DE102009057277A1

DE102009057277A1 - Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasnachbehandlungssystem integrierten Brenners sowie Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens

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Publication number: DE102009057277A1
Application number: DE102009057277A
Authority: DE
Inventors: André Dr. Horn; Andreas Dr. Herr; Martina Dr. Gottschling; Stefan Dr. Resch; Harald Loeck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors integrierten Brenners, der mit einem Verbrennungsgemisch gespeist wird, das einen Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors, Kraftstoff und Sekundärluft umfasst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, für zumindest ein vorbestimmtes Luftverhältnis des Brenners (λ_Brenner) zumindest ein Grenzwert für das dem Brenner zugeführte Verbrennungsgemisch vorzubestimmen und zu gespeichern, wobei der Grenzwert einen Bereich definiert, in welchem ein zündfähiges Gemisch vorliegt, und
zumindest einen der drei Mengenströme Abgasteilstrom (ṅ_Abgas), Kraftstoffstrom (ṅ_{KS_Brenner}) und Sekundärluftstrom (ṅ_{Luft_Sek}) in Abhängigkeit von dem motorischen Luftverhältnis (λ_Motor) so zu steuern, dass der Grenzwert nicht überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors integrierten Brenners sowie ein Steuergerät zum Betreiben eines solchen Brenners.
Die Integration von Brennern in Abgasnachbehandlungssystemen ist für unterschiedliche Zwecke bekannt. Einerseits kann der Brenner zur reinen Temperaturerhöhung einer Abgasnachbehandlungskomponente bestimmt sein, beispielsweise, um einen Katalysator auf seine Betriebstemperatur zu erwärmen oder um einen Partikelfilter oder einen Absorber zu regenerieren. Andererseits kann der Brenner die Funktion eines Kraftstoffreformers zur Generierung von Wasserstoff aus Kraftstoff und Wasser betrieben werden (autotherme Reformierung).
Derartige Brenner können mit einem Gemisch aus einem Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors, Sekundärluft sowie Kraftstoff betrieben werden. Problematisch hierbei ist, dass nur ein sehr kleiner Bereich von Gemischzusammensetzungen existiert, in welchem das Gemisch zündfähig ist und eine selbsterhaltende Verbrennung gewährleistet werden kann. Erschwerend kommt hinzu, dass die Abgaszusammensetzung des Verbrennungsmotors nicht konstant ist. Vielmehr wird üblicherweise abhängig von einem bestimmten Betriebspunkt des Motors dieser mit einem unterschiedlich mageren oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (motorisches Verbrennungsluftverhältnis) betrieben. Somit variiert der Anteil von Inertgas und Luftüberschuss in dem Abgas, so dass eine variable Steuerung der einzelnen Teilströme, die dem Brenner zugeführt werden, erforderlich ist. Zudem hängt die Abgaszusammensetzung des Motors auch von der Kraftstoffzusammensetzung ab. Bislang existiert jedoch kein Verfahren, das Verhältnis von Sekundärluft, Abgasteilstrom und Kraftstoff eines Brenners so einzustellen, dass eine zuverlässige Zündung und Verbrennung sichergestellt ist.
DE 41 13 983 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners einer Rauchgasanlage. Um bereits beim Start der Brenners trotz eines vorhandenen Anteils rezirkulierter Luft eine zuverlässige Zündung zu gewährleisten, wird der Brenner bei konstanter Brennstoffzufuhr anfänglich mit einer geringen Menge externer Frischluft betrieben, die in dem Maße zurückgefahren wird, wie die rezirkulierte Luft verbraucht wird. Auf diese Weise wird die Gesamtverbrennungsluftmenge während des Startvorgangs konstant gehalten. Das gleiche gilt für die Gesamtrezirkulation aufgrund der während der Startphase kontinuierlich zunehmenden Menge rezirkulierten Rauchgases.
Aus DE 197 19 278 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose eines Abgasrückführsystems bekannt. Hierzu wird die Abgasrückführung (AGR) kurzfristig ausgeschaltet und der Regelfaktor, d. h. der Eingriff des Lambda-Reglers zur Einstellung eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, gemessen. Die Differenz des Regelfaktors bei ausgeschalteter AGR und bei eingeschalteter AGR wird mit einem Sollwert verglichen und bei Abweichung von dem Sollwert ein Fehler des AGR-Systems festgestellt.
