DE102005054733A1 - Brenner zur Katalysatoraufheizung mit gesteuerter oder geregelter Kraftstoffzuführung - Google Patents

Brenner zur Katalysatoraufheizung mit gesteuerter oder geregelter Kraftstoffzuführung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen Zusatzbrenner in einem Kraftfahrzeug, und speziell einen Brenner (8) zum schnellen Aufheizen eines Dreiwegekatalysators (6) einer Verbrennungskraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs, mit einer Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Zuführen von Kraftstoff zum Brenner (8), einer Luftzufuhreinrichtung (18) zum Zuführen von Luft zum Brenner (8), sowie einer Steuer- oder Regeleinrichtung (24) zur Einstellung eines gewünschten Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses im Brenner (8). Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brenners (8). Es ist vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) die von der Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse an die von der Luftzufuhreinrichtung (18) zum Brenner (8) zugeführte Luftmasse anpasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zum schnellen Aufheizen eines Dreiwegekatalysators einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Stand der Technik
  • Die von benzingetriebenen Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen im Betrieb erzeugten Abgase werden in der Regel durch einen Dreiwegekatalysator im Abgastrakt hindurchgeführt, um die Abgase durch eine katalytische Umwandlung der bei der Verbrennung erzeugten Schadstoffe zu reinigen. Um wirksam zu sein, muss der Dreiwegekatalysator jedoch eine bestimmte Mindesttemperatur oder Light-off-Temperatur besitzen, die er allein durch die Wärme der Abgase der Verbrennungskraftmaschine erst etwa 20 bis 40 Sekunden nach einem Kaltstart derselben erreicht, weshalb der größte Teil der Schadstoffe moderner Verbrennungskraftmaschinen während des genannten Zeitraums nach dem Start emittiert wird.
  • Um die Zeitspanne bis zum Erreichen der Light-off-Temperatur eines Dreiwegekatalysators zu verkürzen, wurde bereits 1971 in der DE OS 2219371 vorgeschlagen, Kraftfahrzeuge mit einem Zusatzbrenner auszustatten, in dessen Brennkammer vor einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff verbrannt wird, um die dabei erzeugten heißen Abgase zur Vorwärmung des Katalysators zu nutzen. Wie unter anderem in der DE 41 32 814 C2 oder der EP 0 599 060 B1 beschrieben, kann die für die Verbrennung des Kraftstoffs im Brenner benötigte Luft mittels eines in Kraftfahrzeugen mit Ottomotor normalerweise vorhandenen Sekundärluftgebläses in den Brenner zugeführt werden.
  • Um einen emissionsarmen Betrieb des Brenners sicherzustellen, muss das Kraftstoff-/Luft-Verhältnis im Brenner innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen und vorzugsweise konstant gehalten werden, wozu bei bekannten Systemen pro Zeiteinheit sowohl eine konstante Kraftstoffmenge als auch eine konstante Luftmenge in den Brenner zugeführt wird. Um die Zufuhr einer konstanten Luftmenge trotz einer über die Betriebszeit gegebenenfalls veränderlichen Förderkennlinie des Sekundärluftgebläses und trotz eines veränderlichen Abgasgegendrucks zu gewährleisten, wird bei dem in der EP 0 599 060 B1 beschriebenen Brennersystem in die Sekundärluftzufuhrleitung hinter dem Sekundärluftgebläse ein Sekundärluft-Druckregler eingesetzt, der über eine Referenzdruckleitung mit der Brennkammer des Brenners verbunden ist.
  • Auch bei anderen denkbaren Lösungen müssen zur Zufuhr einer konstanten Kraftstoffmenge und einer konstanten Luftmenge sowohl auf der Kraftstoffseite als auch auf der Luftseite Steuer- oder Regelmaßnahmen getroffen werden, die insbesondere auf der Luftseite fast immer den Einbau relativ teuerer und aufwendiger Komponenten erforderlich machen.
