Verfahren zur Verbrennungsregelung bei einem Gas- oder Ölbrenner

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennungsregelung bei einem Gas- oder Ölbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei diesem Verfahren wird mindestens ein Flammenionisationswert (Flammenionisationssignal), beispielsweise ein lonisationsstrom, mit einer lonisationselektrode erfasst, die in einem Abstand zu einer Brenneroberfläche angeordnet ist. Dafür wird eine elektrische Spannung, in der Regel eine Wechselspannung, an die lonisationselektrode angelegt, während die Brenneroberfläche geerdet ist. Aus DE 39 37 290 AI ist z.B. bekannt, das Verhältnis von tatsächlich in einem Brennstoff- Luft-Gemisch vorhandener Verbrennungsluftmenge zur für eine stöchiometrische Verbrennung benötigter Verbrennungsluftmenge, die so genannte Luftzahl, zu erfassen und bei der Verbrennungsregelung zu berücksichtigen. Dabei wird ein lonisationswert mit einer lonisationselektrode ermittelt, der von der Luftzahl abhängig ist. Dabei wird ausgenutzt, dass durch die Verbrennungsreaktionen Ionen und Elektronen gebildet werden, die eine elektrische Leitfähigkeit bewirken. Im einfachsten Fall werden die lonisationselektroden als einfache Flammenwächter oder Flammenfühler verwendet.

In DE 44 33 425 C2 ist eine unter dem Namen SCOT (System Control Technology) bekannte Auswerteschaltung offenbart, wobei über die lonisationselektrode ein lonisationsstrom erfasst wird, der von der Luftzahl des Brennstoff-Luft-Gemischs abhängig ist. Durch die Messung des lonisationswerts ist also eine Verbrennungsregelung möglich, wobei auf Grundlage des lonisationswerts die Zusammensetzung des Brennstoff-Luft- Gemischs angepasst wird.

Die Beziehung zwischen dem lonisationswert und der Luftzahl ist dabei auch von der Feuerungsleistung des Gas- oder Ölbrenners abhängig. Dementsprechend erfolgt in der Regel eine Kalibrierung zumindest in einem mittleren Feuerungsleistungsbereich. Aus DE 10 2010 026 389 AI ist ein Verfahren bekannt, wobei der Verbrennungsregelung Kennlinien unterlegt sind, die in Zusammenhang mit der Feuerungsleistung des Gas- oder Ölbrenners stehen. Dabei wird mit Hilfe des lonisationswerts eine Feuerungsleistung auf Grundlage der Menge an Brennstoff-Luft-Gemisch bestimmt. Dadurch ist es möglich, Beeinträchtigungen der Feuerungsleistung beispielsweise durch Winddruck, Verschmutzungen und ähnliches bei der Luftzahlmessung mit Hilfe einer lonisationselektrode zu berücksichtigen. Für die genaue Bestimmung der Luftzahl auf Grundlage des lonisationswerts muss allerdings die Größe eines Abstands zwischen der Brenneroberfläche und der lonisationselektrode bekannt sein. Der Abstand kann beispielsweise auf Grund von Fertigungstoleranzen oder auf Grund einer Verbiegung der Elektrode von dem berechneten bzw. geplanten Abstand, dem Soll-Abstand, abweichen. Dabei wird der Soll- Abstand bei der konstruktiven Auslegung des Brenners festgelegt, unter anderem unter Einfluss der Parameter Gestaltung und Material der Brenneroberfläche, Gestaltung und Material der lonisationselektrode, flächenbezogene Feuerungsleistung, Modulationsbereich der Feuerungsleistung, Brennkammergestaltung. Grund für die Bedeutung des Abstands ist, dass der lonisationswert von der Größe der Flamme auf der Brenneroberfläche bzw. davon abhängig ist, wie weit die Flamme den Abstand zwischen Brenneroberfläche und Elektrode überbrückt oder sogar über die lonisationselektrode hinausgeht. Bei einer geringen Feuerungsleistung und dementsprechend kleiner Flamme ist die Flamme von der lonisationselektrode relativ weit entfernt. Dementsprechend wird von der lonisationselektrode nur ein relativ kleiner lonisationswert erfasst. Bei einer mittleren Feuerungsleistung reicht die Flamme bis zur lonisationselektrode heran, überbrückt also den Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der lonisationselektrode. Dementsprechend kann ein maximaler lonisationswert erfasst werden. Bei einer Erhöhung der Feuerungsleistung und damit einer größeren Flammenbildung erstreckt sich die Flamme über die lonisationselektrode hinaus. Teile der Flamme haben dadurch keinen Einfluss mehr auf den lonisationswert. Auch heben die Flammen in der Regel etwas von der Brenneroberfläche ab, wodurch sich eine kalte, schlecht Strom leitende Zone ausbildet. Der lonisationswert nimmt daher wieder ab. Eine Positionsveränderung der lonisationselektrode bezüglich der Brenneroberfläche führt also zu einer Abweichung des gemessenen lonisationswerts zum tatsächlichen lonisationswert. Damit ist eine genaue Regelung nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Abweichung des Abstands der lonisationselektrode zur Brenneroberfläche erfasst werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster lonisationswert bei einer ersten Feuerungsleistung und ein zweiter lonisationswert bei einer zweiten Feuerungsleistung, die in etwa einer mittleren Feuerungsleistung entspricht, erfasst werden, wobei der erste lonisationswert und der zweiten lonisationswert miteinander verglichen werden.

