DE102005046830A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter, in dem bei der Kraftstoffverbrennung entstehende, im wesentlichen graphitisierte Rußpartikel zur Abgasreinigung gesammelt werden, wobei an die sich bildende Rußpartikelschicht durch entsprechende Änderung der Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine unvollständig graphitisierte Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550 DEG C angelagert werden und zum Regenerieren des Partikelfilters zyklisch ein Abbrennen der Rußpartikel durch Zünden mittels Temperaturerhöhung auf Zündtemperatur der unvollständig graphitisierten Rußpartikel initiiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter.
  • Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen in Form von Dieselmotoren oder Ottomotoren mit Direkteinspritzung enthält das Abgas auch Partikel im wesentlichen in Form von graphitisiertem Ruß. Es ist bekannt, diese Partikel im wesentlichen mittels eines Partikelfilters herauszufiltern. Bekannte Dieselpartikelfilter führen zu einer Reduzierung der Partikelemission um bis zu 90%. Da allerdings die Beladungsmenge an Partikeln im Filter begrenzt ist, müssen diese in bestimmten Abständen regeneriert werden.
  • Diese Regeneration kann bei relativ niedriger Temperatur katalytisch durch Zusatz von Additiven in Form von sauerstoffabgebenden Metallkomplexen (etwa Cer-/Platin- oder auch Eisenorganyle) erfolgen, die allerdings zu einer Aschenbildung im Filter führen. Damit die Ascherückstände nicht an die Umwelt abgegeben werden, muß die Filteroberfläche und damit der gesamte Filter entsprechend groß sein, um auch mit zunefimender Aschebeladung noch genügend freie Filterfläche zur Verfügung zu stellen.
    •
  • Weiter ist es bekannt, die Regeneration thermisch vorzunehmen, indem die im Filter angesammelten Partikel bei einer Temperatur von über 600°C durch im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Sauerstoff oxidiert werden, beispielsweise über einen Zeitraum von ca. 15 min bei 650°C. Um eine sichere thermische Regeneration unter allen Fahrbedingungen zu gewährleisten, muß diese Regenerationstemperatur am Filter im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine darstellbar sein, abgesehen davon, daß sich eine entsprechende Temperaturbelastung etwa eines Turboladers oder eines dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysators als auch ein Anstieg des Kraftstoffverbrauchs ergibt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zu schaffen, das es ermöglicht, ohne Additive eine Regeneration des Partikelfilters bei relativ niedriger Temperatur durchzuführen.
    •
  • Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dementsprechend ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter vorgesehen, in dem bei der Kraftstoffverbrennung entstehende, im wesentlichen graphitisierte Rußpartikel zur Abgasreinigung gesammelt werden, wobei an die sich bildende Rußpartikelschicht durch entsprechende Änderung der Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine unvollständig graphitisierte Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C angelagert werden und zum Regenerieren des Partikelfilters zyklisch ein Abbrennen der Rußpartikel durch Zünden mittels Temperaturerhöhung auf Zündtemperatur der unvollständig graphitisierten Rußpartikel initiiert wird.
  • Unvollständig graphitisierte Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C haben eine amorphe Struktur und enthalten noch Wasserstoffatome aus der Kohlenwasserstoffkette des Kraftstoffs, d.h. reaktive Komponenten wie H2 oder HC-. Sie werden durch Änderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine erzeugt, indem die innermotorische Prozeßführung geändert wird, indem motorische Parameter wie Anpassung des Luftpfades, etwa Androsselung der Luftmasse (etwa durch Verstellung des Abgasrückführungsventils, der Drosselklappe, der Turbinengeometrie des Turboladers) und/oder Einspritzzeitpunkte und -mengen (etwa über Mehrfacheinspritzung, Nacheinspritzung, Einspritzung ins Abgas) beeinflußt werden, so daß sich eine entsprechende, bei niedriger Temperatur zündende Partikelphase ergibt, die durch eine entsprechend verlangsamte bzw. verschleppte innermotorische Verbrennung bewirkt wird.
  • Der Betrieb der Brennkraftmaschine kann dementsprechend in vier Phasen erfolgen, nämlich der normalen Betriebsphase mit überstöchiometrischer Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine, gefolgt von einer nachfolgenden kurzzeitigen Betriebsphase zur Erzeugung der hochreaktiven Partikelphase, einer Betriebsphase mit erhöhter Abgastemperatur und einer Abbrandphase bei überstöchiometrischer Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine, die nach dem Abbrand in der ersten Phase mündet.