DE 101 49 477 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Momentenmodell Verwendung findet, das ein in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Zylinderfüllung ermitteltes optimales Drehmoment durch einen von der Inertgasrate (externe AGR und Ventilüberschneidung) abhängigen Wirkungsgrad sowie einen lambdaabhängigen Wirkungsrad korrigiert. Ein ähnliches Verfahren ist aus DE 101 49 475 A1 bekannt, wobei das korrigierte Drehmoment weiter mit einem Zündwinkelwirkungsgrad korrigiert wird, welcher unter Berücksichtigung des Verbrennungsschwerpunktes ermittelt wird, der einem Kurbelwellenwinkel entspricht, bei dem ein vorbestimmter Anteil der Verbrennungsenergie umgesetzt ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, durch welches stets das Vorliegen eines zündfähigen Gemischs gewährleistet ist. Es soll ferner ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes und eingerichtetes Steuergerät zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass für ein vorbestimmtes Luftverhältnis des Brenners (im Folgenden auch Brenner-Luftverhältnis λ_Brenner) zumindest ein Grenzwert für das dem Brenner zugeführte Verbrennungsgemisch vorbestimmt und gespeichert wird, wobei der Grenzwert einen Bereich definiert, in welchem ein zündfähiges Gemisch vorliegt. Sodann wird ferner zumindest einer der drei dem Brenner zugeführten Mengenströme (Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors, Kraftstoffstrom sowie der Sekundärluftstrom) in Abhängigkeit von dem motorischen Luftverhältnis (λ_Motor) so gesteuert, dass der zumindest eine Grenzwert nicht überschritten wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ausgehend von einem bestimmten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, insbesondere seinem Verbrennungsluftverhältnis, die Größen der dem Brenner zugeführten Ströme auch bei unterschiedlicher Abgaszusammensetzung des Verbrennungsmotors so gesteuert, dass dem Brenner stets ein zündfähiges Gemisch angeboten wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter „Brenner” – unabhängig ob dieser als Heizeinrichtung oder als Reformer ausgebildet ist – eine mit „offener Flamme” brennende Einrichtung verstanden, die mit einem Gemisch aus einem verbrennungsmotorischen Abgasstrom, einem Kraftstoffstrom und einem Sekundärluftstrom betrieben werden kann. Dabei umfasst der Begriff sowohl solche Ausführungen, die mit einem bereits vorgemischten Verbrennungsgemisch betrieben werden, als auch solche, denen die separaten Einzelströme zugeführt werden und welche die Gemischbildung selbst vornehmen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft die Bestimmung des zumindest einen Grenzwertes für das dem Brenner zuzuführende Verbrennungsgemisch. Zu diesem Zweck wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Verbrennungsgemisch rechnerisch in die Komponenten Luft, Inertgas sowie Kraftstoff unterteilt und der Grenzwert auf zumindest eine dieser Komponenten oder ein Verhältnis dieser Komponenten bezogen. Dabei stammt die Luft einerseits aus einem Luftüberschuss des motorischen Abgases und andererseits aus der zugeführten Sekundärluft und setzt sich zu 21 mol-% Sauerstoff O₂ und 79 mol-% Stickstoff N₂ zusammen. Der über dieses Verhältnis hinaus enthaltene Stickstoff wird dem Inertgas zugerechnet, welches zudem Kohlendioxid CO₂ und Wasser H₂O enthält.
Die vorbeschriebene Unterteilung des Verbrennungsgemischs des Brenners in die Komponenten Luft, Inertgas und Kraftstoff ermöglicht in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Vorbestimmung des zumindest einen Grenzwertes für einen gegebenen Kraftstoff unter Anwendung eines Normverfahrens zur Bestimmung des Explosionsbereichs. Derartige Verfahren sind aus dem Bereich des Explosionsschutzes bekannt, beispielsweise die normierten Verfahren DIN 51649-1, EN 1839 „T", EN 1839 „B" oder ASTM E 681-01. Diesen Verfahren ist gemein, dass sie Explosionsgrenzen für Gasgemische aus einem Brennstoff, einem Oxidator und einem Inertgas bestimmen. Somit stehen zur Bestimmung des zumindest einen Grenzwertes validierte Verfahren zur Verfügung, die für den interessierenden Kraftstoff in einfacher Weise Einsatz finden können.
