DE102006023674A1 - Spülen eines Partikelfilters eines Dieselmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder eines Dieselmotors mit einem Partikelfilter. Das Einspritzen von Kraftstoff in jeden Zylinder während jedes Verbrennungszyklus ist in mehrere getrennte Vorgänge unterteilt, die zusammen einen Einspritzzustand bilden. Zum Spülen des Partikelfilters wird der Einspritzzustand in einer Folge zwischen einem ersten Einspritzzustand, der Abgase mit einer hohen Temperatur erzeugt, und einem zweiten Einspritzzustand, der Abgase mit einem hohen Kohlenwasserstoffgehalt erzeugt, gewechselt. Die Wechselhäufigkeit ist groß genug, dass die während Verbrennungsvorgängen mit verschiedenen Einspritzzuständen erzeugten Abgase sich in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters miteinander mischen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Spülen eines Partikelfilters eines Dieselmotors, der auch als Dieselpartikelfilter (DPF) bezeichnet wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Dieselmotoren erzeugen bei Betrieb unter bestimmten Bedingungen Rußpartikel in ihren Abgasen. Der Verbrennungsprozess kann zwar so gesteuert werden, dass die Erzeugung von Rußpartikeln gemindert wird, doch können sie nicht in dem erforderlichen Umfang verhindert werden, wie dies zur Erfüllung von Schadstoffbegrenzungsbestimmungen erforderlich wäre. Daher ist es üblich, einen Partikelfilter in die Abgasanlage zu integrieren, um Rußpartikel herauszufiltern und deren Ausstoß an die Umgebungsatmosphäre zu verhindern.
  • Wenn sich Ruß in einem Rußfilter ablagert, wird dieser verstopft und verstärkt den Abgasgegendruck. Wenn die Rußablagerung im Filter zu groß wird, muss er gespült werden. Spülen wird durch Leiten von Sauerstoffüberschuss enthaltenden Abgasen bei einer zum Abbrennen des Rußes im Sauerstoff und zu dessen Umwandlung in Kohlenstoffdioxid, das aus der Abgasanlage ausgestoßen werden kann, hinreichend hohen Temperatur durch den Filter verwirklicht.
  • Wie bei Motoren mit Fremdzündung erzeugen Dieselmotoren auch Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide. Zur Verminderung der Emission solcher Schadstoffe ist es üblich, in der Abgasanlage einen stromaufwärts des Partikelfilters angeordneten Katalysator vorzusehen.
  • Ferner ist es üblich, durch Verwendung eines zwischen dem Motor und dem Katalysator eingebauten Turboladers den Wirkungsgrad und die Leistung eines Dieselmotors zu verbessern. Wie gut bekannt ist, weist ein Turbolader eine durch die Abgase angetriebene Turbine auf, die einen zum Verdichten der Luft in dem Ansaugtrakt angeschlossenen Verdichter antreibt. Dadurch kann die in die Zylinder gesaugte Luftmasse vergrößert und somit die Ausgangsleistung des Motors gesteigert werden.
  • Wie bereits erwähnt ist es zum Spülen des Partikelfilters erforderlich, dass die den Filter erreichenden Abgase eine sehr hohe Temperatur und einen hohen Kohlenwasserstoffgehalt haben. Aus Gründen, die nun erläutert werden, ist es aber schwierig, Kraftstoff so in die Zylinder eines Dieselmotors einzuspritzen, dass diese beiden Ziele gleichzeitig erfüllt werden. Wenn es nicht möglich ist, die erwünschte Motorabgastemperatur zu erreichen, kann der Motor so betrieben werden, dass er ausreichend Kohlenwasserstoff im Abgas enthält, um über dem Katalysator eine exotherme Reaktion zum Erreichen der erforderlichen Partikelfilter-Einlasstemperatur zu bewirken. Bei der niedrigeren Motor-Ablasstemperatur und der für den beschichteten Partikelfilter erforderlichen hohen Temperatur kann diese exotherme Reaktion zu groß sein und kann den Katalysator schädigen oder angreifen.
