DE102023211702A1 - Method, computing unit and computer program for operating a burner - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Betreiben eines Brenners (110), insbesondere eines Abgasbrenners in einem Abgassystem (100) stromab einer Brennkraftmaschine (120), wobei das Verfahren (200) umfasst: ein Zuführen eines vorbestimmbaren Luftstroms (106, 108) zu dem Brenner (110), ein Zuführen einer Kraftstoffmenge (112) zu dem Brenner (110), ein Zünden (114) des in dem Brenner (110) durch das Zuführen des Luftstroms und der Kraftstoffmenge gebildeten Luft-Kraftstoff-Gemischs, wobei ein Brennerabgas gebildet wird, ein Empfangen eines Sensorsignals (3), das eine Information über eine chemische Zusammensetzung des Brennerabgases enthält, ein Ermitteln eines Reglerausgangs (2) für eine Regelung (210) der chemischen Zusammensetzung des Brennerabgases unter Verwendung des Sensorsignals, um die Zusammensetzung des Brennerabgases einer vorbestimmbaren Sollzusammensetzung (1) anzugleichen, ein Ermitteln eines Adaptionswerts (4) für eine Vorsteuerung (220) der Kraftstoffmenge (112) basierend auf dem Reglerausgang (2), und ein Anpassen des Zuführens der Kraftstoffmenge (112) zu dem Brenner (110) unter Verwendung des Adaptionswerts (4). Ferner werden eine Recheneinheit (140) und ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens (200) vorgeschlagen. The invention relates to a method (200) for operating a burner (110), in particular an exhaust gas burner in an exhaust system (100) downstream of an internal combustion engine (120), wherein the method (200) comprises: supplying a predeterminable air flow (106, 108) to the burner (110), supplying a quantity of fuel (112) to the burner (110), igniting (114) the air-fuel mixture formed in the burner (110) by supplying the air flow and the quantity of fuel, whereby a burner exhaust gas is formed, receiving a sensor signal (3) containing information about a chemical composition of the burner exhaust gas, determining a controller output (2) for controlling (210) the chemical composition of the burner exhaust gas using the sensor signal in order to adjust the composition of the burner exhaust gas to a predeterminable target composition (1), determining an adaptation value (4) for a pre-control (220) of the fuel quantity (112) based on the controller output (2), and adjusting the supply of the fuel quantity (112) to the burner (110) using the adaptation value (4). Furthermore, a computing unit (140) and a computer program for carrying out such a method (200) are proposed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners, insbesondere eines Abgasbrenners in einem Abgassystem stromab einer Brennkraftmaschine, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, und eine Anordnung mit einem Brenner und einer solchen Recheneinheit.The present invention relates to a method for operating a burner, in particular an exhaust gas burner in an exhaust system downstream of an internal combustion engine, as well as a computing unit and a computer program for carrying out the method, and an arrangement comprising a burner and such a computing unit.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
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).To achieve legally prescribed emission limits, three-way catalysts (TWCs) can be used. These convert the relevant gaseous pollutants NOx , HC, and CO into harmless products such as N2 , H2O , and CO2 . For these catalytic reactions to proceed as intended, the temperatures in the catalyst must generally exceed the so-called light-off temperature of typically 300-400°C. Once this temperature is reached or exceeded, the catalyst converts the relevant pollutants almost completely (the so-called catalyst window).
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.To achieve this state as quickly as possible, so-called in-engine catalyst heating can be used. This reduces the efficiency of the gasoline engine by retarding the ignition angle, thereby increasing the exhaust gas temperature and the enthalpy input into the catalyst. At the same time, combustion stability can be ensured through adapted injection strategies (e.g., multiple injections).
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
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.To further reduce emissions compared to conventional operation with internal engine heating measures, especially during cold starts, i.e. high loads on the internal combustion engine in a cold state without an idling phase, so-called catalytic converter burners have proven to be an extremely effective measure for accelerating the TWC light-off.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners, insbesondere eines Abgasbrenners in einem Abgassystem stromab einer Brennkraftmaschine, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung und eine Anordnung mit einem Brenner und einer solchen Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating a burner, in particular an exhaust gas burner in an exhaust system downstream of an internal combustion engine, as well as a computing unit and a computer program for implementing the method, and an arrangement comprising a burner and such a computing unit with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, eine Vorsteuerung eines Brenners in Bezug auf das diesem zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch unter Verwendung eines Sensorsignals, das eine Information über die chemische Zusammensetzung des Brennerabgases enthält (z.B. Lambdasignal), zu adaptieren, um die Regelung zu entlasten. In einigen Ausgestaltungen kann der dazu ermittelte Adaptionswert auch für eine Diagnose eines Fehlerzustands bzw. einer Fehlfunktion des Brenners verwendet werden.The invention utilizes the measure of adapting a burner's pilot control with respect to the air-fuel mixture supplied to it using a sensor signal containing information about the chemical composition of the burner exhaust gas (e.g., lambda signal) in order to relieve the control system. In some embodiments, the adaptation value determined for this purpose can also be used to diagnose a fault condition or a burner malfunction.
