DE102006010095A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration einer Abgasreinigungsanlage - Google Patents

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Stefan Forthmann
Werner Christl
Carsten Becker
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Tobias Pfister
Christian Post
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters in einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei Verbrennungszuluft über einen Verbrennungszuluftkanal mit einer Drosselklappe zugeführt wird und wobei Abgas in einem Abgaskanal über eine Abgasrückführung und/oder eine Niederdruck-Abgasrückführung rückgeführt wird, über die dem Verbrennungszuluftkanal Abgas zugeführt werden kann. Werden die Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung in einer vordefinierten Reihenfolge vorgenommen, kann erreicht werden, dass der Partikelfilter vor Schäden durch Überhitzung geschützt wird und gleichzeitig der Fahrkomfort nicht beeinträchtigt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters in einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei Verbrennungszuluft über einen Verbrennungszuluftkanal mit einer Drosselklappe zugeführt wird und wobei Abgas in einem Abgaskanal über eine Abgasrückführung und/oder eine Niederdruck-Abgasrückführung rückgeführt wird, über die dem Verbrennungszuluftkanal Abgas zugeführt werden kann.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei in einem Verbrennungszuluftkanal der Brennkraftmaschine eine Drosselklappe angeordnet ist und wobei in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung und/oder eine Niederdruck- Abgasrückführung angeordnet sind, die mit dem Verbrennungszuluftkanal verbunden sind.
  • Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln aus dem Abgas insbesondere von Diesel-Brennkraftmaschinen sind seit einigen Jahren im Einsatz. Die Rußpartikel werden dabei auf einer Filteroberfläche, zum Teil auch in einer Filterstruktur, abgeschieden. Partikelfilter weisen eine begrenzte Speicherfähigkeit auf und müssen zur Wiederherstellung der Reinigungswirkung regeneriert werden. Bei Russpartikelfiltern geschieht dies durch eine Erhöhung der Abgastemperatur auf typischerweise 600°C bis 650°C. Dies kann durch Maßnahmen in der Gemischaufbereitung des Motors oder durch nachmotorische Maßnahmen erfolgen. Es wird eine exotherme Reaktion angestoßen, die einen Abbrand der Rußpartikel bewirkt und innerhalb einiger Minuten den Partikelfilter regeneriert. Eine erhöhte Sauerstoffkonzentration im Abgas beschleunigt den Abbrand und führt zu einer Temperaturerhöhung, die gegebenenfalls auch nur Teile des Partikelfilters betreffen kann. Ein vermindertes Abgasvolumen führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Temperatur im Partikelfilter und beschleunigt den Abbrand, kann aber auch zu lokalen Temperaturüberhöhungen führen. Eine hohe Materialbelastung des Partikelfilters kann entstehen, wenn bei einem laufenden Regenerationsvor gang das Abgasvolumen stark verringert wird oder wenn zusätzlich ein hoher Sauerstoff-Anteil im Abgas auftritt wie bei einem Halt an einer Ampel nach vorausgehender schneller Fahrt. Auch im Schubbetrieb tritt ein erhöhter Sauerstoffgehalt im Abgas auf. Die in diesen kritischen Betriebszuständen auftretenden hohen Temperaturen können kostengünstigere aber thermisch weniger belastbare Filtermaterialien wie Sintermetall oder Cordierit und auch katalytische Beschichtungen von Partikelfiltern schädigen, die dazu vorgesehen sind, die zur Regeneration erforderliche Temperatur zu senken.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird zur Verringerung des Sauerstoffgehalts im Abgas mittels einer Drosselklappe im Zuluftkanal der Brennkraftmaschine der Querschnitt des Zuluftkanals verringert. Die Drosselklappe wird bei den am Markt vorhandenen Systemen jedoch nicht vollständig geschlossen.
