DE3037935C2

DE3037935C2 -

Info

Publication number: DE3037935C2
Application number: DE3037935A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dipl.-Ing. 7122 Besigheim De Grob; Helmut 7134 Vaihingen De Maurer; Klaus Dr.-Ing. 7146 Tamm De Mueller; Franz Ing.(Grad.) 7080 Aalen De Rieger; Josef 7317 Wendlingen De Schmid; Manfred 7314 Wernau De Seebauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1988-08-11
Also published as: DE3037935A1; JPH0456210B2; JPS5790542A; FR2491590A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wassererhitzer nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die bei Wassererhitzern dieser Gattung verwendeten Sauerstoffsensoren, die beispielsweise aus der DE 26 31 819 A1 be kannt sind, haben gegenüber potentiometrischen Sensoren den Vorteil, daß sie auch im Magerbereich des Brennstoff-Luft-Gemisches, in welchem die Geräte häufig betrieben werden, hoch empfindlich sind und daß das von ihnen abgegebene Signal über einen größeren Bereich hinweg proportional zum Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases ist und sich daher einfach für Regelung auswerten läßt. Durch die Meß gasreferenz beider Elektroden ergibt sich ein einfacher Aufbau der Meßeinrichtung, wobei allerdings die Sondenkennlinie zweideutig ist, weil sie bei λ < 1 mit abnehmendem λ wieder ansteigt und das Son densignal daher für jeweils zwei verschiedene Lambda-Werte die gleiche Größe hat. Daher kann es vorkommen, daß der Regler ein großes Sondensignal als großes λ deutet und das Brennstoff-Luft-Ge misch anfettet, obwohl λ bereits unter dem Wert 1 gefallen war und der Regler die Verbrennungsluftmenge hätte steigern müssen. Durch die Anfettung des Gemisches wird statt dessen das Sondensignal weiter erhöht und die Verbrennungsluftmenge noch stärker gedrosselt, bis schließlich der Regler die Luftzufuhr überhaupt abwürgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wassererhitzern der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln zu verhindern, daß der Regler infolge Falschdeutung des Sondensignals das Brennstoff-Luft gemisch unzulässig stark anfettet.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist durch die kenn zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Wenn die Luftüber schußzahl λ den Wert 1 unterschreitet, steigt das Sondensignal steil auf den Wert an, bei welchem die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird, wodurch die Luftüberschußzahl λ rasch in den über dem Wert 1 liegenden Wertebereich geführt wird, in welchem das Sondensignal die Regelung im richtigen Sinne beeinflußt. Die erfindungsgemäße Lösung hat darüber hinaus den Vorteil, daß auch eine Sicherheitsabschaltung des Gerätes ausgelöst wird, wenn trotz Wärmeanforderung die Brenn stoffzufuhr ausbleibt. Wegen der guten Proportionalität zwischen Sondensignal und Sauerstoffgehalt bei Grenzstromsonden läßt sich der obere Abschaltpunkt der Sonde im Sondensignal einwandfrei bestimmen. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteil hafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.

Ein eindeutiges Sondensignal bei Meßgasreferenz beider Elektroden der Sonde ergibt sich, wenn die Sonde als Doppelsensor mit einer Grenzstromsonde und einer λ = 1-Sonde ausgebildet ist, welche das Ausgangssignal der Grenzstromsonde invertiert, wenn sie bei λ < 1 auf hohe Spannung gesprungen ist.

Doppelsensoren mit einer Grenzstromsonde und einer λ = 1-Sonde sind an sich aus der DE-OS 28 55 012 A1 bekannt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen nach dem Durchlaufprinzip arbeitenden gasbeheizten Wassererhitzer mit einer Regeleinrichtung für die Wasser- Auslauftemperatur,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regel einrichtung des Wassererhitzers nach Fig. 1, und

Fig. 3 die Sondenkennlinie eines polarograhischen Meßwertfühlers, dessen beide Elektroden dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind. In

Fig. 4 ist ein bifunktioneller Meßwertfühler im Längsschnitt dargestellt und

Fig. 5 zeigt einen um 90° versetzten Längsschnitt durch den Meßwertfühler nach Fig. 4. Die

