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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners. Die Erfindung betriff ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug.
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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).
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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.
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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.
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Zur weiteren 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, haben sich sogenannte Kat-Brenner zur Beschleunigung des TWC-Light-Offs als äußerst wirkungsvolle Maßnahme herausgestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners, der in einer Abgasanlage stromab einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, vor und während einer Startphase des Abgasbrenners. Ein einer Brennkammer des Abgasbrenners zugeführter Luftmassenstrom wird zwischen
- - einem Start-Zeitpunkt bei einem Start-Luftmassenstrom und
- - einem weiteren Zeitpunkt bei einem weiteren Luftmassenstrom insbesondere streng monoton steigend erhöht.
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Vor dem weiteren Zeitpunkt wird
- - der Brennerkammer ein Kraftstoff zugeführt,
- - in der Brennerkammer aus dem Kraftstoff und einer Luft des Luftmassenstroms ein Kraftstoff-Luft-Gemisch hergestellt und
- - das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer stetig heißen oder intermittierend Zündfunken bildenden Zündeinrichtung gezündet.
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In der Startphase kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine nicht befeuert wird. In der Startphase kann jedoch auch der Verbrennungsmotor bereits im laufenden Betrieb sein oder zeitlich parallel gestartet werden.
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Das Verfahren ermöglicht einen schnellen und zugleich emissionsminimierten Start durch eine Vorgabe/ Prozedur (zeitlich oder eventbasiert) von Luftzufuhr und -dosierung, Kraftstoffzufuhr und -dosierung, Frequenzwechsel der Einspritzung und Zündung und der Adaption des Einspritzdruckes.
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Dabei und nachfolgend werden die Angaben Luftmassenstrom und Volumenstrom austauschbar verwendet, da eine Veränderung des Luftmassenstroms eine entsprechende Veränderung des (Luft-)Volumenstroms mit sich bringt.
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Die während einer Startphase des Abgasbrenners genutzte, stetig heiße Zündeinrichtung kann insbesondere eine Glühkerze sein, die die besonderen Vorteile bietet, dass
- - der Abgasbrenner bereits gestartet werden kann, ohne dass ein Plateau für den Luftmassenstrom bzw. den Volumenstrom erreicht ist und/oder
- - der Abgasbrenner bei beliebigem Luftmassenstrom bzw. Volumenstrom gestartet werden kann und/oder
- - der Abgasbrenner mit einem beliebigen Volumenstromgradienten gestartet werden kann.
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Mithin wird als Ziel ein absolut schnellstmöglicher Start erreicht, was somit geringste Emissionen und eine höchste Wärmeleistung bewirkt.
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Der Kraftstoff kann insbesondere ein Benzin sein und braucht dem Abgasbrenner erst in der Startphase und nach dem Hochlauf der Sekundärluftpumpe zugeführt werden. Insofen kann das Benzin der bereits erhitzten Glühkerze erstmalig (nach deren Bestromung) zu einem Start-Einspritzzeitpunkt zugeführt werden, der nach einem Erreichen eines Maximalwerts des Luftmassenstroms liegt. Das Bestromen der Glühkerze kann dabei erfolgen, sobald eine Fahrzeugintelligenz den Wunsch des Fahrzeugführers ermittelt hat, die Fahrt zu beginnen. Insofern kann das Bestromen der Glühkerze in zeitlichen Zusammenhang oder sogar gleichzeitig mit dem Bestromen bzw. Vorheizen der Lambdasonde erfolgen.
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Um zu verhindern, dass mit Beginn der Zuführung des Luftmassenstroms in die Brennkammer bereits unverbrannter Kraft „herausgespült“ wird, braucht der Kraftstoff dem Brennraum erst nach dem Start-Zeitpunkt zugeführt werden, sodass vorgesehen ist, dass der Kraftstoff dem Abgasbrenner zu einem Start-Einspritzzeitpunkt zugeführt wird, der zwischen dem Start-Zeitpunkt und einem ersten Zeitpunkt, insbesondere dem weiteren Zeitpunkt, liegt.
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Um den Kraftstoff gut mit der Luft zu vermischen und an die während der Startphase steigende Temperatur anzupassen, kann vorgesehen sein, dass der Kraftstoff mittels eines Einspritzventils mit einer Einspritzfrequenz in eine Brennkammer des Abgasbrenners eingespritzt wird und dass der Kraftstoff zum Start-Einspritzzeitpunkt mit einer ersten Einspritzfrequenz und zum ersten Zeitpunkt mit einer zweiten Einspritzfrequenz eingespritzt wird.
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Um den Regelungsaufwand gering zu halten, kann vorgesehen sein, dass die Einspritzfrequenz in einem Zeitraum vom Start-Einspritzzeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt konstant gehalten wird. Um jedoch demgegenüber die Emissionen noch weiter zu verringern und die Einspritzfrequenz an den aktuellen Stand der Startphase anzupassen, kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Einspritzfrequenz in einem Zeitraum von Start-Einspritzzeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt stetig erhöht wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Einspritzfrequenz ausgehend vom Start-Einspritzzeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt stetig verringert wird.