  • Außer zum schnellen Aufheizen eines Dreiwegekatalysators können die eingangs genannten Brenner in Kraftfahrzeugen auch noch zur Regeneration von Partikelfiltern, zum Temperaturmanagement bei NOx-Speicherkatalysatoren und als Standheizungen oder Zuheizer eingesetzt werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Brenner mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 11 genannten Merkmalen bieten demgegenüber den Vorteil, dass auf eine Steuerung oder Regelung der in den Brenner zugeführten Luftmenge und damit auf die für eine solche Steuerung oder Regelung erforderlichen Maßnahmen verzichtet werden kann. Um auch bei einer stärkeren Veränderung der in den Brenner zugeführten Luftmasse, zum Beispiel infolge einer Alterung oder Fertigungstoleranzen des Sekundärluftgebläses, Luftdruckschwankungen beim Betrieb des Kraftfahrzeugs in unterschiedlichen Höhen über dem Meeresspiegel oder einer Veränderung des Abgasgegendrucks im Abgastrakt hinter dem Brenner bei unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine eine sichere und saubere Verbrennung des Kraftstoffs im Brenner sicherzustellen, wird erfindungsgemäß die in den Brenner zugeführte Kraftstoffmasse bei Bedarf unter Veränderung der Leistung des Brenners nachgeführt, das heißt an die veränderte Luftmasse angepasst.
  • Diese Nachführung ist jedoch nur dann erforderlich, wenn die Veränderung der Luftzufuhr den stabilen und emissionsarmen Betrieb des Brenners gefährdet, der häufig bei einer Luftzahl in einem Bereich zwischen etwa λ = 1 und etwa λ = 1,5 gewährleistet ist. Solange die Grenzen dieses Bereichs nicht überschritten werden, kann bei einer nur geringfügigen Veränderung der Luftzufuhr in den Brenner die Kraftstoffzufuhr in denselben konstant gehalten werden.
  • Die Kraftstoffzufuhreinrichtung und die Luftzufuhreinrichtung werden daher gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für einen Betrieb des Brenners mit einer Luftzahl zwischen etwa λ = 1 und etwa λ = 1,5 ausgelegt, vorzugsweise mit einer Luftzahl nahe der Mitte dieses Bereichs, das heißt von etwa λ = 1,25, so dass eine möglichst große Veränderung der Luftzufuhr ohne das Erfordernis einer Veränderung der Kraftstoffzufuhr erreicht werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die von der Luftzufuhreinrichtung geförderte Luft vollständig oder mit einem festen Aufteilungsverhältnis, das heißt ohne eine vorherige Dosierung oder Mengenregelung, in den Brenner zugeführt, um das System so einfach wie möglich zu halten. Dies bedeutet, dass die Luftzufuhreinrichtung, zum Beispiel ein Sekundärluftgebläse, entweder so ausgelegt wird, dass die Luftzahl im Brenner bei einer Förderung der gesamten angesaugten Luft in den Brenner vorzugsweise zwischen etwa λ = 1 und etwa λ = 1,5 liegt, oder dass unabhängig vom Luftdruck ein konstanter Anteil der von der Luftzufuhreinrichtung geförderten Luft zur Zufuhr in den Brenner abgezweigt wird.
  • Da zur Anpassung der in den Brenner zugeführten Kraftstoffmasse die in den Brenner zugeführte Ist-Luftmasse bekannt sein sollte, die Kraftstoffmasse selbst jedoch nicht unbedingt bekannt sein muss, umfasst der Brenner vorzugsweise Einrichtungen zur direkten oder indirekten Erfassung der zum Brenner zugeführten Ist-Luftmasse. Im zuerst genannten Fall ist dies vorzugsweise ein hinter dem Sekundärluftgebläse in einer Luftzufuhrleitung des Brenners angeordneter Luftmassenmesser, zum Beispiel ein Heißfilm-Luftmassenmesser, der die zum Brenner zugeführte Luftmasse direkt misst, während im zuletzt genannten Fall vorzugsweise mit Hilfe von Drucksensoren der Druck hinter dem Sekundärluftgebläse in einer Luftzufuhrleitung des Brenners und der in einer Brennkammer des Brenners herrschende Druck gemessen und auf der Grundlage der Druckdifferenz zwischen diesen Drücken die in den Brenner zugeführte Luftmasse berechnet wird.
