Verfahren zur Überwachung und Zündung der Flamme eines Brenners

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Steuerung und einer Zünd- und lonisationselektrode zur Überwachung und Zündung der Brennerflamme, insbesondere in der Art von mit gasförmigen Brennstoffen betriebenen Brennern, die in Heizungsanlagen zum Erhitzen von Flüssigkeiten (z. B. Brauchwasser) und/oder Luft dienen und in fahrbaren Räumen, wie Wohnmobilen und Wohnwagen installiert sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung eines Brenners. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überwachung und Zündung der Flamme eines Brenners.

Für den sicheren Betrieb von Brennern ist es essenziell, dass die Flamme zuverlässig zündet und dass die Flamme zuverlässig überwacht werden kann.

Zum Zünden der Flamme wird typischerweise eine im Flammenbereich angeordnete Zündelektrode verwendet. Diese ist im Normalfall mit einer Entladeschaltung gekoppelt. Soll die Flamme am Brenner gezündet werden, wird der Brennstoff freigegeben, und er strömt als Gemisch mit Luft aus einer Brennerdüse aus. Gleichzeitig kommt es zu einer Entladung der Entladeschaltung über die Zündelektrode, wodurch ein Zündfunken entsteht, der den aus der Brennerdüse ausströmenden Brennstoff entzündet.

Sobald die Flamme des Brenners entzündet ist, muss die Flamme kontinuierlich überwacht werden, um sicherzustellen, dass beim Erlöschen der Flamme die Zufuhr von Brennstoff gestoppt wird. Um die Flamme kontinuierlich zu überwachen, wird üblicherweise eine lonisationselektrode verwendet. Dabei stellt sich, wenn die Flamme brennt, ein lonisationsstrom zwischen der lonisationselektrode und einer elektrischen Masse, welche typischerweise vom Brenner gebildet wird, ein. Der lonisationsstrom wird kontinuierlich überwacht. Erlöscht die Flamme, kann dies an einem Absinken und schließlich einem Abbruch des lonisationsstroms erkannt werden. Hierauf kann reagiert werden, indem die Brennstoffzufuhr abgestellt wird. Alternativ kann durch ein abermaliges Entladen der Zündelektrode versucht werden, die Brennerflamme erneut zu zünden. Ist dies nicht erfolgreich, muss die Brennstoffzufuhr abgestellt werden.

Es sind im Stand der Technik auch Lösungen bekannt, bei denen die Zündelektrode und die lonisationselektrode in einer gemeinsamen Elektrode vereinigt sind. Hierbei kommt eine Wechselspannungsquelle zum Einsatz, und es wird der gleichrichtende Effekt der lonisationselektrode genutzt, um die Flammenüberwachung zu realisieren.

Der Nachteil dieser Lösung ist, dass eine Wechselspannungsquelle vorhanden sein muss. Dies ist üblicherweise nur dann der Fall, wenn das Gerät, in dem der Brenner verwendet wird, an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen ist. Für mobile Anwendungen wie in Wohnmobilen oder Campinganhängern ist dies selten der Fall.

Andere Lösungen, bei denen eine gemeinsame Zünd- und lonisationselektrode verwendet wird, arbeiten, ohne dass eine äußere Spannung an die lonisationsschaltung angelegt wird, und nutzen ausschließlich die Flamme als Spannungsquelle. Dabei wird der dabei vorliegende lonisationsstrom überwacht.

Wird ausschließlich der lonisationsstrom überwacht, ohne eine äußere Spannung anzulegen, so hat dies zur Folge, dass das von der lonisationselektrode bereitgestellte Signal zur Erfassung der Flamme sehr empfindlich auf Ablagerungen oder Verschmutzungen der lonisationselektrode reagiert. Daher muss die lonisationselektrode häufig gereinigt oder gar ausgetauscht werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Brenner zu schaffen, bei dem mit geringem Aufwand und ohne eine Wechselspannungsquelle zuverlässig die Flamme gezündet und dann überwacht werden kann, ob die Flamme gezündet wurde und ob sie brennt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Brenner mit einer Steuerung und einer Zünd- und lonisationselektrode zur Zündung und Überwachung der Brennerflamme vorgesehen, wobei die Zünd- und lonisationselektrode im Flammbereich des Brenners angeordnet ist, elektrisch mit einer Entladeschaltung gekoppelt ist und bei eingeschalteter Flamme des Brenners ein lonisationssignal liefert, wobei die Steuerung auf Basis des lonisationssignals ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Brenners liefert und wobei die Entladeschaltung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Funktionen der Zündelektrode und der lonisationselektrode in einer einzigen Elektrode zu vereinen. Hierdurch ergeben sich geringere Herstellungskosten, da nur eine Elektrode hergestellt werden muss und auch nur eine Elektrode montiert werden muss. Außerdem vereinfacht eine einzelne Elektrode auch die Wartung des Brenners, da nur diese eine Elektrode überprüft und ggfls. gereinigt und ausgerichtet werden muss. Darüber hinaus kann der Brenner mit einer Gleichspannungsquelle betrieben werden, sodass keine aufwendige Versorgung mit einer Wechselspannung notwendig ist.