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Bei Verwendung einer stetig heißen Glühkerze zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches benötigt deren Steuerungssoftware keine Rasterung im Millisekundenbereich, da die Glühkerze nicht getaktet gezündet wird. Insofern braucht eine Software zur Steuerung der Einspritzfrequenz vom Start-Einspritzzeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt auch nicht an eine Rasterung zur Steuerung der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches angepasst werden. Mithin ist es möglich, die Einspritzfrequenz sehr gering zu halten. Beispielsweise kann die erste Einspritzfrequenz zum Start-Einspritzzeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt bei 200Hz liegen. Zur Verringerung von hörbarem Schall, d.h. wegen der „Noise Vibration Harshness“ (NVH) kann die zweite Einspritzfrequenz ab dem ersten Zeitpunkt verringert werden, insbesondere auf 180Hz.
Auch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann an den aktuellen Stand der Startphase angepasst werden. Insofern kann vorgesehen sein, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, vom Start-Einspritzzeitpunkt zum ersten Zeitpunkt mittels einer Stufe oder stetig erhöht wird, sodass ausgehend von einem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum Start-Einspritzzeitpunkt ein höheres zweites Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum ersten Zeitpunkt erreicht wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart angepasst wird, dass es sich ausgehend vom Start-Einspritzzeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt stetig verringert.
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Um bereits innerhalb der Startphase den Abgasbrenner schnellstmöglich zu einem kontinuierlichen emissionsarmen Betrieb zu kommen, kann vorgesehen sein, dass das zweite Luft-Kraftstoff-Verhältnis bis zu einem zweiten Zeitpunkt konstant gehalten wird, wobei ein Zeitraum von Start-Zeitpunkt bis zum weiteren Zeitpunkt kürzer ist als ein Zeitraum vom ersten Zeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt. Analog dazu kann auch der Luftmassenstrom ab dem weiteren Zeitpunkt bis zu einem zweiten Zeitpunkt konstant gehalten wird, wobei ein Zeitraum von Start-Zeitpunkt bis zum weiteren Zeitpunkt kürzer ist als ein Zeitraum vom ersten Zeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt.
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Um den nachteiligen Effekt des Wandfilms zu berücksichtigen, der sich während der Startphase anfangs bilden kann, kann vorgesehen sein, dass der Brennkammer eine Menge des Kraftstoffs in einem Zeitraum vom Start-Einspritzzeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt zugeführt wird und dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zunächst unterstöchiometrisch und danach überstöchiometrisch ist.
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Um einen Übergang vom unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass zur Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Einspritzdauer mittels eines Anreicherungsfaktors variiert wird und dass in einem Zeitraum zwischen den Zeiträumen mit unterstöchiometrischen und überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein weiterer Zeitraum liegt, in dem ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis vorgegeben wird, indem zumindest ein Einspritzvorgang ausgelassen wird, indem der Anreicherungsfaktor für diesen Einspritzvorgang auf Null gesetzt wird.
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Damit der Fahrer des Kraftfahrzeugs dasselbe möglichst schnell starten kann, ist der Abgasbrenner möglichst schnell betriebsbereit zu machen. Insofern kann das Verfahren in Abhängigkeit von einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs vorgegebenen Wunsch durchgeführt werden, gemäß dem die Brennkraftmaschine gestartet werden soll. In Abhängigkeit von einer Vorgabe dieses Wunsches kann eine Lambdasonde der Abgasanlage beheizt und/oder die Zündeinrichtung beheizt werden, die dazu eine Glühkerze ist. In besonders vorteilhafter Weise wird sowohl die Lambdasonde als auch die Glühkerze erhitzt. Dabei können unterschiedliche Aufheizzeiten berücksichtigt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens. Dabei weist die Vorrichtung einen Ottomotor und eine Abgasanlage mit einem Abgasbrenner auf. Der Abgasbrenner weist eine Brennkammer und eine Glühkerze auf, mit der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Brennkammer des Abgasbrenners zündbar ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftahrzeug mit einem Abgasbrenner,
- 2 schematisch den Abgasbrenner aus 1, der eine Brennkammer aufweist,
- 3 ein schematisches Diagramm, das einen Verlauf eines Luftmassenstroms einer der Brennkammer aus 2 zugeführten Luft über der Zeit darstellt, wobei die zugehörige Brennkraftmaschine als Ottomotor ausgeführt ist,
- 4 ein schematisches Diagramm entsprechend dem Diagramm von 3, wobei zusätzlich eine Einspritzfrequenz bzw. eine Zündfrequenz von Kraftstoff dargestellt ist, wobei eine zeitliche Veränderung einer Zündfrequenz bzw. Einspritzfrequenz unter Voraussetzung eines intermittierenden Einsatzes dargestellt ist,
- 5 ein schematisches Diagramm eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ über der Zeit,
- 6 schematisch einen zeitlichen Detailausschnitt von 4, der eine Einspritzdauer bzw. Anreicherungsfaktoren für eine Startphase des zunächst kalten Abgasbrenners nach 1 und 2 dargestellt ist,
- 7 eine Beziehung zwischen einer Einspritz- und einer Zündfrequenz,
- 8 Möglichkeiten für eine Anpassung eines konkreten Zündzeitpunktes,
- 9 einen Kraftstoff-Einspritzdruck über der Zeit,
- 10 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellung und
- 11 anhand eines Diagramms ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasbrenners für einen Ottomotor, wobei auch der Zeitraum vor einem Start-Zeitpunkt des Luftmassenstroms dargestellt ist.
