DE102024201151A1 - Exhaust gas burner and method for operating an exhaust gas burner - Google Patents
Exhaust gas burner and method for operating an exhaust gas burnerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Abgasbrenner (50) für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors (10), welcher eine Brennkammer (52) zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, eine Kraftstoffversorgung (54) zur Zufuhr von Kraftfahrstoff (48) in die Brennkammer (52) und eine Luftversorgung (62) zur Zufuhr von Frischluft in die Brennkammer (52) umfasst. Der Abgasbrenner (50) umfasst ferner eine Flammstartkerze (66) zum Aufheizen des der Brennkammer (52) zugeführten Kraftstoffs (48), wobei die Flammstartkerze (66) mindestens eine erste Heizzone (68) und eine von der ersten Heizzone (68) verschiedene zweite Heizzone (70) aufweist. Dabei sind die Temperaturen in den beiden Heizzonen (68, 70) im Wesentlichen unabhängig voneinander einstellbar.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in welchem ein solcher Abgasbrenner (50) angeordnet ist sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines solchen Abgasbrenners (50).
The invention relates to an exhaust gas burner (50) for an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine (10), which comprises a combustion chamber (52) for combusting a fuel-air mixture, a fuel supply (54) for supplying fuel (48) to the combustion chamber (52), and an air supply (62) for supplying fresh air to the combustion chamber (52). The exhaust gas burner (50) further comprises a flame-starting plug (66) for heating the fuel (48) supplied to the combustion chamber (52), wherein the flame-starting plug (66) has at least a first heating zone (68) and a second heating zone (70) different from the first heating zone (68). The temperatures in the two heating zones (68, 70) can be adjusted essentially independently of one another.
The invention further relates to an internal combustion engine (10) with an exhaust gas aftertreatment system in which such an exhaust gas burner (50) is arranged, and to a method for controlling such an exhaust gas burner (50).
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasbrenner für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zum Betrieben eines solchen Abgasbrenners gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an exhaust gas burner for an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine, an internal combustion engine with such an exhaust gas aftertreatment system and a method for operating such an exhaust gas burner according to the preamble of the independent patent claims.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig und gefahrenbehaftet ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, welche mit dem heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.Current emissions legislation, which will become increasingly stringent in the future, places high demands on raw engine emissions and exhaust aftertreatment in internal combustion engines. The demands for further reduced fuel consumption and the further tightening of emissions standards regarding permissible nitrogen oxide emissions pose a challenge for engine developers. In gasoline engines, exhaust gas purification is achieved in the usual way via a three-way catalyst, as well as additional catalysts upstream and downstream of the three-way catalyst. Diesel engines currently use exhaust aftertreatment systems that include an oxidation catalyst, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst), a particulate filter for the separation of soot particles, and possibly additional catalysts. Ammonia is the preferred reducing agent. Because handling pure ammonia is complex and hazardous, vehicles typically use a synthetic, aqueous urea solution, which is mixed with the hot exhaust stream of the combustion engine. This mixing heats the aqueous urea solution, releasing ammonia into the exhaust duct. A commercially available aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water.
Bei tiefen Außentemperaturen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von -7 °C, insbesondere von unter -10 °C, kann die Harnstoff-Wasser-Lösung in Abhängigkeit des Harnstoffgehalts der Harnstoff-Wasser-Lösung gefrieren. Um eine Eindosierung des Reduktionsmittels zu ermöglichen, sind elektrische Heizelemente bekannt, welche zumindest einen Teil des Vorratsbehälters, in welchem die Harnstoff-Wasser-Lösung bevorratet ist, aufheizen, um zumindest eine Teilmenge der Harnstoff-Wasser-Lösung zu verflüssigen und diese in die Abgasanlage eindosieren zu können.At low outside temperatures, especially at temperatures below -7 °C, especially below -10 °C, the urea-water solution can freeze depending on the urea content of the urea-water solution. To enable the metered addition of the reducing agent, electrical heating elements are known that heat at least a portion of the storage container containing the urea-water solution in order to liquefy at least a portion of the urea-water solution and meter it into the exhaust system.
Ferner besteht, insbesondere bei tiefen Außentemperaturen, die Herausforderung, die Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere einen Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden möglichst zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors auf eine sogenannte Light-Off-Temperatur aufzuheizen, um eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Um das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu beschleunigen, sind Abgasbrenner bekannt, welche ein heißes Brennerabgas in die Abgasanlage einleiten, um das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu beschleunigen.Furthermore, especially at low outside temperatures, there is the challenge of heating the exhaust aftertreatment components, in particular a catalyst for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, to a so-called light-off temperature as quickly as possible after the combustion engine starts in order to enable efficient conversion of the pollutants in the exhaust stream of the combustion engine. To accelerate the heating of the exhaust aftertreatment components, exhaust gas burners are known. These introduce hot burner exhaust gas into the exhaust system to accelerate the heating of the exhaust aftertreatment components.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besteht das Problem, dass der Zeitraum von der Aktivierung des Abgasbrenners bis zum Zünden des ersten Kraftstoffs im Abgasbrenner zu lang ist und sich der Zeitraum für das Aufheizen der Abgasnachbehandlung um diesen Zeitraum für den Brennerstart verlängert.The problem with solutions known from the state of the art is that the period from the activation of the exhaust gas burner to the ignition of the first fuel in the exhaust gas burner is too long and the period for heating up the exhaust gas aftertreatment is extended by this period for the burner start.
Die
Aus der
Ferner ist aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem Abgasbrenner einen möglichst schnellen und emissionsarmen Start des Abgasbrenners zu ermöglichen und somit die Abgasnachbehandlungskomponenten des Abgasnachbehandlungssystems möglichst schnell nach einem Start des Verbrennungsmotors auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, bei welcher eine effiziente Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen limitierten Abgaskomponenten möglich ist.The invention is based on the object of enabling the exhaust gas burner to start as quickly and as low-emission as possible in an exhaust gas aftertreatment system with an exhaust gas burner and thus to heat the exhaust gas aftertreatment components of the exhaust gas aftertreatment system to the operating temperature as quickly as possible after starting the internal combustion engine, at which an efficient conversion of the limited exhaust gas components contained in the exhaust gas flow of the internal combustion engine is possible.
