DE102012021573A1

DE102012021573A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brenners sowie Abgasanlage mit einem derart betreibbaren Brenner

Info

Publication number: DE102012021573A1
Application number: DE201210021573
Authority: DE
Inventors: Lars Schlüter; Stefan PAUKNER; Asmus CARSTENSEN
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines mit Luft und Kraftstoff betriebenen Brenners (22), dessen Brennerabgas mit einem verbrennungsmotorischen Abgas einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) zusammengeführt und ein so erhaltenes Mischabgas einem eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisenden Abgaskatalysator (18, 20) zugeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Ausführung des Verfahrens eingerichtete Abgasanlage (12). Es ist vorgesehen, dass ein Ist-Sauerstoffgehalt (λIst) des Mischabgases oder eine hiermit korrelierende Größe gemessen wird und eine dem Brenner (22) zugeführte Kraftstoffmenge (mK) so beeinflusst wird, dass sich der Ist-Sauerstoffgehalt (λIst) einem Soll-Sauerstoffgehalt (λSoll) des Mischabgases zumindest annähert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einem Abgaskatalysator vorgeschalteten Brenners. Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (Ottomotor), die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.
In dem Bestreben Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen zu senken, werden üblicherweise motorische Maßnahmen zur Senkung der Rohemissionen ergriffen. Um die dennoch nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umzusetzen, werden darüber hinaus Katalysatoren und andere Abgasreinigungskomponenten in den Abgasanlagen verbaut. Katalysatoren umfassen einen vom Abgas durchströmbaren Träger, z. B. einen keramischen Monolithen oder Metallträger, mit einer, ein katalytisch aktives Material enthaltenden Beschichtung. Beispielsweise werden insbesondere bei Dieselmotoren Oxidationskatalysatoren eingesetzt, welche gezielt unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie Kohlenmonoxid (CO) konvertieren. Reduktionskatalysatoren, die Stickoxide (NO_X) umsetzen, kommen bei Dieselmotoren und Ottomotoren zum Einsatz. Darüber hinaus sind Drei-Wege-Katalysatoren bekannt, welche die Funktion von Oxidations- und Reduktionskatalysatoren vereinen und somit alle drei Komponenten katalytisch umsetzen und hauptsächlich bei Ottomotoren eingesetzt werden.
Grundsätzlich benötigen sämtliche Katalysatoren eine spezifische Mindesttemperatur, die so genannte Light-Off- oder Anspringtemperatur, bei der sie definitionsgemäß 50% ihrer maximalen Konvertierungsleistung aufweisen. Nach einem Kaltstart des Motors ist diese Temperatur üblicherweise noch nicht erreicht, so dass, wenn keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden, die als Startemissionen bezeichneten Emissionen unkonvertiert die Abgasanlage verlassen. Um die Katalysatoren schnell auf ihre Light-Off-Temperatur aufzuheizen, werden häufig motorische Maßnahmen, wie Spätzündung oder Kraftstoffnacheinspritzung, ergriffen.
Eine verbreitete Maßnahme zur Reduzierung der Startemissionen ist die motornahe Anordnung relativ kleinvolumiger Vorkatalysatoren, die auch als Startkatalysatoren bezeichnet werden. Aufgrund ihres geringen Volumens und ihrer motornahen Platzierung erreichen Vorkatalysatoren relativ schnell ihre Light-Off-Temperatur und übernehmen dann die Konvertierung eines Großteils der Emissionen, bis auch ein nachgeschalteter Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat.
Darüber hinaus ist bekannt, stromauf eines Katalysators einen mit Luft und Kraftstoff betriebenen Brenner anzuordnen, dessen heißes Abgas die Aufheizung des Katalysators beschleunigt. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Wärme direkt in das zu beheizende Bauteil eingebracht wird.
So beschreibt DE 10 2009 058 131 A1 eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgaskanal angeordneten Brenner, dem ein Oxidationskatalysator, ein Dieselpartikelfilter, ein SCR-Katalysator und schließlich ein NO_X-Speicherkatalysator nachgeschaltet. In Abhängigkeit von einer gemessenen Abgastemperatur wird eine Zielleistung des Brenners ermittelt, aus der Zielleistung eine dem Brenner zuzuführende Kraftstoffmenge bestimmt und in Abhängigkeit der Kraftstoffmenge ein dem Brenner zuzuführenden Soll-Luftmassenstrom bestimmt, der über eine entsprechende Luftfördereinrichtung eingestellt wird. Der Luftmassenstrom als Stellgröße für die Steuerung der Leistung des Brenners wird über einen gemessenen Ist-Luftmassenstrom nachgeregelt.