Vorzugsweise wird der zumindest eine Grenzwert in Form des Verhältnisses x_Luft/x_Inertgas in Abhängigkeit von dem Brennerluftverhältnis (λ_Brenner) vorbestimmt und gespeichert. Dabei bedeutet X_Luft den Stoffanteil (oder Partialdruck) der Luft im Verbrennungsgemisch und X_Inertgas den Stoffanteil (beziehungsweise Partialdruck) des Inertgases im Verbrennungsgemisch. Auf diese Weise entspricht der Grenzwert der maximal zulässige Inertgasanteil im Gemisch.
Der oder die Grenzwerte werden im Steuergerät als Steuerparameter (Soll- oder Grenzwerte) in Abhängigkeit des Brennerluftverhältnisses λ_Brenner in Form von Kennfeldern abgelegt. Auf diese Weise kann für die Steuerung der Stoffströme für jedes Luftverhältnis, bei dem der Brenner betrieben werden soll, der zugehörige Grenzwert ausgelesen werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung wird der zumindest eine Grenzwert mit einer Korrekturgröße gespeichert, die einem Sicherheitsabstand zu dem tatsächlich experimentell erfassten Grenzwert entspricht. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens noch weiter erhöht.
Es versteht sich, dass die Bestimmung des zumindest einen Grenzwertes und seine Speicherung als Steuergröße nur einmal durchgeführt werden muss und dass bei dem eigentlichen Betrieb des Brenners dauerhaft auf diesen Steuerwert zugegriffen werden kann.
Nach einem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Steuerung zumindest einer der drei dem Brenner zugeführten Mengenströme in Abhängigkeit des verbrennungsmotorischen Luftverhältnisses λ_Motor unter Einhaltung des zumindest einen Grenzwertes. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, den zumindest einen Mengenstrom so zu steuern, dass ein vorbestimmtes Luftverhältnis λ_Brenner oder ein vorbestimmter Luftverhältnisbereich des Brenners eingestellt wird. Auf diese Weise kann der Brenner stets in seinem optimalen Bereich, beispielsweise hinsichtlich seines Heizwirkungsgrades, betrieben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Brenner mit einem konstanten Abgasteilstrom betrieben, während die Größe des Kraftstoffstroms und/oder des Sekundärluftstroms gesteuert wird beziehungsweise gesteuert werden. Beispielsweise kann der Brenner in einem Bypass des Abgastrakts angeordnet sein, durch welchen ein konstanter Abgasteilstrom strömt, wobei die gewünschte (konstante) Größe des Abgasteilstroms mit einer geeigneten Drosselvorrichtung, beispielsweise einer Blende oder einem Ventil, eingestellt werden kann.
In alternativer Ausgestaltung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch auch möglich, den Kraftstoffstrom konstant zu halten und den Abgasteilstrom (und den Sekundärluftstrom) in Abhängigkeit von λ_Motor zu steuern.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, den zumindest einen Mengenstrom gemäß gespeicherten Kennlinien oder Kennfeldern oder gemäß gespeicherten stöchiometrischen Verbrennungsgleichungen zu steuern. Die Kennlinien, Kennfelder oder Verbrennungsgleichungen können mit Vorteil auf der rechnerischen Einteilung des Verbrennungsgemischs in die Komponenten Luft (umfassend die Sekundärluft und den verbrennungsmotorischen Luftüberschuss), Inertgas (umfassend CO₂, H₂O und N₂) sowie Kraftstoff basieren, entsprechend der vorstehend bereits beschriebenen Vorgehensweise zur Bestimmung des zumindest einen Grenzwertes für das Verbrennungsgemisch. Verbrennungsgleichungen, die auf dieser Einteilung in das System Luft, Inertgas und Kraftstoff beruhen, sind aus der Theorie der Verbrennungskraftmaschinen bekannt und werden in den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird der Brenner mit dem gleichen Kraftstoff betrieben, wie der Verbrennungsmotor. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass Brenner und Verbrennungsmotor aus demselben Kraftstofftank gespeist werden können.