  • Zur Bildung einer hochreaktiven Partikelphase ist es zweckmäßig, wenn die Verbrennung mit λ < 1 vorgenommen wird, während bei dem normalerweise vorgesehenen Betriebszustand mit λ > 1 nur praktisch vollständig graphitisierter Ruß erzeugt wird. Die unterstöchiometrische Verbrennung mit λ < 1 wird beispielsweise durch Änderung der innermotorischen Verbrennungsprozeßführung bewirkt. Zum Zünden ist ein entsprechender Sauerstoffüberschuß entweder über das Abgas der Brennkraftmaschine oder über eine separate Quelle, z.B. Sekundärluftzufuhr, bereit zu stellen. Diese Partikelphase liefert aufgrund der unvollständigen Graphitisierung die Energie für den Abbrand der im Partikelfilter angesammelten, im wesentlichen graphitisierten Rußpartikel liefert. Hierdurch wird nicht nur die Temperaturbelastung erniedrigt, sondern auch der Kraftstoffmehrverbrauch zur Regeneration, der auf mehr als die Hälfte gegenüber thermischer Regeneration gesenkt werden kann, gesenkt und kein Additiv benötigt.
  • Der motorische Betrieb der Brennkraftmaschine kann bereits während der Regenerationsphase vor Ende einer vollständigen Regeneration in den normalen Betriebszustand mit überstöchiometrischer bzw. stöchiometrischer Verbrennung des Kraftstoffs zurückgeführt werden, da die Regeneration nach Zündung der hochreaktiven Partikelphase selbständig praktisch bis zur im wesentlichen vollständigen Entleerung des Partikelfilters weiterläuft. Üblicherweise liegt der Regenerationsbetrieb für den Partikelfilter im Bereich weniger Sekunden.
  • Bei entsprechend ausreichendem Sauerstoffgehalt ergeben sich im allgemeinen bei einem Sprung vom Fettbetrieb (unterstöchiometrische Verbrennung) zum Magerbetrieb (überstöchiometrische Verbrennung) hohe lokale Temperaturen durch Zünden der hochreaktiven Phase, die die umliegenden, im wesentlichen graphitisierten Rußpartikel auf ihre Zündtemperatur bringen und somit einen effektiven Abbrand der Partikel im Partikelfilter ermöglichen.
  • Die hochreaktive Partikelphase benötigt aber nicht unbedingt eine unterstöchiometrische Verbrennung zu ihrer Erzeugung, sondern kann auch durch verschleppte Verbrennung durch Änderung der Einspritzzeitpunkte und -mengen (etwa über Nach- bzw. Mehrfacheinspritzung) gegebenenfalls in Kombination mit unterstöchiometrischer Verbrennung erzeugt werden.
  • Durch Einstellung des Massenverhältnisses von hochreaktiver Partikelphase zu im wesentlichen graphitisiertem Ruß im Partikelfilter, die zweckmäßigerweise in abwechselnden Schichten eingelagert werden, und durch Einstellung der einzelnen Schichtdicken kann die Abbrandgeschwindigkeit sowie die Vollständigkeit des Abbrands beeinflußt werden. Beide Parameter werden durch die Frequenz der Einbringung und die Dauer der hochreaktiven Partikelphase beeinflußt. Diese Parameter lassen sich einerseits modellhaft in einer Motorsteuerung darstellen und regeln oder andererseits über eine geeignete Sensortechnik, beispielsweise Druck- oder Lambdasensoren, regeln.
  • Die bevorzugt angestrebte Schichtstruktur der im Partikelfilter gesammelten Partikel wird durch intervallartiges Umschalten auf unterstöchiometrische und/oder verschleppte Verbrennung erzeugt. – Jedoch kann auch quasikontinuierlich abgebrannt werden, indem während bzw. nach jedem Intervall, in dem die hochreaktive Partikelphase erzeugt wird, für eine entsprechende Sauerstoffzufuhr gesorgt wird, die zum Zünden der hochreaktiven Partikelphase führt.
  • Eine Steuerung der unterschiedlichen Betriebsintervalle zum Aufbau der Schichtstruktur hängt im Detail vom jeweiligen Motor, dem Brennverfahren im Normalbetrieb und der jeweiligen Betriebsphase des zugehörigen Fahrzeugs ab. Im Fahrbetrieb kann die jeweilige Strategie über Kennfelder, geeignete Sensoren und Überwachen der Betriebsarten bzw. Simulationsmodelle gesteuert bzw. der jeweiligen Betriebsart angepaßt werden, um einen möglichst geringen Schadstoffausstoß zu erreichen.
  • Zwar führt die Bildung der reaktiven Partikelphase zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, dieser wird jedoch überkompensiert durch den sehr geringen Kraftstoffverbrauch während des Zündens und Abbrennens der im Partikelfilter gesammelten Partikel, da nicht das gesamte Abgas zum Zünden aufgeheizt werden muß, sondern die Energie zum Abbrennen der im wesentlichen graphitisierten Rußteilchen von der hochreaktiven Partikelphase geliefert wird.
  • Gegebenenfalls kann ein NOx-Adsorptionskatalysator dem Partikelfilter nachgeschaltet sein, wobei der Abbrand des Partikelfilterinhalts über die Sauerstoffzufuhr so gesteuert wird, daß beide nicht zu hohen Temperaturen ausgesetzt, aber sicher regeneriert werden. Auch andere Katalysatoren wie Oxi-KAT oder 3-Wege-Katalysatoren lassen sich entsprechend dem in der Brennkraftmaschine verwendeten Brennverfahren mit dem Partikelfilter kombinieren.
