DE102021203678A1 - Verfahren und Recheneinheit zum Betreiben eines Abgasbrenners - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Betreiben eines Abgasbrenners (120) in einem Abgasstrang (102) einer Brennkraftmaschine (110), umfassend ein Einleiten eines zumindest Luft (20) umfassenden Spülfluids in den Abgasbrenner (120) während einer Spülbetriebsphase (205), die zeitlich außerhalb einer Normalbetriebsphase (201) des Abgasbrenners (120) liegt, und ein Ausstoßen eines unter Verwendung des Spülfluids gebildeten Ausstoßgemischs aus dem Abgasbrenner (120), wobei der Abgasbrenner (120) während der Normalbetriebsphase (201) zum Aufheizen einer Komponente (130, 150) des Abgasstrangs (102) auf deren Betriebstemperatur betrieben wird. Ferner werden eine Recheneinheit (140) und ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens (200) vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Zur Erreichung gesetzlich vorgeschriebener Emissionsgrenzwerte können Drei-Wege-Katalysatoren (engl. three way catalyst, TWC), die eine Konversion der relevanten gasförmigen Schadstoffe NOx, HC sowie CO in unschädliche Produkte wie N2, H2O und CO2 ermöglichen, eingesetzt werden. Damit diese katalytischen Reaktionen bestimmungsgemäß ablaufen, müssen die Temperaturen im Katalysator in der Regel die sogenannte Light-Off-Temperatur von typischerweise 300-400°C überschreiten. Sobald diese erreicht bzw. überschritten ist, konvertiert der Katalysator die relevanten Schadstoffe nahezu vollständig (sog. Katalysatorfenster).
  • Um diesen Zustand schnellstmöglich zu erreichen, können sogenannte innermotorische Katalysator-Heiznahmen angewandt werden. Dabei wird der Wirkungsgrad des Ottomotors durch späte Zündwinkel verschlechtert und so die Abgastemperatur und der Enthalpieeintrag in den Katalysator erhöht. Durch angepasste Einspritzstrategien (z. B. Mehrfacheinspritzungen) kann gleichzeitig die Verbrennungsstabilität sichergestellt werden.
  • Neben diesen innermotorischen Kat-Heizmaßnahmen können auch externe Katalysator-Heizmaßnahmen eingesetzt werden, beispielsweise mittels elektrisch beheizbarer Katalysatoren oder Abgasbrenner. Derartige externe Heizmaßnahmen sind beispielsweise in der DE 41 32 814 A1 und der DE 195 04 208 A1 beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung verhindert bzw. reduziert eine Kondensat- Ruß- bzw. Versottungsbildung in dem Abgasbrenner während Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, in denen der Abgasbrenner nicht zum Aufheizen des Abgasstrangs verwendet wird, durch Spülen und/oder Freibrennen des Brennraums des Abgasbrenners. Dadurch kann ein stabiler, zügiger und emissionsarmer Start und Betrieb des Abgasbrenners sichergestellt werden. Insbesondere kann durch die Verhinderung bzw. Entfernung von Verunreinigungen im Abgasbrenner eine genaue Steuerung bzw. Regelung des Abgasbrenners in Bezug auf Luft- und Kraftstoffmassenstrom gewährleistet werden.
  • Der Einsatz von Abgasbrennern, die sich zur Senkung der Emissionen im Vergleich zu einem konventionellen Betrieb mit innermotorischen Heizmaßnahmen, insbesondere bei Kaltabfahrten, also hohen Belastungen der Brennkraftmaschine im kalten Zustand ohne Leerlaufphase, zur Beschleunigung des TWC-Light-Offs als äußerst wirkungsvolle Maßnahme herausgestellt haben, kann somit verbessert werden.
  • Im Einzelnen umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine ein Einleiten eines zumindest Luft umfassenden Spülfluids in den Abgasbrenner während einer Spülbetriebsphase, die zeitlich außerhalb einer Normalbetriebsphase des Abgasbrenners liegt, und ein Ausstoßen eines unter Verwendung des Spülfluids gebildeten Ausstoßgemischs aus dem Abgasbrenner, wobei der Abgasbrenner während der Normalbetriebsphase zum Aufheizen einer Komponente des Abgasstrangs auf deren Betriebstemperatur betrieben wird. Durch den Spülbetrieb kann eine Gegenströmung zu einer sich ergebenden Strömung von Abgas aus dem Abgasstrang in den Abgasbrenner hinein erzeugt werden, wodurch kondensierbare bzw. bereits kondensierte Bestandteile des Abgases aus dem Abgasbrenner heraus transportiert werden.