  • Die EP 1364110 B1 beschreibt ein Verfahren zur Vermeidung der Überhitzung eines Partikelfilters, bei dem aus Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems eine Kenngröße ermittelt wird, die eine Aussage über die zu erwartende Intensität der Reaktion im Abgasnachbehandlungssystem zulässt. Überschreitet die Kenngröße einen vorbestimmten Schwellwert, werden Maßnahmen zur Verringerung der Intensität der Reaktion eingeleitet. Als Maßnahmen sind eine Verringerung der Zuluftmenge und/oder eine zusätzliche Zumessung von Kraftstoff und/oder eine Erhöhung einer Abgasrückführrate. Es wird erwähnt, dass zur Verringerung der Zuluftmenge die Drossel geschlossen oder zumindest teilweise geschlossen werden kann. Eine vorteilhafte Abfolge der Maßnahmen oder ein gleichzeitiges Schließen der Drosselklappe und Öffnen der Abgasrückführung werden jedoch nicht beschrieben.
  • Aus der unveröffentlichten DE 10 2004 048135 ist es bekannt, zur Beschleunigung des Abbrands bei der Regeneration eines Partikelfilters dem Abgas Sauerstoff beizumengen und zur Verlangsamung des Abbrands Stickstoff beizumengen. Der Sauerstoff und der Stickstoff werden aus der Umgebungsluft mit Hilfe einer Luftzerlegungsvorrichtung wie beispielsweise einer für Sauerstoffmoleküle durchlässige Membran erzeugt. Hierzu muss die Zuluft in einer Kompressionsstufe auf einen für eine ausreichende Durchtrittsmenge erforderlichen Gasdruck gebracht werden. Dies erfordert einen einem sparsamen Betrieb der Brennkraftmaschine entgegenwirkenden zusätzlichen Energieverbrauch.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das eine Verringerung des Sauerstoffgehalts im Abgas zum Schutz eines Partikelfilters ermöglicht und dabei keine für den Fahrzeugführer nachteilig bemerkbaren Wirkungen aufweist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung in einer vordefinierten Reihenfolge vorgenommen werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Partikelfilter vor Schäden durch Überhitzung geschützt wird und gleichzeitig der Fahrkomfort nicht beeinträchtigt wird. Durch ein Schließen der Drosselklappe wird ein Ansaug-Unterdruck der Brennkraftmaschine bewirkt, der durch Öffnen der Abgasrückführung ausgeglichen wird. Insbesondere kann durch eine abgestimmte Abfolge der Eingriffe an der Drosselklappe und der Abgasrückführung erreicht werden, dass der Eingriff drehmomentneutral erfolgt und auch akustisch nicht wahrnehmbar ist. Die durch das Verfahren ermöglichte Steuerung des Regenerationsvorgangs des Partikelfilters erlaubt den Einsatz kostengünstiger Werkstoffe wie Sintermetall und Cordierit für den Partikelfilter.
  • Werden die Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung so vorgenommen, dass zur Verringerung der Sauerstoffzufuhr im ersten Schritt die Abgasrückführung und/oder die Niederdruck-Abgasrückführung geöffnet werden und im zweiten Schritt die Drosselklappe geschlossen wird, kann erreicht werden, dass beim Übergang in einen Betriebszustand mit sauerstoffreichem Abgas wie den Schubbetrieb der Regenerationsvorgang des Partikelfilters wirksam verlangsamt wird, ohne dass der Fahrkomfort verringert wird. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann es dabei ausreichen, wenn die Drosselklappe nicht vollständig geschlossen wird.
  • Werden die Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung so vorgenommen, dass zur Vergrößerung der Sauerstoffzufuhr im ersten Schritt die Drosselklappe geöffnet wird und im zweiten Schritt die Abgasrückführung und/oder die Niederdruck-Abgasrückführung bis zu einem vordefinierten Wert geschlossen werden, kann erreicht werden, dass beim Übergang zum Normalbetrieb der Regenerationsvorgang fortgesetzt wird und das vom Fahrzeugführer angeforderte Drehmoment zur Verfügung gestellt wird. Hierbei wird die Abgasrückführung und/oder die Niederdrück-Abgasrückführung bis auf den Wert geschlossen, wie er dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine bei den aktuellen Betriebsparametern entspricht.