Fig. 6 zeigt Einzelteile und die

Fig. 7 die Sondenkenn linie des Meßwertfühlers nach den Fig. 4 und 5.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Wassererhitzer nach Fig. 1 hat einen Gasbrenner 10, welchem der Brennstoff über eine Leitung 12 und ein stetig regelndes Magnetventil 14 zugeführt wird. Über dem Gas brenner 10 ist ein Verbrennungsschacht 16 angeordnet, in welchem oben ein Wärmeübertrager 18 sitzt. Dieser ist als Lamellenblock ausgebildet, welcher von einer Rohrschlange 20 durchsetzt ist, die das zu erwärmende Wasser führt. Die Rohrschlange 20 ist mit einer Leitung 22 verbunden, welche in mehreren Windungen um den Verbrennungsschacht 16 herum geführt ist und in ein Zapfventil 24 mündet, an welchem das erhitzte Wasser entnommen werden kann. Über dem Wärmeüber trager 18 ist eine kastenförmige Abgassammelhaube 26 ange ordnet, an deren oberer Stirnwand ein Gebläse 28 befestigt ist. Dieses hat eine zentrale Ansaugöffnung, die mit einer Austrittsöffnung in der oberen Stirnwand der Sammelhaube 26 korrespondiert, und einen tangentialen Ausblasstutzen 30, der bei angebautem Gerät durch die Wand des Raumes ins Freie führt.

Der Wassererhitzer ist mit einer stetig wirkenden Regel einrichtung versehen, die aus zwei selbständigen Regel kreisen 31 und 32 besteht. Die Regelgröße des Regelkreises 31 ist die Zapfwassertemperatur x ₁, die ein Wärmefühler 33 am Wasserauslauf erfaßt und die ein elektronischer Regler 34 einem vorgegebenen Sollwert w ₁ angleicht. Der Regler 34 berücksichtigt dabei als Störßgröße z ₁ die Größe des Zapf wasserstroms, die ein Geschwindigkeitsmesser 36 erfaßt. Das Stellglied des Regelkreises 31 ist das Magnetventil 14, über welches der Regler 34 den Wassererhitzer ein- und aus zuschalten und die Leistung des Gasbrennes 10 bis auf einen bei ca. 50% seiner Nennleistung liegenden Wert her unterzudrosseln vermag.

Die Regelgröße x ₂ des Regelkreises 32 ist die Luftüber schußzahll λ, mit welcher die Verbrennung abläuft, und für die der Sauerstoffgehalt in den Verbrennungsgasen ein kennzeichnendes Merkmal ist. Die Luftüberschußzahl λ wird von einem Sauerstoffsensor 38 erfaßt und an einen elektro nischen Regler 40 gemeldet, welcher die Regelgröße x ₂ mit einem vorgegebenen Sollwert w ₂ vergleicht. Das Stellglied des Regelkreises 32 ist das Gebläse 28, das zum Antrieb einen Spaltmotor hat, dessen Drehzahl durch Phasenan schnittsteuerung stufenlos einstellbar ist. Der Regler 40 bildet aus x ₂ und w ₂ die Stellgröße y ₂, welche die Mittel zur Phasenanschnittsteuerung entsprechend verstellt. Der Sauerstoffsensor 38 ist erfindungsgemäß ein polarogra phischer Feststoff-Meßwertfühler, der mit einer speziellen Diffusionsbarriere und einer auf ca. 600°C eingestellten Eigenheizung versehen ist. Die Sonde ist in Fig. 4 darge stellt und wird später im noch im einzelnen beschrieben.

Die beiden Regelkreise 31 und 32 arbeiten unabhängig von einander, wodurch eine Kopplung der beiden Stellglieder 14 und 28 entfällt. Jedoch ist zusätzlich eine Steuereinrichtung 42 (Fig. 2) vorgesehen, die bei einer plötzlichen Vergröße rung des Wärmebedarfsignals um einen vorgegebenen Schwell wert den Regelkreis 32 für die Luftüberschußzahl vorüber gehend unwirksam macht und das Gebläse 28 auf volle Drehzahl schaltet, um einen Luftmangel bzw. eine Überfettung des Brennstoff-Luftgemisches zu vermeiden. Zu diesem Mangel könnte es anderenfalls wegen der unvermeidlichen Ansprech verzögerung des Regelkreises 32 gegenüber dem Regelkreis 31 kommen, welche zeitlich der Signaldurchlaufzeit durch das Gerät entspricht. Die einzelnen Schaltelemente der Steuereinrichtung 42 sind beispielsweise in den Regler 34 integriert und über eine Steuerleitung 44 (Fig. 1) mit dem Regelkreis 32 verbunden. Beide Regler 34 und 40 und die Steuereinrichtung 42 könnten auch zu einer Baueinheit zu sammengefaßt und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Die Wirkungsweise der Steuereinrichtung 42 ist nach stehend anhand des Blockschaltbildes nach Fig. 2 beschrieben.