Aus DE 10 2005 054 733 A1 ist eine Abgasanlage bekannt, bei der ein Brenner in einer Nebenleitung eines Abgaskanals angeordnet ist und das Brennerabgas stromauf eines Drei-Wege-Katalysators mit dem verbrennungsmotorischen Abgas zusammengeführt wird. Zur Steuerung der Brennerleistung wird die über ein Sekundärluftgebläse dem Brenner zugeführte Luftmasse gemessen und daraus die Brennerkraftstoffmasse bestimmt und durch entsprechende Taktung eines Kraftstoffeinspritzventils des Brenners eingestellt, so dass ein Lambdawert des Brenners von beispielsweise 1,25 kennfeldmäßig eingestellt wird. In einer alternativen Ausführung ist auch eine Regelung dieses Brennerlambdawerts beschrieben, wofür in der Nebenleitung der Ist-Lambdawert des Brenners mit einer Lambdasonde gemessen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines einem Abgaskatalysator vorgeschalteten Brenners bereitzustellen, mit dem Abgasemissionen während der Startphase reduziert werden können. Es soll ferner eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Abgasanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines mit Luft und Kraftstoff betriebenen Brenners, dessen Brennerabgas mit einem verbrennungsmotorischen Abgas einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zusammengeführt wird. Ein so erhaltenes Mischabgas (bestehend aus Brennerabgas + verbrennungsmotorischem Abgas) wird wenigstens einem eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisenden Abgaskatalysator zugeführt. Erfindungsgemäß wird ein Ist-Sauerstoffgehalt des Mischabgases oder eine hiermit korrelierende Größe gemessen und eine dem Brenner zugeführte Kraftstoffmenge so beeinflusst, dass sich der Ist-Sauerstoffgehalt des Mischabgases einem Soll-Sauerstoffgehalt des Mischabgases zumindest annähert.
Dabei versteht es sich, dass der Brennerbetrieb zweckmäßigerweise nur während des aktiven Beheizens des Abgaskatalysators erfolgt, beispielsweise nur, wenn der Abgaskatalysator seine Light-off-Temperatur (noch) nicht aufweist. Erfindungsgemäß wird somit – jedenfalls während des Brennerbetriebs – der Restsauerstoffgehalt des Mischabgases über den Brenner geregelt, und zwar über die Kraftstoffmenge des Brenners als Stellgröße des Regelkreises, und nicht über das Kraftstoffsystem des Motors. Durch die erfindungsgemäße Lambdaregelung des Brenners wird somit ein Sauerstoffgehalt des zusammengeführten Mischabgases unabhängig von dem Betrieb der Brennkraftmaschine eingestellt. Auf diese Weise kann während des Katalysatorheizens durch den Brenner und der erfindungsgemäßen Brennerregelung die Brennkraftmaschine mit einem nicht-stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden. Beispielsweise kann der Motor zunächst mit einem fetten Gemisch betrieben werden, um sein Hochfahren zu erleichtern, und dennoch gleichzeitig ein stöchiometrisches Mischabgas dargestellt werden. Dadurch, dass bereits während der Heizphase ein gewünschter Lambdawert des Gesamtabgases eingestellt werden kann, wird eine Reduzierung von Emissionen erzielt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens entspricht der Soll-Sauerstoffgehalt des Mischabgases im Wesentlichen einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch, worunter vorliegend insbesondere ein Lambdawert (auch Luftzahl genannt) von Lambda λ = 0,95 bis 1,05, vorzugsweise von 0,99 bis 1,01, verstanden wird. Vorzugsweise entspricht der Soll-Sauerstoffgehalt einem Lambdawert von λ = 1. Durch die Einstellung eines stöchiometrischen Lambdawerts im Mischabgas wird der nachgeschaltete Abgaskatalysator, der eine drei-wege-katalytische Beschichtung aufweist, mit einer Abgasatmosphäre beaufschlagt, für die dieser optimiert ist. Auf diese Weise können bereits während der Aufheizphase des Katalysators relativ gute Konvertierungsleistungen erzielt werden, soweit diese durch den sich erwärmenden Katalysator bereits möglich sind.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasanlage wenigstens zwei, jeweils eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisende Abgaskatalysatoren, umfassend einen Vorkatalysator sowie einen Hauptkatalysator. Dabei kann der Vorkatalysator, der üblicherweise ein geringeres Volumen als der Hauptkatalysator aufweist, in Abgasrichtung stromauf oder stromab des Brenners angeordnet sein, das heißt das Brennerabgas wird stromauf oder stromab des Vorkatalysators mit dem verbrennungsmotorischem Abgas zusammengeführt. Durch den kleinvolumigen Vorkatalysator wird eine schnelle Erwärmung desselben und somit eine schnelle Betriebsbereitschaft erzielt, wodurch eine weitere Reduzierung der Startemissionen möglich ist. Vorzugsweise ist das Gesamtvolumen beider Katalysatoren so bemessen, dass über dem gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine Mindestkonvertierungsleistung entsprechend vorbestimmter Grenzwerte eingehalten wird.