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In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst einen Antriebsstrang 15 mit einer Brennkraftmaschine 11, die insbesondere als Ottomotor ausgeführt ist. Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Brennkraftmaschine 11 als ein andere Art von fremdgezündeten Motor auszuführen, der insbesondere mit Benzin betrieben wird. Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Abgasanlage 12. Nachfolgend wird anhand der 1 bis 10 vorrangig auf die Abgasanlage 12 für den Ottomotor als Brennkraftmaschine 11 eingegangen.
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Die Abgasanlage 12 ist zur Nachbehandlung eines durch die Brennkraftmaschine 11 erzeugten Abgases eingerichtet und umfasst zu diesem Zweck zwei Katalysatoren 122, 124 und einen Rußpartikelfilter 126. Außerdem ist der Abgasbrenner 100 zur Beheizung zumindest eines Teils der Abgasanlage 12, sowie ein zugehöriges Sekundärluftsystem 13 vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, dem Abgasbrenner 100 Luft 147 zuzuführen und Oxidationsreaktionen zu ermöglichen bzw. zu fördern. Das Sekundärluftsystem 13 beinhaltet einen Luftfilter 132, eine stromab folgende Sekundärluftpumpe 134 und einen stromab folgenden Luftmassenmesser 136, der den Druck p und die Temperatur T berücksichtigt. Der Lufmassenmesser 136 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM) ausgeführt sein, der auch die Feuchte φ messen kann. Außerdem beinhaltet das Sekundärluftsystem 14 ein Sekundärluftventil 138, das beispielsweise in Form eines Sperrventils bereitgestellt sein kann und eine Luftzufuhr 130 aus dem Sekundärluftsystem 13 in den Abgasbrenner 100 unterbinden oder erlauben kann. Vom Abgasbrenner 100 in nachstehend erläuterter Weise produzierte heiße Abgase können der Abgasanlage 12 zugeführt werden, wobei ein dahingehender Strömungspfad entlang einer Lambdasonde 149 verläuft. Die heißen Abgase, deren Restsauerstoffgehalt von der Lambda-Sonde 149 erfasst wurde, können dabei insbesondere zwischen den beiden Katalysatoren 122, 144 in den Abgasstrang 12 eingespeist werden.
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2 zeigt den Abgasbrenner 100 schematisch. Der Abgasbrenner 100 umfasst eine Brennkammer 110, eine Zündeinrichtung 120, die Luftzufuhr 130, die von der Sekundärluftpumpe gespeist wird, sowie ein Einspritzventil 140. Bei einem in die Brennkammer 110 eingebrachten Kraftstoff 145 handelt es sich um Benzin. In einem Kanal der Lufzufuhr 130 ist ein Drallgitter 151 angeordnet. Das Benzin wird im Betrieb des Abgasbrenners 100 zusammen mit der über das Drallgitter 151 eingebrachten Luft 147 unter Verwendung der Zündeinrichtung 120 zur Reaktion gebracht, wobei die heißen Abgase 150 entstehen, die zur Beheizung der stromab des Abgasbrenners 100 angeordneten Komponenten genutzt werden, bei denen es sich um einen der beiden Katalysatoren und den Rußpartikelfilter handelt. Das Benzin wird mittels Direkteinspritzung direkt in die Brennkammer 110 eingespritzt. Insofern ist ein Merkmal dieser Bauform des Abgasbrenners 100 die Direkteinspritzung des Kraftstoffs 145 in die Brennkammer 110 und die damit verbundene Interaktion mit der Zündeinrichtung 120. Die Zündeinrichtung 120 ist vorzugsweise eine Glühkerze, sodass eine stetig heiße Oberfläche und damit Zündungsmöglichkeit zur Verfügung gestellt wird. In einer alternativen Ausführung kann das Zündeinrichtung 120 aber auch eine Zündkerze aufweisen, sodass intermittierend gezündet wird.
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Anhand von einer Zusammenschau von 2 und nachfolgend erläuterter 3 wird im Folgenden dargestellt, dass während einer Startphase 148 des Abgasbrenners 100 ein der Brennkammer 110 zugeführter Luftmassenstrom ṁ zwischen
- - einem Start-Zeitpunkt t0 bei einem Start-Luftmassenstrom ṁ0 und
- - einem weiteren Zeitpunkt t1 bei einem weiteren Luftmassenstrom ṁ1 insbesondere streng monoton steigend erhöht wird, wobei vor dem weiteren Zeitpunkt t1
- - der Brennerkammer 110 der Kraftstoff 145 zugeführt,
- - in der Brennerkammer 110 aus dem Kraftstoff 145 und der Luft 147 des Luftmassenstroms ṁ ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 146 hergestellt und
- - das Kraftstoff-Luft-Gemisch 146 mittels der stetig heißen oder intermittierend Zündfunken bildenden Zündeinrichtung 120 gezündet wird.
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3 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Luftzuführung und -dosierung. Mithin zeigt 3 anhand eines Diagramms den Verlauf des Luftmassenstroms ṁ der Luft, die der Brennkammer aus 2 über eine Zeit t zugeführt wird. Der Luftmassenstrom ṁ ist auf der Ordinate in kg/h aufgetragen. Die Zeit t ist in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. Nachfolgend ist ein sequentiell durchgeführtes Verfahren zum Start des Abgasbrenners beschrieben.
