28 34 242), bei der die Gaszufuhr der Luftzufuhr so nachgeführt wird, daß bei Teillast diejenige Gemischzusammensetzung erhalten bleibt, die zuvor bei der Einstellung des Vollastbetriebes hinsichtlich optimaler Gemischzusammensetzung eingestellt wurde. Dabei wird allerdings nicht berücksichtigt, daß der Brennwert des Verbrennungsgases und sein Sauerstoffbedarf ebenso schwanken kann, wie die Wirksamkeit der Verbrennungsluft, beispielsweise dadurch, daß in Abhängigkeit von der Lufttemperatur die Sauerstoffmenge pro Volumenteil variiert. Die Ausnutzung des Brennwerts des Verbrennungsgases läßt zu wünschen übrig. Darüber hinaus besteht ein erhebliches Risiko der Abgabe von Schadstoffen in den Abgasen.

Schließlich ist auch eine Vorrichtung bekannt (DE-OS 30 39 994), bei der in Abhängigkeit eines vorher eingespeicherten Programms eine solche Steuerung stattfindet, daß jeweils eine Wertepaar maßgebend ist für die Nachstellung des Verhältnisses zwischen Luft und Brennstoff auf den Sollwert. Eine fortlaufende Regelung in Abhängigkeit von nicht eingespeicherten, sondern jeweils gemessenen und ggf. sogar erheblich variierenden Werten ist hierbei nicht möglich, weshalb sich bei einer im Laufe der Zeit ändernden Gemischzusammensetzung auch die Verbrennungsverhältnisse vom optimalen Bereich entfernen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Effektivität auf einfache Weise optimierbar ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen derselben beansprucht.

Bei der Erfindung wird zwischen der Luftleitung und dem Steuereingang eines an sich bekannten Verhältnisreglers ein Druckteiler geschaltet, der für eine Änderung des auf den Steuereingang des Verhältnisreglers wirkenden Luftdruckes dadurch sorgt, daß ein Hilfsregler das Signal wenigstens einer Sonde zur Erfassung des bzw. der betreffenden Parameter(s) in ein Stellsignal für den Druckteiler wandelt. Bei der Erfindung wird also der einem bekannten Verhältnisregler zugeführte Druck durch einen Druckteiler auf recht einfache Weise variiert. Die hierfür erforderlichen Organe sind wohlfeil und bedürfen auch keiner besonderen Wartung. Mit der Vorrichtung wird eine gute Optimierung der Verbrennung bei niedrigen Herstellungskosten erreicht.

Dabei wird bei der Erfindung der Umstand ausgenutzt, daß die Gasmenge nicht nur in Abhängigkeit von der Luftmenge nachgeregelt werden darf, sondern daß wesentliche, die Güte der Verbrennung beeinflussende und/oder charakterisierende Parameter erfaßt werden. Das Verhältnis von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge kann nach Maßgabe dieser Parameter variiert werden.

Wenn ein Verhältnisregler zur Nachführung des Gasdrucks in Abhängigkeit vom Druck der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft verwendet werden soll, dann muß der auf den Gasdruckregler einwirkende Druck der Verbrennungsluft entsprechend den Parametern variiert werden. Auf einfache Weise läßt sich das dadurch realisieren, daß zwischen die Luftleitung und den Verhältnisregler ein Druckteiler geschaltet wird, der eine Drossel, ein Hilfsventil und einen Antrieb für das Hilfsventil enthält. Die die Güte der Verbrennung beeinflussenden oder die Güte der Verbrennung charakterisierenden Parameter wirken über einen Hilfsregler auf den Antrieb für das Hilfsventil ein und variieren auf diese Weise den auf den Verhältnisregler wirkenden Luftdruck.

Die Grundeinstellung des Verhältnisreglers wird dabei so vorgenommen, daß das Verhältnis des Gasdrucks zum Luftdruck mindestens so groß ist wie das größte über den Arbeitsbereich des Brenners vorkommende Verhältnis des Gasdrucks zum Luftdruck bei jeweils optimaler Verbrennung. Durch die Variation des auf den Verhältnisregler wirkenden Luftdrucks mittels des Hilfsventils wird dann der Gasdruck von diesem größten Verhältniswert auf den bei der jeweiligen Last gerade erforderlichen Wert abgesenkt.

Als wesentliche die Güte der Verbrennung beeinflussende Parameter kommen beispielsweise die Zulufttemperatur und der Brennwert des Verbrennungsgases in Betracht. Je größer die Zulufttemperatur ist, desto geringer ist die pro Volumenteil der Zuluft darin enthaltene Menge von Sauerstoffmolekülen. Um eine optimale Verbrennung zu erzielen, muß deshalb die Verbrennungsgasmenge mit steigender Zulufttemperatur reduziert werden.