Der Vorkatalysator und der Hauptkatalysator weisen eine drei-wege-katalytische Funktion auf, das heißt, sie umfassen eine katalytische Beschichtung, welche die Konvertierung der drei Abgasbestandteile-Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) sowie Stickoxide (NO_X) – unterstützen. Zu diesem Zweck enthalten die katalytischen Beschichtungen dieser Katalysatoren katalytisch aktive Edelmetalle, insbesondere Platin, Palladium und/oder Rhodium, vorzugsweise eine Kombination aus Platin und Rhodium oder eine Kombination aus Palladium und Rhodium.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen der Hauptkatalysator und/oder der Vorkatalysator unabhängig voneinander eine Ottopartikelfilterfunktion auf. Die Kombination aus Drei-Wege-Katalysator und Partikelfilter wird auch als Vier-Wege-Katalysator bezeichnet. Zur Realisierung der Partikelfilterfunktion kann der jeweilige Katalysatorträger beispielsweise wechselseitig verschlossene und geöffnete Strömungskanäle aufweisen, so dass das Abgas gezwungen ist, poröse Seitenwände der Strömungskanäle zu durchdringen. Dabei werden partikuläre Bestandteile des Abgases in den Kanalwänden zurückgehalten. Ottopartikelfilter können einen grundsätzlichen ähnlichen Aufbau aufweisen wie Dieselpartikelfilter. Durch die Partikelfilterfunktion wird zusätzlich zu der Reduzierung der gasförmigen Abgasbestandteile auch die Emission partikulärer Abgasbestandteile gesenkt, die bei Ottomotoren hauptsächlich in der Startphase beobachtet wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Ist-Sauerstoffgehalt des Mischabgases bzw. die hiermit korrelierende Größe stromab eines dem Brenner nachgeschalteten Katalysators gemessen. Vorzugsweise erfolgt die Messung stromab des ersten dem Brenner nachgeschalteten Katalysators. Die Anordnung der Lambdasonde erst hinter dem zu beheizenden Katalysator führt zu einer verbesserten Homogenisierung des Abgases, so dass das Lambdasignal stabiler und zuverlässiger ist. Gleichzeitig wird eine direkte Beaufschlagung der Sonde mit dem sehr heißen Brennerabgas vermieden. Zugleich ermöglicht die Anordnung der Sonde hinter dem Katalysator die Überwachung desselben. Sofern dem Brenner zwei oder mehr Katalysatoren nachgeschaltet sind, ist die Anordnung der Lambdasonde stromab des ersten dem Brenner nachgeschalteten Katalysators bevorzugt, da andernfalls die Ansprechdauer der Lambdasonde nach einer Veränderung der Kraftstoffmenge des Brenner unvorteilhaft lang wäre.
In vorteilhafter Ausführung des Verfahrens wird ein Vorsteuerwert der dem Brenner zugeführten Kraftstoffmenge als Funktion des Soll-Sauerstoffgehalts des Mischabgases und einem dem Brenner zugeführten Luftmassenstrom ermittelt. Dabei kann der Luftmassenstrom beispielsweise mittels eines Luftmassenmessers gemessen oder modelliert werden. Zum Zwecke der Modellierung des Luftmassenstrom kann beispielsweise ein Kennwert oder eine Kennlinie eines Stellmittels der Luftförderung verwendet werden, welche den Luftmassenstrom in Abhängigkeit von einem Ansteuerwert des Stellmittels (z. B. Luftfördermittel oder Mischventil) darstellt.