Im Einzelnen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brenners, insbesondere eines Abgasbrenners in einem Abgassystem stromab einer Brennkraftmaschine, ein Zuführen eines vorbestimmbaren Luftstroms zu dem Brenner, ein Zuführen einer Kraftstoffmenge zu dem Brenner, ein Zünden des in dem Brenner durch das Zuführen des Luftstroms und der Kraftstoffmenge gebildeten Luft-Kraftstoff-Gemischs, wobei ein Brennerabgas gebildet wird, ein Empfangen eines Sensorsignals, das eine Information über eine chemische Zusammensetzung des Brennerabgases enthält, ein Ermitteln eines Reglerausgangs (im Rahmen dieser Erfindung auch als Regelfaktor bezeichnet) für eine Regelung der Zusammensetzung des Brennerabgases unter Verwendung des Sensorsignals, um die Zusammensetzung des Brennerabgases einer vorbestimmbaren Sollzusammensetzung anzugleichen, ein Ermitteln eines Adaptionswerts für eine Vorsteuerung der Kraftstoffmenge basierend auf dem Reglerausgang, und ein Anpassen des Zuführens der Kraftstoffmenge zu dem Brenner unter Verwendung des Adaptionswerts.In detail, the method according to the invention for operating a burner, in particular an exhaust gas burner in an exhaust system downstream of an internal combustion engine, comprises supplying a predeterminable air flow to the burner, supplying a quantity of fuel to the burner, igniting the air-fuel mixture formed in the burner by supplying the air flow and the quantity of fuel, whereby a burner exhaust gas is formed, receiving a sensor signal containing information about a chemical composition of the burner exhaust gas, determining a controller output (also referred to as a control factor in the context of this invention) for controlling the composition of the burner exhaust gas using the sensor signal in order to adjust the composition of the burner exhaust gas to a predeterminable target composition, determining an adaptation value for pre-controlling the quantity of fuel based on the controller output, and adjusting the supply of the quantity of fuel to the burner using the adaptation value.
Die Regelung der Zusammensetzung des Brennerabgases kann beispielsweise einen Proportionalregler, P-Regler, und/oder Integralregler, I-Regler, und/oder Differenzialregler, D-Regler, aufweisen. Die Regelung der Zusammensetzung des Brennerabgases kann beispielsweise als Pl-Regler ausgebildet sein.The control of the composition of the burner exhaust gas can, for example, comprise a proportional controller (P controller), and/or an integral controller (I controller), and/or a differential controller (D controller). The control of the composition of the burner exhaust gas can, for example, be implemented as a PI controller.
In zumindest einer Ausgestaltung wird der Adaptionswert durch Integrieren bzw. zeitliches Aufsummieren des Reglerausgangs gebildet. Dies ist eine sehr einfache Möglichkeit, verbliebene Abweichungen zu sammeln und für die Adaption zu verwenden.In at least one embodiment, the adaptation value is calculated by integrating or summing the controller output over time. This is a very simple way to collect remaining deviations and use them for adaptation.
