加热设备和调节鼓风式燃气燃烧器的方法
技术领域
本发明涉及一种调节燃气燃烧器的方法，该燃气燃烧器具有用于输送助燃空气的鼓风机，该鼓风机的转速是可变可调的。此外，本发明还涉及一种加热设备，其具有可相应调节的燃气燃烧器。
背景技术
为了监测燃气燃烧器中火焰的存在，已知各种可能性，特别是基于热、光学或电原理。特别可靠的是火焰电离检测，其中，火焰的电离效应用于识别燃烧器是否正在产生火焰。
这种装置的例子例如在EP 2 357 410 A2和DE 10 2005 012 388 A1中有述。
在火焰电离检测中，通常借助于电离电极和搭铁电极在火焰区域施加交流电压。当火焰燃烧时，会对该交流电压产生整流作用，从而导致电流从搭铁电极流到电离电极。该电流由测量电子装置进行评估或处理，并可以以电离电压的形式提供。因此，测量电子装置作为测量结果输出的电离电压就与电离电流相关。
如果测量电子装置输出的电离电压超过特定的极限值，则识别为存在火焰。相反，未达到相应的极限值就可以解释为没有火焰燃烧。
燃气燃烧器，特别是鼓风式燃气燃烧器，经常暴露于多变的环境条件下，这可能导致变化的燃烧特性。这种环境参数例如是空气压力、助燃空气的温度、燃气压力(输送燃料气体的压力)、燃气种类以及燃气的能量值。在此应注意的是，燃料气体的成分通常可以变化。例如，对于典型的燃气混合物，例如LPG(液化石油气)或典型的丙烷/丁烷混合物，其组成成分是可变的。因此，根据不同的燃气供应，可以输送纯丙烷、纯丁烷或不限定的丙烷/丁烷混合物。
由于变化的环境参数，燃气燃烧器可能无法在最佳工作点下运行，在该工作点下，燃料得以最佳燃烧且污染物排放最低。通常以λ＝1标识此状态，在该状态下，燃料气体和氧气处于化学计量确定的比例下。
DE 10 2017 204 012 A1中描述了一种调节燃气燃烧器的方法。
从DE 10 2008 027 010 A1中已知一种用于检查燃烧器的电离信号的方法。
DE 10 2015 116 458 A1描述了一种用于区分为燃烧进程设置的具有不同能量含量的两种燃料气体的方法。
在US 5 971 745 A中描述了另一种调节燃气燃烧器的方法。
DE 199 47 181 A1中公开了一种用于确定代表当前空气系数的信号的方法。
最后，DE 198 31 648 A1涉及一种用于使电子控制器在功能上适应燃气机的方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种调节燃气燃烧器的方法，通过该方法可以保障燃烧器运行的限定工作点。而该工作点应接近燃烧器最佳运行的工作点。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。有利的实施方案在从属权利要求中给出。
提出了一种调节燃气燃烧器的方法，其中，该燃气燃烧器具有用于输送助燃空气的鼓风机，该鼓风机的转速是可变可调的。该方法特别包括以下步骤：
-运行鼓风机并检测鼓风机转速；
-改变鼓风机转速；
-测量电离电压，其与燃气燃烧器的火焰区域中的电离电流相关；
-找到测得的电离电压相对于当前鼓风机转速的梯度的最小值；
-通过测量当前电离电压并将其存储为工作点来确定工作点；
-在燃烧器运行期间连续测量当前的电离电压；
-确定当前测量的电离电压与工作点之间的偏差；
-检查该偏差是否在预先规定的限度内，并且进行情况区分：如果偏差在预先规定的限度内，则继续连续地测量当前的电离电压；相反，如果偏差不在预先规定的限度内，则从上述“改变鼓风机转速”的步骤开始重复本方法。
本方法通常由处理和控制单元执行，该处理和控制单元处理本方法的步骤，并与相应的组件(火焰探测器或电离电压传感器、鼓风机马达等)通信。