Vorzugsweise wird der Luftmassenstrom während des Verfahrens nicht variiert, sondern konstant gehalten. Die Beeinflussung der Kraftstoffmenge des Brenners als eigentliche Stellgröße des Regelkreises hat gegenüber der Beeinflussung des Luftmassenstroms den Vorteil, dass die Kraftstoffmenge mit einer kürzeren Ansprechzeit und präziser variiert werden kann. Demgegenüber reagiert der Luftmassenstrom auf eine Veränderung einer Fördereinrichtung und/oder eines Mischventils verhältnismäßig träge.
Die Erfindung ermöglicht die Einstellung eines stöchiometrischen Gesamtlambdas unabhängig von dem Betrieb der Brennkraftmaschine. Insbesondere erfolgt die Lambdaregelung des Brenners unabhängig davon, ob die Brennkraftmaschine (z. B. aufgrund einer noch nicht betriebsbereiten motornahen Lambdasonde) noch vorgesteuert oder bereits geregelt wird.
Der Ist-Sauerstoffgehalt des Mischabgases oder die hiermit korrelierende Größe wird entweder mit einer Sprungantwort-Lambdasonde oder einer Breitband-Lambdasonde gemessen. Vorzugsweise kommt hier eine Breitband-Lambdasonde zum Einsatz, da mit dieser eine bessere Regelgenauigkeit und somit geringere Durchbrüche mageren oder fetten Abgases erzielt wird. Zudem erlaubt die Breitband-Lambdasonde eine größere Variabilität in der Anordnung der Komponenten der Abgasanlage.
Das Verfahren erlaubt zudem, motorische Heizmaßnahmen mit dem Beheizen des Katalysators durch den Brenner zu kombinieren. Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine mit einem (gegenüber einem wirkungsgradoptimierten Zündwinkel) verspäteten Zündwinkel betrieben werden (Spätzündung). Auch ist es möglich, die Brennkraftmaschine in der Startphase mit einem fetten Luftkraftstoffgemisch zu betreiben, um die Aufheizung zu beschleunigen. Dabei wird der Katalysator trotz des Fettbetriebs der Brennkraftmaschine mit dem, insbesondere stöchiometrischen Wunschlambda beaufschlagt, welches durch die erfindungsgemäße Lambdaregelung des Brenners sichergestellt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, umfassend einen mit Luft und Kraftstoff betriebenen oder betreibbaren Brenner, dessen Brennerabgas mit einem verbrennungsmotorischen Abgas der Brennkraftmaschine zusammengeführt wird beziehungsweise zusammenführbar ist. Die Abgasanlage umfasst ferner wenigstens einen eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisenden Abgaskatalysator, dem ein aus dem Brennerabgas und dem verbrennungsmotorischen Abgas erhaltenes Mischabgas zugeführt wird beziehungsweise der mit einem solchen beaufschlagbar ist. Mit anderen Worten ist der Brenner diesem Katalysator strömungstechnisch vorgeschaltet. Ferner umfasst die Abgasanlage eine Lambdasonde zur Messung eines Ist-Sauerstoffgehalts des Mischabgases oder einer hiermit korrelierenden Größe. Erfindungsgemäß umfasst die Abgasanlage ferner eine Steuereinrichtung, die zum Betreiben des Brenners gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist. Zu diesem Zweck enthält die Steuereinrichtung insbesondere einen gespeicherten und computerlesbaren Algorithmus zur Ausführung des Verfahrens und gegebenenfalls erforderliche Kennlinien oder Kennfelder. Die Steuereinrichtung kann ein eigenständiges Gerät sein oder Teil eines Motorsteuergeräts.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einer mit einem Sauerstoffgehalt eines Abgases korrelierenden Größe jegliche Größe verstanden, die den Sauerstoffgehalt des Abgases direkt oder indirekt beschreibt. Beispielsweise umfassen geeignete Größen den dimensionslosen Lambdawert, die Angabe des Sauerstoffgehalts in Volumenprozent (Vol.-%), Gewichtsprozent (Gew.-%), Konzentrationsangaben (z. B. in g/dm³) oder dergleichen oder entsprechende Sensorsignale, beispielsweise Sensorspannungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Abgasanlage gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2 schematisch eine Abgasanlage gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und
3 zeitliche Verläufe der Sekundärluftansteuerung, des Luft- und Kraftstrommassenstroms des Brenners sowie des Lambdawerts des Mischabgases stromab des Brenners während eines erfindungsgemäßen Brennerbetriebs in einer erfindungsgemäßen Abgasanlage.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einer an dieser angeschlossenen Abgasanlage 12. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (Ottomotor) mit einer beliebigen Anzahl hier nicht dargestellter Zylinder. Die Brennkraftmaschine 10 dient insbesondere dem Antrieb eines ebenfalls nicht weiter dargestellten Fahrzeugs.
Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, in den das verbrennungsmotorische Abgas der Brennkraftmaschine 10 einströmt. Der Abgaskanal 14 beherbergt optional eine Turbine 16 eines nicht weiter dargestellten Abgasturboladers. Die Abgasturbine 16 treibt einen Verdichter des Abgasturboladers an, welcher die der Brennkraftmaschine 10 zuzuführende Verbrennungsluft komprimiert.
Die Abgasanlage 12 umfasst ferner Abgaskatalysatoren, in diesem Beispiel einen Vorkatalysator 18 sowie einen diesem nachgeschalteten Hauptkatalysator 20. Beide Katalysatoren 18, 20 weisen eine drei-wege-katalytische Funktion auf. Dies bedeutet, dass sie eine katalytische Beschichtung mit geeigneten katalytischen Edelmetallen aufweisen, vorzugsweise eine Kombination aus Platin und Rhodium oder eine Kombination aus Palladium und Rhodium. Optional kann der Vorkatalysator 18 und/oder der Hauptkatalysator 20 als Ottopartikelfilter ausgestaltet sein. Zu diesem Zweck können die Katalysatoren 18, 20 wechselseitig verschlossene und geöffnete Strömungskanäle aufweisen, so dass in den porösen Seitenwänden der Strömungskanäle der Katalysatoren 18, 20 partikuläre Abgasbestandteile zurückgehalten werden. Derartige Katalysatoren, die auch als Vier-Wege-Katalysatoren bezeichnet werden, weisen somit strukturell die Gestalt eines Partikelfilters auf, dessen innere Strömungskanäle mit einer drei-wege-katalytischen Beschichtung versehen sind. Im dargestellten Beispiel sind sowohl Vor- als auch Hauptkatalysator 18, 20 an einer Unterbodenposition des Fahrzeugs angeordnet.
Stromauf des Vorkatalysators 18 ist ein Brenner 22 angeordnet, der mit Luft (Sekundärluft) sowie Kraftstoff betrieben wird. Dabei kommt es nicht darauf an, ob der Brenner 22 selbst vor dem Katalysator 18 angeordnet ist. Entscheidend ist lediglich, dass sein Brennerabgas dem Katalysator 18 zuströmt. Dem Brenner 22 wird über eine Kraftstoffleitung 24 Kraftstoff zugeführt, welcher mittels einer Fördereinrichtung 26, beispielsweise einer Kraftstoffpumpe, aus einem hier nicht dargestellten Kraftstofftank gefördert wird. Dabei kann es sich grundsätzlich um denselben Kraftstofftank und den gleichen Kraftstoff handeln, mit welchem die Brennkraftmaschine 10 versorgt wird. Der Kraftstoff wird einem Brennraum des Brenners 22 mittels eines Einspritzventils 28 zugeführt. Zudem wird der Brenner 22 über eine Sekundärluftleitung 30 mit Luft versorgt. Diese kann beispielsweise der Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine 10 stromab eines Luftfilters entnommen werden. Die Förderung der Luft erfolgt mit einer Fördereinrichtung 32, beispielsweise einer Sekundärluftpumpe. Der zugeführte Kraftstoff und die zugeführte Luft wird vorzugsweise direkt im Brennerraum gemischt. Optional kann jedoch auch eine Vorgemischbildung erfolgen, die jedoch aufwändiger ist. Das gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch einen Glühstift 34 oder (weniger bevorzugt) durch eine Zündkerze gezündet. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um einen drallstabilisierten Brenner 22, der über eine zusätzliche, nicht dargestellte Luftdüse zur Drallerzeugung verfügt.
In der Abgasanlage 12 sind ferner verschiedene Sensoren angeordnet. Eine motornah angeordnete erste Lambdasonde 36 misst den Sauerstoffgehalt des verbrennungsmotorischen Abgases und dient somit der Regelung eines der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs. Bei der Lambdasonde 36 kann es sich um eine Sprungantwort- oder eine Breitband-Lambdasonde handeln, vorzugsweise eine Breitband-Lambdasonde.
