DE19502901C2 - Regeleinrichtung für einen Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbesondere Gasgebläsebrenner, mit ei­ ner Ionisationselektrode als Meßelektrode im Flam­ menbereich, durch die in Abhängigkeit von der Ver­ brennung ein Ionisationsstrom fließt und die an eine Regelschaltung angeschlossen ist, welche das Gas-Luft­ verhältnis (Lambda) des Verbrennungsgasgemisches nach einem Sollwert einstellt und/oder überwacht.

Eine derartige Regeleinrichtung ist in der DE 39 37 290 A1 beschrieben. Dort liegt die Ionisations­ elektrode in einem Gleichstromkreis. Die Auswertung des Ionisationsstromes ist in der Praxis problematisch, wenn ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Ionisationsstrom und der Luftzahl (Lambda) ermittelt werden soll.

In der DE 44 33 425 A1 ist ebenfalls eine Regelein­ richtung der eingangs genannten Art beschrieben. Es soll auch bei unterschiedlichen Gasqualitäten und unter­ schiedlichen Umgebungsbedingungen eine optimale Verbrennung hinsichtlich der Emissionen und des feue­ rungstechnischen Wirkungsgrades erreicht werden. Hierfür ist auf die Meßelektrode eine Wechselspannung aufgeschaltet, wobei sich der Wechselspannung in Ab­ hängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungs­ anteil überlagert. Zwischen die Meßelektrode und die Steuerschaltung ist ein Tiefpaß geschaltet, der den Wechselspannungsanteil ausfiltert. Der Gleichspan­ nungsanteil, der dem jeweiligen Absolutwert des Ionisa­ tionsstromes entspricht, wird ausgewertet.

In dem Sonderdruck aus VDI-Berichte Nr. 1090/1993, S. 469/476 "Regelung von extrem NO_x-armen Brennern mit Luftüberschußkühlung mittels Flammensignalen" ist eine optische Erfassung von Flammen beschrieben. Die Flammensignale werden über einen Mikroprozessor aufbereitet und in einer Kennfeldregelung umgesetzt. Der Brenner soll dadurch im Bereich minimaler Schad­ stoffemissionen betreibbar sein. Die optische Erfassung der Strahlungsemission der Flamme erfordert eine opti­ sche Sonde, einen Lichtleiter und einen Photomultiplier. Der Aufbau der Regeleinrichtung und die Signalaus­ wertung sind aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der die Erfassung des jeweiligen Verbrennungszustandes ver­ bessert ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Regel­ einrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Es wurde gefunden, daß im interessierenden Lambda­ bereich zwischen etwa 1,05 und 1,5 eine lineare Abhän­ gigkeit zwischen dem jeweiligen Lambdawert und den Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes besteht. Die Flammenstabilität nimmt mit zunehmender Luftzahl (Lambda) wegen des größer werdenden Sauer­ stoffanteils ab. Diese abnehmende Flammenstabilität ist ein "Flackern" der Flamme, das zu den genannten Schwankungen des über die Ionisationselektrode flie­ ßenden Ionisationsstrom führt. Durch die Erfindung werden diese für den Verbrennungszustand charakteri­ stischen Schwankungen des Ionisationsstroms, insbe­ sondere deren Amplituden, zur Regelung des Lambda­ wertes ausgenutzt, was wegen der genannten Linearität zu einer genauen Einstellung des Lambdawertes führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Be­ schreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Regeleinrichtung,

Fig. 2 ein Meßprotokoll der Bandbreite der Schwan­ kungen des Ionisationsstromes bei unterschiedlichen Lambdawerten und

Fig. 3 ein Diagramm der Schwankungen des Ionisa­ tionsstromes in Abhängigkeit vom Lambdawert.

An einen Gasbrenner (1) sind eine Gasleitung (2) und ein über einen Luftanschluß (3) luftförderndes, dreh­ zahlsteuerbares Gebläse (4) angeordnet.

In den Flammenbereich (5) des Gasbrenners (1) ragt eine Ionisationselektrode (6). Auf die Ionisationselek­ trode (6) ist über ein kapazitives Koppelglied (7) eine Wechselspannung, im Beispielsfall die Netzwechsel­ spannung (U), aufgeschaltet. Das Koppelglied (7) liegt über einen Widerstand (8) elektrisch, wie der Gasbren­ ner (1) an Erde. Die vom Flammenbereich (5) gebildete Ionisationsstrecke und der Widerstand (8) sind also elektrisch parallelgeschaltet.

An die Ionisationselektrode (6) ist ein Spannungstei­ ler (9) angeschlossen, der die an der Ionisationselektro­ de (6) auftretende Spannung beispielsweise um den Fak­ tor 10 verringert. Mit dem Spannungsteiler (9) ist ein Filter (10) verbunden, das die Netzfrequenz (50 Hz) aus­ siebt.

Dem Filter (10) ist ein Bandpaßfilter (11) nachgeschal­ tet, das im wesentlichen nur diejenigen Schwankungen des Signals der Ionisationselektrode (6) durchläßt, die auf dem "Flackern" der Flammen im Flammenbereich (5) infolge unterschiedlicher Lambdawerte beruhen. Die Durchlaß-Bandbreite des Bandpaßfilters (11) beträgt et­ wa 0,5 bis 10 Hz.

