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AT505244B1 - METHOD FOR CHECKING IONIZATION ELECTRODE SIGNAL IN BURNERS - Google Patents

METHOD FOR CHECKING IONIZATION ELECTRODE SIGNAL IN BURNERS Download PDF

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AT505244B1
AT505244B1 AT0089707A AT8972007A AT505244B1 AT 505244 B1 AT505244 B1 AT 505244B1 AT 0089707 A AT0089707 A AT 0089707A AT 8972007 A AT8972007 A AT 8972007A AT 505244 B1 AT505244 B1 AT 505244B1
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Description

teisäiisd'is patentt AT505 244 B1 2009-08-15teisäiisd'is patented AT505 244 B1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung des lonisationselektroden-signals bei Brennern.Description [0001] The invention relates to a method for checking the ionization electrode signal in burners.

[0002] lonisationselektroden werden eingesetzt, um das Vorhandensein einer Flamme festzustellen. In einer Flamme können sich Ionen frei bewegen. Wird an zwei Elektroden, die sich im Flammenbereich befinden, eine Spannung angelegt, so fließt in der Flamme ein Strom. Erlischt die Flamme, so kommt auch der Stromfluss zu Erliegen. Unterschreitet der gemessene lonisati-onsstrom einen bestimmten Grenzwert, so verriegelt die Regelung des Brenners die Gaszufuhr, um unkontrollierten Gasaustritt zu vermeiden.Ionization electrodes are used to detect the presence of a flame. In a flame, ions can move freely. If a voltage is applied to two electrodes located in the flame area, a current flows in the flame. When the flame goes out, the current flow comes to a standstill. If the measured ionization current falls below a certain limit, the control of the burner locks the gas supply in order to avoid uncontrolled gas leakage.

[0003] Der lonisationsstrom ist von einigen Faktoren abhängig. So nimmt beispielsweise der lonisationsstrom ab, wenn die Oberfläche der Elektroden durch den Einfluss der Flamme mit einer Ablagerungsschicht überzogen ist.The ionization current is dependent on several factors. For example, the ionization current decreases when the surface of the electrodes is covered by a deposition layer due to the influence of the flame.

[0004] Im ungünstigsten Fall kann es trotz Vorhandensein einer Flamme zu einer Brenngasabschaltung kommen, wenn die lonisationselektroden zu stark mit Ablagerungen überzogen sind.In the worst case, there may be a fuel gas shutdown despite the presence of a flame when the ionization electrodes are too heavily coated with deposits.

[0005] Darüber hinaus ist der lonisationsstrom vom Brenngas-Luft-Verhältnis λ abhängig. Bei stöchiometrischer Verbrennung ist der lonisationsstrom maximal.In addition, the ionization of the fuel gas-air ratio λ is dependent. With stoichiometric combustion, the ionization current is maximum.

[0006] Ein Verfahren zur Regelung eines Gasgebläsebrenners einer Heizungsanlage mit Hilfe der Messung der Kohlenmonoxidemission im Abgas ist aus der DE 103 00 602 A1 bekannt. Hierbei wird das Brenngas-Luft-Gemisch des Brenners angefettet, wodurch die Luftzahl sinkt. Ein Abgassensor misst die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr und leitet das Signal an eine Regelung weiter. Unterschreitet der Luftüberschuss einen bestimmten Wert, in der Regel sind dies ca. 8 % Luftüberschuss, so steigen die Kohlenmonoxidemissionen steil an. Registriert die Regelung, dass die Kohlenmonoxidemission einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat, so wird das Gemisch nicht weiter angefettet. Das Gemisch wird dann definiert abgemagert, um eine optimale Verbrennung zu erreichen.A method for controlling a gas fan burner of a heating system using the measurement of carbon monoxide emission in the exhaust gas is known from DE 103 00 602 A1. Here, the fuel gas-air mixture of the burner is enriched, whereby the air ratio decreases. An exhaust gas sensor measures the carbon monoxide emission in the exhaust pipe and forwards the signal to a control. If the excess of air falls below a certain level, usually around 8% of excess air, carbon monoxide emissions rise steeply. If the regulation that the carbon monoxide emission has exceeded a predetermined threshold value, the mixture is not further enriched. The mixture is then defined as lean to achieve optimum combustion.