Der Brennwert des Verbrennungsgases stellt die wesentlichste Einfluß­ größe dar, nach der das Verhältnis von Verbrennungsmenge und Luft­ menge geregelt werden sollte. Da einfache, kontinuierlich arbei­ tende Meßgeräte zur Bestimmung des Brennwertes eines Verbrennungs­ gases nicht zur Verfügung stehen, ist es zweckmäßig, anstelle des Brennwertes des Verbrennungsgases solche Parameter zur Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge heranzu­ ziehen, die die Güte der Verbrennung charakterisieren.

Die Verwendung einer an sich bekannten Sauerstoffsonde ermöglicht es, die Verbrennungsgasmenge im Verhältnis zur Luftmenge so zu re­ geln, daß ein einen möglichst geringen Schadstoffgehalt des Abgases charakterisierender Sauerstoffüberschuß im Abgas erzielt wird. Die Größe dieses Sauerstoffüberschusses kann konstant gehalten werden.

Eine Verbesserung des Verfahrens besteht jedoch darin, daß der Sauerstoffüberschuß im Abgas nicht konstant gehalten wird, sondern seinerseits nach Maßgabe des Lastgrades des Brenners variiert wird. Damit wird eine weitergehende Minimierung des Schadstoffgehaltes erreicht.

Statt der Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas, allenfalls auch in Ergänzung dazu, kann auch die Messung der Ionisation der Flamme erfolgen und zur Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge herangezogen werden.

Nachfolgend wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, bei der eine Sauerstoffsonde zur Regelung des Verhältnisses von Verbrennungsgasmenge und Luftmenge verwendet wird.

In der Figur ist ein Brenner 1 dargestellt, dem über eine Gaslei­ tung 2 das Verbrennungsgas und über eine Luftleitung 3 die von einem Gebläse 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Im Zuge der Gasleitung 2 ist ein Verhältnisregler 5 bekannter Bauart enthalten. In der Luft­ leitung 3 ist eine Luftklappe 6 vorhanden, die zur Steuerung des Lastgrades von einem Leistungsregler 7 über einen nicht dargestell­ ten Luftklappenantrieb betätigt wird. Zwischen der Luftleitung 3 und einem Steueranschluß 8 des Verhältnisreglers 5 ist ein Druck­ teiler 9 montiert, der eine Drossel 10, ein Hilfsventil 11 und einen auf das Hilfsventil 11 wirkenden Antrieb 12 enthält. Die Drossel 10 liegt dabei im Zuge der Verbindung zwischen der Luftleitung 3 und dem Steueranschluß 8, während das Hilfsventil 11 mit seiner Eingangs­ seite an die Verbindung zwischen der Drossel 10 und dem Steueran­ schluß 8 angeschlossen ist und seine Ausgangsseite mit der umgeben­ den Atmosphäre in Verbindung steht. Der Antrieb 12 steht in Wirk­ verbindung mit einem Hilfsregler 13. In eine an den Brenner 1 an­ schließende Abgasleitung 14 ist eine Sauerstoffsonde 15 eingebaut, deren Signal an den Hilfsregler 13 übermittelt wird. Der Hilfsreg­ ler 13 wandelt dieses Signal in ein für den Antrieb 12 erforder­ liches Stellungssignal. Außerdem kann zwischen dem Leistungsregler 7 und dem Hilfsregler 13 eine Steuerleitung 16 vorhanden sein, über die der Leistungsregler 7 dem Hilfsregler 13 den Lastgrad mitteilt, so daß der Hilfsregler 13 in der Lage ist, bei der Formierung des Stellungssignals für den Antrieb 12 des Hilfsventils 11 den Lastgrad zu berücksichtigen.

