Verfahren zur Regeneratin von Abgas-Partikelfiltersystemen

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Regeneration von Abgas-Partikelfil­tersystemen durch Oxidation abgelagerter Partikeln bei Brenn­kraftmaschinen (1), in denen einzelnen Zylindern oder Zylin­dergruppen separate Partikelfilter (3) zugeordnet sind, wird demjenigen Zylinder bzw. derjenigen Zylindergruppe, dem bzw. der das jeweils zu regenerierende Partikelfilter (3) zuge­ordnet ist, zur Regeneration des Filters (3) die hierfür benötigte Kraftstoffmenge zugeführt, während den übrigen Zylindern bzw. Zylindergruppen die für die jeweilige Leistung benötigte Kraftstoffmenge zugeführt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regene­ration von Abgas-Partikelfiltersystemen durch Oxidation ab­gelagerter Partikeln bei Brennkraftmaschinen, in denen ein­zelnen Zylindern oder Zylindergruppen separate Partikel­filter zugeordnet sind.

[0002] Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Verbrennungskraft­maschinen mit möglichst schadstoffarmen Abgasen werden bei Dieselmotoren zur Reduzierung der Partikelemission Nach­behandlungssysteme für das Abgas eingesetzt. Diese bestehen im wesentlichen aus Filtersystemen, die die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikeln führen zu einer Erhöhung des Strö­mungswiderstandes im Abgassystem, wodurch sich der Abgas­gegendruck für den Motor erhöht. Mit zunehmender Partikel­masse führt dies in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und im Extremfall zum Stillstand des Motors. Aus diesem Grunde ist es erforder­lich, kontinuierlich oder intermittierend die im Filter abgelagerten Partikeln zu beseitigen, und zwar im allge­meinen durch Oxidation der Partikeln.

[0003] Als Filtersysteme zur Sammlung der Partikeln mit intermit­tierender oder kontinuierlicher Partikelverbrennung haben sich u.a. keramische Filter mit Wabenstruktur, Stahlwolle­filter und keramischer Schaum mit und ohne katalytische Beschichtung bewährt.

[0004] Die Oxidation der im Filter angesammelten Partikeln setzt bei Temperaturen oberhalb 500 - 550 Grad C ein. Die erfor­derliche Temperatur kann durch den Einsatz von katalyti­schen Beschichtungen auf ca. 400 - 450 Grad C gesenkt werden.

[0005] Derartig hohe Temperaturen werden von Dieselmotoren nur im oberen Lastbereich erreicht.Eine ausreichend häufige Filterregeneration im Fahrbetrieb ist daher nicht sicher­gestellt. Als motorische Maßnahmen zur Anhebung der Abgas­temperatur stehen die Ansaugluftdrosselung, die Abgasdros­selung und die Verstellung des Förderbeginns zur Verfügung.

[0006] Auch mit diesen Maßnahmen lassen sich im unteren Lastbe­reich des Motors die zu einer Filterregeneration erfor­derlichen Abgastemperaturen nicht erreichen. Außerdem sind die genannten Maßnahmen mit teilweise beträchtlichen Kraft­stoffverbrauchsverschlechterungen verbunden.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filterregenerationen im gesamten Betriebsbereich des Fahr­zeuges ohne wesentliche Kraftstoffverbrauchsverschlechte­rungen durchführen zu können.

[0008] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Abgaspartikelfiltersystem der eingangs bezeichneten ten Art demjenigen Zylinder bzw. derjenigen Zylindergruppe, dem bzw. der das jeweils zu regenerierende Partikelfilter zugeordnet ist, zur Regenerierung des Filters die hierfür benötigte Kraftstoffmenge bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch­menge zugeführt wird, während den übrigen Zylindern bzw. Zylindergruppen die für die jeweilige Leistung benötigte Kraftstoff- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemischmenge zugeführt wird.

[0009] Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen und vorteilhafter Merkmale der Erfindung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.

[0010] Die Regeneration der einzelnen Filterelemente erfolgt durch das Einspritzen der Vollastmenge bzw. einer zum Erreichen der Regenerationsabgastemperatur ausreichenden Kraftstoff­menge in dem zu diesem Filter gehörenden Zylinder und durch Regelung der Teillastmenge für die anderen Zylinder ent­sprechend der geforderten Motorlast. Die Regeneration der Einzelfilter kann zeitabhängig unter Berücksichtigung von Last und Drehzahl oder abgasabhängig eingeleitet werden.

[0011] Die Verteilung der Einspritzmenge der einzelnen Zylinder kann auch elektronisch über die Verstellung der jeweiligen Regelkolben in einer Blockeinspritzpumpe oder mit einem geregelten Pumpe-Düse-Konzept erfolgen. Ebenfalls möglich ist die Regelung der Einspritzmenge durch die Steuerung eines Bypassventiles in der Einspritzleitung bei konstanter Fördermenge der Einspritzpumpe.