[0007] Die EP 770 824 A2 offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Brenngas-Luft-Gemischs eines Brenners, bei dem der lonisationsstrom oder die lonisationsspannung erfasst wird. Während des Kalibrierverfahrens wird das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet und die lonisationsspannung gemessen. Erreicht letztgenannte ein Maximum, so ist die Verbrennung stöchiometrisch. Das Gemisch wird dann gezielt abgemagert. Der Absolutwert der lonisationsspannung kann aufgrund von Verschleiß, Verschmutzung oder Verbiegung variieren. Erreicht das Spannungsmaximum einen bestimmten Wert nicht, so wird ein Störsignal ausgelöst und der Brenner abgeschaltet.EP 770 824 A2 discloses a method for controlling a fuel gas-air mixture of a burner, in which the ionization current or the ionization voltage is detected. During the calibration process, the fuel gas-air mixture is enriched and the ionisation voltage is measured. If the latter reaches a maximum, the combustion is stoichiometric. The mixture is then deliberately emaciated. The absolute value of the ionization voltage may vary due to wear, contamination or bending. If the voltage maximum does not reach a certain value, a fault signal is triggered and the burner is switched off.

[0008] Aus AT 411189 B ist bekannt, dass bei nahstöchiometrischer Verbrennung die Kohlenmonoxidemissionen im Abgas sehr stark ansteigen. Zur Regelung des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines Brenners wird das Gemisch angefettet, bis hohe Kohlenmonoxidemissionen gemessen werden; das Gemisch wird dann gezielt abgemagert. Bezüglich der lonisationsstrommessung lehrt die AT 411 189 B, dass ein Plausibilitätstest durchgeführt werden kann. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass im Bereich 1,0< λ < 1,3 beim Anfetten sowohl der lonisationsstrom, als die Kohlenmonoxidemissionen stetig ansteigen. Daher sieht die AT 411 189 B vor, dass in dem Fall, in dem der lonisationsstrom ansteigt, während die Kohlenmonoxidemissionen abfallen, ein Fehler vorliegen muss, weshalb der Kalibriervorgang abgebrochen wird und die Regelung mit den alten Sollwerten weiterbetrieben wird. Fällt der lonisationsstrom bei der Anfettung, so sollte die Verbrennung unterstöchiometrisch sein; die Kohlenmonoxidemissionen müssten dann extrem hoch sein. Werden keine solchen Emissionen gemessen, so muss gemäß der Lehre der AT 411 189 B ein Fehler vorliegen.From AT 411189 B it is known that at near-stoichiometric combustion, the carbon monoxide emissions in the exhaust gas rise very sharply. To control the fuel gas to air ratio of a burner, the mixture is enriched until high carbon monoxide emissions are measured; the mixture is then deliberately emaciated. Regarding ionization current measurement, AT 411 189 B teaches that a plausibility test can be performed. It is known in the art that in the range 1.0 < λ < 1.3 when enriching both the ionisationsstrom, as the carbon monoxide emissions rise steadily. Therefore, AT 411 189 B provides that in the case where the ionization current increases, while the carbon monoxide emissions decrease, there must be an error, therefore the calibration process is aborted and the control continues to operate with the old setpoints. If the ionization current falls during enrichment, the combustion should be substoichiometric; the carbon monoxide emissions would then have to be extremely high. If no such emissions are measured, an error must be present according to the teaching of AT 411 189 B.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das eine Veränderung des lonisationselektrodensignals frühzeitig erkennt, um vor dem Ausfall Gegenmaßnahmen einleiten zu können. 1/6 patenuHKt AT505 244B1 2009-08-15 [0010] Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs dadurch gelöst, dass bei einem Gasbrenner mit einer Einrichtung zur getrennten Regelung der Brenngas- und Luftmenge und einem Abgassensor zur Messung der Kohlenmonoxid-Konzentration oder Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet wird bis der Abgassensor ein Signal erfasst, das einem vorgegebenen oder errechneten Schwellwert entspricht, zu diesem Zustand das lonisationselektrodensignals einer lonisationselektrode erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird, wobei in dem Fall, in dem das lonisationselektrodensignals den Referenzwert unterschreitet ein Warnhinweis ausgegeben wird.The invention has for its object to provide a method that detects a change in the ionisationselektrodensignals early on to initiate countermeasures before the failure can. According to the invention this is achieved according to the features of the independent claim, characterized in that in a gas burner with a device for separate control of the fuel gas and air quantity and an exhaust gas sensor for measuring the carbon monoxide concentration or concentration of unburned hydrocarbons, the fuel gas-air mixture is enriched until the exhaust gas sensor detects a signal corresponding to a predetermined or calculated threshold value, to which state the ionization electrode signal of an ionization electrode is detected and compared with a reference value, in which case, in the ionization electrode signal falls below the reference value a warning is issued.