Erfindungsgemäß ist zudem eine zweite Lambdasonde 38 stromab des Brenners 22 im Abgaskanal 14 angeordnet, hier stromab des Vorkatalysators 18. Die Lambdasonde 38 dient der erfindungsgemäßen Regelung des dem Brenner 22 zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage 12 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 40 zum Betreiben des Brenners 22. Die Steuereinrichtung 40 erhält verschiedene Eingangssignale. Insbesondere erhält sie ein Sensorsignal der zweiten Lambdasonde 38, welches mit einem Ist-Sauerstoffgehalt des Abgases (Ist-Lambdawert λ_Ist) korreliert. Optional kann die Steuereinrichtung 40 ferner ein Signal (T) eines nicht dargestellten Temperatursensors erhalten, beispielsweise eines stromauf oder stromab des Vorkatalysators 18 angeordneten Temperatursensors oder eines im Vorkatalysator 18 installierten Temperatursensors. Ferner kann die Sekundärluftleitung 30 mit einem Luftmassenmesser ausgestattet sein, dessen Ausgangssignal (m_L) ebenfalls in die Steuereinrichtung 40 als Eingangssignal eingeht. In Abhängigkeit der Eingangssignale, insbesondere des Ist-Lambdawertes λ_Ist, steuert die Steuereinrichtung 40 den Betrieb des Brenners 22, insbesondere den Betrieb der Fördereinrichtungen 26, 32 des Glühstifts 34 sowie das Einspritzventil 28, beispielsweise dessen Öffnungsdauern (Einspritzzeiten).
Die in 1 dargestellte Abgasanlage 12 zeigt folgende Funktionen.
Nach einem Start der Brennkraftmaschine 10 wird zunächst geprüft, ob der hier zu beheizende Vorkatalysator 18 betriebsbereit ist, insbesondere, ob dieser seine Light-Off-Temperatur aufweist. Hierfür kann das Signal eines entsprechend angeordneten Temperatursensors verwendet werden oder die Temperatur kann anhand einer Abstelldauer der Brennkraftmaschine 10 abgeschätzt werden. Sofern der Vorkatalysator 18 seine Betriebstemperatur nicht aufweist, erfolgt ein Betrieb des Brenners 22. Hierfür werden die Kraftstofffördereinrichtung 26 sowie die Sekundärluftzufuhr des Brenners 22 aktiviert, beispielsweise die als Sekundärluftpumpe ausgebildete Fördereinrichtung 32 gestartet.
Zudem wird ein Vorsteuerwert für die dem Brenner 22 zuzuführende Kraftstoffmenge m_K in Abhängigkeit von einem gemessenen oder vorbestimmten Luftmassenstrom m_L sowie einem Soll-Sauerstoffgehalt des Mischabgases von vorzugsweise λ_Soll = 1 durch die Steuereinrichtung 40 bestimmt. Sofern bei einem Kaltstart die zweite Lambdasonde 38 noch nicht betriebsbereit ist, erfolgt zunächst die Kraftstoffzumessung des Brenners 22 gemäß diesem Vorsteuerwert. Entsprechend diesem Vorsteuerwert steuert die Steuereinrichtung 40 das Einspritzventil 28 an. Insbesondere wird die Öffnungszeit des Einspritzventils 28 so angesteuert, dass die gewünschte Kraftstoffmasse pro Zeiteinheit zugeführt wird. Gegebenenfalls kann die Vorsteuerung des Brenners auch mit einem nicht-stöchiometrischen, insbesondere leicht fetten Gemisch erfolgen.
Spätestens sobald die Kraftstoffeinspritzung in den Brenner 22 beginnt, vorzugsweise mit kurzem Vorlauf, erfolgt auch eine Ansteuerung des Glühstifts 34, um das erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden. Dabei ist lediglich ein kurzer Betrieb des Glühstifts 34 zu Beginn der Inbetriebnahme des Brenners 22 notwendig, da nach erfolgter Zündung eine stabile Flamme vorliegt.
Das heiße Brennerabgas strömt in den Abgaskanal 14, in dem es sich mit dem verbrennungsmotorischen Abgas der Brennkraftmaschine 10 zu einem Mischabgas vermischt. Aufgrund der hohen Temperatur des Brennerabgases weist das Mischabgas eine höhere Temperatur als das verbrennungsmotorische Abgas auf und sorgt somit für eine schnelle Erwärmung des Vorkatalysators 18.