Der Regelkreis 32 stellt in dem vorderen Bereich die Ver brennungsluftmenge über den Regler 40 und das Gebläse 28. Am Summenpunkt 10, der mit dem Gasbrenner 10 identisch ist, wird der Gasstrom von oben zugegeben. Das Gemisch verbrennt im Verbrennungsschacht 16 und erscheint nach einer Laufzeit in der Strömungssicherung 26, wo es über den Sauerstoff sensor 38 gegengekoppelt wird. Die Steuereinrichtung 42 erfaßt die Änderung des Stellsignals y ₁ des Reglers 34 und gewichtet es differenzierend im Differenzierglied 42.1. Übersteigt die Änderung des Stellsignals y ₁ nach Größe und Geschwindigkeit einen vorgegebenen Schwellwert, so spricht ein asymetrisches Zweipunktglied 42.2 an, welches über ein nachgebendes Glied 42.3 das Gebläse 28 ansteuert.

Anstelle des nachgebenden Gliedes 42.3 kann auch ein Zeit glied in die Steuereinrichtung eingefügt sein, welches das Drehzahl-Stellsignal y ₂ für die Dauer der Signaltransport zeit im Verbrennungsschacht 16 auf den vom Zweipunktglied 42.2 gestellten Wert hält und danach integrierend oder nach gebend abfällt. In beiden Fällen wird das Gebläse 28 auf volle Drehzahl gestellt, so daß der Regler 40 immer aus dem mageren Bereich heraus zu arbeiten beginnt und die Bildung von schädlichen Bestandteilen im Abgas mit Sicherheit ver mieden wird.

Der polarographische Feststoff-Meßwertfühler 38 kann eine Grenzstromsonde sein, deren eine Elektrode dem Verbrennungsgas und deren andere Elektrode der Umgebungs luft ausgesetzt ist. In diesem Fall ist das Sondensignal eindeutig, weil jedem Wert des Signals nur ein einziger λ-Wert zugeordnet ist. Wenn eine solche Sonde als aktives Element einer Sicherheitseinrichtung dient, welche das Gerät abschaltet, wenn der λ-Wert einen vorgegebenen unteren Grenzwert, z. B. 1,25, unterschreitet, genügt es, wenn die Sicherheitseinrichtung auf das diesem Mindestwert von λ entsprechende Sondensignal reagiert.

Ein einfacherer Aufbau eines polarographischen Meßwert fühlers und günstigere Einbauverhältnisse ergeben sich, wenn beide Elektroden der Sonde Meßgasreferenz haben, d. h., dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind. In diesem Fall ist jedoch die Sondenkennlinie nicht mehr eindeutig, wie Fig. 3 anschaulich zeigt. Das Sondensignal S nimmt zu nächst mit kleiner werdendem λ ab und erreicht bei λ = 1 den Wert 0. Bei weiterer Abnahme von λ steigt das Sonden signal S jedoch wieder steil an in einem Bereich, der ober halb des kleinsten Sondensignals S _min liegt, welches dem kleinsten zulässigen Wert g _min entspricht. Wenn eine solche Grenztstromsonde zur Sicherheitsabschaltung des Gerätes bei Abfall des λ-Wertes herangezogen wird, läßt sich theoretisch ein Fall konstruieren, bei welchem die Sonde und der von ihr gesteuerte Regler falsch reagieren. Dieser Fall würde dann eintreten, wenn eine Unregelmäßig keit am Gerät oder im Abzug des Verbrennungsgases zu einem raschen Abfall des λ-Wertes der Verbrennung führen, die Sonde jedoch während dieser kurzen Zeit nicht oder nicht rasch genug ansprechen würde. Das Sondensignal würde da nach in den unterhalb von λ = 1 liegenden Bereich geraten, in welchem die Sonde dem Regler fälschlicherweise einen großen λ-Wert signalisieren würde. Der Regler würde darauf hin das Brennstoff-Luft-Gemisch weiter anfetten, was wiederum ein weiteres Ansteigen des Sondensignals und noch stärkeres Drosseln der Verbrennungsluftzufuhr zur Folge hätte.

Um ein solches Abwürgen der Verbrennung auszuschließen, wird vorgeschlagen, daß die Sicherheitseinrichtung auch auf ein vorgegebenes oberes Grenzwertsignal S _max des Meß wertfühlers reagiert, welches so gewählt ist, daß der λ-Wert auch in dem geschilderten Ausnahmefall nicht wesentlich unter 1 fallen kann. Der obere Grenzwert S _max für das Sondensignal kann z. B. einem Sauerstoffgehalt zugeordnet sein, welcher jenem von Luft entspricht. In diesem Fall signalisiert die Sonde auch, daß die Brenn stoffzufuhr ausgefallen ist, was ebenfalls eine Sicher heitsabschaltung des Gerätes rechtfertigt.