Die Aufgabe wird durch einen Abgasbrenner für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gelöst, welcher eine Brennkammer zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, eine Kraftstoffversorgung zur Zufuhr von Kraftfahrstoff in die Brennkammer und eine Luftversorgung zur Zufuhr von Frischluft in die Brennkammer umfasst. Der Abgasbrenner umfasst ferner eine Flammstartkerze zum Aufheizen des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs, wobei die Flammstartkerze mindestens eine erste Heizzone und eine von der ersten Heizzone verschiedene zweite Heizzone aufweist. Dabei sind die Temperaturen in den beiden Heizzonen im Wesentlichen unabhängig voneinander einstellbar. Unter einer Flammstartkerze ist in diesem Zusammenhang eine Glühkerze zu verstehen, welche sowohl die der Brennkammer des Abgasbrenners zugeführte Luft als auch den der Brennkammer zugeführten Kraftstoff erwärmt, sodass eine Entzündung des Kraftstoffs in der Brennkammer ermöglicht wird. Eine solche Flammstartkerze ist notwendig, um den Abgasbrenner zu starten und somit die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors aufheizen zu können. Unter einer Heizzone ist in diesem Zusammenhang ein Abschnitt der Flammstartkerze zu verstehen, welcher durch einen elektrischen Heizwiderstand eine Erwärmung des jeweiligen Abschnitts der Flammstartkerze bewirkt. Unter einem im Wesentlichen unabhängigen Aufheizen der beiden Heizzonen ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Heizzonen unabhängig voneinander angesteuert werden können, wobei jedoch eine gewisse Wärmeübertragung, insbesondere durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, zwischen den beiden Heizzonen nicht ausgeschlossen wird.The problem is solved by an exhaust gas burner for an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine, which comprises a combustion chamber for combusting a fuel-air mixture, a fuel supply for supplying fuel to the combustion chamber, and an air supply for supplying fresh air to the combustion chamber. The exhaust gas burner further comprises a flame starter plug for heating the fuel supplied to the combustion chamber, wherein the flame starter plug has at least a first heating zone and a second heating zone different from the first heating zone. The temperatures in the two heating zones can be adjusted essentially independently of one another. In this context, a flame starter plug is understood to be a glow plug that heats both the air supplied to the combustion chamber of the exhaust gas burner and the fuel supplied to the combustion chamber, thereby enabling ignition of the fuel in the combustion chamber. Such a flame starter plug is necessary to start the exhaust gas burner and thus heat the exhaust gas aftertreatment components in the exhaust system of the internal combustion engine. In this context, a heating zone is understood to be a section of the flame starter plug that heats the respective section of the flame starter plug through an electrical heating resistor. Essentially independent heating of the two heating zones means that the heating zones can be controlled independently of one another, although a certain amount of heat transfer, particularly through conduction and/or radiation, between the two heating zones cannot be ruled out.
Durch die unabhängige Beheizung der ersten Heizzone, welche primär der Verdampfung des Kraftstoffs dient und der zweiten Heizzone, welche primär der Entzündung des Kraftstoffs dient, ist ein besonders schneller und emissionsarmer Start des Abgasbrenners möglich. Insbesondere ermöglicht die Flammstartkerze, dass die Verdampfung des Kraftstoffs in der Brennkammer des Abgasbrenners verbessert wird und gleichzeitig die Luft in der Brennkammer erhitzt wird, um eine gezielte Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs an einer der Brennkammer zugewandten Glühstabspitze der Flammstartkerze zu erreichen.The independent heating of the first heating zone, which primarily serves to vaporize the fuel, and the second heating zone, which primarily serves to ignite the fuel, enables a particularly fast and low-emission start of the exhaust gas burner. In particular, the flame start plug improves fuel vaporization in the combustion chamber of the exhaust gas burner while simultaneously heating the air in the combustion chamber to achieve targeted ignition of the fuel-air mixture at a glow rod tip of the flame start plug facing the combustion chamber.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasbrenners möglich.The additional features listed in the dependent claims enable advantageous further developments and improvements of the exhaust gas burner specified in the independent claim.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Heizzone einen ersten Heizwiderstand und die zweite Heizzone einen zweiten Heizwiderstand aufweist, wobei die beiden Heizwiderstände unabhängig voneinander angesteuert werden können. Durch zwei unterschiedliche ansteuerbare Heizwiderstände kann auf einfache und effektive Art und Weise ein Trennung der beiden Heizzonen der Flammstartkerze erfolgen. Dabei kann insbesondere durch eine unterschiedliche Ansteuerung der beiden Heizwiderstände eine unabhängige Temperaturregelung für die beiden Heizzonen der Flammstartkerze erfolgen. Dies ermöglicht es, dass nur Energie in die Flammstartkerze eingebracht werden muss, sodass nach einer Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer eine Verdampfung des Kraftstoffs und eine Sicherstellung der Zündung des Kraftstoffluftgemischs gewährleistet ist. Somit kann der Energieverbrauch der Flammstartkerze gegenüber einer Flammstartkerze mit nur einer Heizzone verringert werden.In a preferred embodiment of the invention, the first heating zone has a first heating resistor and the second heating zone has a second heating resistor, wherein the two heating resistors can be controlled independently of one another. By means of two differently controllable heating resistors, the two heating zones of the flame starter plug can be separated in a simple and effective manner. In particular, by controlling the two heating resistors differently, independent temperature control for the two heating zones of the flame starter plug can be achieved. This makes it possible to only introduce energy into the flame starter plug, so that after ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber, evaporation of the fuel and ignition of the fuel-air mixture are ensured. The energy consumption of the flame starter plug can thus be reduced compared to a flame starter plug with only one heating zone.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass die zweite Heizzone an einem der Brennkammer zugewandten Ende der Flammstartkerze ausgebildet ist. Dadurch kann die zweite Heizzone auf die Zündung beziehungsweise Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer ausgelegt werden, sodass diese Heizzone insbesondere bei einer hinreichend hohen Temperatur in der Brennkammer deaktiviert werden kann, wenn die bestehende Flammenfront dazu ausreicht, neu in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoff zu verdampfen beziehungsweise eine hinreichende Verdampfung des Kraftstoffs durch die erste Heizzone erreicht wird.In an advantageous embodiment of the exhaust gas burner, the second heating zone is formed at an end of the flame starter plug facing the combustion chamber. This allows the second heating zone to be designed for the ignition or igniting of the fuel-air mixture in the combustion chamber, so that this heating zone can be deactivated, particularly at a sufficiently high temperature in the combustion chamber, when the existing flame front is sufficient to vaporize newly injected fuel into the combustion chamber or sufficient vaporization of the fuel is achieved by the first heating zone.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass die erste Heizzone im Bereich eines Kraftstoffanschlusses der Flammstartkerze ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders effiziente Verdampfung des Kraftstoffs oder von Teilen des Kraftstoffs erreicht werden, sodass an der Glühstabspitze ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt.In a further advantageous embodiment of the exhaust gas burner, the first heating zone is formed in the area of a fuel connection of the flame starter plug. This allows for particularly efficient evaporation of the fuel or parts of the fuel. so that an ignitable fuel-air mixture is present at the glow rod tip.