Der Brenner kann beispielsweise als Heizeinrichtung einer Komponente des Abgassystems ausgebildet sein. Beispielsweise kann er als Heizeinrichtung für einen Katalysator dienen, um diesen auf seine notwendige Betriebstemperatur zu erwärmen. Des Weiteren kann er zur Beheizung eines Absorbers, beispielsweise NO_x-Absorbers oder NO_x-Speicherkatalysators, oder eines Diesel- oder Ottopartikelfilters ausgebildet sein, um diese zu regenerieren. Bei sämtlichen der vorgenannten Anwendungsfälle wird vorzugsweise nicht die Abgasreinigungskomponente selbst beheizt, sondern es wird ein Abgasteilstrom erwärmt, bevor dieser der zu beheizenden Komponente zugeführt wird.
In alternativer Ausführung kann der Brenner als Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff aus dem Kraftstoff ausgebildet sein. Dabei kann die Wasserstoffausbeute durch Zufuhr von Wasser, das durch den Abgasteilstrom zur Verfügung gestellt werden kann, erhöht werden.
Für den Betrieb des Brenners muss einerseits die Gemischzusammensetzung gemäß vorstehender Beschreibung innerhalb des ermittelten Explosionsbereichs eingehalten werden. Andererseits muss die erforderliche Zündtemperatur vorliegen. Zu diesem Zweck sieht eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens vor, dass eine Vorerwärmung der dem Brenner zugeführten Stoffströme erfolgt. Dies wird in bevorzugter Ausführung durch einen Wärmetauscher in Wege der Wärmerückgewinnung realisiert.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Insbesondere steuert das Steuergerät zumindest einen der drei Mengeströme Abgasteilstrom, Kraftstoffstrom und Sekundärluftstrom in Abhängigkeit von dem aktuell vorliegenden motorischen Luftverhältnis so, dass der zumindest eine Grenzwert nicht überschritten wird. Zu diesem Zweck liegt in dem Steuergerät für zumindest ein vorbestimmtes Luftverhältnis des Brenners der zumindest eine Grenzwert als ein einzuhaltender Sollwert oder als ein nicht zu überschreitender Grenzwert gespeichert vor. Ferner enthält das Steuergerät Kennlinien oder Kennfelder oder stöchiometrische Verbrennungsgleichungen gemäß denen die erfindungsgemäße Steuerung des zumindest einen Mengenstroms erfolgt. Selbstverständlich kann das Steuergerät, das heißt seine gespeicherten Grenzwerte, Kennlinien, Kennfelder oder Verbrennungsgleichungen sowie die zur Ausführung des Verfahrens notwendigen Steueralgorithmen, in ein Motorsteuergerät integriert vorliegen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Explosionsdiagramm für ein Gemisch aus einem Brennstoff (Methan), Luft und Stickstoff gemäß einem normierten Verfahren aus dem Bereich des Explosionsschutzes,
2 Abgaszusammensetzung eines mit Heptan betriebenen Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem Luftverhältnis des Motors,
3 Explosionsdiagramm für ein Gemisch aus Heptan, Luft und Inertgas und
4 Beispiel für die Steuerung der Stoffströme Abgasteilstrom, Kraftstoff und Sekundärluft beim erfindungsgemäßen Brennerbetrieb in Abhängigkeit von dem verbrennungsmotorischen Luftverhältnis.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird für ein Gemisch aus Kraftstoff, Abgas und Sekundärluft ein Bereich bestimmt, in dem ein zündfähiges Gemisch vorliegt. Die ermittelten zulässigen Gemischzusammensetzungen werden als Soll-beziehungsweise Grenzwerte für die Steuerung eines Brenners in einem Steuergerät hinterlegt.