In zumindest einer Ausgestaltung wird der Adaptionswert in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern aus der Gruppe umfassend einen Abgasgegendruck, eine Änderungsrate des Abgasgegendrucks, eine Änderungsrate des Sensorsignals, eine Temperatur innerhalb und/oder stromab des Brenners, einen Druck und/oder eine Temperatur der den Brenner umgebenden Atmosphäre, einen Massenfluss des Luftstroms, eine Änderungsrate des Massenflusses des Luftstroms und eine Spannung einer den Brenner versorgenden Batterie ermittelt. Dies sind Parameter, die einen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Brennerabgases und/oder auf den Wert bzw. die Dynamik des Sensorsignals haben können, so dass ihre Berücksichtigung zu einem korrekteren und/oder genaueren Ergebnis führt, was die Zuverlässigkeit des Verfahrens steigert.In at least one embodiment, the adaptation value is determined as a function of one or more Several parameters from the group comprising an exhaust back pressure, a rate of change of the exhaust back pressure, a rate of change of the sensor signal, a temperature inside and/or downstream of the burner, a pressure and/or temperature of the atmosphere surrounding the burner, a mass flow of the air flow, a rate of change of the mass flow of the air flow, and a voltage of a battery supplying the burner are determined. These are parameters that can influence the chemical composition of the burner exhaust gas and/or the value or dynamics of the sensor signal, so that their consideration leads to a more correct and/or more accurate result, which increases the reliability of the method.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner ein Ermitteln einer Fehlfunktion des Brenners auf Basis des Adaptionswerts. Dabei kann insbesondere dann ein Vorliegen einer Fehlfunktion des Brenners ermittelt werden, wenn der Betrag des Adaptionswerts einen vorbestimmbaren Schwellenwert überschreitet. In Ausgestaltungen umfasst die Fehlfunktion eine oder mehrere aus der Gruppe umfassend eine Fehlfunktion einer Kraftstoffzuführung, eine Fehlfunktion einer Luftzufuhr und einen Qualitätsmangel in Bezug auf den zugeführten Kraftstoff. Durch Fehler in der Brenneranlage (z.B. Einspritzanlage, Luftpumpe, Ventile, Zündung o.Ä.) kann es zu einer dauerhaft von der eigentlich eingestellten Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs abweichenden Zusammensetzung (z.B. zu fettes Gemisch) und/oder zu einer von der angestrebten Zusammensetzung abweichenden Zusammensetzung des Brennerabgases (z.B. unvollständige Verbrennung) kommen. Daher ist in solchen Fällen typischerweise ein hoher Regelaufwand bzw. eine große Anpassung der Vorsteuerung erforderlich, um weiterhin die angestrebte Abgaszusammensetzung zu erreichen. Folglich kann an einem hohen Betrag des ermittelten Adaptionswerts auf einen Fehler im Brennersystem hindeuten.In at least one embodiment, the method further comprises determining a burner malfunction based on the adaptation value. In particular, the presence of a burner malfunction can be determined if the magnitude of the adaptation value exceeds a predeterminable threshold. In embodiments, the malfunction comprises one or more of the group comprising a malfunction of a fuel supply, a malfunction of an air supply, and a quality defect with regard to the supplied fuel. Faults in the burner system (e.g., injection system, air pump, valves, ignition, or similar) can result in a composition of the air-fuel mixture that permanently deviates from the actually set composition (e.g., a mixture that is too rich) and/or a composition of the burner exhaust gas that deviates from the desired composition (e.g., incomplete combustion). Therefore, in such cases, a high level of control effort or a significant adjustment of the pilot control is typically required to continue to achieve the desired exhaust gas composition. Consequently, a high value of the determined adaptation value may indicate a fault in the burner system.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren ein Durchführen einer Maßnahme in Abhängigkeit von der ermittelten Fehlfunktion. Dabei kann die Maßnahme insbesondere eine oder mehrere aus der Gruppe aus einem Ausgeben einer Warnmeldung, einem Durchführen einer Wartungsfunktion, einem Durchführen einer Diagnosefunktion und einem Veranlassen einer Wartung des Brenners umfassen. Somit kann die Fehlfunktion behoben werden, was beispielsweise das Emissionsverhalten des Brenners und/oder dessen Effizienz verbessern kann.In at least one embodiment, the method comprises implementing a measure depending on the detected malfunction. The measure may, in particular, comprise one or more of the following: issuing a warning message, performing a maintenance function, performing a diagnostic function, and initiating maintenance of the burner. Thus, the malfunction can be remedied, which can, for example, improve the emissions behavior of the burner and/or its efficiency.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle, is configured, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is also advantageous, as this entails particularly low costs, especially if an executing control unit is also used for additional tasks and is therefore already present. Finally, a machine-readable storage medium is provided with a computer program stored thereon, as described above. Suitable storage media or data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical, and electrical storage devices, such as hard disks, flash memories, EEPROMs, DVDs, and others. Downloading a program via computer networks (Internet, intranet, etc.) is also possible. Such a download can be wired or cable-based or wireless (e.g., via a WLAN network, a 3G, 4G, 5G, or 6G connection, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using an embodiment and is described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