  • Eine den Fahrkomfort besonders hoch erhaltende Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung in mehreren Verfahrenszyklen vorgenommen werden. Durch das schrittweise Vorgehen, bei dem beispielsweise die Drosselklappe um einen bestimmten Betrag geschlossen und die Abgasrückführung um einen Betrag geöffnet wird, kann die in diesem Verfahrensschritt bewirkte Änderung unmerklich für den Fahrzeugführer gestaltet werden. Im nächsten Schritt wird dann die Drosselklappe um einen weitern Betrag geschlossen und die Abgasrückführung etwas weiter geöffnet. Dies wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Stellung von Drosselklappe und Abgasrückführung erreicht sind.
  • Ein ruckfreier Übergang zwischen verschiedenen Betriebsfällen der Brennkraftmaschine kann erreicht werden, indem Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck- Abgasrückführung drehmomentneutral vorgenommen werden. Hierzu werden die Verstellschritte von Drosselklappe und Abgasrückführung über in einer Ablaufsteuerung abgelegte Datensätze aufeinander abgestimmt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Öffnungs- und Schließ-Vorgänge der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung entlang von vorgegebenen Trajektorien verlaufen.
  • Wird zusätzlich zu einer oder mehrerer der vorgenannten Maßnahmen beim Öffnen der Niederdruck-Abgasrückführung eine Abgasklappe geschlossen, kann das Zuluft- und Abgassystem der Brennkraftmaschine vollständig von der Umgebung getrennt und somit besonders wirksam vom Zutritt von Sauerstoff geschützt werden.
  • Ist zur Steuerung der Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung in einer vordefinierten Reihenfolge eine Ablaufsteuerung vorgesehen, die zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der Verfahrensansprüche ausgebildet ist, kann auf kostengünstige und wirksame Weise der Partikelfilter vor Schäden durch Überhitzung geschützt werden, ohne dass zusätzliche kostenaufwändige Vorrichtungen vorgesehen werden müssten. Die Ablaufsteuerung kann gegebenenfalls als Programmablauf in einer vorhandenen Motorsteuerung verwirklicht sein.
    •
  • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung,
  • 2 die Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung,
  • 3 ein Ablaufdiagramm für eine Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Verbrennungsluftzufuhrkanal 11 und einem Abgaskanal 12. In dem Verbrennungsluftzufuhrkanal 11 sind eine Drosselklappe 22 und eine Kompressionsstufe 14 vorgesehen, die einen Zuluftstrom 15 hinsichtlich Menge und Ladedruck auf die für einen momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 gewünschten Werte bringen. Zwischen dem Abgaskanal 12 und dem Verbrennungsluftzufuhrkanal 11 ist eine Abgasrückführung 21 angeordnet. Die Drosselklappe 22 und die Abgasrückführung 21 werden von einer Ablaufsteuerung 20 angesteuert. In dem Abgaskanal 12 der Brennkraftmaschine 10 ist eine Abgasturbine 13 angeordnet, die mechanisch mit der Kompressionsstufe 14 gekoppelt ist und mit ihr einen Abgasturbolader bildet. Der Abgasturbine 13 im Abgaskanal 12 nachgeordnet ist eine Abgasreinigungsanlage 30 mit einem Oxydationskatalysator 31 und einem Partikelfilter 32 vorgesehen, die einen Abgasstrom 33 reinigen.
