DE19924284B4

DE19924284B4 - Method for measuring an air-fuel ratio in a combustion chamber

Info

Publication number: DE19924284B4
Application number: DE19924284A
Authority: DE
Inventors: Christoph Nailis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-30
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: DE19924284A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses bzw. einer Luft-Verhältnis-Zahl λ bei einem Verbrennungsprozeß eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem Verbrennungsprozeß entstehende Wassermenge auf der Grundlage einer Bestimmung des Wassergehalts der Zuluft und des Wassergehalts der Rauchgase des Verbrennungsprozesses festgestellt wird, und das zu ermittelnde Luft-Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage der festgestellten Wassermenge berechnet wird.method to determine an air-fuel ratio or an air ratio λ at one Combustion process of a hydrogen-containing fuel, characterized in that the at the combustion process Amount of water based on a determination of the water content of the Supply air and the water content of the flue gases from the combustion process is determined, and the air-fuel ratio to be determined is calculated based on the amount of water found.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einem Brennraum nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The The present invention relates to a method for measuring an air-fuel ratio in a combustion chamber according to the preamble of claim 1. The The invention further relates to a device for performing the inventive method according to the preamble of claim 4.

Aus der DE 43 20 943 A1 ist ein Verfahren zur Charakterisierung der Arbeitsweise von Verbrennungsmotoren durch Messung der Gaszusammensetzung im Brennraum durch Laserdiagnostik bekannt. Hierbei wird die Gaszusammensetzung im Brennraum an Orten, wo die Verbrennung noch nicht stattgefunden hat, ortsaufgelöst oder über den Ort gemittelt, für einzelne Verbrennungszyklen oder über Verbrennungszyklen gemittelt, mit intensiv gepulsten Lasern im UV über laserinduzierte Emissionen bestimmt durch gleichzeitige Messung mehrerer Teilchendichten, insbesondere N₂, O₂, H₂O und Kraftstoff. Es werden hierbei verbrennungsrelevante Größen, wie Stöchiometrie, Abgasanteil und Abgaszusammensetzung durch Verhältnisbildung von Teilchendichten hinreichend präzise bestimmt, um die Gaszusammensetzung und ihre kleinen Schwankungen im Brennraum zu ermitteln, so daß zusammen mit einer Druckkurve auch der Einfluß der Gaszusammensetzung auf die Leistung ermittelt werden kann. Bei diesem Verfahren wird lediglich eine Messung innerhalb des Brennraumes durchgeführt, eine Messung des Wassergehaltes der in den Brennraum eintretenden Luft und der aus dem Brennraum austretenden Luft (Rauchgase) findet hier nicht statt.From the DE 43 20 943 A1 a method for characterizing the operation of internal combustion engines by measuring the gas composition in the combustion chamber by laser diagnostics is known. Here, the gas composition in the combustion chamber at locations where the combustion has not yet taken place, is spatially resolved or averaged over the location, for individual combustion cycles or averaged over combustion cycles, with intensely pulsed lasers in the UV via laser-induced emissions by simultaneously measuring several particle densities, in particular N. ₂ , O ₂ , H ₂ O and fuel. Combustion-relevant parameters such as stoichiometry, exhaust gas content and exhaust gas composition are determined with sufficient precision by forming particle densities to determine the gas composition and its small fluctuations in the combustion chamber, so that the influence of the gas composition on the performance can be determined together with a pressure curve. In this method, only one measurement is carried out within the combustion chamber, and the water content of the air entering the combustion chamber and the air emerging from the combustion chamber (flue gases) are not measured here.

Aus der DE 32 38 507 A1 ist ferner eine Meß- und Linearisierungsschaltung für einen kapazitiven Messfühler bekannt. Hierbei wird die Feuchte eines Arbeitsgases mittels eines kapazitiven Sensorelementes ermittelt.From the DE 32 38 507 A1 a measuring and linearization circuit for a capacitive sensor is also known. The humidity of a working gas is determined using a capacitive sensor element.