  • Alternativ kann jedoch auch das Signal einer im Abgasstrom hinter dem Brenner angeordneten Lambda-Sonde zur Einstellung einer gewünschten Luftzahl verwendet werden, indem die Steuer- oder Regeleinheit die Kraftstoffzufuhr erhöht, wenn das Signal der Lambda-Sonde einen Anstieg der Luftzahl λ des Brenners in die Nähe einer oberen Bereichsgrenze anzeigt, zum Beispiel etwa λ = 1,5, bzw. die Kraftstoffzufuhr drosselt, wenn das Signal der Lambda-Sonde ein Absinken der Luftzahl in die Nähe einer unteren Bereichsgrenze anzeigt, zum Beispiel etwa λ = 1.
  • Eine kostengünstige Möglichkeit zur Dosierung des Kraftstoffs in den Brenner zur Anpassung an die ermittelte Luftmasse besteht darin, ein herkömmliches Einspritzventil für ein Saugrohreinspitzsystem zu verwenden, dessen Taktung von der Steuer- oder Regeleinrichtung auf der Grundlage der jeweils ermittelten Luftmasse bzw. Luftzahl entsprechend angepasst werden.
    •
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht von Teilen eines Abgastraktes einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Dreiwegekatalysator und einem zur schnelleren Aufheizung des Katalysators dienenden Brenner;
  • 2 eine schematische Darstellung eines gewünschten Betriebsbereichs des Brenners in Abhängigkeit von Luftdurchsatz (Abszisse) und Kraftstoffdurchsatz (Ordinate).
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Der in 1 der Zeichnung nur teilweise dargestellte Abgastrakt 2 einer Verbrennungskraftmaschine 4 eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Dreiwegekatalysator 6 und einen zur schnelleren Aufheizung des Katalysators 6 dienenden Brenner 8, dessen Brennkammer 10 durch ein Abgasrohr 12 mit dem zur Verbrennungskraftmaschine 4 benachbarten Stirnende des Katalysators 6 verbunden ist, so dass durch Inbetriebnahme des Brenners 8 in der Brennkammer 10 erzeugte heiße Verbrennungsgase vor oder während einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 4 in den Katalysator 6 zugeführt werden können, um diesen bis über die Light-Off-Temperatur aufzuheizen.
  • Die Brennkammer 10 des Brenners 6 ist dazu durch ein Einspritzventil 14 mit Kraftstoff beaufschlagbar, der durch eine Zufuhrleitung 16 aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs zugeführt und in der Brennkammer 10 mit Verbrennungsluft vermischt wird. Das dabei gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündkerze 17 gezündet, so dass es in der Brennkammer 10 verbrennt, wobei die heißen Verbrennungsgase durch das Abgasrohr 12 in den Katalysator 6 strömen.
  • Zur Zufuhr der Verbrennungsluft in die Brennkammer 10 dient ein Sekundärluftgebläse 18, das Luft aus der Umgebung ansaugt und durch eine Luftzufuhrleitung 20 in die Brennkammer 10 zuführt, wobei stets der gesamte, vom Sekundärluftgebläse 18 geförderte Luftstrom in die Brennkammer 10 geleitet wird. Zwischen dem Gebläse 18 und der Brennkammer 10 ist die Luftzufuhrleitung 20 mit einem Luftmassenmesser 22 bestückt, der die im Betrieb des Brenners 8 pro Zeiteinheit durch die Luftzufuhrleitung 20 in die Brennkammer 10 strömende Luftmasse misst. Die gemessene Luftmasse wird an eine zum Beispiel in ein Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine integrierte Steuereinheit 24 übermittelt, welche die Öffnungszeiten des Einspritzventils 14 in Abhängigkeit von der gemessenen Luftmasse steuert.