[0011] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of the independent claims.

[0012] So kann der Mittelwert der mindestens zwei letzten lonisationselektrodensignale gebildet werden, um anstelle von Einzeleinflüssen Trends größeres Gewicht zu geben. Wird ein zweiter Referenzwert, der niedriger als der erste Referenzwert ist, unterschritten, so wird das Heizgerät abgeschaltet, um unsichere Zustände zu vermeiden.Thus, the mean value of the at least two last ionisationselektrodensignale can be formed to give instead of single influences trends greater weight. If a second reference value, which is lower than the first reference value, falls below, then the heater is switched off to avoid unsafe states.

[0013] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen: [0014] Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und [0015] Figur 2 den Verlauf des lonisationsstroms und der Kohlenmonoxidemissionen während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention will now be explained in detail with reference to FIGS. 1 shows a device for carrying out the process according to the invention, and [0015] FIG. 2 shows the course of the ionization flow and the carbon monoxide emissions during the performance of the process according to the invention.

[0016] Eine Heizungsanlage gemäß Fig. 1 verfügt über einen Brenner 1 mit einem diesen umgebenden Wärmeaustauscher 10, an den sich ein Abgasrohr 9, in dem sich ein Abgassensor 6 befindet, anschließt. Dem Brenner 1 ist ein Gebläse 2 vorgeschaltet. Auf der Eingangsseite des Gebläses 2 befindet sich eine Luftansaugleitung 13, in die auch eine Brenngasleitung 12, die durch ein Gasventil 4 von der Brenngaszuführung 11 getrennt ist, reicht. Das Gasventil 4 verfügt über einen Stellantrieb 5. Das Gebläse 2 verfügt über einen Antriebsmotor 7 mit Drehzahlerfassung 8. Stellantrieb 5, Antriebsmotor 7, Drehzahlerfassung 8 und Abgassensor 6 sind mit einer Regelung 3, die über ein Speichermodul 31 und Rechenmodul 32 verfügt, verbunden. Ebenfalls mit der Regelung ist eine lonisationselektrode 14, die knapp oberhalb des Brenners 1 positioniert ist, verbunden.A heating system according to FIG. 1 has a burner 1 with a surrounding heat exchanger 10, to which an exhaust pipe 9, in which an exhaust gas sensor 6 is connected. The burner 1, a fan 2 is connected upstream. On the input side of the blower 2 is an air intake line 13, in which also a fuel gas line 12, which is separated by a gas valve 4 from the fuel gas supply 11, extends. The gas valve 4 has an actuator 5. The fan 2 has a drive motor 7 with speed detection 8. Actuator 5, drive motor 7, speed detection 8 and exhaust gas sensor 6 are connected to a controller 3, which has a memory module 31 and computing module 32. Also with the control is an ionization electrode 14, which is positioned just above the burner 1, connected.