Sobald die zweite Lambdasonde 38 ihre Betriebstemperatur erreicht hat, wird ihr Signal für die Lambdaregelung des Brenners 22 herangezogen. Hierfür liest die Steuereinrichtung 40 das Sensorsignal λ_Ist der Lambdasonde 38 ein und bestimmt einen Korrekturwert für die Kraftstoffmenge Δm_K, die auf den Vorsteuerwert angewendet wird. Entsprechend diesem Korrekturwert Δm_K steuert die Steuereinrichtung 40 das Einspritzventil 28 an, so dass sich der Sauerstoffgehalt des Mischabgases dem Soll-Lambdawert λ_Soll von 1 annähert. Sofern λ_Ist > λ_Soll, werden im Ergebnis längere Ventilöffnungszeiten angesteuert, um die zugeführte Kraftstoffmenge zu vergrößern und den Lambdawert im Mischabgas zu senken. Falls umgekehrt λ_Ist < λ_Soll, so werden die Ventilöffnungszeiten verkürzt, um die zugeführte Kraftstoffmenge zu vergrößern und somit den Lambdawert des Mischabgases zu vergrößern.
Sobald der Vorkatalysator 18 seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, wird der Betrieb des Brenners 22 eingestellt und das, nunmehr allein aus dem verbrennungsmotorischen Abgas entstehende Abgas mittels der motornahen ersten Lambdasonde 36 geregelt.
2 zeigt eine Abgasanlage 12 einer Brennkraftmaschine 10 nach einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Hier sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und werden im Einzelnen nicht noch einmal erläutert.
Die Abgasanlage 12 nach 2 weist ebenfalls einen Vorkatalysator 18 sowie einen Hauptkatalysator 20 auf. Anders als bei der in 1 gezeigten Ausführung ist der Vorkatalysator 18 jedoch an einer motornahen Position angeordnet. Hier ist der Brenner 22 stromauf des Hauptkatalysators 20 angeordnet, so dass das Brennerabgas erst stromab des Vorkatalysators 18 mit dem verbrennungsmotorischen Abgas vermischt wird und nur der Hauptkatalysator 20 mit dem Mischabgas beaufschlagt und erwärmt wird. Ferner ist in dieser Ausgestaltung die zweite Lambdasonde 38 stromab des Hauptkatalysators 20 angeordnet. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Breitband-Lambdasonde.
Die Funktionsweise der Abgasanlage 12 nach 2 entspricht weitestgehend der aus 1.
3 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe verschiedener Stell- und Messgrößen während des erfindungsgemäßen Betreibens eines Brenners 22 gemäß 1. Dabei stellt der oberste Graph das Ansteuersignal SLP für die Sekundärluftpumpe 32 dar, die darunter liegende Kurve den gemessenen Luftmassenstrom m_L und die darunter liegende, dritte Kurve die mittels des Einspritzventils 28 zugeführte Kraftstoffmasse m_K. Schließlich zeigt die unterste Kurve den mit der Lambdasonde 38 gemessenen Ist-Lambdawert λ_Ist des Mischabgases.
Der Start der Brennkraftmaschine 10 erfolgt bei t₀ (hier etwa bei Sekunde 33) und wird während der gesamten Messung im Leerlauf betrieben. Gleichzeitig mit Motorstart wird die Sekundärluftpumpe 32 gestartet und kurzzeitig mit voller Leistung betrieben, um einen schnellen Druckaufbau zu erzielen, um sie danach zunächst bei ca. 20% ihrer Leistung zu betreiben (oberster Graph). Unmittelbar danach zum Zeitpunkt t₁ wird der Zustrom der Sekundärluft geöffnet und es stellt sich ein Luftmassenstrom m_L von etwa 5 kg/h ein (zweiter Graph). Gleichzeitig beginnt die Kraftstoffzumessung mittels eines Vorsteuerwertes m_K von circa 7 g/min (dritter Graph). Der Vorsteuerwert während der Vorsteuerung des Brennerbetriebs entspricht einem fetten Gemisch (λ < 1).