  • Bei der Auslegung des Brenners 8, des Gebläses 18 und des Einspritzventils 14 wird die Nennförderleistung des Gebläses 18 so auf die Taktung des Einspritzventils 14, d.h. auf dessen Einspritzmenge und Öffnungsintervalle, abgestimmt, dass der Betriebspunkt des Brenners 8 unter Normalbedingungen, zum Beispiel bei normalem Luftdruck auf Meereshöhe und bei einem durchschnittlichen Abgasgegendruck, etwa in der Mitte eines in 2 dargestellten beispielhaften Betriebsbereichs liegt, in dem der Brenner 8 stabil und emissionsarm arbeitet, d.h. im dargestellten Beispiel bei einer Luftzahl von etwa λ = 1,25. Wenn sich diese Bedingungen verändern, weil zum Beispiel das Kraftfahrzeug nicht in Höhe des Meeresspiegels betrieben wird, führt dies dazu, dass sich die pro Zeiteinheit in die Brennkammer 10 zugeführte Luftmasse verändert. Diese Veränderung wird vom Luftmassenmesser 22 gemessen und an die Steuereinheit 24 übermittelt, die aus der Veränderung der in die Brennkammer 10 zugeführten Luftmasse die Luftzahl λ des daraus resultierenden Betriebspunkts des Brenners 8 berechnet. Solange die Veränderung der Luftzufuhr nur geringfügig ist und nicht zur Folge hat, dass die Luftzahl λ den in 2 dargestellten beispielhaften Betriebsbereich mit Grenzen von etwa λ = 1 und etwa λ = 1,5 verlässt, wird die Taktung des Einspritzventils 14 von der Steuereinheit 24 konstant gehalten. Im Falle einer starken Annäherung an die Grenzen oder einer Überschreitung derselben wird jedoch von der Steuereinheit 24 die Taktung des Einspritzventils 14 und damit die vom Einspritzventil 14 pro Zeiteinheit in die Brennkammer 10 zugeführte Kraftstoffmasse verändert, und zwar so, dass der Betriebspunkt des Brenners 8 in Richtung der Mitte des Betriebsbereichs zurück verschoben wird, das heißt bei dem in 2 dargestellten Beispiel in Richtung einer Luftzahl von etwa λ = 1,25. Mit anderen Worten wird die Leistung des Brenners 8 verändert.
  • In Abhängigkeit von der zur Aufheizung des Katalysators 6 erforderlichen Heizleistung und/oder in Abhängigkeit von einem höheren Luft überschussbedarf im Abgas des Brenners 8 zur Nachoxidation von unverbrannten Abgasbestandteilen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 4 kann durch eine entsprechende Taktung des Einspritzventils 14 auch absichtlich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt werden, dessen Luftzahl λ vom vorgegebenen Mittelwert des Betriebsbereichs abweicht, das heißt bei dem in 2 dargestellten Betriebsbereich von λ = 1,25, weil sich dies positiv auf das Gesamtverhalten auswirken kann.