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass die erste Heizzone ein Verdampfersieb, ein Verdampfernetz und/oder ein Verdampferrohr zur Verdampfung des der Flammstartkerze zugeführten Kraftstoffs aufweist. Durch ein Verdampfersieb und/oder ein Verdampferrohr kann die Fläche, an welcher der Kraftstoff aufgeheizt wird, vergrößert werden, wodurch der Wärmeübergang verbessert und somit die Verdampfung des Kraftstoffs erleichtert wird. Ferner kann durch ein Verdampfersieb verhindert werden, dass feste Bestandteile des Kraftstoffs, insbesondere Paraffinausscheidungen, welche nur langsam und für eine Zündung unzureichend verdampfen, zurückgehalten werden und erst dann der ersten Heizzone der Flammstartkerze zugeführt werden, wenn sich die festen Kraftstoffbestandteile hinreichend verflüssigt haben. Zudem nimmt der Anteil an unverdampfen, flüssigen Kraftstoffkomponenten ab, da genügend Zeit für eine Verdampfung gegeben ist.In a further advantageous embodiment of the exhaust gas burner, the first heating zone comprises an evaporator screen, an evaporator network, and/or an evaporator tube for evaporating the fuel supplied to the flame starter plug. An evaporator screen and/or an evaporator tube can increase the surface area over which the fuel is heated, thereby improving heat transfer and thus facilitating fuel evaporation. Furthermore, an evaporator screen can prevent solid fuel components, particularly paraffin deposits, which evaporate only slowly and insufficiently for ignition, from being retained and only being fed to the first heating zone of the flame starter plug once the solid fuel components have sufficiently liquefied. Furthermore, the proportion of unevaporated, liquid fuel components decreases because sufficient time is provided for evaporation.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass sich die erste Heizzone von einer Isolierung im Bereich einer elektrischen Kontaktierung der Flammstartkerze bis zu einer Schutzrohröffnung in einem Schutzrohr der Flammstartkerze erstreckt. Dadurch wird ein möglichst großer Bereich der Flammstartkerze beziehungsweise eine möglichst große Oberfläche für das Aufheizen des Kraftstoffs nutzbar gemacht, sodass eine möglichst große Menge an Kraftstoff verdampfen kann. Dadurch kann die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer des Abgasbrenners verbessert werden.According to an advantageous embodiment of the exhaust gas burner, the first heating zone extends from an insulation in the area of electrical contact of the flame starter plug to a protective tube opening in a protective tube of the flame starter plug. This makes the largest possible area of the flame starter plug, or the largest possible surface, usable for heating the fuel, allowing the largest possible amount of fuel to evaporate. This can improve the ignitability of the fuel-air mixture in the combustion chamber of the exhaust gas burner.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass sich die zweite Heizzone von einer Schutzrohröffnung in einem Schutzrohr der Flammstartkerze bis zu einer der Brennkammer zugewandten Glühstabspitze der Flammstartkerze erstreckt. Diese Zone kann genutzt werden, um einen definierten Zündpunkt in der Brennkammer zu schaffen, an welchem das Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebssicher entzündet werden kann. Dabei kann die zweite Heizzone im Vergleich zur ersten Heizzone entsprechend klein und kompakt ausgelegt werden, wodurch der Energieverbrauch für die zweite Heizzone minimiert werden kann, solange ein heißer Punkt gegeben ist, an welchem sich der Kraftstoff entzündetAccording to a further advantageous embodiment of the exhaust gas burner, the second heating zone extends from a protective tube opening in a protective tube of the flame starter plug to a glow rod tip of the flame starter plug facing the combustion chamber. This zone can be used to create a defined ignition point in the combustion chamber, at which the fuel-air mixture can be reliably ignited. The second heating zone can be designed to be correspondingly small and compact compared to the first heating zone, thereby minimizing energy consumption for the second heating zone, as long as a hot spot is present at which the fuel ignites.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Heizzone und der zweiten Heizzone eine unbeheizte dritte Zone ausgebildet ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Trennung der beiden Heizzonen erreicht werden, sodass die Wärmeübertragung von einer Heizzone auf die jeweils andere Heizzone minimiert werden kann. Dadurch kann die Temperaturregelung in den Heizzonen vereinfacht werden bzw. die Genauigkeit der Temperaturregelung in den Heizzonen verbessert werden.In an advantageous embodiment of the exhaust gas burner, an unheated third zone is formed between the first heating zone and the second heating zone. This allows for a simple separation of the two heating zones, minimizing heat transfer from one heating zone to the other. This simplifies temperature control in the heating zones and improves the accuracy of temperature control in the heating zones.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass in der ersten Heizzone und/oder in der zweiten Heizzone ein Temperaturfühler angeordnet ist. Durch einen Temperaturfühler kann die Temperatur in der jeweiligen Heizzone auf einfache Art und Weise bestimmt werden. Dadurch wird eine Temperaturregelung für die jeweilige Heizzone vereinfacht. Durch eine Temperaturmessung kann auf eine modellbasierte Berechnung der Temperatur verzichtet werden, wodurch die Rechenleistung eines Steuergeräts für den Abgasbrenner reduziert werden kann.An advantageous further development of the exhaust gas burner provides for a temperature sensor to be arranged in the first heating zone and/or the second heating zone. A temperature sensor allows the temperature in the respective heating zone to be easily determined. This simplifies temperature control for the respective heating zone. Temperature measurement eliminates the need for a model-based temperature calculation, thus reducing the computing power of a control unit for the exhaust gas burner.
Alternativ kann auch ein Widerstand des jeweiligen Heizelements ermittelt werden, da der Heizwiderstand in dem relevanten Temperaturbereich sich streng monoton steigend, vorzugsweise im Wesentlichen proportional mit der Temperatur der jeweiligen Heizzone verändert und aus dem elektrischen Widerstand des Heizwiderstandes auf die Temperatur in der jeweiligen Heizzone geschlossen werden kann.Alternatively, a resistance of the respective heating element can also be determined, since the heating resistance in the relevant temperature range changes in a strictly monotonically increasing manner, preferably essentially proportional to the temperature of the respective heating zone, and the temperature in the respective heating zone can be deduced from the electrical resistance of the heating resistance.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen solchen Abgasbrenner zum Aufheizen mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystem umfasst. Bei einem solchen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches mindestens einen SCR-Katalysator umfasst, lassen sich die Nachteile eines verlangsamten Brennerstartes oder höherer Emissionen des Abgasbrenners durch eine Reduzierung der Verkokung der Einspritzdüse des Abgasbrenners verringern. Dadurch entstehen in der Aufheizphase des Abgasnachbehandlungssystem weniger Emissionen, welche unkonvertiert in die Umwelt emittiert werden.A further aspect of the invention relates to an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system, wherein the exhaust aftertreatment system comprises such an exhaust gas burner for heating at least one exhaust aftertreatment component of the exhaust aftertreatment system. In such an internal combustion engine, in particular a diesel engine with an exhaust aftertreatment system comprising at least one SCR catalyst, the disadvantages of a slower burner start or higher emissions from the exhaust gas burner can be reduced by reducing the coking of the exhaust gas burner's injection nozzle. This results in fewer emissions being released unconverted into the environment during the heat-up phase of the exhaust aftertreatment system.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners an einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, welches folgende Schritte umfasst:
- - Aktivierung des Abgasbrenners, wobei die erste Heizzone und die zweite Heizzone der Flammstartkerze aktiviert werden,
- - Aktivieren der Kraftstoffversorgung des Abgasbrenners, wenn beide Heizzonen der Flammstartkerze ihre für einen Brennerstart des Abgasbrenners vorgegebene Zieltemperatur erreicht haben, wobei
- - über die erste Heizzone eine Kraftstofftemperatur des zu verdampfenden Kraftstoffs eingeregelt wird, und wobei
- - über die zweite Heizzone eine Temperatur an der Glühstabspitze der Flammkerze eingeregelt wird, um eine Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer sicherzustellen.