  • Erfindungsgemäß kann die Zufuhr von Sauerstoff zur Steuerung einer Regeneration des Partikelfilters 32 dadurch vermindert werden, dass die Drosselklappe 22 den Querschnitt des Verbrennungsluftzufuhrkanals 11 vermindert. Bei zunehmender Verminderung des Querschnitts des Verbrennungsluftzuführkanals 11 wird die Abgasrückführung 21 geöffnet, wodurch im Vergleich zum Zuluftstrom 15 weniger sauerstoffreiches Abgas in den Verbrennungsluftzufuhrkanal 11 gelangt. Durch ein mittels der Ablaufsteuerung 20 abgestimmtes Schließen der Drosselklappe 22 und Öffnen der Abgasrückführung 21 gelingt es, die Drosselklappe 22 ganz zu schließen, ohne dass dadurch Drehmomentänderungen oder akustische Auffälligkeiten entstehen. Bei vollständig geschlossener Drosselklappe 22 wird dem System kein weiterer Sauerstoff zugeführt und der Sauerstoffge halt des Abgasstroms 33 nimmt stetig ab, wodurch der Abbrand von Ruß im Partikelfilter wirksam verlangsamt werden kann.
  • 2 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, in deren Abgaskanal 12 zusätzlich zu der in 1 dargestellten Anordnung eine Abgasklappe 24 vorgesehen ist. Weiterhin ist zwischen dem Abgaskanal 12 und dem Verbrennungsluftzufuhrkanal 11 zusätzlich eine Niederdruck-Abgasrückführung 23 vorgesehen. Die Abgasklappe 24 und die Niederdruck-Abgasrückführung 23 können im Abgaskanal 12 auch in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter 32 angeordnet sein. Die Ablaufsteuerung 20 ist zusätzlich zu der in 1 dargestellten Anordnung mit der Niederdruck-Abgasrückführung 23 und der Abgasklappe 24 verbunden.
  • Mit der Drosselklappe 22 und der Abgasklappe 24 kann das System vollständig gegenüber der Umgebung abgesperrt werden. Die Ablaufsteuerung 20 sorgt dafür, dass beispielsweise ein unerwünscht hoher Abgasgegendruck vermieden wird, der zu einer Bremswirkung oder einem Stillstand der Brennkraftmaschine 10 führen könnte, indem die Abgasklappe 24 zeitgleich oder verzögert zum Schließen der Drosselklappe 22 geschlossen wird.
  • 3 zeigt ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Steuerung einer Regeneration für den Betriebsfall eines Schubbetriebs. Für andere Betriebsfälle, bei denen durch Reduktion der Sauerstoffzufuhr die Geschwindigkeit des Abbrandes gesteuert werden soll, kann das Ablaufdiagramm sinngemäß angewendet werden. Nach einem Start 40 des Ablaufschemas erfolgt ein Entscheid Schubbetrieb 41, bei dem geprüft wird, ob ein Schubbetrieb vorliegt. Im Negativfall folgt der Ablauf einem Ast kein Schubbetrieb 42, der zu einem Entscheid Schubbetriebs-Beginn 43 führt. Im Negativfall wird über einen Ast kein Schubbetriebs-Beginn 44 der Entscheid Schubbetrieb 41 erreicht. Im Positivfall wird vom Entscheid Schubbetriebs-Beginn 43 aus über einen Ast Schubbetriebs-Beginn 45 eine Aktion Abgasrückführung öffnen 46 erreicht, der eine Aktion Drosselklappe schließen 47 folgt. Von der Aktion Drosselklappe schließen 47 gelangt der Ablauf zum Entscheid Schubbetrieb 41.
  • Hat der Entscheid Schubbetrieb 41 ein positives Ergebnis, gelangt der Ablauf über einen Ast Schubbetrieb 50 zu einem Entscheid Schubbetriebs-Ende 51. Ist das Ergebnis des Entscheids Schubbetriebs-Ende 51 negativ, wird über den Ast kein Schubbetriebs-Ende 52 der Entscheid Schubbetrieb 41 erreicht. Hat der Entscheid Schubbetriebs-Ende 51 ein positives Ergebnis, gelangt der Ablauf über einen Ast Schubbetriebs-Ende 53 zu einer Aktion Drosselklappe öffnen 54 und von dort zu einer Aktion Abgasrückführung schließen 55. Von der Aktion Abgasrückführung schließen 55 gelangt der Ablauf zurück zum Entscheid Schubbetrieb 41.