[0017] Beim Brennerbetrieb wird von der Regelung 3 z.B. aufgrund eines nicht dargestellten Raumthermostaten in Verbindung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Vorlauftemperaturerfassung im Rechenmodul 32 eine Sollleistung des Brenners 1 berechnet. Im Speichermodul 31 ist zu der Sollleistung ein Sollsignal für die Brenngas- und Luftmenge hinterlegt. Mit diesen Sollsignalen wird das Gebläse 2 mit seinem Antriebsmotor 7 und seiner Drehzahlerfassung sowie das Gasventil 4 mit seinem Stellantrieb 5 angesteuert, wodurch ein Brenngas-Luft-Gemisch in das Gebläse 2 und von dort zum Brenner 1 strömt. Das Gemisch wird an der äußeren Oberfläche des Brenners 1 verbrannt, durchströmt den Wärmeaustauscher 10 und strömt anschließend durch das Abgasrohr 9 ins Freie.In burner operation, the control unit 3, e.g. due to a room thermostat, not shown, in conjunction with a flow temperature detection, also not shown in the computing module 32, a target power of the burner 1 calculated. In the memory module 31, a desired signal for the fuel gas and air quantity is stored to the target power. With these desired signals, the blower 2 is driven with its drive motor 7 and its speed detection and the gas valve 4 with its actuator 5, whereby a fuel gas-air mixture flows into the blower 2 and from there to the burner 1. The mixture is burned on the outer surface of the burner 1, flows through the heat exchanger 10 and then flows through the exhaust pipe 9 into the open air.

[0018] Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Kohlenmoxidkonzentration CO, lonisations-strom I und Verbrennungsluftverhältnis λ. Hierbei sind drei unterschiedliche lonisationstromli-nien für unterschiedliche Zustände der lonisationselektrode dargestellt. Um eine vollständige Verbrennung zu erreichen, ist theoretisch ein Verbrennungsluftverhältnis λ von 1,0 notwendig. mL,min [0019] Hierbei ist mL die tatsächliche Luftmenge und mL,min die stöchiometrische Luftmenge. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid entsteht stets Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt. Aufgrund der begrenzten Reaktionszeit in der wärmebeeinflußten Zone und eine unzureichende Durchmischung von Brenngas und Luft, ist in der Praxis jedoch ein 2/6Fig. 2 shows the relationship between carbon monoxide CO concentration, ionization current I and combustion air ratio λ. Here, three different ionization currents for different states of the ionization electrode are shown. In order to achieve complete combustion, a combustion air ratio λ of 1.0 is theoretically necessary. mL, min Here, mL is the actual air flow and mL, min is the stoichiometric air flow. The combustion of hydrocarbons into carbon dioxide always produces carbon monoxide as an intermediate. Due to the limited reaction time in the heat affected zone and insufficient mixing of fuel gas and air, however, in practice a 2/6

Claims (1)