- - Activation of the exhaust gas burner, whereby the first heating zone and the second heating zone of the flame starter candle are activated,
- - Activating the fuel supply of the exhaust gas burner when both heating zones of the flame starter candle has reached its target temperature specified for a burner start of the exhaust gas burner, whereby
- - a fuel temperature of the fuel to be evaporated is regulated via the first heating zone, and wherein
- - a temperature at the glow rod tip of the flame plug is regulated via the second heating zone in order to ensure ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber.
Ein solches Verfahren ermöglicht einen Betrieb des Abgasbrenners, welcher einen möglichst schnellen und emissionsarmen Start des Abgasbrenners ermöglicht. Dadurch können die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden, wodurch insbesondere die Kaltstartemissionen verringert werden können.Such a process enables the exhaust gas burner to be operated in a way that allows for the fastest and lowest-emissions start-up possible. This allows the exhaust aftertreatment components in the combustion engine's exhaust system to be heated to their operating temperature as quickly as possible, thereby reducing cold-start emissions in particular.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach Erreichen der Zieltemperatur die Temperatur in der ersten Heizzone unabhängig von der Temperatur in der zweiten Heizzone geregelt wird. Dadurch können für jede Heizzone individuell optimale Temperaturen zur Verdampfung des Kraftstoffs beziehungsweise zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs eingestellt werden, wodurch eine besonders emissionsarme und saubere Verbrennung erreicht werden kann. Ferner kann der Energiebedarf der Flammstartkerze minimiert werden, da nur soviel Energie in die jeweilige Heizzone eingetragen werden muss, dass die jeweilige Funktion erfüllt ist. Dabei kann beispielsweise die zweite Heizzone deaktiviert werden, wenn ein stabiler Betriebspunkt des Abgasbrenners erreicht ist.In an advantageous embodiment of the method, once the target temperature has been reached, the temperature in the first heating zone is regulated independently of the temperature in the second heating zone. This allows optimal temperatures for evaporating the fuel or igniting the fuel-air mixture to be set individually for each heating zone, thereby achieving particularly low-emission and clean combustion. Furthermore, the energy requirement of the flame starter plug can be minimized, since only as much energy needs to be introduced into the respective heating zone to fulfill its respective function. For example, the second heating zone can be deactivated when a stable operating point of the exhaust gas burner is reached.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem Abschalten des Abgasbrenners die Kraftstoffversorgung abgeschaltet wird und parallel die Luftversorgung in die Brennkammer verringert wird, um die Auskühlgeschwindigkeit der Brennkammer zu verlangsamen, wobei der sich in der Flammstartkerze befindliche Restkraftstoff in die Brennkammer abgegeben und durch die zweite Heizzone entzündet wird. Dadurch können Sekundäremissionen des Abgasbrenners, insbesondere Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, durch aus dem Abgasbrenner emittierten Kraftstoff minimiert werden. Ist der gesamte Restkraftstoff verbrannt, wird die Luftversorgung des Abgasbrenners ebenfalls abgeschaltet.According to a further advantageous embodiment of the method, when the exhaust gas burner is shut down, the fuel supply is shut off and, in parallel, the air supply to the combustion chamber is reduced to slow the cooling rate of the combustion chamber. The residual fuel in the flame starter plug is released into the combustion chamber and ignited by the second heating zone. This minimizes secondary emissions from the exhaust gas burner, particularly emissions of unburned hydrocarbons, caused by fuel emitted from the exhaust gas burner. Once all residual fuel has been combusted, the air supply to the exhaust gas burner is also shut off.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ermittlung einer Temperatur im Bereich der zweiten Heizzone erfolgt und die Luftversorgung nach Abschluss der Verbrennung des Restkraftstoffs aus der Flammstartkerze aufrecht erhalten wird, um eine thermische Überlastung der Flammstartkerze zu verhindern, solange die Temperatur in der zweiten Heizzone oberhalb einer Schwellentemperatur liegt. Durch den verbleibenden Luftstrom kann eine Kühlung der Flammstartkerze oder sonstiger Bauteile in der Brennkammer des Abgasbrenners erreicht werden, wodurch eine thermische Überlastung vermieden wird. Alternativ kann die Luftversorgung auch abgeschaltet werden, wenn der Abgasbrenner deaktiviert wird, um den Energieverbrauch zu minimieren.In an advantageous embodiment of the method, a temperature is determined in the region of the second heating zone, and the air supply is maintained after the combustion of the residual fuel from the flame starter plug has been completed in order to prevent thermal overload of the flame starter plug as long as the temperature in the second heating zone remains above a threshold temperature. The remaining air flow can cool the flame starter plug or other components in the combustion chamber of the exhaust gas burner, thereby preventing thermal overload. Alternatively, the air supply can also be switched off when the exhaust gas burner is deactivated in order to minimize energy consumption.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Aufheizgeschwindigkeit und/oder die Abkühlgeschwindigkeit der Heizzonen in einem Modell in einem Steuergerät des Abgasbrenners hinterlegt werden und zur Analyse der Funktionsfähigkeit der Flammstartkerze ein bei einer Bestromung der entsprechenden Heizzone ermittelter Temperaturverlauf mit einem gemäß dem Modell zu erwartenden Temperaturverlauf für die jeweilige Heizzone verglichen wird. Dadurch kann eine On-Board-Diagnose zur Funktion der einzelnen Heizzonen der Flammstartkerze realisiert werden.In an advantageous further development of the method, the heating rate and/or cooling rate of the heating zones are stored in a model in a control unit of the exhaust gas burner. To analyze the functionality of the flame starter plug, a temperature profile determined when the corresponding heating zone is energized is compared with a temperature profile expected for the respective heating zone according to the model. This enables on-board diagnostics regarding the function of the individual heating zones of the flame starter plug.