Vorteilhafterweise liegt die durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellte Versorgungspannung zwischen 8 bis 50 V. Somit ist eine Bordnetzspannung von 12 V, welche für Wohnmobile und Campinganhänger üblich ist, vollkommen ausreichend, um als Versorgungsspannung zu dienen. Des Weiteren wären als Versorgungsspannung auch Bordnetze mit 24 oder auch 48 V denkbar, wie sie in LKW oder vereinzelt auch in Wohnmobilen und Wohnwagen zur Verfügung stehen.

Bevorzugt ist ein Spannungswandler vorgesehen, mit dem die Steuerung die Versorgungsspannung der Gleichspannungsquelle variiert, bevor die Entladeschaltung mit dieser gespeist wird. Dabei ist eine Erhöhung der Spannung vorteilhaft, da sich die Zuverlässigkeit bei einem Betrieb der Zünd- und lonisationselektrode mit Spannungen oberhalb der üblichen Bordnetzspannungen verbessert. Mit einer höheren Spannung kann die Flamme in einer Weise überwacht werden, die kaum oder gar nicht vom Verschmutzungsgrad oder von Ablagerungen auf der Elektrode beeinflusst wird.

Vorteilhafterweise kann der Spannungswandler die Spannung der Gleichspannungsquelle zwischen 100 bis 300 V variieren. Diese Werte stellen einen guten Kompromiss dar zwischen einerseits der vorstehend beschriebenen Vorteile beim Zünden und Überwachen und andererseits akzeptablen Kosten für den Spannungswandler.

Die Gleichspannungsquelle kann eine Batterie oder ein Akkumulator sein. Somit kann der Brenner unabhängig von der Standortinfrastruktur betrieben werden. Außerdem ist keine zusätzliche Stromquelle nötig, da die ohnehin im Fahrzeug verbaute Bordnetzbatterie oder Zusatzbatterie als Gleichspannungsquelle dienen kann.

Bevorzugt kann die Entladeenergie der Entladeschaltung durch die Steuerung mittels Frequenzänderung einer Pulsweitenmodulation einstellbar sein. Mittels der Pulsweitenmodulation kann die Entladeenergie, die beim Zünden verwendet wird, an äußere Einflüsse angepasst werden, die die Zündung beeinflussen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Flamme auch bei unterschiedlichen Randbedingungen zuverlässig gezündet wird.

Die Entladeschaltung kann einen Kondensator und einen Zündtransformator umfassen. Diese Komponenten sind kostengünstig und erlauben es, die Entladeschaltung einfach so aufzubauen, dass eine lange Lebensdauer erhalten wird.

Bevorzugt ist ein Operationsverstärker vorgesehen, der das lonisationssignal verstärkt, welches bei eingeschalteter Brennerflamme an der Steuerung anliegt. Mit dem Operationsverstärker kann insbesondere der Gleichspannungsanteil des lonisationssignals verstärkt werden, das die Existenz und mittelbar die Qualität der Flamme anzeigt, und der Ansteuerung zur Verfügung gestellt werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit einer Steuerung und einer Zünd- und lonisationselektrode zur Zündung und Überwachung der Brennerflamme eines Brenners, wobei die Zünd- und lonisationselektrode im Flammbereich des Brenners angeordnet ist, elektrisch mit einer Entladeschaltung gekoppelt ist und bei eingeschalteter Flamme des Brenners ein lonisationssignal liefert, wobei die Steuerung auf Basis des lonisationssignals ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Brenners liefert und wobei die Entladeschaltung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Schaltungsanordnung kann alternativ als „Zünd- und lonisationsschaltungsanordnung“ eines Brenners, insbesondere eines Gasbrenners mit einer Elektrode bezeichnet werden. Die Schaltungsanordnung ist wie in den vorangehenden und folgenden Ausgestaltungen und Ausführungen einem Brenner zugeordnet. Daher kann die Schaltungsanordnung auch entsprechend diesen Aspekten ausgeführt sein. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangehenden und folgenden Erläuterungen verwiesen. Die eingangs genannte Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung und Zündung der Flamme eines Brenners, mit den folgenden Schritten: a) es wird eine Entladeschaltung durch eine Gleichspannungsquelle gespeist, b) es wird eine Flamme gezündet, indem eine Steuerung den Gasstrom im Brenner freigibt und eine Entladung der Entladeschaltung über eine Zünd- und lonisationselektrode hervorruft, c) es wird ein von der Zünd- und lonisationselektrode erzeugtes und verstärktes lonisationssignal durch die Steuerung erfasst und überwacht, d) die Steuerung gibt ein Ausgangssignal auf Basis des verstärkten lonisationssignals aus, in dessen Abhängigkeit die Luftzufuhr oder/und die Gaszufuhr des Brenners gesteuert wird.