借助于本方法运行燃气燃烧器的鼓风机，以便输送助燃空气。在此，以合适的方式检测鼓风机转速，例如通过一个或多个霍尔传感器或通过确定转子的供电电压上的所谓转子叠片和定子叠片的整流谐波。相应地，可以通过测量装置例如每分钟产生脉冲，并提供给处理和控制单元。还已知其他检测转速的方法适用于在此描述的调节。
处理和控制单元能够改变，即降低或提高鼓风机转速。为此，该处理和控制单元可以相应地控制鼓风机马达。
根据本方法，测量电离电压，该电离电压与燃气燃烧器的火焰区域中的电离电流相关。该电压值由燃烧器火焰的整流频率信号产生，并通过所谓的分流电阻器以及利用模拟/数字转换提供给处理和控制单元。
如上所述，由于火焰对施加的交流电压的整流作用，在存在火焰的情况下产生电流流动(电离电流)。借助于具有差分放大器的评估电路，该电离电流被转换为代表电压(电离电压)，由此可以基于电压或(在模拟/数字转换后)数字地进行进一步评估。因此，该电压值可以数字化并进一步处理。
根据本方法，在改变鼓风机转速的同时，试图找到测得的电离电压相对于当前鼓风机转速的梯度的最小值。因此，使鼓风机转速有针对性地改变，即降低或提高。同时确定电离电压。只要电离电压的变化强于鼓风机转速的变化，就继续改变鼓风机转速。只有当以梯度最小值的形式找到最佳值时，才不继续改变转速。
所述梯度描述了在火焰中测得的相对于助燃空气鼓风机的转速变化的电离电压变化。梯度最小值处的点恰好作为燃气燃烧器稀稠运转之间的区分特征或界限。在转速较低的情况下，开始了所谓的“浓稠范围”，其中，由助燃空气鼓风机输送的助燃空气不足以完全燃烧燃料气体。在转速较高的情况下，存在所谓的“稀薄范围”，其中，输送了高于需求的助燃空气。
该决定标准不能仅凭绝对值确定，因为必须始终考虑彼此相关的变化。
梯度描述了燃烧器(以电离电压的形式)对转速变化的反应。
基于由此找到的运行状态，即基于当前的电离电压和相应的鼓风机转速，确定并存储电离电压的工作点。为此，也可以预先改变参数(鼓风机转速或随后相应改变的电离电压)，这将在后面说明。
该状态被认为是最佳的，在该状态下，应基于该时间点的环境参数来运行燃气燃烧器。
接着，持续地或连续地(即例如也以特定的时间间隔)进行当前的电离电压的测量。分别将当前测量的电离电压与工作点或先前在该工作点存储的电离电压进行比较。就此确定偏差。
接着，检查由此确定的偏差是否在预先规定的限度内。只要该偏差在预先规定的限度内，就继续进行当前电离电压的连续测量。
相反，如果该偏差不在预先规定的限度内并因此过大，则重复上述确定新工作点的方法。也就是，在这种情况下可知，环境参数已经改变，使得燃烧器不再能够以最佳状态运行，这导致需要通过确定新的工作点进行重新校正。
在本方法的开始，可以在测量电离电压之前首先以预先规定的起始转速运行鼓风机，然后降低鼓风机转速。在此之后才开始测量电离电压，然后找到梯度最小值。在此，仅当燃烧器产生火焰，即已经点燃火焰时，以上述方式进行电离电压的测量和进一步处理才有意义。
在一个变型中，在“找到测得的电离电压相对于当前鼓风机转速的梯度的最小值”的步骤之后和在“确定工作点”的步骤之前执行附加步骤，即，使鼓风机转速增加一偏移值。
该偏移值取决于燃烧器或者是设备特定的，因此代表设备特定的相距最小转速的距离，在该最小转速下，燃烧器在废气值和/或性能方面尽可能最佳地工作。
如上所述，本方法试图找到电离电压相对于鼓风机转速的梯度的最小值，以使燃烧器可以在最佳运行状态下运行。然而，从实践中已知，在典型的燃烧器中，在该最小转速下，即使是很小的偏差(例如在环境参数方面)也可以导致燃烧器的燃烧特性的急剧变化。因此，已经证明有利的是，燃烧器不应以该最小值运行，而应略高于该最小值。这使得燃烧器性能更“良好”。