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die ermittelten Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten der Heizzonen mit den im Modell hinterlegten Werten verglichen werden, wobei eine Umgebungstemperatur und/oder eine Temperatur in der Brennkammer des Abgasbrenners berücksichtigt werden. Die Heizzonen können vorzugsweise nach Außerbetriebnahme des Abgasbrenners geprüft werden, in dem zunächst der Heizwiderstand in einer der beiden Heizzonen bestromt wird und die Temperaturen in beiden Heizzonen gemessen werden. Anschließend wird der Heizwiderstand in der anderen Heizzone bestromt und in beiden Heizzonen die Temperatur gemessen. Aus den gemessenen Werten können Aufheizkurven, die Beharrungstemperaturen und/oder die Abkühlkurven der jeweiligen Heizzone bestimmt werden. Diese Kurven können mit den im Modell hinterlegten Werten verglichen werden, wobei bei einer Abweichung über einen Grenzwert hinaus auf eine Fehlfunktion der Flammstartkerze geschlossen werden kann. Dabei erfolgt zunächst eine Adaption der Ansteuerwerte der Flammstartkerze, um die Abweichungen zu kompensieren. Steigen die Abweichungen weiter an oder lassen sich durch eine Adaption nicht mehr kompensieren, so erfolgt im Rahmen einer On-Board-Diagnose eine Fehlermeldung, welche zum Austausch der Flammstartkerze auffordert.In particular, it is intended that the determined heating and cooling rates of the heating zones are compared with the values stored in the model, whereby an ambient temperature and/or a temperature in the combustion chamber of the exhaust gas burner are taken into account. The heating zones can preferably be tested after the exhaust gas burner has been shut down by first energizing the heating resistor in one of the two heating zones and measuring the temperatures in both heating zones. Subsequently, the heating resistor in the other heating zone is energized and the temperature is measured in both heating zones. From the measured values, heating curves, steady-state temperatures and/or cooling curves of the respective heating zone can be determined. These curves can be compared with the values stored in the model, whereby a deviation beyond a limit value can be concluded that the flame starter plug is malfunctioning. The control values of the flame starter plug are initially adapted to compensate for the deviations. If the deviations continue to increase or can no longer be compensated by adaptation, an error message is issued as part of an on-board diagnosis, which requests the replacement of the flame starter plug.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless otherwise stated in the individual case.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 einen Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in welchem ein erfindungsgemäßer Abgasbrenner angeordnet ist, -
2 einen erfindungsgemäßen Abgasbrenner in einer schematischen Darstellung, -
3 eine Flammstartkerze für einen erfindungsgemäßen Abgasbrenner in einer schematischen Darstellung, und -
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgasbrenners.
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1 an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system in which an exhaust gas burner according to the invention is arranged, -
2 an exhaust gas burner according to the invention in a schematic representation, -
3 a flame starter plug for an exhaust gas burner according to the invention in a schematic representation, and -
4 a flow chart for carrying out a method according to the invention for operating an exhaust gas burner.
Zur Kraftstoffversorgung der Kraftstoffinjektoren 14 sind eine Kraftstoffhochdruckpumpe und ein Kraftstoffhochdruckspeicher vorgesehen, welcher durch die Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird.To supply fuel to the fuel injectors 14, a high-pressure fuel pump and a high-pressure fuel reservoir are provided, which is supplied with fuel by the high-pressure fuel pump.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskrümmer, welcher die Abgase mehrerer Brennräume 12 einem gemeinsamen Abgaskanal 22 zuführt. In dem Abgaskanal 22 sind stromabwärts des Abgaskrümmers eine Turbine 26 eines Abgasturbolader 24, stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 28, insbesondere ein Oxidationskatalysator 30 und stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 28 zumindest eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente 32, 38 angeordnet. Dabei ist in dem in
Ferner ist in der Abgasanlage 20 stromaufwärts mindestens einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 32, 38 ein Abgasbrenner 50 mit einer Brennkammer 52, einer Kraftstoffversorgung 54 und einer Luftversorgung 62 angeordnet, um die Abgasnachbehandlungskomponente 28, 32, 38 im Wesentlichen unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors 10 aufheizen zu können. Der Abgasbrenner 50 weist eine Flammstartkerze 66 auf, um einen möglichst schnellen und emissionsarmen Start des Abgasbrenners 50 zu ermöglichen. Dabei ist die Einleitstelle für den Abgasbrenner vorzugsweise wie in
Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 99 in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit und eine Recheneinheit umfasst. In der Speichereinheit ist ein Computerprogrammcode abgelegt, welcher die Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 und in die Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 sowie das Aufheizen der Flammstartkerze 66 steuert, wenn der Computerprogrammcode durch die Recheneinheit des Steuergeräts 99 ausgeführt wird.The internal combustion engine 10 is operatively connected to a control unit 99, which includes a memory unit and a computing unit. A computer program code is stored in the memory unit, which controls the fuel injection into the combustion chambers 12 of the internal combustion engine 10 and into the combustion chamber 52 of the exhaust gas burner 50, as well as the heating of the flame starter plug 66, when the computer program code is executed by the computing unit of the control unit 99.
Der Abgasbrenner 50 umfasst einen Drall- oder Turbulenzerzeuger 60 mit einem Luftzufuhrkanal 64, welcher mit der Luftversorgung 62 verbunden ist. Der Abgasbrenner 50 kann ferner eine Einspritzdüse 56 sowie einen Düsenhalter 58, in welchem die Einspritzdüse 56 integriert ist. Die Einspritzdüse 56 kann bei der vorgeschlagenen Lösung auch entfallen oder in die Flammstartkerze 66 integriert sein. Neben der Flammstartkerze 66 kann der Abgasbrenner 50 eine zusätzliche Zündquelle 94 aufweisen, um eine Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 50 sicherzustellen und insbesondere einen Start des Abgasbrenners 50 zu erleichtern.The exhaust burner 50 comprises a swirl or turbulence generator 60 with an air supply duct 64 connected to the air supply 62. The exhaust burner 50 may further include an injection nozzle 56 and a nozzle holder 58 in which the injection nozzle 56 is integrated. The injection nozzle 56 may also be omitted in the proposed solution or integrated into the flame-starting plug 66. In addition to the flame-starting plug 66, the exhaust burner 50 may have an additional ignition source 94 to ensure ignition of an ignitable fuel-air mixture in the combustion chamber 50 and, in particular, to facilitate starting the exhaust burner 50.
