DE2461565A1

DE2461565A1 - CONTROL DEVICE FOR ACHIEVING CLEAN EXHAUST GASES FROM A COMBUSTION PROCESS

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: SE7513374L; CH578712A5; FR2293668A1

Description

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Regeleinrichtung zur Erzielung sauberer Abgase eines Verbrennungsvorganges. Control device to achieve clean exhaust gases from a combustion process.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Art.The invention relates to a control device of the im 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.For incineration plants with higher performance in thermal Power plants or industrial processes are used to Monitoring of the exhaust gases and to achieve a high degree of efficiency Gas analyzers combined with a measuring device to determine the content of free oxygen in the exhaust gases to prevent unnecessary excess air used. Thus, for example, magnetic oxygen meters are known, which are pronounced in the case of free oxygen take advantage of paramagnetic properties. Such facilities are very complex and therefore only for large-scale systems economically applicable.

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. (LitterscheidtThere are also the known ones, especially the magnetic ones Oxygen meter to take over controller functions not suitable, because the time behavior of such controlled systems is due to the occurrence of a real dead time and a relative one small time constant so unfavorable that it is almost futile to obtain a stable control. (Litterscheidt

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und Schmidt: Anwendungen von Regelungen und Reglern in Feuerungsanlagen. Gaswärme 9, I960, Nr. 2/3, Seite 1OO).and Schmidt: Applications of controls and regulators in Combustion systems. Gaswärme 9, 1960, No. 2/3, page 100).

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. With oil or gas burners for building heating or hot water preparation With low to medium power, the burner flame is set to a fixed setting during commissioning, normally according to the criteria: soot number according to Bacharach, CO_- Content and exhaust gas temperature. Weather influences such as wind, chimney and boiler temperature cannot be taken into account will. It is therefore a fact that many household burners are uneconomical and not environmentally friendly.

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. The legal regulations on the permissible proportion of pollutants of the exhaust gases from internal combustion engines for vehicles in contrast, generally stricter and already forced appropriate developments. So is (according to DOS 2 O1O 793) a device for regulating the air-fuel ratio known in a vehicle internal combustion engine for achieving clean exhaust gases. The operating conditions for the Mixture preparation of such vehicle engines are very important depends on many factors: air pressure and temperature, engine temperature and speed, load, acceleration or deceleration. All of these constantly changing variables require a relatively complicated control device between one Sensor for recording the oxygen concentration in the exhaust gases and an actuator for influencing the air-fuel ratio. On the other hand, there is a facility that is available in very large numbers for installation in Motor vehicle engines suitable, a great development effort.

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 auchThe invention is therefore based on the object of utilizing the findings of this development also for combustion systems close. These include in particular oil or gas burners for heating buildings or hot water, but also

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Brenner- oder Feuerungsanlagen für die Industrie oder in thermischen Kraftwerken zu verstehen.Burner or furnace systems for industry or in to understand thermal power plants.

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.The invention consists in that for regulating the fuel-air quantity ratio In the case of combustion systems, the flue gas sensor consists of a solid electrolyte probe that conducts oxygen ions exists, whose electrical potential difference depends on the oxygen concentration in the exhaust gas over a Regulating device controls the amount of combustion air in such a way that there is a barely detectable amount in the exhaust gas Oxygen concentration results.

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.With a combustion system equipped in this way, increased environmental friendliness can be achieved. Because besides a combustion system has less interference than an internal combustion engine and, above all, is not exposed to rapid changes in the disturbance variables, such a regulating device can can be produced easily and economically. One with suitable connection electrodes is expediently used as the exhaust gas sensor equipped probe made of zirconium dioxide or thorium dioxide as base material, doped with oxides of Calcium, magnesium as well as yttrium or other rare earths, whereby the almost inertia-free mode of operation of such Probes the actual prerequisites for the practical use of perfectly working combustion controls creates in combustion systems.

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.Because the. supplied by the flue gas sensor as a measure for the Exhaust gas existing oxygen concentration serving electrical potential difference depends on the absolute temperature is, on the solid electrolyte of the exhaust gas cooler, a temperature sensor for detecting the be arranged there prevailing temperature. That from the temperature sensor The generated signal is then used as temperature compensation using a known quotient circuit the oxygen concentration measurement.

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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.The best working temperature range for a zirconia probe is around 500 ° C. The exhaust gas sensor can therefore be a heating element to maintain the most favorable temperature range of the solid electrolyte.

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.In the case of larger burners, there are often regulating devices available for constant burner output adjustment. For this purpose, the combustion air is constantly changing Oil or gas flow rate adjusted. In such systems it is advisable if the control device influenced by the flue gas sensor has one that is available for larger burners Regulating device for constant burner output adjustment is combined. It is also useful not to regulate the entire amount of combustion air, but rather to divide this into two partial flows and only a partial amount of the supplied combustion air from the control device to be influenced.

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Claims

PATENT CLAIMS

1. Control device to achieve clean exhaust gases from a combustion process, with an exhaust gas sensor for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas, which is one of the oxygen concentrations dependent signal sizes generated over a regulator on an actuator for controlling the fuel-air ratio acts, characterized in that to regulate the fuel-air ratio the flue gas sensor in an oil or gas burner for combustion systems from a solid electrolyte probe that conducts oxygen ions which depends on the oxygen concentration in the exhaust gas dependent electrical potential difference over a Control device controls the amount of combustion air in such a way that there is just a detectable amount in the exhaust gas Oxygen concentration results.

2. Control device according to claim 1, characterized in that the exhaust gas sensor consists of a zirconium dioxide probe.

3. Control device according to claims 1 and 2, characterized in that a temperature sensor for detecting the Temperature is arranged on the solid electrolyte of the exhaust gas sensor.

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4. Control device according to claims 1 to 3, characterized in that that the exhaust gas sensor has a heating element to maintain the most favorable temperature range of the solid electrolyte having.

5. Control device according to claims 1 to 4, characterized in that that the control device influenced by the flue gas sensor has an existing one with larger burners Regulating device for constant burner output adjustment is combined.

6. Control device according to claims 1 to 5, characterized in that that only a subset of the combustion air supplied is influenced by the control device.

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