Zur Bestimmung dieser Grenzwerte macht sich die Erfindung normierte Verfahren aus dem Bereich des Explosionsschutzes zunutze, mit dem die Explosionsgrenzen von Gasgemischen aus einem Brennstoff, einem Oxidator und einem Inertgas bestimmt werden können. 1 zeigt beispielhaft für ein Gemisch aus Methan (Brennstoff), Luft (Oxidator) und Stickstoff (Inertgas) den Explosionsbereich, wobei die Anteile der Komponenten als prozentuale Stoffmengen (z. B. als Molbruch x_i) oder Partialdrücke dargestellt sind. Innerhalb des Explosionsbereichs (siehe geschwungene Linie in der Ausschnittsvergrößerung der 1) liegen Gemischzusammensetzungen vor, die nach einer Zündung zu einer selbsterhaltenen Verbrennungsreaktion führen. In dem Diagramm sind beispielhaft zusätzlich Linien mit einem konstanten Verbrennungsluftverhältnis für λ_Brenner = 0,5 und λ_Brenner = 1 eingetragen. Für jedes Luftverhältnis, das innerhalb der Explosionsgrenzen liegt, lässt sich eine genaue Grenze angeben, ab welcher keine selbsterhaltene Verbrennungsreaktion mehr möglich ist. Diese Grenzkonzentrationen sind durch die Schnittpunkte der Lambdalinien und der Explosionsgrenzen gekennzeichnet. Im dargestellten Beispiel beträgt die maximale Inertgaskonzentration für λ_Brenner = 0,5 zirka 25% und für λ_Brenner = 1 etwa 46%. Für die vorliegend interessierende Anwendung zur Bestimmung des Zündbereichs eines in einem Abgasnachbehandlungssystem integrierten Brenners ist die möglichst genaue Kenntnis dieser maximal zulässigen Inertgaskonzentration von besonderem Interesse.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Bestimmung der Zündgrenzen eines Verbrennungsgemischs für einen Brenner erläutert.
Das Abgas eines mager betriebenen Verbrennungsmotors enthält unter der Voraussetzung einer vollständigen Verbrennung des als Kraftstoff verwendeten Kohlenwasserstoffs der Formel C_cH_h die Komponenten Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O, Sauerstoff O₂ und Stickstoff N₂. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Ansatzes wird für die weitere Betrachtung das Abgas des Verbrennungsmotors kalkulatorisch in Inertgas und Luftüberschuss unterteilt. Dabei besteht der Luftüberschuss aus den Komponenten Sauerstoff und Stickstoff im Verhältnis 21:79 (Mol-Anteil oder Partialdruck). Der restliche Stickstoff wird dem Inertgas zugerechnet, welches damit die Komponenten Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff enthält (Gleichung 1).
Der Luftüberschussmengenstrom hängt von dem Luftverhältnis des Verbrennungsmotors (λ_Motor), der Kraftstoffzusammensetzung (ausgedrückt durch die stöchiometrische Anzahl c der Kohlenstoffatome sowie der Anzahl h der Wasserstoffatome des Kraftstoffs C_cH_h) sowie dem Kraftstoffmengenstrom des Verbrennungsmotors ab. Gemäß einer für Verbrennungskraftmaschinen bekannten stöchiometrischen Rechenvorschrift lässt sich der Luftüberschussmengenstrom mit Gleichung 2 darstellen. Des Weiteren hängt der Inertgasmengenstrom von dem Kraftstoffmengenstrom und der Kraftstoffzusammensetzung ab (Gleichung 3).
Die Zusammensetzung des Inertgases hängt ausschließlich von der Kraftstoffzusammensetzung ab.
2 zeigt am Beispiel von Heptan C₇H₁₆ (c = 7, h = 16) den Anteil des Inertgases und des Luftüberschusses im Abgas des Verbrennungsmotors (oben) sowie deren Zusammensetzungen (2 Mitte und unten) in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses λ_Motor. Je magerer das Verbrennungsluftverhältnis eingestellt wird, desto höher ist der Luftüberschuss und desto geringer der Anteil an Inertgas. Bei λ = 1, bei dem definitionsgemäß die Verbrennungsluft gerade ausreicht, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen, besteht das Abgas vollständig aus Inertgas und enthält keinen Luftüberschuss (2 oben). Das Inertgas und der Luftüberschuss haben unabhängig von dem Luftverhältnis des Verbrennungsmotors eine konstante Zusammensetzung (2 Mitte und unten). Dabei ist die Inertgaszusammensetzung von der Art des verwendeten Kraftstoffs abhängig. Der Luftüberschuss enthält entsprechend der Umgebungsluft Sauerstoff und Stickstoff im Verhältnis von 21%:79%.
Damit kann für das vorliegend interessierende System aus Kraftstoff, Luft und Inertgas der Bereich, in dem ein zündfähiges Verbrennungsgemisch existiert, mit Hilfe eines genormten Verfahrens (zum Beispiel: DIN 51649-1, EN 1839 „T", EN 1839 „B" oder ASTM E 681-01) bestimmt werden. Für einen gegebenen Kraftstoff enthält das Inertgas eine in Stoffmengenanteilen gegebene Zusammensetzung gemäß den Gleichungen 4 bis 6. Dabei fließt die Kraftstoffzusammensetzung wieder durch die stöchiometrischen Zahlen c und h entsprechend dem verwendeten Kohlenwasserstoff C_cH_h ein.