  • Dieser beschriebene Ablauf bewirkt, dass bei einem Übergang vom Normalbetrieb in den Schubbetrieb dies vom Entscheid Schubbetriebs-Beginn 43 erkannt wird und zunächst die Aktion Abgasrückführung öffnen 46 und dann die Aktion Drosselklappe schließen 47 erfolgt. Hierbei können beide Aktionen 46, 47 abgestuft in mehreren Durchläufen des Ablaufschemas erfolgen, so dass ein für einen Fahrzeugführer unmerklicher Übergang erfolgt. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, die Drosselklappe vollständig zu schließen.
  • Weiterhin bewirkt der Ablauf, dass bei einem Übergang vom Schubbetrieb in den Normalbetrieb der Entscheid Schubbetriebs-Ende 51 dies erkennt und zunächst die Aktion Drosselklappe öffnen 54 und dann die Aktion Abgasrückführung schließen 55 erfolgt. Auch in diesem Fall können beide Aktionen 54, 55 abgestuft in mehreren Durchläufen des Ablaufschemas vorzugsweise entlang geeigneter Trajektorien erfolgen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (32) in einer Abgasreinigungsanlage (30) einer Brennkraftmaschine (10), wobei Verbrennungszuluft über einen Verbrennungszuluftkanal (11) mit einer Drosselklappe (22) zugeführt wird und wobei Abgas in einem Abgaskanal (12) über eine Abgasrückführung (21) und/oder eine Niederdruck-Abgasrückführung (23) rückgeführt wird, über die dem Verbrennungszuluftkanal (11) Abgas zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffe der Drosselklappe (22) und der Abgasrückführung (21) und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung (23) in einer vordefinierten Reihenfolge vorgenommen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eingriffe der Drosselklappe (22) und der Abgasrückführung (21) und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung (23) so vorgenommen werden, dass zur Verringerung der Sauerstoffzufuhr im ersten Schritt die Abgasrückführung (21) und/oder die Niederdruck-Abgasrückführung (23) geöffnet werden und im zweiten Schritt die Drosselklappe (22) geschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eingriffe der Drosselklappe (22) und der Abgasrückführung (21) und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung (23) so vorgenommen werden, dass zur Vergrößerung der Sauerstoffzufuhr im ersten Schritt die Drosselklappe (22) geöffnet wird und im zweiten Schritt die Abgasrückführung (21) und/oder die Niederdruck-Abgasrückführung (23) bis zu einem vordefinierten Wert geschlossen werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Eingriffe der Drosselklappe (22) und der Abgasrückführung (21) und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung (23) in mehreren Verfahrenszyklen vorgenommen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Eingriffe der Drosselklappe (22) und der Abgasrückführung (21) und/oder der Niederdrück-Abgasrückführung (23) drehmomentneutral vorgenommen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungs- und Schließ-Vorgänge der Drosselklappe (22) und der Abgasrückführung (21) und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung (23) entlang von vorgegebenen Trajektorien verlaufen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einer oder mehrerer der vorgenannten Maßnahmen beim Öffnen der Niederdruck-Abgasrückführung (23) eine Abgasklappe (23) geschlossen wird.
  8. Vorrichtung zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (32) einer Abgasreinigungsanlage (30) einer Brennkraftmaschine (10), wobei in einem Verbrennungszuluftkanal (11) der Brennkraftmaschine (10) eine Drosselklappe (22) angeordnet ist und wobei in einem Abgaskanal (12) der Brennkraftmaschine (10) eine Abgasrückführung (21) und/oder eine Niederdruck- Abgasrückführung (23) angeordnet sind, die mit dem Verbrennungszuluftkanal (11) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Eingriffe der Drosselklappe (21) und der Abgasrückführung (20) und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung (22) in einer vordefinierten Reihenfolge eine Ablaufsteuerung (20) vorgesehen ist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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