Eine Möglichkeit, die Zweideutigkeit des Sondensignals eines polarographischen Feststoff-Meßwertfühlers mit Meßgasreferenz beider Elektroden überhaupt zu vermeiden, besteht darin, den Fühler als bifunktionelle Meßsonde gemäß den Fig. 4 bis 6 auszubilden. Diese Sonde ist mit zwei gleichartigen Sensorelementen 50 versehen, von denen ein jedes ein sauerstoffionenleitendes Plättchen 51 aus Keramik als tragenden Grundkörper hat. Auf der einen Stirnseite der Plättchen 51 sind meßgasseitig zwei Meß elektroden 52 und 53 (Fig. 5) aufgedruckt oder aufgedampft, von denen Leiterbahnen 54 bzw. 55 zum kontaktseitigen Ende 56 der Plättchen 51 gelangen. Die Leiterbahnen 54 und 55 können ebenfalls aufgedruckt oder aufgedampft sein. Die Meßelektroden 52 und 53 sind mit einer als Diffusions barriere wirkenden Schicht 58, z. B. einer Spinellschicht, überzogen. Auf der anderen Stirnseite der Plättchen 51 ist unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht ein Heizleiter in Form eines dünnwandigen metallischen Bleches 60 be festigt, der ebenfalls mit zwei zum kontaktseitigen Ende 56 der Plättchen 51 führenden Leiterbahnen 61 und 62 versehen ist. Die Heizung ist so ausgelegt, daß sie die meßgasseiti gen Enden der Sensorelemente 50 auf ca. 600°C erwärmt.

Die Sensorelemente 50 sind in einem Gehäuse 64 angeordnet, das meßgasseitig einen Schraubstutzen 65 zum Befestigen in einem Wanddurchbruch der Sammelhaube 26 (Fig. 1) hat.

Zur Halterung der Sensorelemente 50 im Gehäuse 64 dient ein Kunststoffkörper 66, der in das Gehäuse 64 ein- und gleichzeitig um die kontaktseitigen Enden 56 der Sensorelemente 50 herumgespritzt ist. Zwischen dem Kunststoffkörper 66 und Vorsprüngen 68 im Gehäuse 64 liegt ein Keramikkörper 69 fest, der als Wärmeschutz für den Kunststoffkörper 66 dient. Zwischen Gehäuse 64 und Schraubstutzen 65 ist der Flansch eines Schutzmantels 70 eingespannt, der die meßgasseitigen Enden der Sensor elemente 50 mit Abstand umgibt und in seinem Boden ein Loch 71 zum Durchtritt des Verbrennungsgases hat.

Das eine der beiden Sensorelemente 50 arbeitet als λ = 1-Sonde und das andere Sensorelement 50 wird als Grenzstromsonde betrieben. Die Mittel zum Anlegen der äußeren Spannung an die Elektroden des als Grenzstrom sonde betriebenen Elementes und der Abgriff der λ = 1-Sonden spannung sind in einem nicht dargestellten Anschlußteil vorgesehen, welches auf die kontaktseitigen Enden 56 der Elemente 50 aufsteckbar ist. Die λ = 1-Sonde wird als Schalter benützt, der beim Auftreten der positiven Fett spannung, was durch einen Komparator geschieht, das Aus gangssignal der Grenzstromsonde invertiert. Durch diese bifunktionelle Ausbildung des Meßwertfühlers ergibt sich die Sondenkennlinie nach Fig. 7, die weiter nach abwärts tendiert, wenn λ den Wert 1 unterschreitet, und daher eindeutig ist.

Claims

1. Gas- oder Ölbeheizter, insbesondere nach dem Durchlaufprinzip ar beitender Wassererhitzer, mit einem Brenner, einem vom Verbrennungs gas durch- bzw. umströmten Wärmeübertrager und einem stromab des Wärmeübertragers im Strömungsweg des Verbrennungsgases angeordneten Sauerstoffsensor, welcher als polarographischer Feststoff-Meßwert fühler ausgebildet ist, dessen beide Elektroden Meßgasreferenz haben und welcher auf ein Stellglied eines Verbrennungsreglers im Sinn einer Konstanthaltung bzw. Führung der Luftüberschußzahl der Ver brennung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertfühler (38) auch das aktive Element einer Sicherheitsschaltung bildet, welche die Brennstoffzufuhr zum Brenner des Gerätes unterbricht, wenn das Sondensignal einen Wert erreicht, der einem dem Sauerstoff gehalt der Luft entsprechenden λ-Wert zugeordnet ist.

2. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertfühler (38) als Doppelsensor mit einer Grenzstromsonde und einer λ = 1-Sonde ausgebildet ist, deren Elektroden (52, 53) derart zueinander angeordnet und/oder elektrisch miteinander verbunden sind, daß das resultierende Ausgangssignal des Meßwertfühlers (38) invertiert ist, wenn die λ = 1-Sonde unterhalb g = 1 auf hohe Spannung gesprungen ist.

3. Wassererhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff-Meßwertfühler (38) mit einer Diffusionsbarriere (58) und einer auf mindestens 550°C, vorzugsweise 600°C einge stellten Eigenheizung (60) versehen ist.