Daraus ergibt sich im Falle von Heptan C₇H₁₆ ein Anteil von CO₂ von 12,4 mol-%, von H₂O ein Anteil von 14,2 mol-% und für Stickstoff ein Anteil von 73,4 mol-%, wie in 2 Mitte dargestellt ist.
Entsprechend dem oben genannten genormten Verfahren zur Ermittlung des Explosionsbereichs werden unter systematischer Variation der Gemischzusammensetzung aus Kraftstoff, Inertgas (in der Zusammensetzung gemäß Gleichungen 4 bis 6) und Luft die Gemischzusammensetzung ermittelt, bei denen das Gemisch zündet. Der so ermittelte Explosionsbereich wird in einem Dreiecksdiagramm gemäß 1 dargestellt. Zusätzlich wird in dem Diagramm eine Linie für zumindest ein konstantes Verbrennungsluftverhältnis (λ_Brenner) eingetragen, in welchem der Brenner betrieben werden soll, welche sich aus Gleichung 7 ergibt.
Für alle Verbrennungsluftverhältnisse des Brenners λ_Brenner ergibt sich jeweils ein Schnittpunkt mit der Explosionsgrenze, welche die maximal zulässige Inertgaskonzentration in dem Gemisch definiert. Für ein gegebenes Brennerluftverhältnis λ_Brenner ergibt sich für den zulässigen Betriebsbereich des Brenners die Beziehung gemäß Gleichung 8. 0 ≤ x_Inertgas < x_{Inertgas_GW}(λ_Brenner) (8)
Wird der Brenner für die autotherme Reformierung zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt, ist durch Gleichung 5 (siehe oben) auch der Wassergehalt im Gemisch genau definiert. Reformer werden üblicherweise so betrieben, dass sie eine hohe Ausbeute an H₂ liefern. Aus diesem Grund ist ein fettes Brennergemisch (λ_Brenner < 1) erwünscht, wodurch ein Abgas mit hohen H₂- und CO-Anteilen entsteht. Durch die Zugabe von H₂O kann gemäß dem Wassergasgleichgewicht (H₂O + CO → H₂ + CO₂) die H₂-Ausbeute erhöht werden, weswegen der Wassergehalt eine wichtige Größe ist. In Abhängigkeit von der Größe des Inertgasanteils ist damit auch der H₂O-Anteil für die Wassergas-Shift-Reaktion genau definiert (siehe S/C-Verhältnis unten).
Die auf diese Weise ermittelten Daten, insbesondere die maximal zulässige Inertgaskonzentration beziehungsweise Wasserkonzentration werden als Basis für die Steuerung des Brenners im Steuergerät hinterlegt. Da zudem die Explosionsgrenzen auch von der Temperatur des Verbrennungsgemischs abhängen, wird nach einer bevorzugten Ausführung diese Temperaturabhängigkeit über eine ebenfalls gespeicherte Korrekturgröße berücksichtigt.
Nachfolgend wird die Steuerung des Brennerbetriebs beschrieben.
Der Brenner wird mit einem Gemisch aus Kraftstoff, Abgas und Sekundärluft betrieben. Die Stoffmengenströme des dem Brenner zugeführten Gemischs lassen sich mit Gleichung 9 und 9a ausdrücken, wobei der Faktor P_{Abgasteilstrom} in der Bilanz der dem Brenner zugeführte Anteil des Abgasteilstroms bezogen auf den gesamten motorischen Abgasstrom berücksichtigt. ṅ_Brenner = p_{Abgasteilstrom}·ṅ_Abgas + ṅ_{KS_Brenner} + ṅ_{Luft_Sek} (9) ṅ_Brenner = p_{Abgasteilstrom}·(ṅ_Inertgas + ṅ_{Luft_ÜS}) + ṅ_{KS_Brenner} + ṅ_{luft_Sek} (9a)
Im Mittelpunkt steht nun die Fragestellung, in welchem Bereich die Gemischzusammensetzung variiert werden kann, damit im Brenner ein zündfähiges Gemisch vorliegt. Das dem Brenner zugeführte Verbrennungsgemisch wird gedanklich in die Komponenten Brennerkraftstoff (KS_Brenner), Inertgas und Luft eingeteilt und hat damit die Zusammensetzung gemäß den Gleichungen 10 bis 12.
Auf Basis dieses Gleichungssystems können nun Gleichungen abgeleitet werden, mit denen die einzelnen steuerbaren Stoffmengenströme für den Brennerkraftstoff, die Sekundärluft und/oder den Abgasteilstrom berechnet werden können, die dem Brenner zugeführt werden müssen, um den Zündbereich einzuhalten.
Vorzugsweise wird der Brenner mit einem konstanten, das heißt mengenmäßig nicht variierten Abgasteilstrom betrieben und der Sekundärluftstrom und der Kraftstoffmengenstrom gesteuert. Für ein konstantes Verhältnis x_Luft/x_Inertgas, das als Sollwert im Steuergerät hinterlegt wird, und ein vorgegebenes Luftverhältnis des Brenners λ_Brenner lassen sich folgende Berechnungsvorschriften gemäß den Gleichungen 13 bis 16 mit folgender Fallunterscheidung ableiten. (Der Zusammenhang zwischen den beiden Größen x_Luft und x_Inertgas wird durch Gleichungen 7 und 8 wiedergegeben.)