Beispielsweise bei Heizkesseln kleiner Leistung, wie sie für Hausheizungen typisch sind, spielen die Investitionskosten eine große Rolle, so daß Aspekte wie beispielsweise Wirtschaftlichkeit während des Betriebes relativ hierzu vernachlässigt werden. Die Heizkessel weisen daher in der Regel nur wenig Sensorik und sehr robuste langlebige Elektrik auf. Lediglich preiswerte, robuste Verfahren bzw. Vorrichtungen haben eine Chance auf Markteinführung.For example for boilers of low output, which are typical for domestic heating systems, Investment costs play a big role, so aspects such as relative economy during operation neglected here become. The boilers therefore usually have only a few sensors and very robust, long-lasting electronics. Only inexpensive, robust processes and devices have a chance of being launched on the market.

Zum optimalen Betrieb derartiger Heizkessel ist es erstrebenswert, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bzw. das Sauerstoff-Kraftstoff-Verhältnis möglichst genau zu kennen. Herkömmlicherweise eingesetzte Gassensoren für Sauerstoff oder Kohlendioxid sind jedoch teuer, empfindlich oder nicht ausreichend langlebig. Zudem erfordern sie eine relativ aufwendige Elektronik zur Auswertung der erhaltenen Meßsignale. Diese Eigenschaften verhindern bisher einen Einsatz einer zufriedenstellenden Sensorik an Heizkesseln kleiner Leistung. Eine Messung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bzw. eine Messung der Luft-Verhältnis-Zahl(Lamda-Messung) ist aber notwendig, wenn der Brenner im Sinne einer optimalen, schadstoffarmen Verbrennung in einem geschlossenen Regelkreis in einem möglichst engen sogenannten Lamda-Fenster gefahren werden soll.To the Optimal operation of such boilers, it is desirable that Air-fuel ratio or the oxygen-fuel ratio as accurately as possible to know. traditionally, used gas sensors for However, oxygen or carbon dioxide are expensive, sensitive or not sufficiently durable. In addition, they require a relatively complex Electronics for evaluating the measurement signals received. These properties previously prevent the use of satisfactory sensors on small capacity boilers. A measurement of the air-fuel ratio or a measurement of the air ratio (lambda measurement) But is necessary if the burner in the sense of an optimal, low-pollutant Combustion in a closed control loop in one if possible narrow so-called Lamda windows to be driven.

Auch bei Kraftfahrzeugen, insbesondere mit einem Katalysator ausgestatteten Kraftfahrzeugen, ist eine möglichst ge naue Kenntnis eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses notwendig.Also in motor vehicles, especially those equipped with a catalytic converter Motor vehicles is one possible precise knowledge of an air-fuel ratio is necessary.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine möglichst einfache und unaufwendige Messung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses bzw. eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in beliebigen Brennräumen.task The present invention is as simple and inexpensive as possible Measurement of an air-fuel ratio or an air-fuel ratio in any combustion chamber.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.This Task is solved by a method with the features of claim 1 and a Device with the features of claim 4.

Erfindungsgemäß ist nun eine Messung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einfacher und robuster Weise durchführbar. Die Erfindung nutzt aus, daß bei der Verbrennung geeigneter wasserstoffhaltiger Brennstoffe wie beispielsweise Erdgas, Heizöl Otto-Kraftstoff, oder reinem Wasserstoff als wesentliche Verbrennungsprodukte Kohlendioxid und Wasserdampf entstehen. Andere Verbrennungsprodukte stehen hierbei massenmäßig weit im Hintergrund. Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, daß die Masse des bei einer Verbrennung eines derartigen Brennstoffs bekannter chemischer Zusammensetzung entstehenden Wassers proportional zur Masse des Brennstoffs ist. Somit steigt der Wassergehalt der Verbrennungsgase bzw. Abgase mit zunehmenden Brennstoff-Luft-Verhältnis. Mißt man den Wassergehalt der zugeführten Luft (beispielsweise über die absolute Luftfeuchtigkeit) und der abgeführten Verbrennungsgase bzw. Rauchgase, ist die Masse des hinzugekommenen Verbrennungswassers in einfacher Weise errechenbar.According to the invention is now a measurement of an air-fuel ratio can be carried out in a simple and robust manner. The invention uses from that at the combustion of suitable hydrogen-containing fuels such as Natural gas, fuel oil, petrol, or pure hydrogen as essential combustion products carbon dioxide and water vapor. Other combustion products are here in mass far in the background. The knowledge on which the invention is based exists in that the Mass of the known when burning such a fuel chemical composition of the water generated proportional to Mass of fuel is. This increases the water content of the combustion gases or exhaust gases with increasing fuel-air ratio. If you measure the water content of the supplied Air (e.g. over the absolute air humidity) and the exhausted combustion gases or Flue gases is the mass of the added combustion water easily calculable.