  • Vorteilhafterweise wird während der Spülbetriebsphase die Brennkraftmaschine nicht befeuert. Wenn die Brennkraftmaschine nicht befeuert wird, ändert auch durch den Spülbetrieb zusätzlich eingebrachter Sauerstoff nichts wesentliches an der das Abgassystem durchströmenden Luft. Insbesondere können solche Phasen, in denen die Brennkraftmaschine nicht befeuert wird, Schubabschaltphasen, Segelphasen oder auch, beispielsweise im Falle von (Plug-In-)Hybrid-Fahrzeugen (PHEV), Phasen, in denen Antriebsenergie durch eine zu der Brennkraftmaschine parallel geschalteten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, umfassen.
  • In einigen Ausgestaltungen bzw. in einigen Spülbetriebsphasen kann das Spülfluid zusätzlich Kraftstoff umfassen und in dem Brenner gezündet werden. Dadurch kann neben einem rein strömungsmechanischen Entfernen von Verunreinigungen auch ein Freibrennen erzielt werden, wobei die Verunreinigungen zumindest teilweise oxidativ entfernt werden und auch kondensiertes Wasser verdampft wird. Eine Normalbetriebsphase unterscheidet sich in solchen Ausgestaltungen insbesondere in Hinblick auf eine herrschende Komponententemperatur von der Spülbetriebsphase. Beispielsweise kann bei einem Brennerbetrieb bei einer Katalysatortemperatur als Komponententemperatur unterhalb der Light-Off-Temperatur (Anspringtemperatur), die beispielsweise bei 400 °C, 300 °C oder 250 °C liegen kann, von einer Normalbetriebsphase ausgegangen werden, bei einer Katalysatortemperatur über diesen Werten von einer Spülbetriebsphase. In solchen Fällen, in denen das Spülfluid auch Kraftstoff umfasst, kann der Spülbetrieb auch als Freibrennen bezeichnet werden. Freibrennen kann auch bei befeuerter Brennkraftmaschine erfolgen, da hier auch der Abgasbrenner zur Erzeugung eines kontrollierten Abgasgemischs gesteuert werden kann. Anders ausgedrückt, ergibt sich in Freibrennphasen im Gegensatz zu Spülbetriebsphasen, in denen nur Luft als das Spülfluid verwendet wird, nicht zwangsläufig ein Sauerstoffüberschuss in dem Abgasstrang stromab des Abgasbrenners. Dadurch kann der Lambdawert des Gesamtabgasmassenstroms (bestehend aus Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine und des Abgasbrenners) nach wie vor auf Lambda=1 geregelt werden, sodass die gewünschte Drei-Wege-Schadstoffkonversionsreaktion (CO- und HC-Oxidation sowie NOx-Reduktion) weiterhin optimal ablaufen kann.
  • Bevorzugt werden Häufigkeit und/oder Dauer der Spülbetriebsphase(n) in Abhängigkeit von einem während der Normalbetriebsphase ermittelten Betriebsparameter des Abgasbrenners bestimmt. Dadurch kann ein tatsächlicher Bedarf für eine Entfernung von Verunreinigungen aus dem Abgasbrenner berücksichtigt werden.
  • Insbesondere umfasst dabei der Betriebsparameter des Abgasbrenners eines oder mehrere aus der Gruppe aus einem Brenner-Lambda-Adaptionswert, einer Flammenstabilität und einer Entflammungszuverlässigkeit. Dies sind besonders aussagekräftige Indikatoren für den Spülbedarf.
  • Zur Bewertung der Flammenstabilität und/oder Entflammungszuverlässigkeit können verschiedene Sensorsignale ausgewertet werden. Insbesondere zeigt im Falle eines Entstehens einer Flamme in dem Abgasbrenner das Sensorsignal einer Lambdasonde einen Abfall von Sauerstoff in dem Abgas des Abgasbrenners an, so dass beispielsweise eine Unterschreitung eines Schwellwerts von z. B. Lambda=1,8 als Schwellwert für das Ermitteln des Entstehens einer Flamme verwendet werden kann. Ein Verlauf der Druckdifferenz in dem Verbrennungsluftpfad von stromauf des Abgasbrenners nach stromab des Abgasbrenners oder des Luftmassenstroms (der typischerweise stromauf des Abgasbrenners gemessen wird) weist bei Entstehen einer Flamme einen Anstieg einer Signalschwankungsamplitude auf. Ein entsprechender Schwellwert der Signalschwankungsamplitude kann daher beispielsweise 50 hPa betragen. Eine Temperatur des Abgases des Abgasbrenners steigt im Falle eines Entstehens einer Flamme deutlich an, so dass hierfür beispielsweise ein Schwellwert für einen Gradienten des Temperaturverlaufs von zumindest 500 K/s oder ein Schwellwert für die Temperatur von 500°C gewählt werden kann.