Für x_Luft/x_Inertgas·ṅ_Inertgas ≥ ṅ_{Luft_ÜS}, d. h. für ein verhältnismäßig geringen Luftüberschuss gilt:
Für x_Luft/x_Inertgas·ṅ_Inertgas ≤ ṅ_{Luft_ÜS}, d. h. ab einem bestimmten Luftüberschussgrenzwert gilt:
In diesem Bereich ist das Verhältnis x_Luft/x_Inertgas nicht mehr konstant.
Wird der Brenner als autothermer Reformer eingesetzt, ist das so genannte Dampf-Kohlenstoff-Verhältnis oder steam/carbon-Verhältnis S/C eine weitere wesentliche Größe, die gemäß einem gewünschten S/C gesteuert werden kann. Dieses lässt sich mit Gleichung 17 beschreiben.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Berechungsverfahren am Beispiel von Heptan betrachtet. In dem Explosionsdiagramm in 3 sind die Explosionsgrenzen für einen Inertgasanteil von 0% eingetragen (siehe die Punkte UEG und OEG in der Ausschnittsvergrößerung in 3). Es sei angenommen, dass für das System Heptan, Luft und Inertgas bei einem Luftverhältnis des Brenners λ_Brenner von 0,5 die maximal zulässige Inertgaskonzentration bei 15% liegt (diese wurde bislang experimentell noch nicht bestimmt). Damit ergibt sich für diesen Punkt die folgende Gemischzusammensetzung: X_Inertgas = 15% X_Luft = 81,87% X_{KS_Brenner} = 3,13%
Dieser in 3 ebenfalls eingetragene Punkt wird im Steuergerät als Basis für die Regelung des Brenners als Grenzwert gespeichert.
Für den Betrieb des Brenners muss ein Sollwert eingestellt werden, der durch den im Steuergerät hinterlegten Grenzwert definiert wird (d. h. 0 < x_Inertgas ≤ 15%). Ein Sollwert, der diese Bedingung erfüllt, wird ebenfalls im Steuergerät gespeichert. Die sich für das vorliegende Beispiel aus den Gleichungen 13 bis 16 ergebenden Stoffmengenströme von Sekundärluft und Kraftstoff bei einem konstanten Abgasteilstrom von 10% sowie die Luft-, Inertgas- und Kraftstoffanteile sind in 4 oben beziehungsweise unten dargestellt. Bei der Betrachtung der Stoffmengenströme sind die Größen auf 1 mol Kraftstoff des Motors bezogen. Aus 4 ist ersichtlich, dass bis zu einem Luftverhältnis des Verbrennungsmotors λ_Motor von 6,88 (siehe vertikale gestrichelte Linie) eine Zufuhr von Sekundärluft erforderlich ist, um den notwendigen Luftanteil aufrechtzuerhalten. Ab dem verbrennungsmotorischen Luftverhältnis von 6,88 muss die Kraftstoffzufuhr des Brenners erhöht werden, während die Sekundärluftzufuhr vollständig abgeschaltet wird. Übertragen auf das Explosionsdiagramm in 3 wandert die Gemischzusammensetzung jetzt auf der Linie für λ = 0,5 nach links, das heißt zu höheren Luft- und Kraftstoffanteilen.
In dem Steuergerät können die in 4 oben dargestellten Mengenströme als Kennlinien in Abhängigkeit von dem verbrennungsmotorischen Lambda λ_Motor gespeichert werden oder die stöchiometrischen Berechnungsvorschriften gemäß den Gleichungen 13–16. Somit lassen sich die dem Brenner zuzuführenden Sekundärluft- und Kraftstoffströme in einfacher Weise als Funktion eines aktuellen verbrennungsmotorischen Luftverhältnisses λ_Motor auslesen beziehungsweise berechnen.
In Alternative zu dem vorstehenden Beispiel, bei dem bei konstantem Abgasteilstrom die Kraftstoffzufuhr oberhalb von λ_Motor = 6,88 mit zunehmendem verbrennungsmotorischen Lambda λ_Motor erhöht wurde, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, den Kraftstoffstrom konstant zu halten und den Abgasteilstrom in Abhängigkeit von λ_Motor zu reduzieren. Insbesondere wird in diesem Fall mit zunehmend magerem Gemisch (Erhöhung von λ_Motor) der Abgasteilstrom reduziert, um ein konstantes λ_Brenner zu erhalten.
Es versteht sich, dass alle in den vorstehenden, beispielhaft vorgestellten Berechnungsvorschriften vorkommenden Größen in übliche Steuergerätegrößen konvertiert werden, um auf diese Weise im Steuergerät abgespeichert zu werden.
Abkürzungen und Formelzeichen