Bei diesem Verfahren wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Position (der Abstand) der lonisationselektrode in der Regel so gewählt wird, dass in etwa bei einer mittleren Feuerungsleistung der entsprechende lonisationswert ein Maximum aufweist. Als mittlere Leistung wird dabei eine Leistung zwischen einer maximalen und einer minimalen Leistung bezeichnet, die relativ frei vorgebbar ist und nicht unbedingt einer mittleren Leistung im arithmetischen Sinne entspricht. Durch die Messung zweier lonisationswerte, wobei der erste lonisationswert bei einer ersten Feuerungsleistung und der zweite lonisationswert bei einer zweiten, der mittleren Feuerungsleistung entsprechenden Feuerungsleistung ermittelt wird, kann also festgestellt werden, ob der erste lonisationswert kleiner, gleich oder größer als der zweite lonisationswert ist. Wenn der erste lonisationswert gleich oder größer ist als der zweite lonisationswert befindet sich die lonisationselektrode nicht in dem angenommenen, nominalen Abstand zur Brenneroberfläche, sondern in einem kleineren oder größeren, also abweichenden Abstand dazu. Dementsprechend ist eine genaue Verbrennungsregelung nicht möglich. Durch die Ausgabe einer entsprechenden Fehlermeldung, wobei gegebenenfalls auch der Betrieb des Gas- oder Ölbrenners gestoppt werden kann, kann einem Bediener die Fehlstellung der lonisationselektrode bezüglich der Brenneroberfläche angezeigt werden. Dadurch kann eine Korrektur veranlasst werden. Als mittlere Feuerungsleistung kann eine Feuerungsleistung gewählt werden, die einem maximalen lonisationswert entspricht, wenn die lonisationselektrode in einem Soll-Abstand zur Brenneroberfläche angeordnet ist. Unter Soll-Abstand ist dabei ein Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der lonisationselektrode zu verstehen, der konstruktiv vorgegeben ist, also bei ordnungsgemäßer Montage und Ausrichtung der lonisationselektrode gegeben sein sollte. Dieser Soll-Abstand und die entsprechende mittlere Feuerungsleistung, bei der ein maximaler lonisationswert erhalten wird, sind theoretische Werte, die bei der konstruktiven Auslegung berechnet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Abweichung von diesen Werten erfasst werden.

