DE2461565A1

DE2461565A1 - Regeleinrichtung zur erzielung sauberer abgase eines verbrennungsvorganges

Info

Publication number: DE2461565A1
Application number: DE19742461565
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl Ing Haffner
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1974-12-05
Filing date: 1974-12-27
Publication date: 1976-06-16
Also published as: FR2293668A1; SE7513374L; CH578712A5

Description

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(lANOlS&GYfl) LANDlS & GYR AG CH-6301 Zug, Schweiz

Regeleinrichtung zur Erzielung sauberer Abgase eines Verbrennungsvorganges.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Art.

Für Verbrennungsanlagen grösserer Leistung in thermischen Kraftwerken oder bei industriellen Prozessen werden zur Ueberwachung der Abgase und zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades Gasanalysegeräte kombiniert mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung des Gehaltes an freiem Sauerstoff in den Abgasen zur Verhinderung unnötigen Luftüberschusses verwendet. So sind beispielsweise magnetische Sauerstoffmesser bekannt, welche die bei freiem Sauerstoff ausgeprägten paramagnetischen Eigenschaften ausnützen. Solche Einrichtungen sind sehr aufwendig und daher nur für Grossan-.lagen wirtschaftlich anwendbar.

Ausserdem sind die bekannten, insbesondere die magnetischen Sauerstoffmesser zur Uebernahme von Reglerfunktionen nicht geeignet, denn das Zeitverhalten solcher Regelstrecken ist durch das Auftreten einer echten Totzeit und einer relativ kleinen Zeitkonstante so ungünstig, dass es fast aussichtslos ist, eine stabile Regelung zu erhalten. (Litterscheidt

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und Schmidt: Anwendungen von Regelungen und Reglern in Feuerungsanlagen. Gaswärme 9, I960, Nr. 2/3, Seite 1OO).

Bei OeI- oder Gasbrennern für Gebäudeheizung oder Warmwasserbereitung kleiner bis mittlerer Leistung wird bei der Inbetriebsetzung die Brennerflamme fest eingestellt, normalerweise nach den Kriterien: Russzahl nach Bacharach, CO_- Gehalt und Abgastemperatur. Witterungseinflüsse wie Wind, Kamin- und Kesseltemperatur können nicht berücksichtigt werden. Es ist daher eine Tatsache, dass viele Haushaltbrenner unwirtschaftlich und nicht umweltfreundlich arbeiten.

Die Gesetzesvorschriften über die zulässigen Schadstoffanteile der Abgase von Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge sind demgegenüber allgemein strenger und zwangen bereits zu entsprechenden Entwicklungen. So ist (nach der DOS 2 O1O 793) eine Einrichtung zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einem Fahrzeug-Verbrennungsmotor zur Erzielung sauberer Abgase bekannt. Die Betriebsbedingungen für die Gemischaufbereitung solcher Fahrzeugmotoren sind von sehr vielen Faktoren abhängig: Luft-Druck und -Temperatur, Motor-Temperatur und -Drehzahl, Belastung, Beschleunigung oder Verzögerung. Alle diese sich dauernd ändernden Grossen bedingen eine relativ komplizierte Regeleinrichtung zwischen einem Fühler zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration der Abgase und einem Stellglied zur Beeinflussung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses. Andererseits steht hinter einer Einrichtung, die sich in sehr grossen Stückzahlen für den Einbau in Kraftfahrzeugmotoren eignet, ein grosser Entwicklungsaufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Erkenntnisse dieser Entwicklung auch für Feuerungsanlagen nutzbar zu machen. Darunter sind insbesondere OeI- oder Gasbrenner für Gebäudeheizung oder Warmwasserbereitung, aber auch

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Brenner- oder Feuerungsanlagen für die Industrie oder in thermischen Kraftwerken zu verstehen.

Die Erfindung besteht darin, dass zur Regelung des Brennstoff-Luft-Mengenverhältnisses bei Feuerungsanlagen der Abgasfühler aus einer sauerstoffionenleitenden Feststoffelektrolyt-Sonde besteht, deren von der Sauerstoffkonzentration im Abgas abhängige elektrische Potentialdifferenz über eine Reguliereinrichtung die Verbrennungsluftmenge in der Weise steuert, dass sich im Abgas eine gerade noch feststellbare Sauerstoffkonzentration ergibt.