偏移值确定为，使得即使在以运行参数的极值运行时，也遵守合法极限值。例如，在实践中存在一些情况，在这些情况下，例如与通常使用的丙烷/丁烷混合物相比，从气瓶输送的(燃料)气体包含更多的丁烷。因此存在CO排放量增加的风险。对于这种极端情况，偏移值的设置应使得即使在燃料气体中丁烷含量较高的运行情况下也不会超过合法的最大允许极限值。换句话说：偏移值这样选择，即，应尽可能远离敏感最小值，但不应在特殊但实际上存在且因此已知或可有效预计的参数变化的情况下超出法律规范。
偏移值的确定取决于燃烧器类型的测量，因此还取决于制造商允许的远离最小(最佳)值的范围。通常，这样的偏移值可以在50U/min至1000U/min的范围内，但其他值也可以是有意义的。
对于“找到测得的电离电压相对于当前鼓风机转速的梯度的最小值”的步骤，可以执行以下步骤：
-降低鼓风机转速；
-测量当前电离电压；
-确定测得的电离电压相对于当前鼓风机转速的梯度；
-进行情况区分：
如果梯度小于零(0)，则降低鼓风机转速，并且重复上述测量当前电离电压并找到梯度的步骤。如果梯度大于零，则提高鼓风机转速，并且重复上述测量当前电离电压并找到梯度的步骤。如果梯度等于零，则将该梯度确定为最小值并继续执行本方法。
梯度可以“等于零”的标准并不一定意味着它必须精确等于“0”。相反，当梯度在预先规定的阈值以下，即稍大于零或稍小于零时，也是足够的。
借助此处所述的步骤，可以通过改变鼓风机转速来找到梯度的最小值，从而接下来可以将该最小值确定为工作点，如有需要，可以如上所述，在通过偏移值进行调整之后确定。
在本方法的开始，应当有利地将鼓风机的起始转速调节到较高的值。例如，可以将鼓风机的起始转速调节到鼓风机转速范围的上三分之一的值，特别是转速范围的上四分之一、上五分之一或上百分之十的值。也可以选择鼓风机的最大转速作为起始转速，然后降低转速以找到梯度最小值。
已知鼓风机辅助的燃气燃烧器，其中，燃烧器启动时的所谓的第一点火点由所谓的斜坡启动自动确定。其中，在固定的燃气气流和持续运行的点火装置下，助燃空气鼓风机的速度从非常高的转速持续降低，直到燃气-空气混合物具有尽可能最佳的组成成分并自动点火。在此测得的转速就是用于根据上述方法进行进一步调节的起始转速。
替代地，可以将鼓风机的起始转速调节到事先已知的点火转速。因此，也可以选择已知的点火转速(取决于大气压力、助燃空气的温度和燃气通过量)固定作为起点。
例如，常见的起始转速可以是4000U/min。
电离电压可以基于电离电流来确定，即，火焰的存在引起施加在设置于火焰区域的电离电极上的交流电压的整流，将电离电流确定为在这种情况下产生的电流流动，其中，通过评估电路将该电离电流转换成相应的电离电压。
加热设备具有至少一个燃气燃烧器，该燃气燃烧器具有由马达(特别是变速马达)驱动的助燃空气鼓风机，以及具有火焰电离电压测量装置，该火焰电离电压测量装置用于检测取决于由燃气燃烧器产生的火焰的电离电压。此外，设置有处理和控制单元，其与马达和火焰电离电压测量装置耦合。该处理和控制单元可以设计用于执行前述方法，在此特别是基于对电离电压的评估来调节助燃空气鼓风机的马达的转速。
附图说明
下面结合实施例参照附图对上述及其他优点和特征进行详细说明。在附图中：
图1示出了用于控制燃气燃烧器的控制系统的示意性框图；以及
图2示出了鼓风式燃气燃烧器的调节方法的流程图。
具体实施方式
图1以非常粗略的图示示出了控制系统的基本结构，在该控制系统上可以执行根据本发明的用于调节鼓风式燃气燃烧器的方法。
该控制系统具有处理和控制单元1。此外还设置有传感器2，利用该传感器在由燃烧器产生的火焰的区域中测量电离电流，并借助于合适的评估电路将电离电流转换为电离电压UION。该电离电压UION作为测量值输出，并传递到处理和控制单元1。
在实际应用中，根据燃烧的质量，测量电路输出的电离电压UION在存在火焰的情况下可以例如在0.3V至3.3V的范围内。在电压小于0.3V的情况下，识别为火焰熄灭。为了提高识别的鲁棒性，设置有例如0.3V至0.7V的迟滞窗口。这意味着，在首次识别时，仅在电离电压达到至少0.7V时才识别为火焰存在。相反，只有在降至0.3V以下时，才识别为火焰熄灭。