  • In EP 1035314 wurde zum Beispiel bereits vorgeschlagen, mehrere Einspritzvorgänge in einem einzigen Verbrennungszyklus zu verwenden. Die durch eine Reihe von separaten Einspritzvorgängen im gleichen Zyklus gebildete Kraftstoffzufuhrregelung wird in dieser Anmeldung als Einspritzzustand bezeichnet. Mit mehreren Einspritzvorgängen kann man Kraftstoff zu verschiedenen Zeitpunkten in den Zylinder einleiten, um verschiedene Ergebnisse zu erreichen.
  • Die letztere Patentschrift schlägt bis zu sechs verschiedene Einspritzvorgänge innerhalb jedes Zustands vor. Wie am besten aus 2 der letzteren Schrift ersichtlich wird, umfassen diese Einspritzvorgänge eine sehr frühe „Pilot"-Einspritzung, eine frühe „Vor"-Einspritzung, zwei „Haupt"-Einspritzungen, eine späte „Nach"-Einspritzung und eine sehr späte „Post"-Einspritzung. Die Begriffe „früh" und „spät" werden unter Bezug auf die Haupteinspritzungen verwendet, die nahe dem oberen Totpunkt (OT) am Ende des Verdichtungstakts erfolgen.
  • Wenn ein Einspritzzustand einen „Nach"-Einspritzvorgang beinhaltet, d.h. einen Einspritzvorgang, der kurz nach Zündung der Hauptfüllung erfolgt, dann brennt der einspritzte Kraftstoff im Zylinder. Die erzeugte Wärme steigert aber die Ausgangsleistung des Motors nicht wesentlich, sondern erhöht einfach die Temperatur der Abgase. Diese Art der Kraftstoffzufuhr kann zum Beispiel eingesetzt werden, wenn das Verkürzen der Anspringzeit des Katalysators erwünscht ist.
  • Wenn ein Einspritzzustand einen späten „Post"-Einspritzvorgang am Ende des Arbeitstakts oder während des Auspufftakts aufweist, verbrennt der Kraftstoff nicht, sondern tritt aus der Abgasanlage aus und kann zum Beispiel durch Erzeugen einer exothermen Reaktion im Katalysator zum Spülen des Partikelfilters verwendet werden.
  • Man könnte daher annehmen, dass es zum Erreichen sowohl einer hohen Abgastemperatur als auch eines hohen Kohlenwasserstoffgehalts lediglich erforderlich ist, dass sowohl eine „Nach"- als auch eine „Post"-Einspritzung innerhalb des gleichen Einspritzzustands vorliegen. Dies stellt in der Praxis aber keine Lösung des Problems dar, da die „Nach"-Einspritzung die erhöhten Füllungstemperaturen in dem Maße anhebt, dass der Kraftstoff der späteren „Post"-Einspritzung einfach verbrennt, bevor er den Partikelfilter erreicht.
  • US 6,666,020 erörtert Kraftstoffzufuhrregelungen, die verschiedene Einspritzzustände zum Verwirklichen der richtigen Bedingungen zum Spülen oder Regenerieren eines Partikelfilters verwenden. Die Komplexität der in der letzteren Patentschrift vorgeschlagenen Kraftstoffzufuhrregelungen dient als Beleg für die Schwierigkeit, auf die man beim Kalibrieren der Kraftstoffmengen in den separaten Einspritzvorgängen zur Verwirklichung der erwünschten Bedingungen hoher Abgastemperatur und hohen Kohlenwasserstoffgehalts trifft. Einige der Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, sind, dass das Erhöhen der „Nach"-Einspritzung die Temperatur der Abgase auf einen Punkt anheben kann, bei dem man eine Schädigung des Turboladers riskiert, der stromaufwärts des Partikelfilters liegt. Das Erhöhen der „Post"-Einspritzung dagegen erfordert statt der Anhebung eine Senkung der Temperatur der Abgase, um zu verhindern, dass die Kohlenwasserstoffe im Turbolader verbrennen, und dann muss weiterer Kraftstoff im dem Katalysator zur Reaktion gebracht werden, um die Abgase auf ihre ursprüngliche Temperatur zurück zu bringen.
