DE10130633B4 - Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters, bei dem der Partikelfilter in Kombination mit einem Oxidationskatalysator (CRT) im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei der Abbrand der Rußpartikel mit dem im Oxidationskatalysator gebildeten NO2 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung des Partikelfilters kontinuierlich erfolgt, derart, daß fortlaufend eine Rußbilanz erstellt wird, daß im Falle einer sich positiv entwickelnden Rußbilanz durch Maßnahmen an der Brennkraftmaschine und/oder Gegenmaßnahmen am Partikelfilter die Rußbilanz wieder negativ eingestellt wird, daß zur Erstellung der Rußbilanz über die Bestimmung der Rußmengen in der Brennkraftmaschine wie folgt verfahren wird:
1.1 es wird zunächst an einer mit dem Fahrzeugmotor identischen Referenzkraftmaschine die gebildete Rußmenge als Funktion von Betriebsparametern wie Drehzahl, Einspritzmenge, Luftmenge, Spritzbeginn ermittelt und als Kennfeld in einem Steuergerät (14) (ECU) abgelegt
1.2 im Fahrbetrieb werden die aktuellen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und mit Hilfe des Kennfeldes die gerade anfallende Rußmenge ermittelt, wobei die Menge des abgebrannten Rußes im...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
  • Aus DE 199 26 138 A1 ist ein Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters im Abgasstrang eines Dieselmotors bekannt, bei dem die Beladung des Partikelfilters mit Ruß zyklisch ermittelt wird. Stellt man durch Überschreitung eines bestimmten Gegendruckes in der Abgasleitung vor dem Partikelfilter fest, daß die Beladung mit Ruß einen vorgegebenen Wert übersteigt, so wird durch bestimmte Maßnahmen die Abgastemperatur zeitweise erhöht, um wenigstens einen Teil des Rußes durch Oxidation zu beseitigen. Die Erhöhung der Temperatur des Abgases wird durch Drosselung der Ansaugluft oder des Abgases erreicht. Auch kann die Menge der Abgasrückführung erhöht werden. Es hat sich gezeigt, daß die zyklische Ermittlung des Grades der Rußbeladung im Filter nicht ausreicht, um diesen vollständig zu regenerieren. Die Beseitigung des Rußes durch Oxidation verläuft relativ langsam. Wenn der Filter zu stark mit Ruß beladen ist, reicht die Zeit für den Abbrand nicht mehr aus, um den Filter vollkommen zu regenerieren. Der Filter wird sich in der Folge immer stärker mit Ruß zusetzen bis ein ordnungsgemäßer Betrieb des Dieselmotors nicht mehr gewährleistet ist.
  • Weiter ist es aus der DE 199 61 166 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer kontinuierlich reduzierenden Partikelminderungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, bei der in einer Abgasleitung in Strömungsrichtung hintereinander einen Oxidationskatalysator und nachfolgend ein Partikelfilter angeordnet sind. Nach dem Verfahren wird der NOx-Anteil des Abgases angehoben, wenn der Partikelfilter eine vorbestimmte obere Schwelle der Beladung überschreitet. Nach dem Unterschreiten einer unteren Schwelle der Beladung des Partikelfilters wird der NOx-Anteil wieder abgesenkt.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 199 45 372 A1 ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters bekannt, der in einem Abgaskanal einer Diesel-Brennkraftmaschine angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass über ein Kennfeld oder Modell, in das ein Beladungswert des Partikelfilters sowie eine Fahrzeit und/oder Fahrstrecke seit der letzten Regeneration einfließen, eine Zustandskennzahl ermittelt wird und beim Überschreiten der Zustandskennzahl über einen ersten Grenzwert eine Regenerationsnotwendigkeit vorliegt und die Regeneration durchgeführt wird, bis der Beladungswert des Partikelfilters unterhalb eines zweiten Grenzwertes liegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters so zu gestalten, daß zu jedem Zeitpunkt die vollständige Regenerierung gewährleistet ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
  • Dadurch, daß die Beladung des Partikelfilters mit Ruß kontinuierlich festgestellt wird, können auch rechtzeitig Maßnahmen zur Regenerierung des Partikelfilters ergriffen werden, um bei der gegebenen Geschwindigkeit des Rußabbrandes noch eine vollständige Regenerierung zu erreichen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dem Anspruch 2 zu entnehmen.