In
Die Flammstartkerze 66 weist ferner einen Kraftstoffanschluss 78 auf, mit welchem der Flammstartkerze 66 ein Kraftstoff 48 zum Betrieb des Abgasbrenners 50 zugeführt werden kann. Die Flammstartkerze 66 weist ein Verdampferrohr 80 auf, um den Kraftstoff zumindest teilweise zu verdampfen und der Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 zuzuführen. Zur Vergrößerung der Fläche für die Verdampfung des Kraftstoffs kann die Flammstartkerze 66 zusätzlich zu dem Verdampferrohr 80 ein Verdampfernetz 81 aufweisen. Die Flammstartkerze 66 kann ferner ein Schutzsieb 46 aufweisen, um den Eintrag von festen Kraftstoffkomponenten oder Verunreinigungen in das Verdampferrohr 80 zu vermeiden. Das Verdampferrohr 80 ist von einem Schutzrohr 84 ummantelt, welches im Bereich der Glühstabspitze 88 Schutzrohröffnungen 85 aufweist, durch welche der verdampfte Kraftstoff 48 in die Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 übertreten kann. Ferner weist die Flammstartkerze 66 eine Flammhülse 86 auf, um den Zündbereich an der Glühstabspitze 88 zu begrenzen und optimale Zündbedingungen für das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu schaffen. Dabei verhindert die Flammhülse 86 ein Auslöschen einer bereits entzündete Flamme an der Spitze der Flammstartkerze 66.The flame starter plug 66 further comprises a fuel connection 78, via which a fuel 48 for operating the exhaust gas burner 50 can be supplied to the flame starter plug 66. The flame starter plug 66 has an evaporator tube 80 to at least partially evaporate the fuel and supply it to the combustion chamber 52 of the exhaust gas burner 50. To increase the area for evaporating the fuel, the flame starter plug 66 can have an evaporator mesh 81 in addition to the evaporator tube 80. The flame starter plug 66 can further comprise a protective screen 46 to prevent solid fuel components or contaminants from entering the evaporator tube 80. The evaporator tube 80 is encased in a protective tube 84, which has protective tube openings 85 in the region of the glow rod tip 88, through which the evaporated fuel 48 can pass into the combustion chamber 52 of the exhaust gas burner 50. Furthermore, the flame-starting plug 66 has a flame sleeve 86 to limit the ignition area at the glow rod tip 88 and create optimal ignition conditions for the fuel-air mixture. The flame sleeve 86 prevents an already ignited flame from being extinguished at the tip of the flame-starting plug 66.
Die Flammstartkerze 66 weist eine erste Heizzone 68 mit einem ersten Heizwiderstand 96 und eine zweite Heizzone 70 mit einem zweiten Heizwiderstand 98 auf, welche über zweielektrische Kontaktierungen 72 unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dabei erstreckt sich die erste Heizzone 68 von der Isolierung 74 bis zu den Schutzrohröffnungen 85 der Flammstartkerze 66 und dient primär der Verdampfung des Kraftstoffs 48. Die zweite Heizzone 70 erstreckt sich von den Schutzrohröffnungen 85 bis zur Glühstabspitze 88 und dient primär der Entzündung der Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 52. Zwischen der ersten Heizzone 68 und der zweiten Heizzone 70 kann eine unbeheizte dritte Zone 69 liegen, welche die erste Heizzone 68 von der zweiten Heizzone 70 räumlich trennt. In beiden Heizzonen 68, 70 kann die Temperatur der jeweiligen Heizzone über den Widerstand des jeweiligen Heizelements 96, 98 ermittelt werden, da der Widerstand der Heizwiderstände im relevanten Temperaturbereich eine streng monotone sich stetig über die Temperatur ändernde Funktion aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann in den Heizzonen 68, 70 jeweils ein Temperaturfühler 90, 92 angeordnet sein, um die Temperatur in der jeweiligen Heizzone 68, 70 zu ermitteln.The flame starter plug 66 has a first heating zone 68 with a first heating resistor 96 and a second heating zone 70 with a second heating resistor 98, which can be controlled independently of one another via two electrical contacts 72. The first heating zone 68 extends from the insulation 74 to the protective tube openings 85 of the flame starter plug 66 and primarily serves to vaporize the fuel 48. The second heating zone 70 extends from the protective tube openings 85 to the glow rod tip 88 and primarily serves to ignite the fuel-air mixture in the combustion chamber 52. An unheated third zone 69 can be located between the first heating zone 68 and the second heating zone 70, which spatially separates the first heating zone 68 from the second heating zone 70. In both heating zones 68, 70, the temperature of the respective heating zone can be determined via the resistance of the respective heating element 96, 98, since the resistance of the heating resistors exhibits a strictly monotonic function that changes continuously with temperature in the relevant temperature range. Alternatively or additionally, a temperature sensor 90, 92 can be arranged in each of the heating zones 68, 70 to determine the temperature in the respective heating zone 68, 70.
Dabei wird die erste Heizzone 68 auf eine Temperatur eingeregelt, welche größer ist als der Siedebeginn des Kraftstoffs 48, vorzugsweise werden dabei in der ersten Heizzone 68 mindestens 10 Volumenprozent, vorzugsweise mindestens 20 Volumenprozent, , besonders bevorzugt mindestens 30 Volumenprozent des der Flammstartkerze zugeführten Kraftstoffs verdampft. Die zweite Heizzone 70 wird zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt, welche oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs 48 liegt. Dabei wird die zweite Heizzone 70 vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 600°C aufgeheizt. Falls der Abgasbrenner 50 neben der Flammglühkerze 66 über eine zusätzliche Zündquelle 94 in der Brennkammer 52 verfügt, kann die zweite Heizzone 70 dazu genutzt werden, um eine optimale Temperatur für die Nachverdampfung des Kraftstoffs 48 in der Brennkammer 52 einzustellen. Dabei liegt die Temperatur der weiteren Zündquelle 94 vorzugsweise unterhalb der Temperatur der zweiten Heizzone 70 der Flammglühkerze 66, insbesondere im Bereich von 300°C - 500°C. Die weitere Zündquelle 94 kann insbesondere eine Funkenzünder, insbesondere eine Zündkerze, einen thermischen Zünder oder eine zweite Flammstartkerze sein.The first heating zone 68 is adjusted to a temperature which is higher than the initial boiling point of the fuel 48. Preferably, at least 10 volume percent, preferably at least 20 volume percent, particularly preferably at least 30 volume percent of the fuel supplied to the flame starter plug is evaporated in the first heating zone 68. The second heating zone 70 is first heated to a temperature which is above the auto-ignition temperature of the fuel 48. The second heating zone 70 is preferably heated to a temperature of at least 600°C. If the exhaust gas burner 50 has an additional ignition source 94 in the combustion chamber 52 in addition to the flame glow plug 66, The second heating zone 70 can be used to set an optimal temperature for the post-evaporation of the fuel 48 in the combustion chamber 52. The temperature of the additional ignition source 94 is preferably below the temperature of the second heating zone 70 of the flame glow plug 66, in particular in the range of 300°C - 500°C. The additional ignition source 94 can, in particular, be a spark igniter, in particular a spark plug, a thermal igniter, or a second flame starter plug.
Haben beide Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 ihre Zieltemperatur erreicht, so wird in einem Verfahrensschritt <120> die Kraftstoffversorgung 54 für den Abgasbrenner 50 aktiviert. Dabei wird zumindest eine Teilmenge des der Flammglühkerze 66 zugeführten Kraftstoffs 48 verdampft. Der verdampfte Kraftstoff 48 wird über die zweite Heizzone 70 und/oder die zusätzliche Zündquelle 94 entzündet.Once both heating zones 68, 70 of the flame glow plug 66 have reached their target temperature, the fuel supply 54 for the exhaust gas burner 50 is activated in a method step <120>. At least a portion of the fuel 48 supplied to the flame glow plug 66 is vaporized. The vaporized fuel 48 is ignited via the second heating zone 70 and/or the additional ignition source 94.