  • Aufgrund der Schwierigkeit bei der Verwirklichung hoher Abgastemperaturen gleichzeitig mit einem hohen Kohlenwasserstoffgehalt durch geeigneten Festlegen des Einspritzzustands der Zylinder wurde vorgeschlagen, Kohlenwasserstoffe durch Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrom stromabwärts des Turboladers und/oder des Katalysators in heiße Abgase einzuleiten. Dieses Vorgehen, das als Unterboden-Einspritzung bezeichnet wird, erhöht die Kosten der Umsetzung beträchtlich, und aufgrund der potentiellen Feuergefahr müssen spezielle Vorsorgemaßnahmen getroffen werden.
  • Ferner wurde vorgeschlagen, auf Kraftstoffzusätze zum Senken der Temperatur zurückzugreifen, bei der die Filterregeneration eingeleitet werden kann, doch ist diese Lösung mit ihren eigenen Problemen behaftet, die in dem oben erwähnten Patent, 020 ausführlich besprochen werden.
    •
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist daher bestrebt, ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder eines Dieselmotors an die Hand zu geben, das bei der Verwirklichung der zum Spülen eines Partikelfilters erforderlichen Bedingungen erfolgreich ist.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder eines einen Partikelfilter aufweisenden Dieselmotors an die Hand gegeben, welches umfasst: das Unterteilen der Kraftstoffeinspritzung in jeden Zylinder während jedes Verbrennungszyklus in mehrere getrennte Vorgänge, die zusammen einen Einspritzzustand bilden, und das Wechseln des Einspritzzustands in einer Folge zwischen einem ersten Einspritzzustand, der Abgase mit einer hohen Temperatur erzeugt, und einem zweiten Einspritzzustand, der Abgase mit einer niedrigeren Temperatur, aber mit einem höheren Kohlenwasserstoffgehalt als der erste Einspritzzustand erzeugt, wobei die Wechselhäufigkeit ausreichend hoch ist, damit die während Verbrennungsvorgängen mit unterschiedlichen Einspritzzuständen erzeugten Abgase sich in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters miteinander vermischen.
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass die hohe Temperatur und die hohe Kohlenwasserstoffkonzentration nicht durch den gleichen Verbrennungszyklus eines Zylinders erzeugt werden. Die durch den zweiten Einspritzzustand eingeleiteten Kohlenwasserstoffe werden auf diese Weise daran gehindert zu verbrennen, bevor sie den Partikelfilter erreichen. Die hohe Temperatur kann durch einen Zylinder erzeugt werden, während die Kohlenwasserstoffe durch einen anderen erzeugt werden, oder der gleiche Zylinder kann in einem Verbrennungszyklus heiße Abgase und in einem folgenden Verbrennungszyklus kohlenwasserstoffreiche Abgase erzeugen.
    •
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnung, die eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Dieselmotors ist, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Spülen des Partikelfilters verwendet werden kann, näher beschrieben.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführung
  • Da die in der Begleitzeichnung gezeigte Motorauslegung herkömmlich ist, wird sie nur in dem zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlichen Maße beschrieben.
  • Die Zeichnung zeigt einen Dieselmotor 10 mit vier Zylindern 12. In die Zylinder 12 eingelassene Luft strömt durch ein Saugrohr 30, an einer Ansaugdrossel 36 vorbei und durch einen Ansaugkrümmer 15. Eine Hochdruckpumpe 20 saugt Dieselkraftstoff aus einem Tank 22 und beaufschlagt ein Verteilerrohr 18 mit Druck. Elektronisch gesteuerte Einspritzventile 16 leiten Kraftstoff unter Druck von dem Verteilerrohr 18 in die einzelnen Zylinder ein, was aufgrund der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks zu einem spontanen Zünden des Kraftstoffs führt.
  • Die sich aus der Verbrennung ergebenden Abgase strömen in einen Abgaskrümmer 14 und werden schließlich durch eine Abgasleitung 50 an die Umgebungsatmosphäre abgelassen.