  • Falls das erforderliche Temperaturniveau des Partikelfilters nicht durch maschineninterne Maßnahmen erreichbar ist, kann eine Isolierung des Partikelfilters vorgesehen, werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung ist Anspruch 3 zu entnehmen.
  • Durch Beheizung des Partikelfilters kann das erforderliche Temperaturniveau unter allen Umständen erreicht werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung ist ferner Anspruch 4 zu entnehmen.
  • Durch Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge kann das durch Drosselung der Abgasklappe erhöhte Bremsmoment kompensiert werden und der Partikelfilter wird in erwünschter Weise erwärmt.
  • Weitere vorteilhafte Maßnahmen die Abkühlung des CRT-Systems zu vermeiden sind den Ansprüchen 5 und 6 zu entnehmen.
  • Eine Brennkraftmaschine mit CRT-System zur Reduzierung der Partikelemission ist an Hand einer Zeichnung dargestellt.
  • Eine Brennkraftmaschine 1 wird über einen ATL 2 mit Ladeluft versorgt. Zur Rückkühlung der Ladeluft kann ein Ladeluftkühler 3 vorgesehen sein. Zur Reduzierung der Stickoxide ist ein Abgasrückführsystem 4 vorgesehen.
  • Stromab einer Abgasturbine 5 des ATL 2 wird ein sogenanntes CRT-System 6 angeordnet. Dieses dient der Reduzierung der Rußpartikel und besteht aus einer Kombination eines Oxidationskatalysators mit einem Partikelfilter. Der Oxidationskatalysator hat dabei die Aufgabe, das im Abgas enthaltene NO mit dem im Abgas noch enthaltenen Restsauerstoff an katalytisch wirkenden Oberflächen zu NO2 aufzuoxidieren.
  • Das gebildete NO2 kann dabei die im Partikelfilter abgeschiedenen Rußpartikel zu CO2 oxidieren und damit den Partikelfilter regenerieren.
  • Ein Hauptnachteil eines derartigen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Oxidation der Rußpartikel relativ langsam abläuft. Wird also beispielsweise durch Ansteigen des Gegendruckes. im Abgasrohr 7 vor dem CRT 6 eine Beladung des Partikelfilters angezeigt, kann es für eine Regenerierung schon zu spät sein, falls die von der Brennkraftmaschine gelieferte Rußmenge größer ist, als die durch Abbrand am Partikelfilter beseitigte Rußmenge.
  • Hier setzt nun das erfindungsgemäße Verfahren ein, welches darin besteht, daß die im Partikelfilter, abgeschiedene Rußmenge nicht zyklisch, sondern stetig detektiert wird.
  • Die Beladung des Partikelfilters wird über eine Rußbilanz errechnet. Die Rußbilanz ist als Differenz zwischen der von der Brennkraftmaschine erzeugten Rußmenge und der durch Oxidation im Partikelfilter beseitigten Rußmenge definiert.
  • Die Ermittlung der in der Brennkraftmaschine gebildeten Rußmenge erfolgt mittels einer Referenzbrennkraftmaschine, die mit der im Fahrzeug verwendeten Brennkraftmaschine baugleich ist. In Abhängigkeit von Betriebsparametern der Referenzkraftmaschine wird ein Kennfeld für die Rußbildung erstellt. Die gebildete Rußmenge wird im Kennfeld als Funktion von Drehzahl, Einspritzmenge, Luftmenge, Spritzbeginn und Abgasrückführmenge ermittelt. Das Kennfeld wird in einem Steuergerät 14 (ECU) abgelegt.
  • Entsprechend der aktuellen Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 im Fahrzeug kann durch Vergleich mit den im Kennfeld abgelegten Werten die augenblicklich anfallende Rußmenge ermittelt werden.