[0012] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol­gend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine, die mit einem Abgas-Partikelfiltersystem zur Ausübung des Verfah­rens gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Einzelheit eines Abgas-Par­tikelfiltersystems zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

[0013] Wie Figur 1 zeigt, ist ein Dieselmotor 1 mit Pumpe-Düse-­Elementen 2, einer Kraftstoffzuführung 5, einem Abgassystem 4 und einem in dem Abgassystem unmittelbar an jedem Zy­linder installierten Partikelfilter 3 ausgerüstet.

[0014] In Abhängigkeit von der erforderlichen Motorlast und der Motordrehzahl steuert eine elektronische Steuereinheit 6 über Steuerleitungen 7 den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer. Zur Erreichung der für die Regeneration der einzelnen Partikelfilter 3 erforderlichen hohen Abgas­temperaturen werden von der elektronischen Steuereinheit 6 z.B. für den Zylinder "eins" Einspritzzeitpunkt und Ein­spritzdauer so eingestellt, daß Abgatemperaturen hinter diesem Zylinder von über 600 Grad C erreicht werden. Durch die hohen Temperaturen wird der Ruß angezündet, und er ver­brennt. Durch die Mehrmenge im Zylinder "eins" ist es bei konstanter Last und Drehzahl des Motors erforderlich, Min­dermengen in den Zylindern "zwei", "drei" und "vier" ein­zustellen. Dies wird durch die elektronische Steuereinheit 6 bewerkstelligt.

[0015] Nach der Regeneration von Zylinder "eins" erfolgt in Ab­hängigkeit von der Zeit oder von der Beladungshöhe die Re­generation der Filter hinter den Zylindern "zwei" oder "drei" oder "vier". Die Ansteuerung zur Regeneration kann in Abhängigkeit von der Zeit oder aber in Abhängigkeit von einem Signal, das die Rußmenge im Partikelfilter angibt, erfolgen. Als Steuergröße kann hierbei der Abgasgegendruck vor dem jeweiligen Partikelfilter oder eine die Rußschicht­dicke anzeigende Größe verwendet werden.

[0016] Die Anpassung der Einspritzmenge und Einspritzzeit zur Ein­leitung der Rußverbrennung und Filterregeneration kann während der gesamten Regenerationszeit des jeweiligen Fil­ters erfolgen oder aber auch intermittierend zum Anzünden des im Filter gelagerten Rußes durchgeführt werden. Dadurch wird erreicht, daß durch eine kurzzeitige Abgastemperatur­erhöhung durch intermittierende Einstellung der Vollast­menge der Ruß angezündet wird und anschließend aufgrund seiner exothermen Verbrennung die Temperaturerhöhung in der Rußschicht des Filters so groß ist, daß eine sich selbst tragende Rußverbrennung auch bei Teillast des Zylinders vor dem regenerierenden Filter erfolgen kann. Dieser Vorgang kann auch im Wechsel zwischen zwei oder mehreren Einzel­zylindern bzw. Zylindergruppen erfolgen.

[0017] Neben der Zuordnung eines einzelnen Partikelfilters zu jedem Zylinder und der jeweiligen Einzelansteuerung der Einspritzung für den Zylinder können bei Mehrzylinderma­schinen Zylindergruppen hinsichtlich der Einspritzsteue­ rung und der Abgasführung auf einen Monolithen zusammenge­faßt werden.

[0018] Neben der Verwendung von Pumpe-Düse-Elementen mit elektro­nischer Steuerung kann auch eine Blockeinspritzpumpe mit Regelung der Einzelkolben (elektromagnetische Steuerung, hydraulische Steuerung) erfolgen. Des weiteren kann mit Hilfe einer bypassgesteuerten Einspritzzeit die zylinder­spezifische Regeneration durchgeführt werden. Dabei über­nimmt die Einspritzpumpe die Regelung des Einspritzbeginns und fördert immer eine konstante Kraftstoffmenge. Die er­forderliche Einspritzmenge in Abhängikeit von der Last bzw. des Regenerationserfordernisses wird über ein getak­tetes Bypassventil vorgenommen.

[0019] Eine solche Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Ein­spritzpumpe 9 liefert über eine Druckleitung 10 einen kon­stanten Kraftstoffmengenstrom. Die von einer Düse 11 in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge wird durch ein Bypassventil 12 gesteuert. Die überschüssige Kraft­stoffmenge strömt über eine Rückströmleitung 16 wieder in den Tank.

[0020] Zur Beendigung der Einspritzzeit im Teillastbereich (unter­halb der Vollastmenge) wird ein Stufenkolben 13 gegen eine Feder 14 durch einen durch die elektronische Steuereinheit 6 angesteuerten elektrischen Hubmagneten 15 angehoben. Der Einspritzdruck in Leitung 10 trifft nach kurzem Anheben des Stufenkolbens 12 auf die vergrößerte Fläche des Bypassven­tils und öffnet dieses schlagartig, so daß der Brennstoff über Rückströmleitung 16 abströmen kann, und das Einspritz­ventil 11 schließt. Infolge des Druckabfalls in der Ein­ spritzleitung und des Abschaltens des Elektromagneten drückt die Feder 14 den Hubkolben in die Ausgangsposition zurück.