Zum Zeitpunkt t₂ (hier etwa bei Sekunde 37) liegt Betriebsbereitschaft der Lambdasonde 38 vor. Ab diesem Zeitpunkt setzt die erfindungsgemäße Regelung des Brennerbetriebs durch den rückgekoppelten Messwert λ_Ist in der oben beschriebenen Weise ein und es wird ein stabiler Lambdawert um 1 eingeregelt (unterster Graph). Während der Lambdaregelung des Brenners 22 wird der Vorsteuerwert für die Kraftstoffmenge kontinuierlich in Abhängigkeit von dem aktuell erfassten Luftmassenstrom m_L (und von λ_soll) bestimmt und entsprechend dem gemessenen Lambdawert λ_ist korrigiert. Der dritte Graph stellt sowohl den Vorsteuerwert als auch die geregelte (korrigierte) Kraftstoffmasse m_K dar.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
12: Abgasanlage
14: Abgaskanal
16: Abgasturbine
18: Abgaskatalysator/Vorkatalysator
20: Abgaskatalysator/Hauptkatalysator
22: Brenner
24: Kraftstoffleitung
26: Fördereinrichtung
28: Einspritzventil
30: Sekundärluftleitung
32: Fördereinrichtung/Sekundärluftpumpe
34: Glühstift
36: erste Lambdasonde
38: zweite Lambdasonde
40: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009058131 A1 [0006]
DE 102005054733 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mit Luft und Kraftstoff betriebenen Brenners (22) einer Abgasanlage (12), dessen Brennerabgas mit einem verbrennungsmotorischen Abgas einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) zusammengeführt und ein so erhaltenes Mischabgas wenigstens einem eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisenden Abgaskatalysator (18, 20) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ist-Sauerstoffgehalt (λ_Ist) des Mischabgases oder eine hiermit korrelierende Größe gemessen wird und eine dem Brenner (22) zugeführte Kraftstoffmenge (m_K) so beeinflusst wird, dass sich der Ist-Sauerstoffgehalt (λ_Ist) einem Soll-Sauerstoffgehalt (λ_Soll) des Mischabgases zumindest annähert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Sauerstoffgehalt (λ_Soll) des Mischabgases im Wesentlichen einem stöchiometrischen Lambdawert entspricht, insbesondere einem Lambdawert von λ = 0,95 bis 1,05, vorzugsweise von λ = 0,99 bis 1,01, besonders bevorzugt von λ = 1.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (12) wenigstens zwei, jeweils eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisende Abgaskatalysatoren (18, 20) umfassend einen Vorkatalysator (18) und einen Hauptkatalysator (20) aufweist und der Vorkatalysator (18) stromauf oder stromab des Brenners (22) oder dessen Einmündung in den Abgaskanal angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkatalysator (20) und/oder der Vorkatalysator (18) neben der drei-wege-katalytischen Funktion eine Partikelfilterfunktion aufweist beziehungsweise aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Sauerstoffgehalt (λ_Ist) des Mischabgases oder die hiermit korrelierende Größe stromab eines dem Brenner (22) nachgeschalteten Katalysators (18, 20) gemessen wird, insbesondere stromab des ersten, dem Brenner (22) nachgeschalteten Katalysators (18, 20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, ein Vorsteuerwert der dem Brenner (22) zugeführten Kraftstoffmenge (m_K) als Funktion des Soll-Sauerstoffgehalts (λ_Soll) des Mischabgases und einem dem Brenner (22) zugeführten Luftmassenstrom (m_L) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Brennerbetriebs ein der Brennkraftmaschine (12) zugeführtes Luft-Kraftstoff-Gemisch gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Sauerstoffgehalt (λ_Ist) oder die hiermit korrelierende Größe des Mischabgases mit einer Sprungantwort- oder einer Breitband-Lambdasonde (38) gemessen wird, vorzugsweise mit einer Breitband-Lambdasonde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Brenner (22) zugeführter Luftmassenstrom (m_L) während der Regelung des Brenners (22) nicht variiert wird.
Abgasanlage (12) für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (10), umfassend einen mit Luft und Kraftstoff betriebenen Brenner (22), dessen Brennerabgas mit einem verbrennungsmotorischen Abgas der Brennkraftmaschine (12) zusammengeführt wird; wenigstens einen eine drei-wege-katalytische Funktion aufweisenden Abgaskatalysator (18, 20), dem ein aus dem Brennerabgas und dem verbrennungsmotorischen Abgas erhaltenes Mischabgas zugeführt wird; sowie eine Lambdasonde (38) zur Messung eines Ist-Sauerstoffgehalts (λ_Ist) des Mischabgases oder einer hiermit korrelierenden Größe, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (40), die zum Betreiben des Brenners (22) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.