  • Im Falle eines Verlöschens einer Flamme in dem Abgasbrenner zeigt das Lambdasignal hingegen einen Anstieg von Sauerstoff in dem Abgas des Abgasbrenners an, so dass für das Ermitteln eines Verlöschens einer Flamme beispielsweise ein Schwellwert von Lambda=1,8 unterschritten werden muss. Dieser Schwellwert muss nicht identisch mit dem Schwellwert für das Ermitteln des Entstehens einer Flamme sein; es kann auch eine Hysterese vorgesehen werden. Der Verlauf der Druckdifferenz oder des Luftmassenstroms in dem Verbrennungsluftpfad von stromauf des Abgasbrenners nach stromab des Abgasbrenners weist in einem solchen Fall einen Abfall der Signalschwankungsamplitude auf, so dass hierfür beispielsweise ein Schwellwert der Signalschwankungsamplitude von 50 hPa unterschritten werden muss. Auch in diesem Fall muss der Schwellwert für das Ermitteln des Verlöschens der Flamme nicht identisch sein mit dem Schwellwert für das Ermitteln des Entstehens einer Flamme; es kann auch eine Hysterese vorgesehen werden. Die Temperatur des Abgases des Abgasbrenners nimmt hingegen ab, so dass als Schwellwert für ein Ermitteln eines Verlöschens einer Flamme beispielsweise ein Gradient von -200 K/s oder ein Schwellwert für die Temperatur von 400°C verwendet werden kann.
  • Zur Beurteilung der Flammenstabilität und/oder der Entflammungszuverlässigkeit kann dementsprechend beispielsweise ein Schwellwert für eine Anzahl an Verlöschungen während eines vorgegebenen Zeitraums oder ein Schwellwert für eine Zeitdauer von einer Zündung des Abgasbrenners bis zu einer Detektion einer Flamme verwendet werden.
  • Vorteilhafterweise kann eine Menge und/oder Zusammensetzung des Spülfluids bei einer Steuerung eines Speicherfüllstands eines Abgaskatalysators stromab des Abgasbrenners berücksichtigt werden. Insbesondere im Falle von Dreiwegekatalysatoren wird beispielsweise ein Sauerstofffüllstand gesteuert bzw. geregelt. Dies ist entscheidend für eine gleichzeitige Konvertierung von Stickstoffoxiden NOx (Magergaskomponente) und Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenwasserstoffen HC (Fettgaskomponenten). Herkömmlicherweise wird die Zusammensetzung und Menge des Abgases der Brennkraftmaschine überwacht und in die Füllstandsregelung bzw. -steuerung des Katalysators einbezogen. Derartige Füllstandssteuerungen können insbesondere auf einem Rohemissionsmodell und/oder einem Katalysatormodell beruhen und beispielsweise einen Sauerstoffeintrag (z. B. nicht verbrauchter Sauerstoff durch Magerbetrieb der Brennkraftmaschine oder Sauerstoff infolge durch die Brennkraftmaschine durchgepumpter Luft während Schubabschaltphasen) mit einem Sauerstoffverbrauch im Katalysator (z.B. durch Oxidation von Fettgaskomponenten) bilanzieren. Die Einbeziehung der Menge und Zusammensetzung des während der Spülbetriebsphasen in den Katalysator eingebrachten Spülfluids verhindert dementsprechend negative Auswirkungen dieser Spülbetriebsphasen auf das Emissionsverhalten stromab des Katalysators und trägt damit insgesamt zu einer Verringerung der Schadstoffemissionen bei.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Anordnung mit Brennkraftmaschine, Abgasbrenner und Abgaskatalysator, wie sie im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens Anwendung finden kann.
    • 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms.
    • 3 zeigt schematisch eine Möglichkeit zur Ermittlung eines Spülbedarfs, wie sie in Verbindung mit vorteilhaften Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist eine Anordnung 100, die beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet werden kann, mit einer Brennkraftmaschine 110 und einem Abgasnachbehandlungssystem 102 schematisch dargestellt.
  • Die Brennkraftmaschine 110 kann beispielsweise in Form eines Ottomotors, eines Dieselmotors und/oder eines Wankel- bzw. Drehkolbenmotors ausgeführt sein. Auch ein Magermotor mit Fremdzündung kann als die Brennkraftmaschine 110 verwendet werden.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 102 ist stromab der Brennkraftmaschine 110 angeordnet und umfasst zumindest einen Katalysator 130 sowie einen Abgasbrenner 120.
  • Das Abgas 22 des Abgasbrenners 120 wird stromab der Brennkraftmaschine 110 mit deren Abgas 12 zusammengeführt. Diese Zusammenführung findet stromauf des zumindest einen Katalysators 130 statt, da dieser jeweils vor einer Betriebsphase auf eine mindestens notwendige Betriebstemperatur gebracht werden muss. In der Realisierung können ferner Ventile zum Öffnen und Schließen der Zusammenführung vorgesehen sein.