  • Statt die in die Brennkammer 10 zugeführte Luftmasse mit Hilfe des Luftmassenmessers 22 in der Luftzufuhrleitung 20 direkt zu messen und daraus in der Steuereinheit 24 die Luftzahl λ des augenblicklichen Betriebspunkts des Brenners 8 zu berechnen, kann diese Luftmasse alternativ auch aus einer Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck in der Luftzufuhrleitung 20 und dem Druck in der Brennkammer 10 berechnet werden, welche Drücke mit Hilfe von Drucksensoren (nicht dargestellt) gemessen werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, im Abgasstrom des Brenners 8, zum Beispiel im Abgasrohr 12 eine Lambda-Sonde (nicht dargestellt) vorzusehen, deren Signale direkt der Steuereinheit 24 zugeführt werden, um auf der Basis der gemessenen Ist-Luftzahl λ im Abgas des Brenners 8 die Kraftstoffzufuhr in denselben durch eine veränderte Taktung des Einspritzventils 14 an eine zur Veränderung der Luftzahl λ führende Veränderung der Luftzufuhr anzupassen. Da die Signale einer solchen Lambda-Sonde jedoch erst einige Sekunden nach einer Inbetriebnahme des Brenners 8 zur Verfügung stehen, wenn die Sonde ihre Betriebstemperatur erreicht, muss in diesem Fall zunächst mit Vorsteuerwerten gearbeitet werden, wobei sich der Einsatz einer adaptiven Vorsteuerung anbietet.

Claims (11)

  1. Brenner, insbesondere Zusatzbrenner in einem Kraftfahrzeug, mit einer Kraftstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zum Brenner, einer Luftzufuhreinrichtung zum Zufuhren von Luft zum Brenner, sowie einer Steuer- oder Regeleinrichtung zur Einstellung eines gewünschten Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses im Brenner, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) die von der Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse an die von der Luftzufuhreinrichtung (18) zum Brenner (8) zugeführte Luftmasse anpasst.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Luftzufuhreinheit (18) geförderte Luft vollständig oder mit einem festen Aufteilungsverhältnis in den Brenner (8) zugeführt wird.
  3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) die von der Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse basierend auf der mittels eines Luftmassenmessers (22) gemessenen Masse der von der Luftzufuhreinrichtung (18) zum Brenner zugeführten Luft anpasst.
  4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) die von der Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse basierend auf einer mittels Drucksensoren ermittelten Druckdifferenz zwischen dem Druck der von der Luftzufuhreinrichtung (18) zum Brenner (8) zugeführten Luft und dem Druck in einer Brennkammer (10) des Brenners (8) anpasst.
  5. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) die von der Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse basierend auf einem Signal einer im Abgasstrom des Brenners (8) angeordneten Lambda-Sonde anpasst.
  6. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzufuhreinrichtung ein Einspritzventil (14) umfasst, und dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) eine Taktung des Einspritzventils (14) basierend auf der von der Luftzufuhreinrichtung (18) zum Brenner (8) zugeführten Luftmasse anpasst.
  7. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (24) die von der Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse konstant hält, solange sich eine Luftzahl λ des Brenners (8) bei einer Veränderung der von der Luftzufuhreinrichtung (18) zum Brenner (8) zugeführten Luftmasse innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bewegt.
  8. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) und die Luftzufuhreinrichtung (18) für einen Betrieb des Brenners (8) mit ei ner Luftzahl λ zwischen etwa λ = 1 und etwa λ = 1,5 und vorzugsweise mit einer Luftzahl λ von etwa λ = 1,25 ausgelegt sind.
  9. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzufuhreinrichtung (14) und die Luftzufuhreinrichtung (18) für einen Betrieb des Brenners (8) in Abhängigkeit von einer gewünschten Heizleistung und/oder einem gewünschten Luftüberschussbedarf im Abgas des Brenners (8) ausgelegt sind.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  11. Verfahren zur Betreiben eines Brenners, insbesondere eines Zusatzbrenners in einem Kraftfahrzeug, bei welchem Verfahren dem Brenner Kraftstoff und Luft zugeführt und im Brenner ein gewünschtes Kraftstoff-/Luft-Verhältnis eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Brenner (8) zugeführte Luftmasse direkt oder indirekt ermittelt wird und dass die zum Brenner (8) zugeführte Kraftstoffmasse an die ermittelte Luftmasse angepasst wird.
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