Ein maximaler lonisationswert kann auch durch insbesondere schrittweise Änderung der Feuerungsleistung ermittelt werden, wobei die Feuerungsleistung, bei der ein Maximum für den lonisationswert auftritt, als mittlere Feuerungsleistung hinterlegt wird. Gegebenenfalls können auch mehrere Maxima vorliegen. Es geht dabei um die Änderung der Kurvenform. Dadurch kann beispielsweise durch eine Werksvoreinstellung oder bei einer ersten Inbetriebnahme die mittlere Feuerungsleistung definiert werden und so eine spätere Veränderung des Abstands der lonisationselektrode zur Brenneroberfläche erkannt werden. Dabei braucht man nicht unbedingt den genauen Maximalwert bzw. die entsprechende Feuerungsleistung, bei der dieser auftritt, um durch einen Vergleich des lonisationswerts eine Abweichung des Abstandes zum nominalen Abstand erkennen zu können.

Vorzugsweise wird mindestens ein dritter lonisationswert bei einer dritten Feuerungsleistung erfasst, wobei gegebenenfalls die erste Feuerungsleistung kleiner und die dritte Feuerungsleistung größer als die mittlere Feuerungsleistung ist. Dadurch ist eine genauere Bestimmung des Abstands der lonisationselektrode zur Brenneroberfläche möglich. Wenn der Abstand dem Soll-Abstand entspricht, sind, da der zweite lonisationswert im Maximum liegt, sowohl der erste lonisationswert als auch der dritte lonisationswert kleiner als der zweite lonisationswert. Ist hingegen der erste lonisationswert größer als der dritte lonisationswert, ist der Abstand geringer. Wenn der dritte lonisationswert größer als der zweite und der erste lonisationswert ist, ist der Abstand zwischen der lonisationselektrode und der Brenneroberfläche zu groß.

Zum Zuordnen der jeweiligen lonisationswerte zu den entsprechenden Leistungen wird vorzugsweise eine stöchiometrische Mischung bei den verschiedenen Leistungspunkten eingestellt und der lonenstrom, insbesondere der maximale lonenstrom, gemessen. Ein Verfahren zur Bestimmung der Maxima ist beispielsweise aus DE 195 39 568 Cl bekannt.

Bevorzugterweise werden der erste, zweite und gegebenenfalls dritte lonisationswert wiederholt erfasst und miteinander verglichen, wobei das Erfassen und Vergleichen insbesondere in vorgebbaren Zeitabständen erfolgt. Dadurch wird eine dauerhafte Überwachung des Abstands zwischen lonisationselektrode und Brenneroberfläche und damit eine hohe Zuverlässigkeit der Verbrennungsregelung erreicht. Eine Änderung des Abstands beispielsweise durch eine mechanische Kräfte in Wirkung oder Materialermüdung wird damit sicher erkannt.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann vorgesehen sein, dass eine Meldung erfolgt, wenn der erste lonisationswert und/oder gegebenenfalls der dritte lonisationswert größer ist als der zweite lonisationswert. In diesem Fall liegt eine Fehlausrichtung bzw. eine Veränderung des Abstands vor, so dass eine genaue Verbrennungsregelung nicht mehr gewährleistet ist. Durch das Ausgeben einer Meldung, beispielsweise eines Fehlersignals, kann ein Bediener auf diesen Fehler hingewiesen werden, so dass eine zeitnahe Behebung möglich ist. Die Zeitdauer, in der keine optimale Verbrennungsregelung erfolgt, wird dadurch klein gehalten.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird auf Grundlage der gemessenen lonisationswerte auf einen tatsächlichen, vom Soll-Abstand abweichenden Ist-Abstand zwischen Brenneroberfläche und lonisationselektrode geschlussfolgert und der Verbrennungsregelung dem Ist-Abstand entsprechende Kennlinien zu Grunde gelegt, wobei insbesondere eine automatische Anpassung an den Abstand vorgenommen wird. Es erfolgt also eine Anpassung des Soll-Ionisationswerts an den Ist- lonisationswert auf Grundlage eines näherungsweise berechneten Abstands. Auch bei einer Änderung dieses Abstands ist damit eine saubere Verbrennungsregelung möglich. Dafür können lonisationskennlinien für unterschiedliche Abstände hinterlegt sein.

Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:

Fig. la - lc: einen Gas- oder Ölbrenner bei niedriger, mittlerer und hoher

Feuerungsleistung und

Fig. 2: ein Diagramm mit lonisationskennlinien in Abhängigkeit vom Abstand.