  • Der Katalysator 130 kann beispielsweise einen Dreiwegekatalysator (für OttoMotoren; beispielsweise NOx-Speicherkatalysator oder Oxidationskatalysator für Diesel-Motoren) umfassen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, weitere gleichartige und/oder andere Katalysatoren und/oder Filtersysteme 150, beispielsweise Rußpartikelfilter, in das Abgasnachbehandlungssystem 102 zu integrieren. Auch ist es möglich, mehrere unterschiedliche Katalysatortypen in einem einzigen Multifunktionskatalysator zusammenzufassen, wie es beispielsweise in einem Dreiwegekatalysator üblich ist.
  • Im Folgenden soll zunächst die generelle Funktionsweise des Abgasbrenners 120 in einem Normalbetriebsmodus anhand eines Beispiels, bei dem ein Abgas 22 des Brenners 120 dem Katalysator 130 zugeführt wird, um diesen auf Betriebstemperatur anzuwärmen, erläutert werden.
  • Bei Betriebsstart der Brennkraftmaschine 110, oder in anderen Situationen, in denen eine Erwärmung des Abgasnachbehandlungssystems 102 erforderlich ist, wird dem Abgasbrenner 120 Luft über ein Sekundärluftsystem 20 zugeführt und Kraftstoff eingespritzt und gezündet. Dazu wird von einer Recheneinheit 140 der Anordnung 100, beispielsweise einem Steuergerät des Fahrzeugs, eine Sekundärluftpumpe 122 und andere Komponenten des Abgasbrenners 120 angesteuert. Typischerweise wird der Betrieb des Brenners 120 auch nach dessen Start von dem Steuergerät 140 gesteuert und/oder überwacht, insbesondere unter Verwendung von Sensorsignalen, beispielsweise eines Sensors 112, der stromab des Brenners 120 in dem Abgasnachbehandlungssystem angeordnet sein kann. Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um eine Lambdasonde, einen Temperatursensor, einen Massenstromsensor, einen Drucksensor oder auch um mehrere solcher und/oder anderer Messinstrumente handeln.
  • Das in den Katalysator 130 eingeleitete Abgas 22 des Brenners 120 erwärmt diesen und wird von diesem (zumindest nach Erreichen einer Mindesttemperatur) auch konvertiert, so dass Schadstoffe zu weniger schädlichen Abgasbestandteilen umgesetzt werden. Typischerweise ist das Abgas eines Abgasbrenners jedoch im Vergleich zu Abgasen von Brennkraftmaschinen relativ schadstoffarm, so dass eine Konvertierung nicht zwingend erforderlich sein muss. Ist eine Abschaltbedingung erreicht, beispielsweise eine vorbestimmte Temperatur in dem Katalysator 130 erreicht, so steuert das Steuergerät 140 den Abgasbrenner zum Beenden des Normalbetriebsmodus, insbesondere werden dazu die Sekundärluftpumpe 122 und die Kraftstoffzufuhr zum Abgasbrenner 120 abgeschaltet.
  • Außerhalb der Normalbetriebsphase des Brenners wird herkömmlicherweise keine Fluidströmung aus dem Abgasbrenner 120 heraus in das Abgasnachbehandlungssystem 102 erfolgen. Bedingt durch Pulsationen (Zylinder) und Diffusion können hingegen Abgasbestandteile von stromab des Abgasbrenners in den Abgasbrenner hineintransportiert werden bzw. -diffundieren. Dadurch können Abgaskomponenten des Abgases 12 der Brennkraftmaschine 110 in dem Abgasbrenner abgelagert werden, beispielsweise Wasser oder Rußpartikel. Um dem entgegenzuwirken wird im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens der Abgasbrenner 120 zumindest zeitweise während Spülbetriebsphasen, die sich zeitlich nicht mit den eben beschriebenen Normalbetriebsphasen überschneiden, ein Spülfluid in den Abgasbrenner 120 geleitet. In einigen Ausgestaltungen kann das Spülfluid aus aus dem Sekundärluftsystem 20 entnommener Luft bestehen. In solchen Ausgestaltungen werden während der Spülbetriebsphase von stromab in den Abgasbrenner eingetragene Verunreinigungen mit der eingeleiteten Sekundärluft in Richtung des Abgasnachbehandlungssystems 102 ausgetragen.
  • Das Steuergerät 140 kann diese Spülbetriebsphasen koordinieren, so dass diese beispielsweise nur in Phasen, in denen die Brennkraftmaschine 110 nicht befeuert, also abgeschaltet ist, durchgeführt werden.
  • Eine solche Spülbetriebsphase mit Luft kann während eines Auslaufens der Brennkraftmaschine 110 (z.B. nach Abstellen der Zündung, wenn die Brennkraftmaschine 110 noch in Bewegung ist) und/oder nach Abstellen bzw. Stillstand der Brennkraftmaschine 110 vorgesehen werden.