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Das Verfahren beginnt zu einem Start-Zeitpunkt t0, zu dem ein Wunsch des Fahrzeugführers zum Betrieb des Ottomotors bereits bekannt ist. Die Zufuhr von Luft wird ausgehend von einem Volumenstrom V0 von Null erhöht. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird ein erster Volumenstrom V1 erreicht, der größer ist als der Volumenstrom V0 von Null. Der erste Volumenstrom V1 ist durch einen Sollwert der Leistung zu einem ersten Zeitpunkt t1 vorgegeben. Die Erhöhung des Volumenstroms V ist definiert durch den Gradienten vom Start-Zeitpunkt t0 bis zum Erreichen des ersten Volumenstroms V1 zum ersten Zeitpunkt t1. Dieser Gradient ist systemabhängig und kann insbesondere abhängen von
- - einer Leistung der Sekundärluftpumpe und/oder
- - einer oder mehrerer Leitungslängen und/oder
- - einem oder mehreren Leitungsquerschnitten und/oder
- - einem oder mehreren zusätzlichen Strömungswiderständen und/oder
- - einer Temperatur, insbesondere einer Außentemperatur und/oder der Temperatur des Abgasbrenners und/oder
- - einer Feuchtigkeit der Luft und/oder des Benzins und/oder
- - einer Höhe bzw. einem Luftdruck.
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Nach dem Erreichen des Sollwerts der Leistung zum Zeitpunkt t1 wird der Volumenstrom V konstant auf Höhe des ersten Volumenstroms V1 gehalten. Die dahingehende Haltezeit endet frühestens zu einem zweiten Zeitpunkt t2. Ein Zeitraum vom Start-Zeitpunkt t0 bis zum zweiten Zeitpunkt t2 ist lediglich ein Zeitraum für die Startphase 148 und insofern nicht die gesamte Laufzeit des Abgasbrenners. Dabei ist ein Zeitraum t1-t0 von Start-Zeitpunkt t0 bis zum ersten Zeitpunkt t1 kürzer ist als ein Zeitraum t2-t1 vom ersten Zeitpunkt t1 bis zum zweiten Zeitpunkt t2.
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In dem Diagramm sind zwei weitere alternative Verläufe des Volumenstroms V über die Zeit t anhand gestrichelter Linien dargestellt. Bei der ersten Alternative wird ein erster Volumenstrom V1* zu einem ersten Zeitpunkt t1* erreicht. Bei der zweiten Alternative wird ein erster Volumenstrom V1** zu einem ersten Zeitpunkt t1** erreicht. Der Volumenstrom V1* der ersten Alternative ist kleiner als der ersten Volumenstrom V1** der zweiten Alternative. Der Zeitpunkt t1* der ersten Alternative wird früher erreicht als der erste Zeitpunkt t1** der zweiten Alternative.
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Die beiden alternativ skizzierten Verläufe mit den beiden ersten Volumenströmen V1* und V1** die zu den beiden ersten Zeitpunkten t1* und t1** ihren Sollwert erreichen, sollen veranschaulichen, dass ein Zündmechanismus nicht von einer Ziellast oder von einem Gradienten des Volumenstroms V der Luft abhängt.
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Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens entsprechend dem Diagramm nach 3 kann mit einer intermittierenden Einspritzung zu einem Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel begonnen werden, der zwischen dem Start-Zeitpunkt t0 und dem ersten Zeitpunkt t1 liegt. Sofern eine Glühkerze als stetig heiße Oberfläche zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verwendet wird, so wird die Glühkerze bereits vor dem Einspritzzeitpunkt t_fuel beheizt, damit sie das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem zündfähigen Mischungsverhältnis bereits bei Erstkontakt zündet. Dieses Vorglühen ist auch aus 11 ersichtlich, die jedoch erst gegen Ende der Beschreibung näher erläutert wird.
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Um die Robustheit in der Startphase 148 des Abgasbrenners zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, das Verfahren entsprechend dem Diagramm nach 3 in einer zweiten Ausführungsform durchzuführen. Bei dieser zweiten Ausführungsform erfolgt die Einspritzung von Kraftstoff unmittelbar nach Bekanntwerden des Wunsches, den Abgasbrenner zu starten. Diese frühe Einspritzung von Kraftstoff kann nötigenfalls sogar schon zum Start-Zeitpunkt t0 erfolgen, bei dem der Start-Volumenstrom V0 = 0 bzw. der Start-Luftmassenstrom 0 kg/h beträgt. D.h., die Einspritzung von Kraftstoff beginnt ohne Luftstrom.
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Aus 4 ist ersichtlich, dass eine Einspritzfrequenz f_inj spätestens zum Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel auf eine erste Einspritzfrequenz f1 eingestellt wird. Danach wird die Einspritzfrequenz f_inj zu dem darauffolgenden ersten Zeitpunkt t1 auf eine zweite Einspritzfrequenz f2 verändert.