Hinsichtlich der sich ergebenden Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen zum Brenner verwiesen.

Vorteilhafterweise kann die Versorgungsspannung der Gleichspannungselektrode im Schritt a) durch die Steuerung mittels eines Spannungswandlers in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Einflussfaktoren variiert werden: dem Brenner, der Brennertemperatur und dem Verschmutzungsgrad oder den Ablagerungen an der Zünd- und lonisationselektrode, welche anhand der Nutzungsdauer oder des Widerstandes einer Schutzschaltung abgeschätzt werden können. Wie bereits zuvor erläutert, hat die Berücksichtigung dieser äußeren Einflussfaktoren eine positive Auswirkung auf ein erfolgreiches Zünden der Flamme und ein zuverlässiges Überwachen der Flamme.

Bevorzugt kann die Entladeenergie beim Zünden der Flamme in Schritt b) durch die Steuerung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit variiert werden. Durch ein Anpassen der Entladeenergie ist gewährleistet, dass ein sauberer Zündfunken zwischen der Elektrode und dem Brenner überschlägt und die Brennerflamme in den verschiedensten Situationen zuverlässig gezündet wird. Bevorzugt kann, sobald die Steuerung in Schritt d) erfasst, dass das verstärkte lonisationssignal unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, die Brennstoffzufuhr abgestellt werden oder nach einer weiteren Entladung der Entladeschaltung geprüft werden, ob durch die Steuerung ein lonisationssignal oberhalb des Grenzwerts erfasst wird. Dies stellt sicher, dass bei einem Erlöschen der Flamme, was durch ein Absinken des lonisationssignals erkannt werden kann, kein unverbrannter Brennstoff aus dem Brenner ausströmt. Alternativ zum Abstellen der Brennstoffzufuhr kann versucht werden, den ausströmenden Brennstoff durch eine automatische Neuzündung wieder zu entzünden, um den Betrieb fortsetzen zu können, ohne das Komforteinbußen entstehen. Alternativ kann durch die Steuerung der Zufuhr von Luft und/oder Brennstoff eine Stabilisierung des Brennverhaltens oder z. B. das Erreichen eines bestimmten Brennwerts (sogenannter Lambda-Wert) angestrebt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. In dieser zeigt:

Figur 1 schematisch einen Brenner mit einer Baugruppe zur Zündung und Überwachung der Brennerflamme.

Figur 1 zeigt einen Brenner mit einer Brennerdüse 10 und mit einer Zünd- und lonisationselektrode 20.

Der Brenner dient zum Erhitzen von Luft und/oder Wasser und kann z.B. in Wohnmobilen und Wohnwagen installiert werden.

Die Zünd- und lonisationselektrode 20 ist im Flammenbereich der Brennerdüse 10 angeordnet und erzeugt bei eingeschalteter Flamme ein lonisationssignal, welches über eine Schutzschaltung 22 und einen Operationsverstärker 30 zu einer Steuerung 40 geleitet wird. Die Zünd- und lonisationselektrode 20 und die Schutzschaltung 22 sind elektrisch mit einer Entladeschaltung 50 gekoppelt.

Die Entladeschaltung 50 umfasst einen Kondensator 52 und einen Zündtransformator 54.