  • Eine solche Spülbetriebsphase kann entweder jedes Mal bei Auslauf bzw. Abstellen der Brennkraftmaschine 110 aktiviert werden oder nur bei Eintreten eines der im Folgenden erläuterten Aktivierungskriterien. Ferner ist diese Betriebsweise mit Luft während Schubabschaltphasen oder Segelphasen der Brennkraftmaschine 110 sowie während Phasen mit rein elektrischem Fahrantrieb bei Hybrid-Fahrzeugen oder PHEVs vorteilhaft. In solchen Betriebsphasen fungiert die Brennkraftmaschine 110, sofern sie sich (noch) in Bewegung befindet, typischerweise als Luftpumpe, die Luft 10 von stromauf der Brennkraftmaschine 110 in das Abgasnachbehandlungssystem 102 befördert, und bedingt somit ohnehin eine Sauerstoffsättigung des Abgasnachbehandlungssystems 102.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Spülbetriebsphasen in Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen gesteuert werden. Beispielsweise kann während einer Normalbetriebsphase des Abgasbrenners 120 überwacht werden, wie stabil eine Flamme in dem Abgasbrenner 120 brennt und bei Anzeichen für ein instabiles Flammenverhalten im Anschluss an die Normalbetriebsphase eine Spülbetriebsphase eingeleitet werden bzw. deren Häufigkeit und/oder Dauer entsprechend eingestellt werden.
  • Abhängig davon, mit welcher Dringlichkeit der Spülbedarf über die Aktvierungskriterien (siehe unten) angefordert wird, kann der Spülbetrieb während der gesamten Schubabschalt- oder Segelphase bzw. im Großteil des rein elektrischen Fahrbetriebs erfolgen oder eben nur in entsprechend geringeren Anteilen.
  • In alternativen bzw. zusätzlichen Ausgestaltungen kann das Spülfluid zudem Kraftstoff umfassen und in dem Abgasbrenner gezündet werden, so dass der Abgasbrenner ausgebrannt werden kann, insbesondere um kondensiertes Wasser zu verdampfen und/oder um bereits verfestigte Ruß-Ablagerungen zumindest teilweise oxidativ zu entfernen.
  • Ein solcher gezielter Brennerbetrieb auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine 110 („Freibrennen“) auch nach erfolgter Aufheizung des Abgasnachbehandlungssystems 102 über die Light-Off-Temperatur des Katalysators 130 kann ebenfalls in Abhängigkeit von den nachfolgend beschriebenen Kriterien aktiviert werden.
  • Zusammenfassend ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen Verfahrens auch in 2 schematisch dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet.
  • In einem ersten Schritt 201 des Verfahrens 200 wird der Abgasbrenner 120 in einem Normalbetriebsmodus betrieben, um den Katalysator 130 des Abgasnachbehandlungssystems 102 zu erwärmen. Während dieser Normalbetriebsphase 201 des Brenners werden Betriebsparameter des Brenners 120 überwacht bzw. erfasst, die beispielsweise Aufschluss über eine Flammenstabilität, eine Zuverlässigkeit einer Entflammung und/oder einer Steuerbarkeit des Brenners 120 geben.
  • Aus den so ermittelten Werten wird in einem Schritt 202 ein Spülbedarf für den Abgasbrenner 120 ermittelt, auf dessen Basis in einem Schritt 203 eine Frequenz bzw. Häufigkeit und/oder eine Intensität von Spülbetriebsphasen festgelegt wird.
  • In einem Schritt 204, der durchgeführt wird, wenn die Normalbetriebsphase 201 beendet ist, also insbesondere nachdem eine Mindesttemperatur in dem Katalysator 130 erreicht ist, wird überprüft, ob Einschaltbedingungen für eine Spülbetriebsphase vorliegen. Insbesondere können die Einschaltbedingungen als vorliegend bewertet werden, wenn momentan keine Last von der Brennkraftmaschine 110 angefordert wird. Dies kann beispielsweise in Schubabschalt- oder Segelphasen, oder auch wenn eine Zündung der Brennkraftmaschine 110 manuell abgeschaltet wurde (Schlüsselstopp) oder in Betriebsphasen, in denen eine elektrische Maschine die Antriebsleistung übernimmt (z.B. hybrid-elektrische Fahrzeuge), der Fall sein. Insbesondere haben Spülbetriebsphasen mit reiner Luft als das Spülfluid und Freibrennphasen unterschiedliche Einschaltbedingungen. Wie bereits erläutert, kann Luft als das Spülfluid nur dann verwendet werden, wenn die Brennkraftmaschine 110 nicht befeuert wird (restriktive Bedingung), Freibrennen kann auch in Betriebsphasen mit befeuerter Brennkraftmaschine 110 erfolgen. Nachteilig an Freibrennphasen ist jedoch der Kraftstoffverbrauch. Daher wird bevorzugt mit Luft als das Spülfluid gearbeitet, während Freibrennen nur bei zusätzlicher Indizierung (z.B. unzureichende Flammenstabilität im Abgasbrenner usw.) durchgeführt wird.