  • Entsprechend dem zur gleichen Zeit ermittelten Abbrand am Partikelfilter kann die Rußbilanz erstellt werden.
  • Im Fall, daß die Rußbilanz positiv ist, werden sofort Maßnahmen an der Brennkraftmaschine 1 zur Reduzierung der Rußmenge, evtl. auch eine Erhöhung der NOx-Werte über die Verstellung der Betriebsparameter und Gegenmaßnahmen zur Regenerierung des Partikelfilters getroffen.
  • Diese Gegenmaßnahmen bestehen erfindungsgemäß darin, daß durch ein Temperaturmanagement das Temperaturniveau im Partikelfilter des CRT 6 in einem Temperaturbereich von 250°C bis 450°C auf die maximal erreichbare Temperatur gebracht wird.
  • Eine wesentliche Einflussgröße für den maximal erreichbaren Umsatz am Partikelfilter (Ruß-Abbrand) stellt die Filtertemperatur dar. Die Filtertemperatur T1 wird bestimmt von der Abgastemperatur T2 und vom Massendurchsatz durch den Partikelfilter, von der Wärmeabfuhr an der Oberfläche des Systems und von der Energiezufuhr durch externe Quellen (Heizung).
  • Liegt die Abgastemperatur T2 niedriger als die Filtertemperatur T1 und ist T1 ca. 420°C–440°C soll der Massendurchsatz durch das Filtersystem deutlich reduziert werden, damit die Auskühlung des Partikelfilters minimiert wird. Durch die Anwendung dieser Maßnahme insbesondere in den Schub- und Leerlaufphasen (Stadtverkehr), in denen der Motor kein bzw. wenig NOx für den Rußabbrand zur Verfügung stellt und die Abgastemperatur T2 sehr niedrig ist, kann dadurch die mittlere Filtertemperatur T1 deutlich angehoben werden.
  • Der Abgasmassenstrom durch das Partikelfilter und damit die Abkühlung des Filters kann in bestimmten Betriebsphasen ( Schub, Leerlauf, Schwachlast) durch die nachfolgenden Einstellungen minimiert werden. Diese Maßnahmen können jeweils einzeln oder in Kombination mit mehreren Maßnahmen angewandt werden.
    • • Schließen einer Drosselklappe 8 im Abgasstrang 7 und/oder einer Drosselklappe 9 in der Ladeluftleitung 10 im Leerlauf. Wahlweise kann zusätzlich ein Abgasrückführventil 11 geöffnet werden. Die Drosselklappe 8 kann auch vor der Abgasturbine 5 angeordnet sein.
    • • Öffnen des Abgasrückführventils 11 und/oder eines zusätzlichen Ventils 12 in der Abgasrückführleitung 13 im Schubbetrieb. Wahlweise kann zusätzlich die Drosselklappe 8, im Abgasstrang 7 und/oder die Drosselklappe 9 in der Ladeluftleitung 10 geschlossen werden. Die Abgasrückführleitung 13 zweigt in Strömungsrichtung gesehen immer vor der Drosselklappe 8 ab.
    • • Alle Stellglieder (Drosselklappen 8, 9 und AGR-Ventile 11, 12) können gesteuert (auf/zu) oder mit entsprechender Ausrüstung geregelt (geschlossener Regelkreis) ausgeführt werden.
    • • Kurzzeitige Umgehung des Partikelfilters durch entsprechend konstruktive Ausführung, beispielsweise eine Bypassleitung 6a,
    • • Optional kann das Partikelfilter isoliert sein und in den Phasen von deutlich reduziertem Abgasdurchsatz extern beheizt werden.
    • • Das erhöhte Bremsmoment durch die geschlossene Abgasklappe 8 im Schubbetrieb, kann durch Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge im Schubbetrieb wieder kompensiert werden, was zu einer Anhebung der Filtertemperatur T1 führt.