Die Entladeschaltung 50 und die Schutzschaltung 22 werden von einer durch einen Spannungswandler 60 gewandelten Versorgungsspannung einer Gleichspannungsquelle 70 gespeist. Die Versorgungsspannung der Gleichspannungsquelle 70 kann zwischen 8 bis 50 V betragen. Dabei ist es denkbar, als Gleichspannungsquelle 70 eine Batterie 72 oder einen Akkumulator 74 einzusetzen. Alternativ kann ein Netzteil eingesetzt werden.

Es wird in der dargestellten Ausführung die Versorgungsspannung der Gleichspannungsquelle 70 variabel durch die Steuerung 40 mit Hilfe des Spannungswandlers 60 gewandelt. Dies kann mittels Pulsweitenmodulation erfolgen, deren Frequenz im Bereich von einigen kHz bis zu einem 1 MHz 4 liegt. Dabei ist es denkbar, dass die Spannung zwischen 100 bis 300 V variiert werden kann, im Regelfall allerdings 180 V beträgt.

Das Variieren der Versorgungsspannung der Gleichspannungsquelle 70 durch den Spannungswandler 60 kann in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren erfolgen, wie dem Brennertyp, der Brennertemperatur und dem Verschmutzungsgrad oder den Ablagerungen an der Zünd- und lonisationselektrode 20. Der Verschmutzungsgrad und die Ablagerungen an der Elektrode werden dabei anhand der Nutzungsdauer oder anhand des in der Schutzschaltung 22 vorliegenden Widerstandes abgeschätzt.

Zudem ist es denkbar, einen Spannungsteiler und einen Tiefpassfilter einzubringen, um die durch den Spannungswandler 60 gewandelte Spannung mittels der Steuerung 40 messen zu können.

Darüber hinaus kann die Steuerung 40 einen Proportional-Integral-Derivativ- Regler oder einen Proportional-Integral-Regler umfassen, mithilfe dessen die gewandelte Spannung auf einen Sollwert geregelt werden kann.

Um die Brennerflamme zu zünden, gibt die Steuerung 40 die Brennstoffzufuhr frei, sodass das Brennstoff-Luft-Gemisch an der Brennerdüse 10 ausströmt. Gleichzeitig wird durch ein Entladen der Entladeschaltung 50 über die Zünd- und lonisationselektrode 20 gezündet.

Die bei der Zündung freigesetzte Entladeenergie der Entladeschaltung 50 kann variabel durch die Steuerung 40 eingestellt werden. Durch die Änderung der Anzahl der Entladungen pro Sekunde lässt sich die Entladeenergie variieren. Typischerweise liegt die Entladefrequenz im Bereich von 8 bis 50 Hz. Bei dieser Ausgestaltung ist es denkbar, die Entladeenergie der Entladeschaltung 50 durch die Steuerung 40 in Abhängigkeit von äußeren Einflussfaktoren wie der Umgebungstemperatur und/oder der Lufttemperatur zu steuern.

Wenn die Brennerflamme brennt, entsteht an der Zünd- und lonisationselektrode 20 ein lonisationssignal. Gleichzeitig liegt die gewandelte Versorgungsspannung der Gleichspannungsquelle 70 als äußere Spannung an der Schutzschaltung 22 an. Der Operationsverstärker 30 verstärkt ausschließlich den Gleichspannungsanteil des lonisationssignals, welcher aufgrund der Gleichrichtereigenschaft der Flamme an der Zünd- und lonisationselektrode 20 besteht.

Die Steuerung 40 erfasst das verstärkte lonisationssignal, welches durch die Brennerflamme an der Brennerdüse 10 vorliegt, und gibt abhängig von dem lonisationssignal ein Ausgangssignal ab, welches die Gaszufuhr zur Brennerdüse 10 steuert. Liegt an der Steuerung 40 bei freigegebener Brennstoffzufuhr kein lonisationssignal oder ein lonisationssignal, dessen Betrag einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, so stoppt die Steuerung 40 die weitere Brennstoffzufuhr. Dadurch ist verhindert, dass weiter Brennstoff aus der Brennerdüse ausströmt, der dann nicht verbrannt würde.

Gemäß einer Alternative aktiviert die Steuerung 40, wenn das lonisationssignal unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, erneut die Entladeschaltung 50. Falls daraufhin wieder eine stabile Flamme an der Brennerdüse 10 entsteht, liegt an der Steuerung 40 auch wieder ein lonisationssignal an, und der Brenner kann weiter betrieben werden. Falls nach einem Zündversuch kein lonisationssignal erfasst wird, unterbindet die Steuerung 40 die weitere Zufuhr von Brennstoff.