  • Sind die Einschaltbedingungen in Schritt 204 als vorliegend bewertet, fährt das Verfahren 200 mit einer Spülbetriebsphase bzw. Freibrennphase, wie sie oben bereits ausführlich beschrieben wurde, fort. Dabei werden die in Schritt 203 festgelegten Intensitäten und/oder Frequenzen bzw. Häufigkeiten berücksichtigt, insbesondere in Bezug auf Dauer und/oder Spülfluidmenge einer derartigen Spülbetriebsphase. Das Verfahren kann anschließend zu Schritt 202 zurückkehren, um die erfolgte Spülbetriebsphase gegebenenfalls für den weiteren Spülbedarf zu berücksichtigen.
  • Wird in Schritt 204 hingegen festgestellt, dass die Einschaltbedingungen nicht vorliegen, kann das Verfahren 200 direkt zu Schritt 202 zurückkehren, um die Zeit, während der der Abgasbrenner 120 nicht gespült wird, bei der Ermittlung des Spülbedarfs zu berücksichtigen.
  • Wie bereits erwähnt, sollen nun Kriterien vorgeschlagen werden, anhand derer die Häufigkeit und Intensität der Spülbetriebs- bzw. Freibrennphasen in Schritt 203 festgelegt werden können.
  • Zum einen wird vorgeschlagen, den Brenner-Spül- bzw. -Freibrennvorgang zu aktivieren, wenn die Werte einer sogenannten Brenner-Lambda-Gemischadaption einen bestimmten Schwellwert über- oder unterschreiten. Über die Größe dieser Überschreitung lässt sich dann die Häufigkeit und Intensität der Spülbetriebs- bzw. Freibrennphasen festlegen.
  • Der Ansatz der Brenner-Lambda-Gemischadaption wird im Folgenden auch unter Bezugnahme auf 3 beschrieben und ist ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
  • In 3 ist eine Möglichkeit der Brenner-Lambda-Gemischadaption, die zur Ermittlung eines Spülbedarfs gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, schematisch veranschaulicht.
  • Das Luft-/Kraftstoffverhältnis (=λ bzw. Lambda) sowohl des Brenners 120 als auch der Brennkraftmaschine 110 beeinflusst massiv die jeweiligen Rohemissionen (NOx, HC, CO).
  • Dabei ist das z. B. das Brenner-Lambda definiert als: λ Bur = m ˙ A ,Bur / m ˙ F ,Bur / L st
    Figure DE102021203678A1_0001
  • Dabei steht ṁA,Bur für den dem Brenner 120 zugeführten Luftmassenstrom, ṁF,Bur für den dem Brenner 120 zugeführten Kraftstoffmassenstrom und Lst für den stöchiometrischen Luftbedarf des Brenners 120.
  • Die Luftzahl Lambda der Brennkraftmaschine 110 λBKM ist dabei in analoger Weise definiert.
  • Darüber hinaus legen die beiden genannten Lambda-Werte gewichtet mit den jeweiligen Abgasmassenströmen ṁExh das Gemischlambda stromab der Zusammenführung der beiden Abgase 12, 22 fest. λ mix = λ mix ( λ BKM , λ Bur , m ˙ Exh ,BKM , m ˙ Exh ,Bur )
    Figure DE102021203678A1_0002
  • Dieses Gemischlambda wiederum muss sehr genau (vor)gesteuert bzw. geregelt werden - typischerweise bei einem Dreiwegekatalysator 130 für einen Ottomotor sehr nahe bei λ=1 - sobald der Katalysator 130 die zur Konversion erforderliche Mindesttemperatur (sog. light-off-Temperatur) erreicht.
  • Da der Eingriff über den Brenner-Kraftstoffpfad dynamischer als über den Brenner-Luftpfad 20 erfolgen kann, wird hier ein Durchgriff des Reglers 304 auf den Kraftstoffpfad ṁF,Bur als Stellgröße bevorzugt, z. B. in Form eines Korrekturfaktors ff,bur.
  • Damit ergibt sich der korrigierte Kraftstoffmassenstrom ṁF,Bur als m ˙ F ,Bur = f f ,bur ⋅ m ˙ A ,Bur / λ Exh ,Bur/mix ,soll /L st
    Figure DE102021203678A1_0003
  • Die erwähnte Lambda-Adaption basiert nun auf folgenden Überlegungen:
    • Die Lambda-Regelung 304 korrigiert, gemäß der soeben erläuterten Vorgehensweise, die Brenner-Lambda-Abweichungen „schnell“ aus. Derartige Abweichungen von der Lambda-Vorsteuerung 302 kommen aufgrund von Toleranzen/Fehlern im Brenner-Luftpfad 20 (z.B. Drucksensor bzw. Luftmassen-(HFM)-Toleranzen, geometrische Bauteiltoleranzen, Leckagen, ...) sowie im Kraftstoffpfad (Verzugszeiten und Durchflusstoleranzen der Einspritzanlage 310, schwankende Kraftstoffdichten, ...) zustande. Einige der genannten Fehlerquellen ändern sich nur langsam über die Zeit und lassen sich deshalb adaptieren, um eine Entlastung des Lambda-Reglers 304 zu erreichen. Dadurch lassen sich geringere Brenner-Lambda-Abweichungen u.a. auch im dynamischen Brennerbetrieb, aber auch in Betriebszuständen, in denen die Lambda-Sonde 112 noch nicht regelbereit ist, erreichen.