  • Die Steuerungdesgesamten Ablaufes erfolgt durch ein Steuergerät 14 (ECU), wobei die oben genannten Einstellungen entweder in bestimmten Betriebszuständen und/oder durch die aktuellen Temperaturen T2 und T1 (z. B. T2 < T1 und T1 < 400°C) und den Massendurchsatz aktiviert werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters, bei dem der Partikelfilter in Kombination mit einem Oxidationskatalysator (CRT) im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei der Abbrand der Rußpartikel mit dem im Oxidationskatalysator gebildeten NO2 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung des Partikelfilters kontinuierlich erfolgt, derart, daß fortlaufend eine Rußbilanz erstellt wird, daß im Falle einer sich positiv entwickelnden Rußbilanz durch Maßnahmen an der Brennkraftmaschine und/oder Gegenmaßnahmen am Partikelfilter die Rußbilanz wieder negativ eingestellt wird, daß zur Erstellung der Rußbilanz über die Bestimmung der Rußmengen in der Brennkraftmaschine wie folgt verfahren wird: 1.1 es wird zunächst an einer mit dem Fahrzeugmotor identischen Referenzkraftmaschine die gebildete Rußmenge als Funktion von Betriebsparametern wie Drehzahl, Einspritzmenge, Luftmenge, Spritzbeginn ermittelt und als Kennfeld in einem Steuergerät (14) (ECU) abgelegt 1.2 im Fahrbetrieb werden die aktuellen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und mit Hilfe des Kennfeldes die gerade anfallende Rußmenge ermittelt, wobei die Menge des abgebrannten Rußes im Partikelfilter vorrangig aus dem Einfluß der Temperatur der Filteroberfläche, ferner des NO-Gehaltes des Abgases und Oxikatdaten über das Steuergerät (14) ermittelt wird, 1.3 bei Feststellung einer positiven Rußbilanz wird der Partikelfilter sofort durch Maßnahmen an der Brennkraftmaschine zur Reduzierung des Rußes, evtl. Erhöhung des NOx-Gehaltes, und Gegenmaßnahmen in Form eines Temperaturmanagements in einen regenerierenden Betrieb versetzt. 2 wobei das Temperaturmanagement folgende Merkmale umfaßt: 2.1 Schließen einer Drosselklappe (8) im Abgasstrang und/oder einer Drosselklappe (9) in der Ladeluftleitung (10) im Leerlauf, wahlweise kann zusätzlich ein Abgasrückfürventil (11) geöffnet werden, 2.2 Öffnen des Abgasrückführventils (11) und/oder eines zusätzlichen Ventils (12) in der Abgasrückführleitung im Schubbetrieb, wahlweise kann zusätzlich die Drosselklappe (8) im Abgasrohr (7) und/oder die Drosselklappe (9) in der Ladeluftleitung (10) geschlossen werden, 2.3 Öffnen des Abgasrückführventils 11 und/oder des zusätzlichen Ventils 12 in der Abgasrückführleitung in bestimmten Bereichen des Motorkennfeldes im befeuerten Bereich, 2.4 alle Stellglieder (Drosselklappen 8, 9 und AGR-Ventile 11, 12) können gesteuert (auf/zu) oder mit entsprechender Ausrüstung geregelt (geschlossener Regelkreis) ausgeführt werden, 2.5 kurzzeitige Umgehung des Filtersystems durch entsprechend konstruktive Ausführung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter isoliert ist.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter in Phasen von deutlich reduziertem Abgasdurchsatz extern beheizt wird.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erhöhte Bremsmoment infolge der geschlossenen Drosselklappe (8) im Abgasstrang im Schubbetrieb durch Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge im Schubbetrieb wieder kompensiert werden kann, was zu einer Anhebung der Filtertemperatur führt.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Phasen in denen der Abgasdurchsatz durch die AGR-Ventile 11, 12 und/oder die Drosselklappen 8, 9 reduziert ist optional das CRT-System 6 über eine Bypaßleitung 6a umgangen wird.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anhebung der Temperatur des CRT-Systems 6 die Ansauglufttemperatur unter bestimmten Betriebsbedingungen durch eine Umgehung des Ladeluftkühlers 3 und/oder eine externe Beheizung angehoben wird.
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