Durch die unabhängige Regelung der Temperaturen in den beiden Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 kann eine hinreichende Verdampfung und Entzündung des Kraftstoffs 48 beim Betrieb des Abgasbrenners 50 sichergestellt werden. Sofern der verdampfte Kraftstoff 48 sicher gezündet hat, kann die Temperatur in der zweiten Heizzone 70 reduziert oder die zweite Heizzone 70 komplett deaktiviert werden, wodurch der Stromverbrauch der Flammglühkerze 66 reduziert werden kann. Dies wird insbesondere durch eine Reduzierung der Heizleistung in der ersten Heizzone 68 erreicht.By independently controlling the temperatures in the two heating zones 68, 70 of the flame glow plug 66, sufficient vaporization and ignition of the fuel 48 can be ensured during operation of the exhaust gas burner 50. Once the vaporized fuel 48 has ignited reliably, the temperature in the second heating zone 70 can be reduced or the second heating zone 70 can be completely deactivated, thereby reducing the power consumption of the flame glow plug 66. This is achieved, in particular, by reducing the heating power in the first heating zone 68.
Im Betrieb wird der Abgasbrenner 50 in einem Verfahrensschritt <130> mit einem, für den jeweiligen Betriebspunkt günstigen Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben, wobei die der Brennkammer 52 zugeführte Kraftstoff- und Luftmenge entsprechend abgestimmt werden. Dabei können Totzeiten des Systems der Flammstartkerze 66 und der Luftversorgung 62 entsprechend berücksichtigt werden. Insbesondere kann im Rahmen einer Vorsteuerung die Leistung der Heizzonen 68, 70 angepasst werden, bevor sich die der Brennkammer 52 zugeführte Kraftstoffmenge ändert um die thermische Trägheit des Systems zu kompensieren.During operation, the exhaust gas burner 50 is operated in a process step <130> with a fuel-to-air ratio favorable for the respective operating point, with the amount of fuel and air supplied to the combustion chamber 52 being adjusted accordingly. Dead times of the flame starter plug 66 and the air supply 62 system can be taken into account accordingly. In particular, the output of the heating zones 68, 70 can be adjusted within the framework of a pre-control before the amount of fuel supplied to the combustion chamber 52 changes in order to compensate for the thermal inertia of the system.
Bei einem Abschalten des Abgasbrenners 50 wird in einem Verfahrensschritt <140> zunächst die Kraftstoffversorgung 54 abgeschaltet. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <150> die der Brennkammer 52 zugeführte Luftmenge reduziert, um die Auskühlgeschwindigkeit der Brennkammer 52 zu verlangsamen, wodurch der Restkraftstoff in der Flammglühkerze 66 emissionsarm verbrannt werden kann. Um Restkraftstoff 48 aus der Flammglühkerze 66 auszutreiben, ist ein Mindestluftstrom erforderlich, unabhängig davon, ob eine Durchspülung der Flammglühkerze 66 aus Gründen des thermischen Bauteilschutzes erforderlich ist.When the exhaust gas burner 50 is shut down, the fuel supply 54 is first shut off in a method step <140>. Furthermore, in a method step <150>, the air volume supplied to the combustion chamber 52 is reduced in order to slow the cooling rate of the combustion chamber 52, whereby the residual fuel in the flame glow plug 66 can be burned with low emissions. A minimum air flow is required to expel residual fuel 48 from the flame glow plug 66, regardless of whether purging of the flame glow plug 66 is necessary for thermal component protection.
Die erste Heizzone 68 wird dabei auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Kraftstoffs 48 erwärmt, während die zweite Heizzone 70 auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs 48 liegt, wodurch der restliche, sich zum Zeitpunkt der Abschaltung in der Flammglühkerze 66 befindliche Kraftstoff 48, verbrannt wird. Dadurch können die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen minimiert werden.The first heating zone 68 is heated to a temperature above the boiling point of the fuel 48, while the second heating zone 70 is heated to a temperature above the autoignition temperature of the fuel 48, thereby combusting the remaining fuel 48 present in the flame glow plug 66 at the time of shutdown. This minimizes emissions of unburned hydrocarbons.
Ist der Kraftstoff 48 vollständig verbrannt, so kann in einem Verfahrensschritt <160> die Luftversorgung 62 für den Abgasbrenner 50 abgeschaltet werden. Sollte es aus Gründen des Bauteilschutzes notwendig sein, kann die Luftversorgung jedoch auch aufrecht erhalten bleiben, um einen Kühlluftstrom in die Brennkammer 52 einzuleiten. Dabei werden die erste Heizzone 68 und die zweite Heizzone 70 deaktiviert. Dabei kann insbesondere in der zweiten Heizzone 70 eine Temperaturmessung erfolgen, wobei bei Unterschreiten einer Schwellentemperatur die Luftversorgung abgeschaltet werden kann.Once the fuel 48 has been completely combusted, the air supply 62 for the exhaust gas burner 50 can be shut off in a process step <160>. However, if necessary for component protection reasons, the air supply can also be maintained to introduce a cooling air flow into the combustion chamber 52. In this case, the first heating zone 68 and the second heating zone 70 are deactivated. In particular, a temperature measurement can be performed in the second heating zone 70, and the air supply can be shut off if the temperature falls below a threshold.
Sich noch in dem Verdampferrohr 80 befindliche Kraftstoffreste können alternativ durch eine Aufheizung der ersten Heizzone 68 im Rahmen einer Pyrolyse entfernt werden. Die gegebenenfalls übrig bleibende Asche wird bei der nächsten Inbetriebnahme ausgetragen. Eine solche Pyrolyse muss nicht bei jeder Deaktivierung des Abgasbrenners 50 durchgeführt werden, sondern kann in bestimmten Abständen, beispielsweise in Abhängigkeit von der durch die Flammglühkerze 66 durchgesetzten Kraftstoffmenge, die Betriebsdauer der Flammglühkerze 66, die Anzahl der Startvorgänge des Abgasbrenners 50, zeitgesteuert oder durch eine Überwachung der Veränderung der Aufheiz- und Abkühlkurven der Flammglühkerze 66 erfolgen.Fuel residues still present in the evaporator tube 80 can alternatively be removed by heating the first heating zone 68 during pyrolysis. Any remaining ash is removed during the next start-up. Such pyrolysis does not have to be performed every time the exhaust gas burner 50 is deactivated, but can be performed at specific intervals, for example, depending on the amount of fuel passed through the flame glow plug 66, the operating time of the flame glow plug 66, the number of start-ups of the exhaust gas burner 50, in a time-controlled manner, or by monitoring the changes in the heating and cooling curves of the flame glow plug 66.