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Diese Veränderung der Einspritzfrequenz f_inj kann sowohl in mehreren Stufen als auch stetig erfolgen. Zur Veranschaulichung ist im Diagramm nach 4 zum einen eine gestrichelte Linie dargestellt, die eine Erhöhung der Einspritzfrequenz f_inj in zwei Stufen darstellt. Überdies ist eine alternative Adaption der Einspritzfrequenz f_inj anhand einer ebenfalls gestrichelten Kurve dargestellt. Die Kurve stellt eine stetige Erhöhung der Einspritzfrequenz f_inj von der ersten Einspritzfrequenz f1 zur zweiten Einspritzfrequenz f2 dar.
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Bei beiden alternativen Ausführungsformen nach 4 ist vorgesehen, dass sich beim Start während des Pumpenhochlaufs, d.h. zwischen dem ersten Start-Zeitpunkt t0 und dem ersten Zeitpunkt t1, die erste Einspritzfrequenz f1 von der zweiten Einspritzfrequenz f2 unterscheidet mit der der Abgasbrenner im Stationärbetrieb zu einem Zeitpunkt t > t1 betrieben wird.
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Bei einem weiteren, vereinfachten Ausführungsbeispiel kann die erste Einspritzfrequenz f1 vom Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel bis zum zweiten Zeitpunkt t2 konstant gehalten wird, sodass kein Wechsel der Einspritzfrequenz f_inj notwendig ist.
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Eine zu der Adaption der Einspritzfrequenz f_inj vergleichbare Adaption einer Zündfrequenz f_ign ist nur dann notwendig, wenn der Abgasbrenner mit intermittierender Zündung beispielsweise mit einer Zündkerze anstelle der bevorzugten Glühkerze betrieben wird. Insofern können die Angaben f0, f1 und f2 nach dem Diagramm nach 4 auch auf eine Zündfrequenz einer Zündkerze übertragen werden, die mit der Zündfrequenz f_ign betrieben wird. Die Ordinate des Diagramms nach 4 betrifft somit die Zündfrequenz f_ign als auch die Einspritzfrequenz f_inj, wobei beide Frequenzen in Hertz (Hz) gemessen werden.
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Sofern intermittierend gezündet wird, können die Einspritzfrequenz f_inj und die Zündfrequenz f_ign aber auch unabhängig voneinander angepasst werden. Dies bedeutet, dass f_inj # f_ign ist.
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Aus 4 gehen auch noch zwei weitere alternativen Ausführungsformen hervor. Bei diesen alternativen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Einspritzfrequenz f ausgehend von einem Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel mit einer ersten Einspritzfrequenz, die zur Unterscheidung nachfolgend mit f3 bezeichnet wird, bis zum ersten Zeitpunkt t1 stetig oder in Stufen auf die zweite Einspritzfrequenz f2 verringert wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist es sowohl denkbar, dass mehrfach während jeder Einspritzung gezündet wird als auch, dass nur zu jeder x-ten Einspritzung gezündet wird.
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Mithin können die Einspritzfrequenz f_inj und die Zündfrequenz f_ign ungleich sein. Dies umfasst auch Ausführungsformen, bei denen zum Start-Zeitpunkt t0 die Einspritzfrequenz f_inj = 0Hz ist. D.h., es wird kein Kraftstoff eingespritzt. Dabei kann die Zündfrequenz f_ign von der Einspritzfrequenz f_inj unabhängig betrieben werden, wobei f_ign > f0 ist und wobei f0 = 0Hz ist.
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In 5 ist anhand eines Diagramms eine Vorgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ über der Zeit t aufgetragen. Die Skalierung der Zeit t auf der Abszisse ist dabei an die Abszisse von 3 und 4 angepasst, sodass die Zeitpunkte t0, t_fuel, t1, t2 den bezeichnungsgleichen Zeitpunkten t0, t_fuel, t1, t2 von 3 und 4 entsprechen. Die Vorgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ ist spätestens zum Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel auf ein erstes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1 adaptiert. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgangswert λ0 hat keine Relevanz, weil der Einspritzvorgang frühestens zum Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel mit der Einspritzfrequenz f_inj = f1 freigegeben wird. Absolut gesehen kann das erste Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1 sowohl unterstöchiometrisch, stöchiometrisch oder auch überstöchiometrisch sein. Zum ersten Zeitpunkt t1 wird neben der zweiten Einspritzfrequenz f2 auch die Vorgabe für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ von dem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1 zu einem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 angepasst. Dabei ist das zweite Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 größer als das erste Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1, d.h. λ2 > λ1.
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Alternativ und sofern zwischen dem Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel bis zum ersten Zeitpunkt Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ überstöchiometrisch ist, kann das zweite Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 kleiner als das erste Luft-Kraftstoff-Verhältnis sein, das demzufolge in 5 mit λ3 (anstelle λ1) bezeichnet wird. d.h. λ2 < λ3. Insofern kann für den Fall, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ in der Startphase deutlich überstöchiometrisch ist, der Wechsel zu λ2 auch bedeuten kann, dass λ2 < λ3 ist. Damit lassen sich besonders gute Emissionswerte erzielen.