In Fig. la bis lc ist ein Gas- oder Ölbrenner 1 gezeigt, der bei verschiedenen Feuerungsleistungen betrieben wird. Der Einfachheit halber wird der Gas- oder Ölbrenner 1 im Folgenden einfach als Brenner bezeichnet. In Fig. la wird der Brenner mit einer ersten Feuerungsleistung A, die einer relativ geringen Feuerungsleistung entspricht, betrieben. Flammen 2 befinden sich daher relativ nah an einer Brenneroberfläche 3. Eine lonisationselektrode 4, die in einem Abstand d ₀ zur Brenneroberfläche 3 angeordnet ist, wird von den Flammen 2 nicht erreicht. Dadurch ermittelt die lonisationselektrode 4 nur einen geringen lonisationswert, beispielsweise einen geringen lonisationsstrom. Figur lb zeigt den Brenner 1 im Betrieb mit einer mittleren Feuerungsleistung. Die Flammen 2 reichen dabei bis zur lonisationselektrode 4, also über den Abstand d ₀ hinweg. Ein lonisationswert, der von der lonisationselektrode 4 erfasst wird, nimmt daher ein Maximum ein. Beispielsweise fließt ein maximaler lonisationsstrom. Der maximale lonisationswert wird dadurch erreicht, dass die Flamme 2 sehr nah an die lonisationselektrode heranreicht und damit eine maximale Leitfähigkeit erreicht wird.

In Figur lc ist der Brenner in Betrieb mit maximaler Feuerungsleistung gezeigt. Die Flammen 2 gehen über die lonisationselektrode 4 hinaus. Ein über die lonisationselektrode 4 erfassbarer lonisationswert nimmt dabei gegenüber dem bei einer mittleren Feuerungsleistung des Brenners 1 entsprechend Figur lb ermittelten lonisationswert ab, da die Spitzen der Flammen keinen Einfluss auf den erreichbaren lonisationsstrom mehr haben. In Figur 2 ist in einem Diagramm der lonisationswert als lonisationsstrom über der Feuerungsleistung des Brenners 1 aufgetragen, wobei als durchgezogene Kennlinie die lonisationswerte für einen Abstand zwischen lonisationselektrode und Brenneroberfläche dargestellt sind, die einem Nenn-Abstand d ₀ entsprechen. Gestrichelt dargestellt ist eine Kennlinie für den Fall, dass der Abstand d kleiner ist als der Nenn-Abstand d ₀ , und strichpunktiert gezeichnet ist eine Kennlinie für den Fall, dass der Abstand d größer ist als der Nenn-Abstand d ₀ .

Mit A ist eine erste Feuerungsleistung gekennzeichnet, die beispielsweise einer minimalen Feuerungsleistung des Brenners 1 entspricht, bei der noch eine sichere Flammenbildung gewährleistet ist. Mit B ist eine zweite bzw. mittlere Feuerungsleistung bezeichnet, bei der bei einer Anordnung der lonisationselektrode mit dem Nenn-Abstand zur Brenneroberfläche ein Maximum des lonisationswertes zur erwarten ist. Eine dritte Feuerungsleistung C ist eine maximale Feuerungsleistung des Brenners 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrennungsregelung umfasst ein Überprüfungsverfahren, ob ein Abstand d zwischen der lonisationselektrode und der Brenneroberfläche dem bei der konstruktiven Auslegung gewählten Soll-Abstand d ₀ entspricht. Dafür wird der Brenner 1 zunächst mit der ersten Feuerungsleistung A betrieben. Dazu wird ein erster lonisationswert 5 erfasst. Mit Strich ist dabei der lonisationswert für einen verringerten Abstand und mit Doppelstrich der lonisationswert für einen vergrößerten Abstand gekennzeichnet. Wenn der Abstand dem Nenn-Abstand entspricht, ist das einfache ungestrichene Bezugszeichen verwendet.