Hierbei wird die Wassermenge unter Berücksichtigung des in den Verbrennungsprozeß eingehenden Wassers, insbesondere der Luftfeuchtigkeit, und des nach dem Verbrennungsprozeß insgesamt vorliegenden Wassers festgestellt. Durch Berück sichtigung des in den Verbrennungsprozeß eintretenden Wassers ist eine genaue Ermittlung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses erzielbar.in this connection is taking into account the amount of water of the incoming combustion process Water, in particular the air humidity, and the total present after the combustion process Water detected. By considering the one entering the combustion process Water is an accurate determination of an air-fuel ratio achievable.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Refinements of the method according to the invention or the device according to the invention are the subject of the subclaims.

Mit einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Feststellung der eingehenden Wassermenge bzw. des Feststellung der ausgehenden Wassermenge kapazitiv. Eine derartige kapazitive Messung nutzt aus, daß die Kapazität von Kondensatoren abhängt von einer zwischen den Kondensatorpolen vorliegenden Dielektrizitätskonstanten, welche ihrerseits, bei gasförmigem Medium zwischen den Kondensatorpolen, vom Wasserdampfgehalt dieses Mediums abhängt. Eine derartige kapazitive Messung erweist sich als besonders einfach und zuverlässig. Es erweist sich ferner als günstig, Taupunktsensoren zu dieser Messung zu verwenden.With a particularly preferred embodiment of the method according to the invention the incoming water quantity or the determination is made the outgoing amount of water capacitive. Such a capacitive Measurement takes advantage of the fact that capacity depends on capacitors a dielectric constant between the capacitor poles, which in turn, in the case of gaseous Medium between the capacitor poles, the water vapor content of this Medium depends. Such a capacitive measurement proves to be particularly simple and reliable. It also proves beneficial Use dew point sensors for this measurement.

Zweckmäßigerweise erfolgt die kapazitive Feststellung der jeweiligen Wassermengen mittels in einem Zuluftkanal bzw. einem Rauchgaskanal einer Verbrennungseinrichtung angeordneten Kondensatoren. Derart angeordnete Kondensatoren, welche insbesondere als Platten- oder Röhrenkondensatoren ausgebildet sein können, erweisen sich in der Praxis als besonders robust und zuverlässig.Conveniently, the capacitive determination of the respective water quantities takes place by means of a supply air duct or a flue gas duct of a combustion device arranged capacitors. Such capacitors, which in particular as plate or tube capacitors can be trained prove to be particularly robust and reliable in practice.

Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Brennraum um einen Heizkessel oder einen Zylinder eines Verbrennungsmotors. Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lehre sind derartige Vorrichtungen in einfacher Weise im Hinblick auf eine optimale Luft-Brennstoff-Zusammensetzung bzw. Luft-Kraftstoff-Zusammensetzung steuerbar bzw. regelbar.Conveniently, is the combustion chamber a boiler or a Cylinder of an internal combustion engine. By means of those proposed according to the invention Such devices are teaching in a simple manner with regard to for an optimal air-fuel composition or air-fuel composition controllable or regulable.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigtThe Invention will now be further described with reference to the accompanying drawings. In this shows

1 ein schematisches Diagramm zur Darstellung der auftretenden Massenströme bei einer überstoichmetrischen Verbrennung, und 1 a schematic diagram to illustrate the mass flows occurring in an over-stoichiometric combustion, and

2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 a preferred embodiment of the device according to the invention.

In 1 erkennt man, daß zur Durchführung einer Verbrennung Luft und ein Brennstoff zur Reaktion gebracht werden. Die Luft weist hierbei einen als Luftfeuchte bezeichneten Wassergehalt auf. Bei der Verbrennung entstehen Rauchgase, insbesondere CO₂ und H₂O. Der in der Eingangsluft enthaltene Stickstoff wird durch die Verbrennungsreaktion nicht beeinflußt.In 1 it can be seen that air and a fuel are reacted to carry out a combustion. The air has a water content referred to as air humidity. The combustion produces flue gases, in particular CO ₂ and H ₂ O. The nitrogen contained in the inlet air is not affected by the combustion reaction.