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Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ kann sowohl in mehreren Stufen als auch stetig verändert werden. Zur Veranschaulichung ist im Diagramm nach 5 zum einen eine durchgezogene Linie dargestellt, die eine Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ in zwei Stufen darstellt. Überdies ist eine alternative Adaption des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ anhand einer gestrichelten Kurve dargestellt. Die Kurve stellt eine stetige Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ von dem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1 zum zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 dar. Bei alternativen Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ausgehend vom Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel bis zum ersten Zeitpunkt t1 stetig oder in Stufen verringert wird. Um den Regelungsaufwand zu vereinfachen, kann auch vorgesehen sein, dass das erste Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1 vom Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel bis zum zweiten Zeitpunkt t2 konstant gehalten wird, sodass kein Wechsel des Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ notwendig ist.
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Aufgrund von möglichen Wandfilmbildungen kommt es während des Startvorgangs des Abgasbrenners zu einem Kraftstoffauftrag auf der Oberfläche der Brennkammer. Dieser Wandfilm führt dazu, dass das vorgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ggf. nicht exakt gemäß der Vorgabe (Vorsteuerung) erreicht werden kann. Der Anteil an Kraftstoff, der sich als Wandfilm ausbildet, nimmt damit zeitverzögert an der Verbrennung teil. Daraus resultiert eine Abweichung von der Vorgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ. Zu diesem Zweck werden eine Anzahl von x Einspritzungen mit einem Anreicherungsfaktor A versehen. Beispielsweise werden die ersten eingespritzten Kraftstoffmassen mit einem Anreicherungsfaktor A = 1,5 multipliziert, wodurch die eingespritzte Kraftstoffmasse um 50% erhöht wird. Auf diese Weise lässt sich der Anteil des Kraftstoffs, der als Wandfilm nicht unmittelbar an der Verbrennung teilnimmt, kompensieren. Diese Form der Vorsteuerung ist auch deshalb vorteilhaft, weil das Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ noch nicht ermittelbar ist, weil eine Lambdasonde noch nicht aufgeheizt ist. Für eine Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ unter Zuhilfenahme einer Lambdasonde braucht dieselbe nämlich einen zeitlichen Vorlaufzeit, in der die Lambdasonde aufgeheizt wird. Doch selbst wenn die Lambdasonde bereits sehr früh aufgeheizt wird, beispielsweise beim Ziehen eines Türgriffs des Kraftfahrzeugs, dann ist diese Form der Vorsteuerung trotzdem noch vorteilhaft, weil noch die Laufzeiten der Abgase vom Abgasbrenner zur Lambdasonde zu berücksichtigen sind. Das Aufheizen der Lambdasonde kann auch in zeitlichen Zusammenhang mit dem Aufheizen der Glühkerze des Abgasbrenners gebracht werden.
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Insofern kann eine Wunsch des Fahrers ermittelt werden, dass die Brennkraftmaschine gestartet werden soll. Unmittelbar oder zeitlich versetzt nach Bekanntwerden dieses Wunsches können die Lambdasonde und/oder die Glühkerze bereits bestromt und somit beheizt werden. Dieser Wunsch des Fahrers kann sowohl
- - durch die Betätigung des Türgriffs als auch
- - durch das Bewegen/Ziehen eines Sicherheitsgurtes als auch
- - durch das, insbesondere zweimalige, Drücken der „Öffnen“-Taste an einer Fernbedieung des Kraftfahrzeugs als auch
- - durch eine entsprechende Wunschvorgabe mittels einer App (Software-Anwendung) auf einem Mobiltelefons oder einem „Wearable“ als auch
- - durch Betätigen des „Motor Start/Stop“-Schalters im Kraftfahrzeug
vorgegeben werden. Die Vorgabe des Wunsches mittels App kann insbesondere die direkte Vorgabe (z.B. Symbol oder Text „Abgasbrenner on“) sein, den Abgasbrenner zu starten. Dieser Vorgabe des Wunsches kann insbesondere im Rahmen der On-Board-Diagnose (OBD) von einem Steuergerät (controller) des Abgasbrenners als „wake-up“-Signal aufgefasst werden, aufgrund dessen die Lambdasonde und/oder die Glühkerze des Abgeasbrenners aufgeheizt wird. Insofern ist es vorteilhaft, wenn das Mittel zur Erfassung der Vorgabe (d.h. der Türgriff, der Sicherheitsgurtsensor, etc.) in die OBD eingebunden ist.
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In 6 sind zehn Einspritzvorgänge E1 bis E10 und nicht unmittelbar anschließende Einspritzvorgänge x+n dargestellt. Der erste Einspritzvorgang E1 beginnt zum Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel. Der Einspritzvorgang x+3 startet zum ersten Zeitpunkt t1. In 6 ist ein Anreicherungsfaktor A > 1 dargestellt, mit dem bei kaltem Abgasbrenner eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmasse dadurch erreicht wird, dass Einspritzdauer der ersten drei Einspritzvorgänge E1 bis E3 verlängert werden. Während des Abbaus des Wandfilms wird zu einem späteren Zeitpunkt des Startvorgangs ein Anreicherungsfaktor A < 1 vorgegeben, um die resultierende Anfettung der Verbrennung temporär zu kompensieren. Ein solcher Anreicherungsfaktor A < 1 ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Insofern wird eine Menge des Kraftstoffs in einem Zeitraum t1 - t_fuel vom Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel bis zum ersten Zeitpunkt t1 zugeführt wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ist zunächst unterstöchiometrisch und danach überstöchiometrisch.