Ausgangsseitig liegt am Bandpaßfilter (11) ein Gleich­ richter (12), der die positiven und negativen Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes gleichrichtet. Dem Gleichrichter (12) ist ein Tiefpaß (13) nachgeschal­ tet, der die gleichgerichteten Schwankungen des Ionisa­ tionsstromes ausmittelt, so daß an seinem Ausgang ein den Schwankungen entsprechendes, dem jeweiligen Lambdawert proportionales Ausgangssignal ansteht. Dieses ist an eine Steuerschaltung (14) gelegt, der über einen Eingang (15) auch ein Lambda-Sollwert zugeführt ist. Eine Ausführung für die Steuerschaltung (14) ist in der DE 44 33 425 A1 näher beschrieben. Die Steuer­ schaltung (14) steuert die Drehzahl des Gebläses (4) und damit die Luftzufuhr zum Brenner. Es ist hierbei der Lambdawert über die Luftzufuhr geregelt. Es wäre je­ doch auch möglich, den Lambdawert allein oder zusätz­ lich über die Gaszufuhr an der Gaszuleitung (2) zu steu­ ern.

Das Meßprotokoll nach Fig. 2 zeigt die Bandbreite der Schwankungen der am Eingang des Spannungstei­ lers (9) anliegenden Spannungen (60 V bis 240 V) in zeitlicher Abhängigkeit vom Lambdawert in drei Prü­ fungsmessungen. Der Verlauf des Lambdawertes in Ab­ hängigkeit von der Meßzeit ist in Fig. 2 mit A bezeich­ net. Der daraus resultierende Verlauf des Ionisationssi­ gnals (in Volt am Eingang des Teilers 9) ist mit B be­ zeichnet. Beispielsweise ist ersichtlich, daß sich bei ei­ nem Lambdawert von 1,58 (vgl. Linie a) eine mittlere Spannung von 122 V ergibt (vgl. Hilfslinien b und c). Ersichtlich sind die mittleren Spannungen (vgl. B) je­ weils von Schwankungen überlagert, welche bei den unterschiedlichen Lambdawerten unterschiedliche Am­ plituden aufweisen. Geht man beispielsweise im Meß­ protokoll nach Fig. 2 bei dem Lambdawert 1,1 (Linie d) zum Lambdaverlauf A und über die Hilfslinie e zum resultierenden Verlauf des Ionisationssignals (B), dann ergibt sich über die Linie f eine Mittelwertspannung von etwa 235 V. Ersichtlich sind die Amplitudenschwankun­ gen beim Lambdawert von 1,1 kleiner als beim Lambda­ wert von 1,58. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei einem kleineren Luft- bzw. Sauerstoffgehalt des Ver­ brennungsgases die Flammen weniger flackern als bei einem größeren Lambdawert.

Die Fig. 3 zeigt in als Punkte dargestellten Meßwer­ ten die Amplituden (Schwankungsbreiten in V) bei un­ terschiedlichen Lambdawerten. Die mit Quadraten be­ zeichnete Linie ist eine Linearisierung der Meßwerte. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Schwankungen der Am­ plituden des Ionisationssignals (Schwankungsbreite in V) zumindest im interessierenden Bereich zwischen Lambda 1,05 und 1,5 praktisch linear verläuft. Dies ist eine überraschende Eigenschaft, welche mit der be­ schriebenen Regeleinrichtung eine zuverlässige Rege­ lung des Verbrennungsvorgangs möglich macht.

Es ist nicht notwendig, daß für die Regelung des Gas­ brenners (1) nur die genannten Amplitudenschwankun­ gen ausgenutzt werden. Es kann auch zusätzlich noch der vom Lambdawert abhängige Absolutwert bzw. Mit­ telwert verwendet werden, wobei mit zunehmenden Lambdawert der Absolutwert des Ionisationssignals (in V) sinkt (vgl. Verläufe A und B in Fig. 2). Diese zusätzli­ che Auswertung kann beispielsweise für eine Steuerung der Luftzufuhr und/oder der Gaszufuhr bei Grenzbe­ dingungen, beispielsweise beim Start des Brenners, vor­ teilhaft sein.

Claims (7)

1. Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbe­ sondere Gasgebläsebrenner, mit einer Ionisations­ elektrode als Meßelektrode im Flammenbereich, durch die in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Ionisationsstrom fließt und die an eine Regelschal­ tung angeschlossen ist, welche das Gas-Luftver­ hältnis (Lambda) des Verbrennungsgasgemisches nach einem Sollwert einstellt und/oder überwacht, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung eine Auswertestufe (11, 12) aufweist, welche die Amplituden der durch die Flammeninstabilität verursachten Schwankungen des Ionisationsstromes auswertet und zur Einstellung des Lambdawertes allein über die Luftzufuhr oder zusätzlich über die Gaszufuhr nutzt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswertestufe (11, 12) mit einem Bandpaß (11) arbeitet, dessen Durch­ laßbereich auf die Frequenzen der genannten Schwankungen ausgelegt ist.

3. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertestufe (11, 12) einen Gleichrichter(12) auf­ weist, der die genannten Schwankungen gleichrich­ tet.

4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaß (13) vorgesehen ist, der die gleichgerichte­ ten Amplitudenschwankungen ausmittelt.

5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ionisationselektrode (6) die Netzwechselspan­ nung aufgeschaltet ist und daß die Auswertestufe ein Filter (10) aufweist, das die Netzwechselspan­ nung aussiebt.

6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich zu den Schwankungen des Ionisationsstro­ mes der Absolutwert des Ionisationsstromes für die Regelung ausgewertet wird.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lambdawert unter Auswer­ tung des Absolutwertes des Ionisationsstromes ein­ gestellt wird und daß diese Einstellung unter Aus­ wertung der Amplituden der Schwankungen des Ionisationsstromes überwacht und gegebenenfalls nachgeregelt wird.