处理和控制单元1还与助燃空气鼓风机(未示出)的马达3相连接。特别是，处理和控制单元1可以控制马达3的转速，并由此控制助燃空气鼓风机的转速。反过来，处理和控制单元1需要接收有关马达3的转速nVBL的信息，并由此接收助燃空气鼓风机的转速的信息。转速信息可以以适当的方式确定。因此，处理和控制单元1本身就可以通过对马达3的相应控制来预先规定转速。也可以在马达3上设置传感器(例如一个或多个霍尔传感器)，以确定该马达3的转速。为此已知各种可能性，在此不必深入讨论。
对马达3的转速控制以及由此对助燃空气鼓风机的转速控制例如可以通过脉冲宽度调制在转速的0％至100％的范围内预先指定。替代地，也可以直接调节马达3的驱动电压或该马达的驱动电流以调节速度。
图2示出了用于调节鼓风式燃气燃烧器的方法的流程图。
在该方法的开始，助燃空气鼓风机在起始点S0以起始转速运转，该起始转速应对应于相对较高的转速。从该转速开始，在步骤S10中降低转速nVBL。在步骤S20中，以前述方式测量电离电压UION。
接着，在步骤S30中确定电离电压UION相对于转速nVBL的梯度。如果该梯度小于0，则该方法进入步骤S10，从而进一步降低转速nVBL。
相反，如果步骤S30中的梯度大于0，则在步骤S40中提高转速。接着在步骤S50中重新测量电离电压UION，并且在步骤S60中确定梯度。
只要该梯度仍大于0，就在步骤S40中继续提高转速，并在步骤S60中重新确定梯度。
如果在步骤S30或S60中识别出梯度为0或非常接近0，则这被识别为梯度的最小值(基于绝对值)，从而被识别为最佳。同时，该点也对应于鼓风机转速的最小转速。
“梯度的最小值”在此应理解为绝对值。因此，值为0时产生梯度的最小值，而大于或小于0的值高于最小值。
由此识别出的工作点意味着，空气输送(由助燃空气鼓风机决定)和燃气输送之间的比例对于燃烧器来说是最佳的，从而可以最佳地利用燃气的蓄能量，而同时最小化污染物排放。因此，燃烧器以最佳运行状态运行。
鼓风机转速的进一步降低将导致输送的助燃空气过少，从而使待燃烧的混合物变得过浓。其结果是不必要的高燃气消耗。
在步骤S70中，借助于偏移转速nx改变转速。步骤S70中的这种改变是可选的，不一定强制执行。但已经发现，对于常规燃烧器，在以上述最小转速运行时，即使很小的偏差(例如在环境参数方面)也可以导致燃烧器的燃烧特性发生显著变化。为了在此允许更大的公差并由此具有更好的特性，使刚才在步骤S30或S60的框架下找到的转速的最小值增加偏移值nx。该nx值由所用燃烧器类型的测量得出，并且可以由制造商根据设计目标确定。
接着，在步骤S80中针对由此新确定的“最佳”转速测量电离电压，并存储为工作点UB。只要环境参数不变或仅有微小变化，燃烧器就可以在该工作点最佳地运行。
在随后的操作中，在步骤S90中连续测量电离电压，并由此检测火焰的质量。在此，电离电压的测量可以持续地进行，也可以以规律的或另外规定的时间间隔进行。
在步骤S100中，将在步骤S90中测量的电离电压UION与在步骤S80中确定为工作点的电离电压UB之间的差确定为值Delta UION的形式。然后，将该电离电压值的偏差与值UY进行比较，该值代表允许的电离电压变化的决定标准。
如果在步骤S100中确定，当前电离电压UION与为工作点指定的电离电压UB之间的偏差小于或等于值UY，则在步骤S90中继续进行测量，并且保持燃烧器的运行不变。
而如果在步骤S100中确定了该偏差过大，则该方法认定需要重新校正工作点。造成这种情况的原因例如可以是一个或多个环境参数的变化，这导致燃烧器在该时间点不能再以最佳工作点运行。
于是，通过在步骤S10中降低转速重新执行该方法。在此之前可以有利地重新将转速提高到较高的值(起始转速)，以便能够在更大的范围内执行转速改变。