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Bei einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Maßnahme wird die Kraftstoffmasse bei einzelnen Einspritzvorgängen E6 mit dem Anreicherungsfaktor A = 0 multipliziert, sodass keine Kraftstoffmasse eingespritzt wird. Dadurch kann die Vorgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ ggf. schneller und präziser erreicht werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 wurde der sechste Einspritzvorgang E6 ausgesetzt.
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Insofern wird zur Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ die Einspritzdauer mittels des Anreicherungsfaktors A variiert. In einem Zeitraum zwischen den Zeiträumen mit unterstöchiometrischen und überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ liegt ein weiterer Zeitraum, in dem ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ vorgegeben wird, indem zumindest ein Einspritzvorgang E6 ausgelassen wird, indem der Anreicherungsfaktor A für diesen Einspritzvorgang E6 auf Null gesetzt wird.
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Weitere Adaptionen einer Spulenzündanlage und Zündkerze (Schließzeit und damit Zündenergie und Funkenbrenndauer) sind bereits Gegenstand einer anderen Anmeldung und auch auf das vorstehend beschriebene Verfahren übertragbar und anhand 7 und 8 nachfolgend kurz beschrieben.
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So ist in 7 eine Beziehung zwischen Einspritz- und Zündfrequenz dargestellt, wobei die Zündfrequenz hier der halben Einspritzfrequenz entspricht, so dass sich eine relativ hohe Funkenbrenndauer und damit eine sicherere Entflammung ergeben. Selbstverständlich können diese Frequenzbeziehungen auch miteinander kombiniert werden, so dass beispielsweise zu Beginn der Startphase des Abgasbrenners eine niedrigere Zündfrequenz mit entsprechend längeren Funkenbrenndauern einstellen lässt, während in einem späteren Abschnitt der Startphase eine höhere Zündfrequenz, z.B. zur Optimierung der Brenneremissionen, gewählt werden kann.
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In 8 sind Möglichkeiten der Anpassung des konkreten Zündzeitpunktes dargestellt. Durch eine Verkürzung oder Verlängerung der Schließzeit t1_Z kann der Zündzeitpunkt von einem optimalen Zündzeitpunkt t_o hin zu alternativen Zündzeitpunkten t_x verschoben werden. Die tatsächliche Lage des optimalen Zündzeitpunktes t_o relativ zu der Einspritzung F kann dabei selbstverständlich variieren, insbesondere im Hinblick auf ein Optimierungsziel (z.B. Flammenstabilität, Emissionsminimierung, ...) und/oder in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern des Abgasbrenners 100, wie beispielsweise Temperatur, Luft- Kraftstoff-Verhältnis, etc. Durch eine Verkürzung der Schließzeit t1_Z verringert sich gleichzeitig die Gesamtladung der Zündspule und damit die zur Zündung bereitstehende Energie Z.
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Zusätzlich zu den beschrieben Veränderungen von Luft-Volumenstrom bzw. Luftmassenstrom, der Frequenzen für Einspritzung und Zündung, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der Anreicherungsfaktoren ist auch die Adaption des Einspritzdrucks p möglich. Anhand von 9 wird diese Adaption des Einspritzdrucks p nachfolgend beschrieben.
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Eine Ausgangs-Einspritzdruck p0 hat keine Relevanz, weil der Einspritzvorgang frühestens zum ersten Zeitpunkt t1 mit der Einspritzfrequenz f_inj = f1 freigegeben wird. Aus diesem Grund ist ein erster Einspritzdruck p1 bis spätestens zum ersten Zeitpunkt t1 zu erreichen. Zum zweiten Zeitpunkt t2 wird der zweite Einspritzdruck p2 im Vergleich zum ersten Einspritzdruck p1 geändert. Dabei ist sowohl eine Druckanhebung als auch -absenkung zum zweiten Zeitpunkt t2 möglich. In ist eine Druckanhebung vom ersten Einspritzdruck p1 auf den zweiten Einspritzdruck p2 dargestellt.
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Der Einspritzdruck p kann sowohl in mehreren Stufen als auch stetig verändert werden. Zur Veranschaulichung ist im Diagramm nach 9 zum einen eine durchgezogene Linie dargestellt, die eine Erhöhung des Einspritzdrucks p in zwei Stufen darstellt. Überdies ist eine alternative Adaption des Einspritzdrucks p anhand einer gestrichelten Kurve dargestellt. Die Kurve stellt eine stetige Erhöhung des Einspritzdrucks p von dem ersten Einspritzdruck p1 zum zweiten Einspritzdruck p2 dar.
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Aus 9 gehen auch noch zwei weitere alternativen Ausführungsformen hervor. Bei diesen alternativen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Einspritzdruck p ausgehend von einem Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel mit einem ersten Einspritzdruck, der zur Unterscheidung nachfolgend mit p3 bezeichnet wird, bis zum ersten Zeitpunkt t1 stetig oder in Stufen auf den zweiten Einspritzdruck p2 verringert wird.