  • Ein solches Adaptionsverfahren kann auf Basis eines gefilterten (z.B. PT1) Kraftstoffkorrekturfaktors ff,Bur,filter über einen „langsamen“ Integrator bzw. I-Regler 306 einen Adaptionsfaktor fadap,f,Bur berechnen. Dieser wird dann zur Korrektur des Kraftstoffmassenstroms mF,Bur bzw. einer Einspritzausgabe Ti verwendet und reduziert bzw. entlastet somit den eigentlichen Regeleingriff über ff,Bur: m ˙ F ,Bur = f adap ,f ,bur ⋅ f f ,Bur  ⋅ m ˙ A ,Bur / λ Exh ,Bur/mix ,soll /L st
    Figure DE102021203678A1_0004
  • Anstelle eines multiplikativen Adaptionsfaktors ist auch eine additive Offset-Korrektur oder eine Kombination aus beiden Ansätzen denkbar. Diese Adaptionswerte (Faktor und/oder Off-set) können auch beispielsweise in Abhängigkeit von der Brenner-Leistung, dem Brenner-Lambda, der Außentemperatur oder weiteren relevanten Eingangsgrößen ermittelt / adaptiert und gespeichert werden. Somit stehen diese gespeicherten Adaptionswerte bei Neustart sofort wieder zur Verfügung.
  • Wie eingangs erwähnt, soll nun die Größe dieses bzw. dieser Adaptionswerte zur Festlegung von Häufigkeit und Intensität der Spülbetriebs- bzw. Freibrennphasen herangezogen werden.
  • Neben den soeben beschriebenen Adaptionswerten der Lambda-Regelung können im Rahmen der vorliegenden Erfindung außerdem Kenngrößen, welche die Qualität und Geschwindigkeit des Brenner-Starts charakterisieren, als Einflussgrößen für eine Einstellung von Häufigkeit und Intensität der angesprochenen Spül- bzw. Freibrennphasen verwendet werden.
  • Wie eingangs bereits beschrieben, können dazu folgende Größen ausgewertet werden:
    • - Druckfluktuationen am Brenner 120: Zur Brenner-Füllungserfassung können (Differenz)Drucksensoren am Brenner eingesetzt werden. Zur schnellen Detektion der Entflammung wird ausgenutzt, dass die Druckfluktuationen bei einsetzendem Verbrennungsbetrieb deutlich zunehmen.
    • - Luftmassenmesser am Brenner 120 bzw. im Sekundärluftsystem 20: Zur schnellen Detektion der Entflammung wird ausgenutzt, dass die Fluktuationen des Sensorsignals bei einsetzendem Verbrennungsbetrieb deutlich zunehmen.
    • - Lambda-Signal stromab des Abgasbrenners 120: Mit einsetzender Verbrennung reduziert sich der Sauerstoffgehalt drastisch. Der über die Lambda-Sonde gemessene Verlauf, ist ein Indiz für Brennerstartgeschwindigkeit und - güte.
    • - Brennerabgastemperatursensor stromab des Brenners 120: Der Verlauf der Abgastemperatur bzw. des -gradienten gibt Aufschluss über den erfolgreichen Start der Verbrennung.
  • Aus dem Verlauf dieser Größen lassen sich kritische Schwellwerte bzw. Muster ableiten bzw. erlernen. Je nach Ausmaß von deren Überschreitung lässt sich dann die Häufigkeit und Intensität der Spülbetriebs- bzw. Freibrennphasen festlegen.
  • Nachfolgend wird zudem ein Ansatz vorgeschlagen, wie die Auswirkung des Spülbetriebs des Abgasbrenners 120 auf den sogenannten Sauerstoffspeicher des Katalysators 130 berücksichtigt werden kann.
  • Neben der katalytischen Wirkung auf die NOx-Reduktion und die CO- und HC-Oxidation ist ein Dreiwegekatalysator typischerweise mit einer sauerstoffspeichernden Komponente ausgestattet. Sie bewirkt bei „sinnvollem“ Füllstand (nicht zu voll und nicht zu leer), dass bei Magerausflügen des Abgases 12 der Brennkraftmaschine 110 trotzdem noch eine NOx-Reduktion und bei Fettausflügen des Abgases 12 trotzdem noch eine CO- und HC-Oxidation stattfinden kann.