Die dargestellte Vorrichtung funktioniert wie folgt:
Das Gebläse 4 erzeugt einen Luftstrom, der groß genug ist, um die für die maxi­ male Leistung des Brenners 1 benötigte Luftmenge bereitzustellen. Entsprechend dem tatsächlichen Leistungsbedarf erzeugt der Leistungs­ regler 7 ein Stellungssignal für die Luftklappe 6, mit der der Luft­ strom entsprechend dem tatsächlichen Leistungsbedarf gesteuert wird. In der Luftleitung 3 wird auf diese Weise ein mit dem Lastgrad zusam­ menhängender Luftdruck erzeugt, der über die Drossel 10 auf den Steuereingang 8 des Verhältnisreglers 5 einwirkt und in bekannter Weise den Druck in der Gasleitung 2 und damit die dem Brenner 1 zuströmende Menge des Verbrennungsgases bestimmt. Die Einstellung der Drossel 10 und des Verhältnisreglers 5 ist dabei derart, daß bei geschlossenem Hilfsventil 11 die vom Verhältnisregler 5 einge­ regelte Gasmenge mindestens geringfügig größer ist als die auf die durchgesetzte Luftmenge bei optimaler Verbrennung zugeord­ nete Gasmenge. Würde der Brenner 1 so betrieben, dann würde die in der Abgasleitung 14 angeordnete Sauerstoffsonde 15 feststellen, daß kein Sauerstoffüberschuß vorhanden ist. Der Hilfs­ regler 13 wird dann aufgrund des Signals der Sauerstoffsonde 15 aus der Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istwert ein Stellungs­ signal für den auf das Hilfsventil 11 wirkenden Antrieb 12 ableiten und somit das Hilfsventil 11 entsprechend der Istabweichung öffnen. Durch das Öffnen des Hilfsventils 11 sinkt der am Steuereingang 8 des Verhältnisreglers 5 wirksame Druck, was zur Folge hat, daß der Druck in der Gasleitung 2 und damit die dem Brenner 1 zuströmende Menge des Verbrennungsgases abnimmt. Damit besteht ein Regelkreis, der die Gasmenge immer genau so groß hält, daß im Abgas ein gemäß der Sollwertvorgabe im Hilfsregler 13 bestimmter Sauerstoffüberschuß vorhanden ist. Der Hilfsregler 13 muß dabei so beschaffen sein, daß er die Eigenschaften der Regelstrecke hinsichtlich ihres Regel­ verhaltens berücksichtigt, was entsprechend den bekannten Algorithmen der Regelungstechnik zu realisieren ist.

Statt oder zusätzlich zu der Sauerstoffsonde 15 kann eine Ionisationssonde vorhanden sein. Bei Einsatz einer Ionisationssonde soll der Hilfsregler 13 entsprechend ausgebildet sein, um die von der Ionisationssonde abgegebenen Signale in Stellbefehle für den Antrieb 12 umsetzen zu können.

Anstelle der Sauerstoffsonde 15 oder in Ergänzung dazu kann auch eine die Temperatur in der Luftleitung 3 fühlende Sonde vorhanden sein, die mit dem Hilfsregler 13 wirkverbunden ist.

Bei allen diesen Ausführungsformen der Erfindung bleibt der Druck­ teiler 9 mit allen seinen seine Wirkung bestimmenden Elementen, der Drossel 10, dem Hilfsventil 11 und dem Antrieb 12, unverändert.

Der Antrieb 12 kann elektrothermisch, elektromotorisch oder auch elektromagnetisch, beispielsweise als Tauchmagnetsystem, ausgebildet sein. Vorteilhaft beim elektromotorischen und beim elektromagneti­ schen Antrieb ist, daß er sehr schnell reagiert und die Zeitpara­ meter der Regelstrecke praktisch nicht beeinflußt. Von Vorteil kann ein elektrothermischer Antrieb dann sein, wenn seine Zeitpara­ meter aufgrund der Bauart dem Zeitverhalten der übrigen Teile der Regelstrecke angepaßt sind oder leicht angepaßt werden können.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Regelung der Zusammensetzung des einem Gasgebläsebrenner zuzuführenden Gemisches aus Verbrennungsgas und Luft, bei der die Luftzufuhr entsprechend dem Lastgrad geregelt und die Gaszufuhr von der Luftzufuhr abhängig ist und bei der das Gemisch durch die Güte der Verbrennung beeinflussende und/oder charakterisierende Parameter korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen eine Luftleitung (3) und einen Steuereingang (8) eines die Verbrennungsgasmenge nach Maßgabe der Luftmenge regelnden Verhältnisreglers (5) ein Druckteiler (9) geschaltet ist, der die Variation des auf den Steuereingang (8) des Verhältnisreglers (5) wirkenden Luftdrucks dadurch bewirkt, daß ein auf den Druckteiler (9) wirkender Hilfsregler (13) das Signal wenigstens einer Sonde (15) zur Erfassung der die Güte der Verbrennung beeinflussenden oder charakterisierenden Parameter in ein Stellsignal für den Druckteiler (9) wandelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckteiler (9) aus einer Drossel (10), einem Hilfsventil (11) und einem das Hilfsventil (11) betätigenden Antrieb (12) aufgebaut ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (12) ein elektromotorischer Antrieb ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (12) ein elektromagnetischer Antrieb ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (12) ein elektrothermischer Antrieb ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsregler (13) das Steuersignal für den Antrieb (12) aus dem Signal einer in die Abgasleitung (14) eingebauten Sauerstoffsonde (15) ableitet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsregler (13) das Steuersignal für den Antrieb (12) aus dem Signal einer in der Luftleitung (3) angeordneten, die Temperatur der Luft fühlenden Sonde ableitet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsregler (13) das Steuersignal für den Antrieb (12) aus dem Signal einer Ionisationssonde ableitet.