ästerrssÄks patemamt AT505 244 B1 2009-08-15 gewisser Luftüberschuss notwendig, um einen vollständigen Ausbrand zu gewährleisten. Daher hat man in der Regel bei knapp überstöchiometrischer Verbrennung einen CO-Wert von weit über 1000 ppm. Erst bei einem Luftüberschuß von ca. 10% fallen die Kohlenmonoxid-Emissionen im ausreagierten Abgas deutlich und erreichen bei üblichen Brennern Werte deutlich unter 100 ppm. Mit Erhöhung der Luftzahl fällt jedoch - aufgrund des Anteils inerter Gase -die Verbrennungstemperatur; die Verbrennungsreaktion wird verlangsamt und es kommt zum Abbruch der Reaktion am Wärmeaustauscher. Daher ist ab einem Luftüberschuss von ca. 80 % ein deutlicher Anstieg der Kohlenmonoxidemissionen zu verzeichnen. [0020] Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt ein beliebiges Brenngas-Luft-Verhältnis vor. Die Regelung 3 steuert kontinuierlich den Stellantrieb 5 des Gasventils 4 derartig, dass stetig mehr Brenngas bei gleicher Luftmenge in das Gebläse 2 gelangt. Hierdurch wird das Gemisch angefettet; die Luftzahl sinkt. Der Abgassensor 6 misst die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr 9 und leitet das Signal an die Regelung 3 weiter. Registriert die Regelung 3, dass die Kohlenmonoxidemission einen im Speichermodul 31 vorgegebenen Schwellwert COcrenz erreicht oder überschritten hat, so wird das Gemisch nicht weiter angefettet. Es ist bekannt, dass derartige Kohlenmonoxidemissionen bei einer Luftzahl von ca. 1,08 erreicht werden. Zunächst wird von einer neuwertigen lonisationselektrode ausgegangen; das lonisati-onselektrodensignal ist demnach nicht gemindert. Das lonisationselektrodensignal h der lonisationselektrode 14 beim vorgegebenen Schwellwert COGrenz wird gemessen und im Rechenmodul 32 der Regelung 3 mit einem ersten Referenzwert lGrenz aus dem Speichermodul 31 verglichen. Da das lonisationselektrodensignal h größer als der erste Referenzwert lGreriz ist, sind keine weiterführenden Maßnahmen notwendig. [0021] Bei einer späteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die lonisationselektrode bereits etwas mit Ablagerungen versehen; das lonisationselektrodensignal ist geringer. Bei dem vorgegebenen Schwellwert COGrenz ist das lonisationselektrodensignal l2 der lonisationselektrode 14 geringer als zu Beginn. Da das lonisationselektrodensignal l2 weiterhin größer als der erste Referenzwert lGrenz ist, sind keine weiterführenden Maßnahmen notwendig. [0022] Bei einer noch späteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die lonisationselektrode mit starken Ablagerungen versehen; das lonisationselektrodensignal ist deutlich geringer als zu Beginn. Bei dem vorgegebenen Schwellwert COGrenz ist das lonisationselektrodensignal l3 der lonisationselektrode 14 kleiner als der erste Referenzwert lGrenz· Daher gibt die Regelung 3 einen Hinweis zur Wartung aus. Dieser Hinweis kann zum Beispiel in Form einer Warnleuchte oder über eine Datenfernverbindung zu einem Fachhandwerker erfolgen. [0023] Unterschreitet das lonisationselektrodensignal einen zweiten Referenzwert Ubschait, so wird die Brenngaszufuhr zum Brenner 1 abgeschaltet. [0024] Erfindungsgemäß kann anstelle des vorgegebenen Schwellwerts COGrenz auch ein Gradient (Δ CO/Δ Ä)Grenz vorgegeben werden. Ferner kann anstelle einer Einzelmessung eine Mittelwertbildung über mehrere Messungen erfolgen. Es kann sowohl mit einem vorgegebenen Referenzwert, als auch mit den Messwerten vorhergegangener Messungen verglichen werden. Patentansprüche 1. Verfahren zur Überprüfung des lonisationselektrodensignals einer lonisationselektrode (14) eines Gasbrenners (1), insbesondere mit Gebläse (2), mit einer elektronischen Regelung (3), welche zu einer vorgegebenen Brennerleistung ein Sollsignal für die Brenngasmenge und die Luftmenge vorgibt, einer Einrichtung zur Regelung der Brenngasmenge (4, 5) und einem Abgassensor (6), der ein der Kohlenmonoxid-Konzentration oder Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen äquivalentes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet wird bis der Abgassensor (6) ein Signal erfasst, das alleine oder in Verbindung mit mindestens einem weiteren Signal einem vorgegebenen oder errechneten Schwellwert entspricht, zu diesem Zustand das lonisationselektrodensignals einer lonisationselektrode (14) erfasst und mit einem Referenzwert oder mit mindestens einem Messwert früherer Überprüfungen verglichen