c

stöchiometrische Anzahl Kohlenstoffatome C in einem Kraftstoff C_cH_h

h

stöchiometrische Anzahl Wasserstoffatome H in einem Kraftstoff C_cH_h

λBrenner

Verbrennungsluftverhältnis des Brenners

λMotor

Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors

ṅi

Stoffmengenstrom der Komponente i

xi

Stoffmengenanteil/Molbruch (oder Partialdruck) der Komponente i

pAbgasteilstrom

Anteilsfaktor des dem Brenner zugeführten Abgasteilstrom bezogen auf den gesamten Abgasstrom des Verbrennungsmotors

KS_Motor

Kraftstoff des Verbrennungsmotors

KS_Brenner

Kraftstoff des Brenners

Luft_ÜS

Luftüberschuss

Luft_Sek

Sekundärluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4113983 A1 [0004]
DE 19719278 A1 [0005]
DE 10149477 A1 [0006]
DE 10149475 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 51649-1 [0012]
EN 1839 „T” [0012]
EN 1839 „B” [0012]
ASTM E 681-01 [0012]
DIN 51649-1 [0039]
EN 1839 „T” [0039]
EN 1839 „B” [0039]
ASTM E 681-01 [0039]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors integrierten Brenners, der mit einem Verbrennungsgemisch gespeist wird, das einen Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors, Kraftstoff und Sekundärluft umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest ein vorbestimmtes Luftverhältnis des Brenners (λ_Brenner) zumindest ein Grenzwert für das dem Brenner zugeführte Verbrennungsgemisch vorbestimmt und gespeichert wird, wobei der Grenzwert einen Bereich definiert, in welchem ein zündfähiges Gemisch vorliegt, und zumindest einer der drei Mengenströme Abgasteilstrom (ṅ_Abgas), Kraftstoffstrom (ṅ_{KS_Brenner}) und Sekundärluftstrom (ṅ_{Luft_Sek}) in Abhängigkeit von dem motorischen Luftverhältnis (λ_Motor) so gesteuert wird, dass der Grenzwert nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des zumindest einen Grenzwertes das dem Brenner zugeführte Verbrennungsgemisch rechnerisch in die Komponenten Luft, resultierend aus der Sekundärluft und einem Luftüberschuss des motorischen Abgases, Inertgas, umfassend Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂), sowie Kraftstoff unterteilt wird und der Grenzwert auf zumindest eine dieser Komponenten oder ein Komponentenverhältnis bezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbestimmung des zumindest einen Grenzwertes für einen gegebenen Kraftstoff unter Anwendung eines Normverfahrens zur Bestimmung des Explosionsbereichs für das System aus Luft beziehungsweise Sauerstoff, Inertgas und Kraftstoff erfolgt, insbesondere unter Anwendung eines der Normverfahren DIN 51649-1, EN 1839 „T”, EN 1839 „B” oder ASTM E 681-01.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Grenzwert in Form eines Verhältnisses (x_Luft/x_Inertgas) des Luftanteils (x_Luft) und des Inertgasanteils (x_Inertgas) im Verbrennungsgemisch in Abhängigkeit von dem Brenner-Luftverhältnis (λ_Brenner) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Mengenstrom so gesteuert wird, dass ein vorbestimmtes Luftverhältnis oder ein vorbestimmter Luftverhältnisbereich des Brenners (λ_Brenner) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Abgasteilstrom (ṅ_Abgas) der Kraftstoffstrom (ṅ_{KS_Brenner}) und/oder der Sekundärluftstrom (ṅ_{Luft_Sek}) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Mengenstrom gemäß gespeicherten Kennlinien oder Kennfeldern oder gemäß stöchiometrischen Verbrennungsgleichungen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien oder Kennfelder oder stöchiometrischen Verbrennungsgleichungen auf einer rechnerischen Einteilung des dem Brenner zugeführten Verbrennungsgemischs in die Komponenten Luft, unassend die Sekundärluft und ein Luftüberschuss des motorischen Abgases, Intertgas, umfassend Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂), sowie Kraftstoff basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärluftstrom (ṅ_{Luft_Sek}) und/oder der Kraftstoffmengenstrom (ṅ_{KS_Brenner}) gemäß den Gleichungen (13) und (14) und/oder (15) bis (16) gesteuert wird: für x_Luft/x_Inertgas·ṅ_Inertgas ≥ ṅ_{Luft_ÜS}
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner mit dem gleichen Kraftstoff betrieben wird wie der Verbrennungsmotor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner eine Heizeinrichtung für einen Katalysator, Absorber oder Partikelfilter des Abgassystems ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ein Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) aus dem Kraftstoff ist.
Steuergerät zum Betreiben eines in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors integrierten Brenners, der mit einem Verbrennungsgemisch gespeist wird, das einen Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors, Kraftstoff und Sekundärluft umfasst, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.