[0021] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­benen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann es auch vorteilhaft sein, daß die zur Regeneration der ein­zelnen Filter oder Filtergruppen benötigte Abgastempera­tur bei Dieselmotoren durch Spätverstellung der Einsprit­zung am jeweiligen einzelnen Zylinder bzw. an der jeweili­gen Zylindergruppe erfolgt.

[0022] Das beschriebene Regenerationsverfahren bietet wesentliche Vorteile gegenüber Regenerationssystemen mit Sekundärener­gie, ungeregelten Regenerationssystemen oder Regenerations­systemen mit anderen motorischen Maßnahmen. Je nach dem ge­gebenen Anwendungsfall sind insbesondere die folgenden Vor­teile erreichbar:
- Die Filterregenerationen können im nahezu gesamten Last­bereich des Motors durchgeführt werden.
- Die Regenerationsbedingungen für einen Filter (Abgastem­peratur, Sauerstoffgehalt) können während der Regeneration in Abhängigkeit von der Drehzahl so eingestellt werden, daß immer eine betriebssichere kontrollierte Regeneration eines Filters auch bei geringer Beladungsmasse möglich ist.
- Bei Übergang des Fahrzeuges in die Schubphase (Nullast), in den Leerlaufbetrieb oder bei Abstellen des Motors kann die Regeneration durch langsame Lastrücknahme am Regenera­tionszylinder kontrolliert abgebrochen werden.
- Da die Filter häufig regeneriert werden können, sind die Anforderungen an die Rußspeicherfähigkeit des Filters re­lativ gering. Es können daher geringere Filtervolumina ver­wendet werden.
- Der Brennwirkungsgrad des Dieselmotors ist im Bereich mittlerer Last konstant und fällt erst bei sehr hohen und sehr geringen Werten. Aus diesem Grund ist mit einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs bei der Regeneration nicht zu rech­nen.

[0023] Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Verbesserung und Ausbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei Zumischung von Additiven zum Kraftstoff als Rußzündhilfen die Additivkonzentration im regenerie­renden Filter erhöht wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regeneration von Abgas-Partikelfiltersystemen durch Oxidation abgelagerter Partikeln bei Brennkraftmaschinen, in denen einzelnen Zylindern oder Zylindergruppen separate Par­tikelfilter zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem­jenigen Zylinder bzw. derjenigen Zylindergruppe, dem bzw. der das jeweils zu regenerierende Partikelfilter zugeordnet ist, zur Regenerierung des Filters die hierfür benötigte Kraftstoffmenge zugeführt wird, während den übrigen Zylindern bzw. Zylindergruppen die für die jeweilige Leistung benötigte Kraftstoffmenge zugeführt wird.

2. Regenerationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß demjenigen Zylinder bzw. derjenigen Zylindergruppe, dem bzw. der das jeweils zu regenerierende Partikelfilter zugeordnet ist, zur Regenerierung des Filters die für den Vollastbetrieb erforderliche Kraftstoffmenge zugeführt wird.

3. Regenerationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß zum Zweck der Ungleichverteilung der Einspritz­mengen bei Dieselmotoren mit Blockeinspritzpumpe eine Einzelver­stellung der Regelkolben erfolgt.

4. Regenerationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß zum Zweck der Ungleichverteilung der Ein­spritzmengen bei Dieselmotoren mit Pumpe-Düsen eine elek­trische oder elektronische Regelung der Einzelelemente er­folgt.

5. Regenerationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Ungleichverteilung der Einspritzmengen bei Dieselmotoren Bypassventile so ge­steuert werden, daß demjenigen Zylinder bzw. derjenigen Zylindergruppe, dem bzw. der das jeweils zu regenerierende Partikelfilter zugeordnet ist, zur Regenerierung des Fil­ters die hierfür benötigte Kraftstoffmenge zugeführt wird, während den übrigen Zylindern bzw. Zylindergruppen die für die jeweilige Leistung benötigte Kraftstoffmenge zugeführt wird.

6. Regenerationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration der einzel­nen Filter oder Filtergruppen zeitabhängig gesteuert wird.

7. Regenerationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration der einzel­nen Filter oder Filtergruppen abhängig vom Abgasgegen­druck gesteuert wird.

8. Regenerationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration der einzel­nen Filter oder Filtergruppen abhängig von der Rußschicht­menge gesteuert wird.

9. Regenerationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Regeneration der ein­zelnen Filter oder Filtergruppen benötigte Kraftstoff­menge den einzelnen Zylindern oder Zylindergruppen intermit­tierend zugeführt wird.

10. Regenerationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Regeneration der einzel­nen Filter oder Filtergruppen benötigte Kraftstoffmenge den einzelnen Zylindern bzw. Zylindergruppen im Wechsel intermittierend zugeführt wird.

11. Regenerationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Regeneration der einzel­nen Filter oder Filtergruppen benötigte Abgastemperatur bei Dieselmotoren durch Spätverstellung der Einspritzung an jeweiligen einzelnen Zylinder bzw. an der jeweiligen Zylindergruppe erfolgt.

Zeichnung