wird, wobei in dem 3/6ÄsterrssÄks patemamt AT505 244 B1 2009-08-15 certain surplus air necessary to ensure complete burnout. Therefore, a CO value of well over 1000 ppm is usually reached at just over-stoichiometric combustion. Only with an excess of air of about 10%, the carbon monoxide emissions in the fully reacted exhaust gas fall significantly and reach in conventional burners values well below 100 ppm. However, as the air ratio increases, the combustion temperature drops due to the proportion of inert gases; the combustion reaction is slowed down and the reaction at the heat exchanger stops. Therefore, from an air surplus of about 80%, a significant increase in carbon monoxide emissions can be observed. At the beginning of the process according to the invention is any fuel gas to air ratio. The control 3 continuously controls the actuator 5 of the gas valve 4 in such a way that more and more fuel gas passes into the blower 2 at the same amount of air. As a result, the mixture is enriched; the air ratio drops. The exhaust gas sensor 6 measures the carbon monoxide emission in the exhaust pipe 9 and forwards the signal to the control 3. If the controller 3 registers that the carbon monoxide emission has reached or exceeded a threshold value COcrenz predetermined in the memory module 31, then the mixture is not further enriched. It is known that such carbon monoxide emissions are achieved at an air ratio of about 1.08. First, it is assumed that a new ionization electrode; the ionization onselektrodensignal is therefore not diminished. The ionization electrode signal h of the ionization electrode 14 at the predetermined threshold value COGrenz is measured and compared in the calculation module 32 of the controller 3 with a first reference value lGrenz from the memory module 31. Since the ionisation electrode signal h is greater than the first reference value lGreriz, no further measures are necessary. In a later implementation of the method according to the invention, the ionization electrode is already somewhat provided with deposits; the ionization electrode signal is lower. At the predetermined threshold CO limit, the ionization electrode signal 12 of the ionization electrode 14 is lower than at the beginning. Since the ionization electrode signal I 2 is still greater than the first reference value I Lim, no further measures are necessary. In an even later implementation of the method according to the invention, the ionization electrode is provided with strong deposits; the ionization electrode signal is significantly lower than at the beginning. At the predetermined threshold value CO limit, the ionization electrode signal l3 of the ionization electrode 14 is smaller than the first reference value lcross · Therefore, the controller 3 outputs an indication of the maintenance. This indication can be made, for example, in the form of a warning light or via a remote data connection to a specialist tradesman. If the ionization electrode signal falls below a second reference value Ubschait, the fuel gas supply to the burner 1 is switched off. According to the invention, instead of the predetermined threshold value COGrenz, a gradient (.DELTA.CO / .DELTA.A) limit can also be predetermined. Furthermore, instead of a single measurement, averaging can take place over several measurements. It can be compared both with a given reference value and with the measurements of previous measurements. 1. A method for checking the ionisationselektrodensignals an ionization electrode (14) of a gas burner (1), in particular with blower (2), with an electronic control (3), which specifies a target burner power a target signal for the fuel gas and the amount of air, one Means for controlling the amount of fuel gas (4, 5) and an exhaust gas sensor (6), which generates a signal equivalent to the carbon monoxide concentration or concentration of unburned hydrocarbons, characterized in that the fuel gas-air mixture is enriched until the exhaust gas sensor (6) detects a signal which, alone or in conjunction with at least one further signal, corresponds to a predetermined or calculated threshold value, to which state the ionization electrode signal of an ionization electrode (14) is detected and compared with a reference value or with at least one measured value of previous checks, wherein / 6
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