  • Es sind dabei grundsätzlich verschiedene Ansätze möglich, um den Füllstand des Sauerstoffspeichers zu bestimmen und eine sogenannte Sauerstoffbilanzregelung zu realisieren. Diese Modelle benötigen dazu allerdings u. a. den in den Katalysator 130 eintretenden Luft- bzw. Sauerstoffmassenstrom. Der Luftmassenstrom, den die Brennkraftmaschine 110 in den Schubphasen in den Katalysator 130 einbringt, ist über die ECU-Modelle bzw. Füllungssensoren bestimmbar.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, diesem Luftmassenstrom den Beitrag des Brenner-Luftmassenstroms während der Spülbetriebsphasen hinzu zu addieren und ihn so in seiner Auswirkung auf die erweiterte Sauerstoffbilanzregelung korrekt zu berücksichtigen. Dieser lässt sich über Modelle der Füllungserfassung für den Brenner 120 (z. B. Drosselgleichung) bzw. Füllungssensoren (Luftmassenmesser, Drucksensoren vor/nach/um den Brenner) bestimmen.
  • Die Erfindung wurde hier am Beispiel der Brenner-Abgaseinleitung vor dem Katalysator 130 erläutert. Im Falle einer Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems 102 mit einem weiteren Katalysator 150 können diese Erläuterungen sinngemäß entsprechend auf die Brenner-Abgaseinleitung vor dem weiteren Katalysator 150 (nicht in der Figur dargestellt) übertragen werden. Dies ist ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
  • Ebenso ist eine analoge Übertragung der Ausführungen auf mehrflutige Abgasanlagen (z.B. V6, V8, ...) und generell auf Brennkraftmaschinen mit anderen Brennraumanzahlen möglich und ebenso Teil dieser Erfindung.
  • Ferner sei betont, dass die obige Beschreibung des Verfahrens 200 in Form eines schrittweisen Vorgehens nur zum besseren Verständnis dienen soll und das erfindungsgemäße Verfahren nicht in allen Ausgestaltungen auf ein solches schrittweises Vorgehen zurückgreifen muss. Auch können einige Schritte in anderer, beispielsweise umgekehrter, Reihenfolge oder zusammengefasst bzw. integriert durchgeführt werden oder ganz entfallen, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4132814 A1 [0004]
    • DE 19504208 A1 [0004]

Claims (12)

  1. Verfahren (200) zum Betreiben eines Abgasbrenners (120) in einem Abgasstrang (102) einer Brennkraftmaschine (110), umfassend: Einleiten eines zumindest Luft (20) umfassenden Spülfluids in den Abgasbrenner (120) während einer Spülbetriebsphase (205), die zeitlich außerhalb einer Normalbetriebsphase (201) des Abgasbrenners (120) liegt, und Ausstoßen eines unter Verwendung des Spülfluids gebildeten Ausstoßgemischs (22) aus dem Abgasbrenner (120), wobei der Abgasbrenner (120) während der Normalbetriebsphase (201) zum Aufheizen zumindest einer Komponente (130, 150) des Abgasstrangs (102) auf deren Betriebstemperatur betrieben wird.
  2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei während der Spülbetriebsphase (205) die Brennkraftmaschine (110) nicht befeuert wird.
  3. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Spülfluid keinen Kraftstoff umfasst.
  4. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Spülfluid zusätzlich Kraftstoff umfasst und in dem Abgasbrenner (120) gezündet wird.
  5. Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei während der Spülbetriebsphase (205) die Brennkraftmaschine (110) befeuert wird und wobei das Spülfluid zusätzlich Kraftstoff umfasst und in dem Abgasbrenner (120) gezündet wird.
  6. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Häufigkeit und/oder Dauer der Spülbetriebsphase(n) in Abhängigkeit von einem während der Normalbetriebsphase (201) ermittelten Betriebsparameter des Abgasbrenners (120) bestimmt werden (203).
  7. Verfahren (200) nach Anspruch 6, wobei der Betriebsparameter des Abgasbrenners (120) eines oder mehrere aus der Gruppe aus einem Brenner-Lambda-Adaptionswert, einer Flammenstabilität und einer Entflammungszuverlässigkeit umfasst.
  8. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Menge und/oder Zusammensetzung des Spülfluids bei einer Steuerung eines Speicherfüllstands eines Abgaskatalysators (130) stromab des Abgasbrenners (120) berücksichtigt wird.
  9. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Komponente (130, 150) des Abgasstrangs (102) während der Spülbetriebsphase (205) eine Temperatur aufweist, die nicht unterhalb einer Mindestbetriebstemperatur oder Anspringtemperatur der zumindest einen Komponente (130, 150) liegt.
  10. Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  11. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
  12. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.
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