Bei einer mittleren Feuerungsleistung B ergibt sich ein weiterer lonisationswert 6, der bei einem Abstand gleich dem Soll-Abstand und einem Abstand größer als der Soll-Abstand größer ist als der erste lonisationswert 5. Für einen Abstand kleiner als den Soll-Abstand ergibt sich ein kleinerer zweiter lonisationswert 6' als ein erster lonisationswert 5'.

Mit einer dritten Messung bei der dritten Feuerungsleistung C wird ein dritter lonisationswert 7 erfasst, wobei für einen Abstand größer als der Soll-Abstand der dritte lonisationswert 7" größer ist als der zweite lonisationswert 6 und für andere Bedingungen kleiner ist. Durch einen Vergleich der lonisationswerte 5, 6, 7 lässt sich also feststellen, ob der Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der lonisationselektrode dem Nenn- Abstand entspricht, größer ist oder kleiner ist. Auch lässt sich gegebenenfalls abschätzen, in welchem Abstand die lonisationselektrode gegenüber der Brenneroberfläche angeordnet ist. Dieser nährungsweise berechnete Abstand kann dann der Verbrennungsregelung zu Grunde gelegt werden.

Wenn die lonisationselektrode 4 im Nenn-Abstand zur Brenneroberfläche 3 angeordnet ist, wird ein maximaler lonisationswert 6 bei der mittleren, zweiten Feuerungsleistung B erfasst. Auf Grund der Änderung der Flammenlänge bei geänderter Feuerungsleistung fällt der lonisationswert sowohl bei einer Steigerung der Feuerungsleistung (C) als auch bei einer Verringerung der Ausgangsleitung (A) ab, so dass der erste lonisationswert 5 und der dritte lonisationswert 7 kleiner sind als der zweite lonisationswert 6.

Bei einer Abweichung des Abstands vom Soll-Abstand ändert sich die Kennlinie. Bei einer Verkleinerung des Abstands verschiebt sich der maximale lonisationswert zu einer geringeren Feuerungsleistung. Dies bewirkt insbesondere, dass der lonisationswert 5' bei der ersten, kleinen Feuerungsleistung A höher ist als der lonisationswert 7' bei der dritten, hohen Feuerungsleistung. Bei einer Vergrößerung des Abstands wird der maximale lonisationswert erst bei einer höheren Feuerungsleistung erreicht. Mit anderen Worten ist der erste lonisationswert 5" kleiner ist als der zweite lonisationswert 6", der wiederum kleiner ist als der dritte lonisationswert 7".

Durch dieses Verfahren lässt sich also relativ genau ermitteln, ob die lonisationselektrode in Nenn-Abstand zur Brenneroberfläche, in einem größeren oder einem kleineren Abstand angeordnet ist. Dabei kann dieses Verfahren dazu genutzt werden, den Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der lonisationselektrode abzuschätzen und den Soll- Ionisationswert entsprechend anzupassen. Dafür können entsprechende Kennlinien hinterlegt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu verwendet werden, beispielsweise eine Verformung der lonisationselektrode zu detektieren.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich eine Verbrennungsregelung, die den Abstand zwischen der Brenneroberfläche und der lonisationselektrode bei der Bestimmung der Luftzahl berücksichtigt und dementsprechend eine hohe Betriebssicherheit aufweist. Insbesondere können Fertigungstoleranzen und/oder mechanische Einflüsse, die zu einer Veränderung des Abstands führen, erkannt und berücksichtigt werden. Dabei kann auch eine automatische Anpassung erfolgen, die beispielsweise periodisch erfolgt. So können z.B. nachträgliche Veränderungen des Abstands erfasst werden, wobei diese Änderungen nicht zu einer Verschlechterung der Verbrennungswerte führen. Vielmehr wird die Verbrennungsregelung automatisch an den Abstand und die davon abhängigen lonisationswerte angepasst, in dem eine Anpassung der Soll-Ionisationswerte erfolgt. Insgesamt ergibt sich damit ein sehr sicheres, störunanfälliges Verfahren zur Verbrennungsregelung eines Gas- oder Ölbrenners, der mit unterschiedlichen Feuerungsleistungen betrieben werden kann.