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1 zeigt schematisch ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einem Brenner, wie es in Ausgestaltungen der Erfindung verwendet werden kann.1 shows schematically an exhaust system of an internal combustion engine with a burner, as can be used in embodiments of the invention. -
2 zeigt schematische eine Ausgestaltung der Erfindung anhand eines vereinfachten Blockdiagramms.2 shows a schematic embodiment of the invention using a simplified block diagram.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment(s) of the invention
In
Die Komponenten 106, 108, 112, 114 des Brenners 110 sind mit der Recheneinheit 140, beispielsweise einem dedizierten Brennersteuergerät, signalleitend verbunden und werden von dieser gesteuert. Die Recheneinheit 140 ist ferner signalleitend mit Sensorik, hier einem ersten Sensor 138 und einem zweiten Sensor 132, verbunden und empfängt von diesen erzeugte Sensorsignale. Die Recheneinheit 140 kann ferner dazu eingerichtet sein, mit einem (weiteren) Steuergerät 160, das den Betrieb der Brennkraftmaschine 120 steuert und überwacht, zu kommunizieren. In einigen Ausgestaltungen können Brenner- und Brennkraftmaschinensteuerung jedoch auch von einer gemeinsamen Recheneinheit realisiert werden, so dass in solchen Ausgestaltungen die Recheneinheiten 140, 160 miteinander integriert ausgestaltet sind.The
Der erste Sensor ist dazu eingerichtet, eine Information bezüglich einer chemischen Zusammensetzung des Abgases des Brenners 110, insbesondere bezüglich der Luftzahl Lambda, zu ermitteln und in Form eines Sensorsignals an die Recheneinheit 140 zu senden. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Sensor 138 um eine Breitbandlambdasonde oder eine Sprunglambdasonde handeln. Es können jedoch gegebenenfalls auch andere Sensortypen verwendet werden, die andere oder zusätzliche Informationen bereitstellen.The first sensor is configured to determine information regarding a chemical composition of the exhaust gas of the
Der zweite Sensor 132 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere Parameter aus der Gruppe aus Luftmassenstrom, Temperatur und Druck zu ermitteln und in Form eines Sensorsignals an die Recheneinheit 140 zu senden.The
Die Positionierung der Sensoren 132, 138 ist hier rein beispielhaft zu verstehen. Die Erfindung kann auch mit nur dem ersten Sensor 138 realisiert werden und auch mit einer anderen Positionierung des ersten Sensors 138, solange der erste Sensor 138 stromab des Brenners 110 angeordnet ist.The positioning of the
In
Der Regelfaktor 2 wird weiterhin, wie bereits erläutert, dazu verwendet, die Vorsteuerung 220 anzupassen bzw. zu adaptieren. Dazu kann der Regelfaktor 2 beispielsweise über die Zeit integriert (Schritt 225) werden, um einen Adaptionswert 4 zu erhalten. Insbesondere werden dabei nur Zeiten berücksichtigt, in denen passende Betriebsbedingungen herrschen, die eine zuverlässige Adaption 225 ermöglichen. Insbesondere können sehr dynamische Betriebsphasen (z.B. hohe Änderungsrate in Bezug auf Temperatur, Druck, Lambdawert o.Ä.) bei der Adaption 225 unberücksichtigt bleiben, während im Wesentlichen stationäre Betriebsphasen des Brenners bei der Ermittlung des Adaptionswerts 4 für die Vorsteuerung 220 herangezogen werden. Regelfaktoren 2 aus dementsprechend in Frage kommenden Betriebsphasen werden in einem Speicher der Recheneinheit 140 gespeichert, ggf. zusammen mit den jeweils zugrunde liegenden weiteren Betriebsparametern. Damit werden kurzfristige Effekte, die beispielsweise eine Änderung des Regelfaktors aufgrund dynamischer Betriebsphasen bedingen, nicht für die Adaption 225 herangezogen. Insbesondere hat die Adaption 225 das Ziel, die Regelung durch einen Ausgleich langfristiger Veränderungen (z.B. Alterung von Komponenten) zu entlasten. Bei einer Berücksichtigung des Regelfaktors auch in dynamischen Betriebszuständen wäre eine solche Entlastung hingegen nicht gegeben, da die Adaption zu einer zu variablen Vorsteuerung führen würde.The
Der ermittelte Adaptionswert 4 kann in der Vorsteuerung 220 verwendet werden, um einen adaptierten Vorsteuerwert (adaptierte Kraftstoffmenge) zu erhalten. Beispielsweise kann der ermittelte Adaptionswert 4 mit dem ursprünglichen Vorsteuerwert verrechnet, insbesondere multipliziert, werden, um einen adaptierten Vorsteuerwert zu erhalten. Somit wird die dem Brenner durch die Vorsteuerung zugeführte Kraftstoffmenge genauer an die realen Bedingungen angeglichen.The determined adaptation value 4 can be used in the pre-control 220 to obtain an adapted pre-control value (adapted fuel quantity). For example, the determined adaptation value 4 can be offset against the original pre-control value, in particular multiplied, to obtain an adapted pilot control value. This allows the amount of fuel supplied to the burner via the pilot control to be more accurately adjusted to the actual conditions.
Auf Basis eines derartig ermittelten Adaptionswerts 4 kann im Rahmen des Verfahrens 200 ferner eine Fehlfunktion des Brenners 110 ermittelt werden (in
Es sei hier betont, dass das Verfahren 200 auch mit anderen geeigneten Abgassystemen verwendbar ist und nicht auf die konkrete Ausgestaltung des in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 41 32 814 A1 [0004]DE 41 32 814 A1 [0004]
- DE 195 04 208 A1 [0004]DE 195 04 208 A1 [0004]
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