Da die chemische Zusammensetzung der der Verbrennung zugeführten Brennstoffe nur in engen Grenzen schwankt, ist die chemische Zusammensetzung und das Massenverhältnis der Verbrennungsprodukte bei stoichometrischer Verbrennung leicht zu errechnen. Die Massenverhältnisse der in der zugeführten Luft enthaltenen Gase, insbesondere Stickstoff und Sauerstoff, sind ebenfalls sehr stabil. Die Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte ist somit fast ausschließlich eine Funktion des Brennstoff-Luft-Verhältnisses.There the chemical composition of the fuels supplied to the combustion The chemical composition fluctuates only within narrow limits and the mass ratio of combustion products with stoichometric combustion easily to calculate. The mass ratios that in the fed Air-containing gases, especially nitrogen and oxygen, are also very stable. The composition of the combustion products is almost exclusive a function of the fuel-air ratio.

Die Masse des bei der vollständigen Verbrennung entstehenden Wassers ist proportional zur Masse des Brennstoffs. Somit steigt der Wassergehalt der Abgase mit dem Brennstoff-Luft-Verhältnis. Mißt man den Wassergehalt der zugeführten Luft (absolute Luftfeuchtigkeit) und der abgeführten Rauch gase, so kann die Masse des hinzugekommenen Verbrennungswassers errechnet werden.The Mass of the full Combustion water is proportional to the mass of the water Fuel. The water content of the exhaust gases increases with the fuel-air ratio. Do you measure that Water content of the supplied Air (absolute air humidity) and the exhausted smoke gases, so the Mass of the added combustion water can be calculated.

Es sei angemerkt, daß die Feuchtigkeit als Maß des Wasserdampfgehaltes in der Luft absolut als Konzentration oder Partialdampfdruck angegeben werden kann. Die absolute Feuchtigkeit berechnet sich aus dem Quotienten von der Masse des Wassers und dem zugehörigen Luftvolumen.It it should be noted that the Moisture as a measure of Water vapor content in the air absolutely as concentration or partial vapor pressure can be specified. The absolute humidity is calculated from the quotient of the mass of the water and the associated air volume.

In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Zuluftkanal 1, eine Brennkammer 3 und einen Rauchgaskanal 5 auf, welche in der dargestellten Weise miteinander kommunizieren. Über den Zuluftkanal 1 wird Zuluft der Brennkammer 3 zugeführt. Ein Brennstoff, mit dem die Zuluft zur Reaktion gebracht werden soll, wird über eine Brennstoffleitung 4 in die Brennkammer 3 eingeführt.In 2 A preferred embodiment of the device according to the invention is shown. The device has a supply air duct 1 , a combustion chamber 3 and a flue gas duct 5 which communicate with each other in the manner shown. Via the supply air duct 1 becomes supply air to the combustion chamber 3 fed. A fuel with which the supply air is to be reacted is supplied via a fuel line 4 into the combustion chamber 3 introduced.

Man erkennt in der 2, daß sowohl in dem Zuluftkanal 1 als auch in dem Rauchgaskanal 5 jeweils ein Kondensator 2 bzw. 6 angeordnet ist. Mittels derartiger Kondensatoren kann eine Messung des jeweiligen Wasserdampf- bzw. Wassergehaltes der Zuluft bzw. der Rauchgase auf kapazitivem Wege erfolgen. Hierbei wird ausgenutzt, daß Wasserdampf bzw. Wasser eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante (ca. 28 bzw. 80) aufweist, wohingegen Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante (ca. 1) aufweisen. Durch Ausnutzung dieser Tatsache lassen sich auch kleine Massenanteile Wasser in Gasen kapazitiv messen. Die Kondensatoren 2, 6 sind jeweils mit einer elektronischen Signalverarbeitung 7, 8 kombiniert, über welche die durchgeführten kapazitiven Messungen ausgewertet werden können.You can see in the 2 that both in the supply air duct 1 as well as in the flue gas duct 5 one capacitor each 2 respectively. 6 is arranged. Such capacitors can be used to measure the respective water vapor or water content of the supply air or the flue gases in a capacitive manner. This takes advantage of the fact that water vapor or water has a very high dielectric constant (approx. 28 or 80), whereas gases such as oxygen, nitrogen and carbon dioxide have a very low dielectric constant (approx. 1). By taking advantage of this fact, even small mass fractions of water in gases can be measured capacitively. The capacitors 2 . 6 are each with an electronic signal processing 7 . 8th combined, via which the capacitive measurements carried out can be evaluated.