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In 10 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vereinfacht in Form eines Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Ausgangsparameter des Verfahrens werden gebildet von
- dem ersten Zeitpunkt t1,
- dem Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel,
- dem Volumenstrom V0 = null,
- dem ersten Volumenstrom V1,
- der gegebenenfalls bei f0 = 0Hz liegenden Frequenz,
- der ersten Frequenz f1,
- der zweiten Frequenz f2,
- dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgangswert λ0,
- dem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1,
- dem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2,
- dem Anreicherungsfaktor A,
- dem Ausgangs-Einspritzdruck p0,
- dem ersten Einspritzdruck p1 und
- dem zweiten Einspritzdruck p2.
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Für die Ermittlung der Ausgangsparameter werden verschiedene Eingangsgrößen param_1 bis param_n berücksichtigt. Diese Eingangsgrößen param_1 bis param_n werden in einem Startkoordinator 210 einer Steuerung des Abgasbrenners ausgewertet und die Ausgangsparameter t1, t_fuel, V0, V1, f0, f1, f2, λ0, λ1, λ2, A, p0, p1, p2 werden entsprechend berechnet bzw. adaptiert. Bei den Eingangsgrößen param_1 bis param_n handelt es sich beispielsweise um
- - eine Außentemperatur,
- - eine barometrische Höhe,
- - eine Luftfeuchtigkeit,
- - Sensordaten zur Bewertung des Starts, die beispielsweise eine Temperatur T innerhalb des Abgasbrenners, den Einspritzdruck p und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ repräsentieren,
- - eine Historie vorangegangener Starts bzw. eine Startadaption und/oder
- - Parameter aus einem Motorsteuergerät, wie beispielswiese eine Batteriespannung, eine aktuelle Antriebsmotordrehzahl, eine Drosselklappenstellung, ein Kraftstoffeinspritzdruck, eine Lambdaanforderung, und/oder Differenzdrücke der Abgasanlage, beispielsweise an dem Rußpartikelfilter (GPF), und
- - eine Kraftstoffspezifikation.
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11 zeigt anhand eines Diagramms ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb eines Abgasbrenner einer Abgasanlage eines Ottomotors, wobei auch der Zeitraum Δt vor dem Start-Zeitpunkt t0 mit dem Start-Luftmassenstrom ṁ0 dargestellt ist. Der Zeitraum Δt liegt insofern vor der Startphase 148. Zu einem Vorglühstartzeitpunkt t_heat_on wird die Glühkerze mit einer Spannung versorgt, die eine steigende Temperatur an der Glühkerze bewirkt. Der Vorglühstartzeitpunkt t_heat_on liegt zeitlich mindestens 3 Sekunden vor dem Start-Zeitpunkt t0 mit dem Start-Luftmassenstrom ṁ0, d.h. Δt >=3s. Ausgehend vom Start-Zeitpunkt t0 wird der Luftmassenstrom ṁ streng monoton steigend erhöht, bis er einen Luftmassenstrom von ca. 32 kg/h als Maximalwert zu einem Maximal-Zeitpunkt t_max erreicht hat. Anschließend wird Benzin in die Brennkammer des Abgasbrenners eingespritzt, das an der Glühkerze zündet, sodass zu einem folgenden Druckerhöhungszeitpunkt t_p_incr die Erhöhung des Drucks in der Brennkammer mittels eines nicht näher dargestellten Drucksensors erfasst wird. Insofern wird das Benzin erstmalig nach dem Erhitzen der Glühkerze zu dem Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel zugeführt, der nach einem Erreichen eines Maximalwerts des Luftmassenstroms ṁ1 liegt. Nach einem Zeitraum von mindestens 3 Sekunden nach dem Druckerhöhungszeitpunkt t_p_incr wird der Ottomotor zu einem Anlasszeitpunkt t_ICE_start gestartet, sodass die Kurbelwelle des Ottomotors gedreht wird. Nach dem Anlasszeitpunkt t_ICE_start wird die Spannung an der Glühkerze zu einem Abschaltzeitpunkt t_heat-off verringert oder auf Null reduziert.
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Die Kurve im Diagramm nach 11 stellt im Verhältnis zur Kurve im Diagramm nach 3 einen erheblich „realeren“ Verlauf des Lufthochlaufs bzw. der Erhöhung des Luftmassenstroms ṁ dar. Dabei erfolgt gemäß 11 im Unterschied zur Beschreibung zu 4 der Start-Einspritzzeitpunkt t_fuel erst nach dem ersten Zeitpunkt t1. Insofern ist anzumerken, dass der Übergang zu einem stationären Betrieb nicht zwangsweise exakt zum ersten Zeitpunkt t1 erfolgen muss wie bei der Luftmasse. Ein Umschalten der Einspritzfrequenz f kann letztlich auch abweichend von ersten Zeitpunkt t1 zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, weil die Luft sich beim Maximalwert des Luftmassenstroms ṁ11 noch „einschwingt“. Der in 4, 5 und 9 dargestellt erste Zeitpunkt t1 kann insofern insbesondere unter realen Bedingungen auch zu einer anderen Zeit t erfolgen als in 3 dargestellt.
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In der Realität beträgt der Zeitraum vom Start-Zeitpunkt t0 bis zum ersten Zeitpunkt t1 ungefähr t < 200ms bis t = 1s ist. Hingegen beträgt der Zeitraum vom ersten Zeitpunkt t1 bis zum zweiten Zeitpunkit t2 mehrere Sekunden, beispielsweise 3 Sekunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4132814 A1 [0004]
- DE 19504208 A1 [0004]