Mit einer solchermassen ausgerüsteten Feuerungsanlage lässt sich eine erhöhte Umweltfreundlichkeit erzielen. Weil ausserdem eine Feuerungsanlage weniger Störeinflüssen als ein Verbrennungsmotor und vor allem keinen schnellen Aenderungen der Störgrbssen ausgesetzt ist, kann eine solche Reguliereinrichtung einfach und wirtschaftlich hergestellt werden. Als Abgasfühler dient zweckmässig eine mit geeigneten Anschlusselektroden versehene Sonde aus Zirkondioxid oder Thoriumdioxid als Basismaterial, dotiert mit Oxiden von Calcium, Magnesium sowie von Yttrium oder anderen Seltenen Erden, wobei die nahezu trägheitslose Arbeitsweise solcher Sonden erst die eigentlichen Voraussetzungen für den praktischen Einsatz von einwandfrei arbeitenden Verbrennungsregelungen in Feuerungsanlagen schafft.

Weil der. vom Abgasfühler gelieferte, als Mass für die in den Abgasen vorhandene Sauerstoffkonzentration dienende elektrische Potentialunterschied von der absoluten Temperatur abhängig ist, kann am Feststoffelektrolyten des Abgaskühlers zweckmässigerweise ein Temperaturfühler zur Erfassung der dort herrschenden Temperatur angeordnet sein. Das vom Temperaturfühler erzeugte Signal dient dann unter Verwendung einer bekannten Quotientenschaltung als Temperaturkompensation der Sauerstoffkonzentrationsmessung.

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Der beste Arbeitstemperaturbereich für eine Zirkondioxid-Sonde liegt bei etwa 5OO ° C. Der Abgasfühler kann daher ein Heizelement zum Einhalten des günstigsten Temperaturbereiches des Feststoffelektrolyten aufweisen.

Bei grösseren Brennern sind vielfach Reguliereinrichtungen für eine stetige Brennerleistungsverstellung vorhanden. Dazu wird die Verbrennungsluft stetig an die sich ändernde OeI- oder Gasdurchsatzmenge angepasst. In solchen Anlagen ist es zweckmässig, wenn die vom Abgasfühler beeinflusste Regeleinrichtung mit einer bei grösseren Brennern vorhandenen Reguliervorrichtung für eine stetige Brennerleistungsverstellung kombiniert ist. Ausserdem ist es zweckmässig, nicht die ganze Verbrennungs-Luftmenge zu regulieren, sondern diese in zwei Teilströme zu unterteilen und nur eine Teilmenge der zugeführten Verbrennungsluft von der Regeleinrichtung beeinflussen zu lassen.

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Claims

PATENT ANSPRUECHE

1. Regeleinrichtung zur Erzielung sauberer Abgase eines Verbrennungsvorganges, mit einem Abgasfühler zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas, der eine von.der Sauerstoffkonzentration abhängige Signalgrb'sse erzeugt, die über einen Regler auf ein Stellglied zur Steuerung des Brennstoff-Luft-Mengenverhältnisses wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Brennstoff-Luft-Mengenverhältnisses bei einem OeI- oder Gasbrenner für Feuerungsanlagen der Abgasfühler aus einer sauerstoffionenleitenden Feststoffelektrolyt-Sonde besteht, deren von der Sauerstoffkonzentration im Abgas abhängige elektrische Potentialdifferenz über eine Regeleinrichtung die Verbrennungsluftmenge in der Weise steuert, dass sich im Abgas eine gerade noch feststellbare Sauerstoffkonzentration ergibt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasfühler aus einer Zirkondioxid-Sonde besteht.

3. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur am Feststoffelektrolyten des Abgasfühlers angeordnet ist.

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4. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasfühler ein Heizelement zum Einhalten des günstigsten Temperaturbereiches des Feststoffelektrolyten aufweist.

5. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Abgasfühler beeinflusste Regeleinrichtung mit einer bei grösseren Brennern vorhandenen Reguliervorrichtung für eine stetige Brennerleistungsverstellung kombiniert ist.

6. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Teilmenge der zugeführten Verbrennungsluft von der Regeleinrichtung beeinflusst wird.

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