Die Kondensatoren 2, 6 sind bevorzugt als Plattenkondensatoren ausgebildet, und werden von der Zuluft bzw. den Rauchgasen durchströmt, so daß die Gase und das in ihnen enthaltene Wasser das Dielektrikum zwischen den Kondensatorpolen bildet. Die Kondensatorpole können beliebig geformt sein. Entscheidende geometrische Einflußgrößen sind die Fläche und der Abstand der Kondensatorpole. Es ist daher beispielsweise möglich, vorhandene Metallteile des Zuluft- bzw. Abgassystems des Brenners als Kondensatorpole zu nutzen, und eventuell nötige Gegenpole zu ergänzen. Durch diese Maßnahme ist eine besonders unaufwendige Bereitstellung derartiger Kondensatoren möglich. Die Kondensatorpole bilden zusammen mit den elektronischen Signalverarbeitungen bzw. Schaltungen 7, 8 jeweils einen Oszillator, dessen Frequenz von der Kapazität des Kondensators und damit vom Wassergehalt des Gasgemisches abhängt. Die Frequenz der Oszillation läßt sich mit einem (nicht dargestellten) Mikrokontroller auswerten, so daß eventuell notwendige Korrekturen, welche beispielsweise aufgrund von Störeinflüssen durch Temperatur oder Nichtlinealität der Meßanordnung auftreten, vorgenommen werden können. Da ein Mikrokontroller zur Durchführung eines Brennkammerbetriebes mit einem geregelten Brennstoff-Luft-Verhältnis ein notwendiges Bauteil darstellt, ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kein zusätzlicher Hardware-Aufwand notwendig.The capacitors 2 . 6 are preferably designed as plate capacitors, and are flowed through by the supply air or the flue gases, so that the gases and the water contained in them the Di forms electrical between the capacitor poles. The capacitor poles can have any shape. Decisive geometrical influencing variables are the area and the distance of the capacitor poles. It is therefore possible, for example, to use existing metal parts of the supply air or exhaust system of the burner as condenser poles, and to supplement any necessary opposite poles. This measure enables a particularly inexpensive provision of such capacitors. The capacitor poles form together with the electronic signal processing or circuits 7 . 8th one oscillator each, the frequency of which depends on the capacitance of the capacitor and thus on the water content of the gas mixture. The frequency of the oscillation can be evaluated with a microcontroller (not shown), so that any necessary corrections which occur, for example, due to interference caused by temperature or non-linearity of the measuring arrangement can be carried out. Since a microcontroller is a necessary component for carrying out a combustion chamber operation with a regulated fuel-air ratio, no additional hardware expenditure is necessary to carry out the method according to the invention.

Claims

Method for determining an air-fuel ratio or an air ratio number λ in a combustion process of a hydrogen-containing fuel, characterized in that the amount of water produced in the combustion process on the basis of a determination of the water content of the supply air and the water content of the flue gases of the Combustion process is determined, and the air-fuel ratio to be determined is calculated based on the determined amount of water.

A method according to claim 1, characterized in that the Water content of the supply air and / or the water content of the flue gases is determined capacitively.

A method according to claim 2, characterized in that the capacitive determination of the respective water contents by means of an air supply duct and / or a flue gas duct of a combustion device arranged capacitors, in particular plate capacitors.

Device for determining an air-fuel ratio or the air ratio number λ in a combustion process of a hydrogen-containing fuel, with a combustion chamber ( 3 ), which can be supplied with supply air and fuel on the inlet side, with flue gases generated during the combustion process on the outlet side from the combustion chamber ( 3 ) can be derived, characterized by the input side ( 1 ) and means arranged on the output side ( 2 . 6 ) to determine the water content of the supply air or flue gases, medium ( 7 . 8th ) to determine the amount of water generated in the combustion process on the basis of the determined respective water contents, and means ( 7 . 8th ) to determine an air-fuel ratio prevailing in the combustion chamber on the basis of the ascertained quantity of the water produced in the combustion process.

Device according to claim 4, characterized in that the means for determining the water content of the supply air and / or the flue gases are condensers ( 2 . 6 ) and / or have dew point sensors.

Device according to one of claims 4 or 5, characterized in that the combustion chamber ( 3 ) is a boiler or the cylinder of an internal combustion engine.