Zur Diagnose der Flammglühkerze 66 kann die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit der Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 gemessen werden und mit im Steuergerät 99 hinterlegten Werten verglichen werden, wobei weitere Fakten wie die Außentemperatur oder die Temperatur der Brennkammer 52 berücksichtigt werden können, um die Genauigkeit des Diagnoseverfahrens zu steigern. Die Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 können insbesondere nach Abschalten des Abgasbrenners 50 gegeneinander geprüft werden. Dabei wird zunächst eine der Heizzonen 68, 70 bestromt, und die Temperatur in beiden Heizzonen 68, 70, vorzugsweise mittels der Temperaturfühler 90, 92 gemessen. Anschließend wird die andere Heizzone 68, 70 bestromt und erneut die Temperatur in beiden Heizzonen 68, 70 ermittelt. Dabei können die Aufheizkurven, die Beharrungstemperaturen oder die Abkühlkurven ermittelt werden, wobei der Temperaturverlauf in beiden Heizzonen 68, 70 ausgewertet wird.To diagnose the flame glow plug 66, the heating and cooling rates of the heating zones 68, 70 of the flame glow plug 66 can be measured and compared with values stored in the control unit 99, whereby other factors such as the outside temperature or the temperature of the combustion chamber 52 can be taken into account in order to increase the accuracy of the diagnostic procedure. The heating zones 68, 70 of the flame glow plug 66 can be checked against each other, in particular after the exhaust gas burner 50 has been switched off. First, one of the heating zones 68, 70 is energized, and the temperature in both heating zones 68, 70 is measured, preferably using the temperature sensors 90, 92. Subsequently, the other heating zone 68, 70 is energized, and the temperature in both heating zones 68, 70 is determined again. The heating rates ven, the steady-state temperatures or the cooling curves are determined, whereby the temperature curve in both heating zones 68, 70 is evaluated.
Ferner kann bei einem Abgasbrenner 50, welcher eine zusätzliche Zündquelle 94 in der Brennkammer 52 aufweist, die zweite Heizzone 70 dazu genutzt werden, den Kraftstoff 48 nachzuverdampfen, während die eigentliche Zündung durch die zusätzliche Zündquelle 94 erfolgt. Dabei können die Temperaturen in der ersten Heizzone 68 und in der zweiten Heizzone 70 derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine optimale Verdampfung des Kraftstoffs 48 erreicht wird. Im Normalbetrieb des Abgasbrenners 50 erfolgt daher keine Zündung des Kraftstoffs 48 an der Glühstabspitze 88, sondern durch die zusätzliche Zündquelle 94. Jedoch kann die Glühstabspitze 88 als zusätzliche Zündquelle durch die zweite Heizzone 70 aufgeheizt werden, wenn eine Fehlfunktion der zusätzliche Zündquelle 94 vorliegt oder in einer Startphase des Abgasbrenners 50 die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs erhöht werden soll.Furthermore, in an exhaust gas burner 50 which has an additional ignition source 94 in the combustion chamber 52, the second heating zone 70 can be used to post-evaporate the fuel 48, while the actual ignition occurs via the additional ignition source 94. The temperatures in the first heating zone 68 and in the second heating zone 70 can be coordinated to one another in such a way that optimal vaporization of the fuel 48 is achieved. During normal operation of the exhaust gas burner 50, the fuel 48 is therefore not ignited at the glow rod tip 88, but rather by the additional ignition source 94. However, the glow rod tip 88 can be heated as an additional ignition source by the second heating zone 70 if there is a malfunction of the additional ignition source 94 or if the ignitability of the fuel-air mixture is to be increased during a start-up phase of the exhaust gas burner 50.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1616
- Einlassinlet
- 1818
- AuslassOutlet
- 2020
- Abgasanlageexhaust system
- 2222
- Abgaskanalexhaust duct
- 2424
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 2626
- Turbineturbine
- 2828
- erste Abgasnachbehandlungskomponentefirst exhaust aftertreatment component
- 3030
- OxidationskatalysatorOxidation catalyst
- 3232
- zweite Abgasnachbehandlungskomponentesecond exhaust aftertreatment component
- 3434
- PartikelfilterParticle filter
- 3636
- SCR-BeschichtungSCR coating
- 3838
- dritte Abgasnachbehandlungskomponentethird exhaust aftertreatment component
- 4040
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
- 4242
- erstes Dosierelementfirst dosing element
- 4444
- zweites Dosierelementsecond dosing element
- 4646
- Schutzsieb / VerdampfersiebProtective sieve / evaporator sieve
- 4848
- Kraftstofffuel
- 5050
- AbgasbrennerExhaust gas burner
- 5252
- Brennkammercombustion chamber
- 5454
- KraftstoffversorgungFuel supply
- 5555
- Abschaltvorrichtung / DosiervorrichtungShut-off device / dosing device
- 5656
- EinspritzdüseInjector
- 5858
- Düsenhalternozzle holder
- 6060
- Drall- oder TurbulenzerzeugerSwirl or turbulence generators
- 6262
- LuftversorgungAir supply
- 6464
- LuftzufuhrkanalAir supply duct
- 6666
- FlammstartkerzeFlame starter candle
- 6868
- erste Heizzonefirst heating zone
- 6969
- unbeheizte Zoneunheated zone
- 7070
- zweite Heizzonesecond heating zone
- 7272
- elektrische Kontaktierungelectrical contact
- 7474
- Isolierunginsulation
- 7676
- Kerzengehäusecandle housing
- 7878
- KraftstoffanschlussFuel connection
- 8080
- Verdampferrohrevaporator tube
- 8181
- VerdampfernetzEvaporator network
- 8282
- GlühstabGlow rod
- 8484
- Schutzrohrprotective tube
- 8585
- SchutzrohröffnungProtective tube opening
- 8686
- FlammhülseFlame sleeve
- 8888
- GlühstabspitzeGlow rod tip
- 9090
- erster Temperaturfühlerfirst temperature sensor
- 9292
- zweiter Temperaturfühlersecond temperature sensor
- 9494
- zusätzliche Zündquelleadditional ignition source
- 9696
- erster Heizwiderstandfirst heating resistor
- 9898
- zweiter Heizwiderstandsecond heating resistor
- 9999
- Steuergerätcontrol unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 42 43 964 A1 [0006]DE 42 43 964 A1 [0006]
- DE 21 15 620 A1 [0007]DE 21 15 620 A1 [0007]
- DE 195 04 183 A1 [0008]DE 195 04 183 A1 [0008]
- DE 10 2011 008 748 A1 [0009]DE 10 2011 008 748 A1 [0009]
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Applications Claiming Priority (1)
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-
2024
- 2024-02-08 DE DE102024201151.7A patent/DE102024201151A1/en active Pending
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