  • 1 zeigt zwei Diagramme, in denen Lambda bzw. die Temperatur im Filter gegenüber der Zeit aufgetragen ist. Wie sich aus dem Lambda-Zeit-Diagramm dieses Ausführungsbeispiels ergibt, wird in regelmäßigen Intervallen (kurzzeitig, beispielsweise im Bereich weniger Sekunden (z.B. zwischen 1 bis 10 s) gegenüber den dazwischen liegenden Normalbetriebsintervallen, Fettzeit t2 << Magerzeit t1) von einem Normalbetrieb mit λ > 1 (=1,6) (Magerbetrieb) kurzzeitig auf einen Betrieb mit λ < 1 (=0,9) (Fettbetrieb) umgeschaltet. Im Fettbetrieb wird die Temperatur im Filter von unter etwa 300°C bis auf etwas über 500°C nach dem Ende des Intervalls erhöht und bei entsprechender Sauerstoffzufuhr nach Zurückschalten vom Fett- auf Magerbetrieb erhöht, wodurch sich jeweils ein effektiver und damit quasikontinuierlicher Partikelabbrand im Partikelfilter ergibt. Hierdurch kann erreicht werden, daß die maximale Partikelbeladung des Partikelfilters ein extrem niedriges Niveau nicht überschreitet.
  • 2 zeigt beispielhaft anhand eines Diagramms die Abhängigkeit der Partikelbeladung im Partikelfilter nach definierter, konstanter Beladungsdauer gegenüber der Zunahme der Fettzeit bei konstanter Magerzeit im Mager/Fett-Zyklus. Hieraus ist entnehmbar, daß bei einem höheren Anteil von reaktiver Partikelphase im Partikelfilter die Gesamtpartikelmasse im Partikelfilter abnimmt und somit eine Verbesserung des Abbrandverhaltens erreicht werden kann.
  • Wird die Temperatur im Partikelfilter nicht während oder nach jedem Fettbetrieb erhöht, wird die Partikelbeladung mit jedem Intervall ansteigen. Dann kann das Abbrennen in vorgegebenen Zeitabständen vorgenommen werden. Wird jedoch während eines solchen Zeitintervalls eine vorgegebene Grenzbeladung detektiert, kann das Abbrennen initiiert werden und das Zeitintervall hiertür verkürzt und/oder die Phasen t2 des Fettbetriebs verlängert werden und/oder durch Erhöhung der Kraftstoffeinspritzmenge während des Fettbetriebs erfolgen.
  • Da die hochreaktive Partikelphase nur benötigt wird, um durch ihre Zündung die im wesentlichen graphitisierten Rußpartikel zu zünden, genügt hierzu eine relativ geringe Menge von etwa 0,5 Gew.-% hochreaktiver Partikelphase bezogen auf die Gesamtrußmenge. Es wird jedoch eine Menge von etwa 1 Gew.%, insbesondere mehr als 2 Gew.-% hochreaktiver Partikelphase bezogen auf die Gesamtrußmenge bevorzugt.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter, in dem bei der Kraftstoffverbrennung entstehende, im wesentlichen graphitisierte Rußpartikel zur Abgasreinigung gesammelt werden, wobei an die sich bildende Rußpartikelschicht durch entsprechende Änderung der Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine unvollständig graphitisierte Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C angelagert werden und zum Regenerieren des Partikelfilters zyklisch ein Abbrennen der Rußpartikel durch Zünden mittels Temperaturerhöhung auf Zündtemperatur der unvollständig graphitisierten Rußpartikel initiiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffüberschuß zum Initiieren des Zündens bereit gestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffüberschuß zum Initiieren des Zündens durch das Abgas der Brennkraftmaschine geliefert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffüberschuß zum Initiieren des Zündens durch eine separate Sauerstoffquelle geliefert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unvollständig graphitisierten Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C in abwechselnden Schichten in die im wesentlichen graphitisierten Rußpartikel eingelagert werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd eine Schicht aus im wesentlichen graphitisierten Rußpartikeln und eine Schicht aus unvollständig graphitisierten Rußpartikeln mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C erzeugt werden und anschließend die Zündung initiiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unvollständig graphitisierten Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C durch Umschalten des Betriebs der Brennkraftmaschine von einer überstöchiometrischen Verbrennung auf eine unterstöchiometrische Verbrennung erzeugt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unvollständig graphitisierten Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C durch Umschalten des Betriebs der Brennkraftmaschine auf eine verschleppte Verbrennung erzeugt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unvollständig graphitisierten Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C durch intervallartig vorgenommenes kurzzeitiges Umschalten des Betriebs der Brennkraftmaschine auf die unterstöchiometrische Verbrennung im Bereich weniger Sekunden erzeugt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die unvollständig graphitisierten Rußpartikel mit einer Zündtemperatur etwa zwischen 300 und 550°C in einer Menge von etwa 0,5 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1 Gew.-% und insbesondere mehr als 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtrußmenge erzeugt werden.
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