  • In der Strecke der Abgase bei Austreten aus dem Abgaskrümmer 14 ist ein Turbolader 32 angeordnet. Der Turbolader weist ein Turbinenrad auf, das durch die Abgase angetrieben wird und wiederum ein in dem Ansaugrohr 30 angeordnetes Verdichterrad antreibt. Auf diese Weise wird überschüssige Energie in den Abgasen zum Verdichten der Ansaugluft und dadurch zum Steigern der Motorausgangsleistung genutzt. Ein Ladeluftkühler 34 stromaufwärts der Ansaugdrossel 36 senkt die Temperatur der Ansaugluft, bevor sie in den Motor eingelassen wird.
  • Zur Unterstützung bei der Schadstoffbegrenzung verwendet der dargestellte Motor auch Abgasrückführung. Unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen führt ein AGR-Ventil 38 einen Teil der Abgase durch ein AGR-Rohr 40, das einen Kühler 42 zum Kühlen der ABR-Gase enthält, zu dem Ansaugtrakt zurück.
  • Nach Austreten aus dem Turbolader strömen die Abgase durch ein Flammrohr 44, einen Katalysator 46 und einen Partikelfilter 48, wobei der Zwecke der letzten beiden darin besteht, die Abgase zu reinigen, bevor sie an die Umgebungsatmosphäre ausgestoßen werden.
  • Der Katalysator 46 wird zum Speichern und anschließenden Neutralisieren solcher Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide (NOx) verwendet und kann auch Schwefel (SOx) speichern, der in den Abgasen vorhanden sein kann. Der Partikelfilter 48 wird zum Ausfiltern von Ruß und anderen Partikeln verwendet, die erzeugt werden können, wenn der Dieselkraftstoff in den Zylindern verbrannt wird. Es ist möglich und durchaus üblich, dass der Katalysator 46 und der Partikelfilter 48 als eine Einheit, die sich ein gemeinsames Gehäuse teilt, ausgebildet sind.
  • Wenn der Katalysator richtig funktioniert, heben die in ihm stattfindenden chemischen Reaktionen die Abgastemperatur an. Stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators 46 angeordnete Temperaturmessfühler 52 und 54 ermöglichen ein Überwachen der Leistung des Katalysators 46. Der Zustand des Partikelfilters 48 wird durch einen Differenzdrucksensor 56 überwacht. Das Signal von dem Sensor 56 wird zum Auslösen eines Spülzyklus des Partikelfilters 48 verwendet, wenn es aus dem sich ergebenden hohen Gegendruck ermittelt, dass der Filter voll ist. Alternativ können basierend auf Strecke, Betriebszeit, Sensoren oder anderen Prinzipien Regenerationsauslöser genutzt werden.
  • Die Einspritzventile 16 werden in der in EP 1035314 vorgeschlagenen Weise elektrisch so gesteuert, dass in jedem Motorbetriebszyklus mehrere zu verschiedenen Zeitpunkten angesetzte Kraftstoffeinspritzvorgänge stattfinden, die zusammen einen Einspritzzustand bilden. Die Menge des zu verschiedenen Zeitpunkten eingespritzten Kraftstoffs beeinflusst unter anderem die Abgastemperatur und den Kohlenwasserstoffgehalt.
  • Vorbekannte Versuche zum Verwirklichen der richtigen Bedingungen für die Partikelfilterregeneration umfassten das Kalibrieren der Kraftstoffmengen innerhalb der einzelnen Vorgänge des Einspritzzustands. Während des Betriebs mit einer zum Spülen des Partikelfilters geeigneten Kraftstoffzufuhrregelung werden alle Zylinder lange genug mit dem gleichen Einspritzzustand betrieben, um das Abbrennen der Partikel in dem Filter auszulösen.
  • Die vorliegende Erfindung erkennt dagegen, dass es am Ende eines einzelnen Verbrennungszyklus schwierig ist, Abgase einer Zusammensetzung und Temperatur zu erzeugen, die zum Spülen eines Partikelfilters geeignet sind. In der vorliegenden Erfindung sind daher die in den Zylindern des Motors übernommenen Einspritzzustände so gestaffelt, dass verschiedene Verbrennungszyklen Abgase mit verschiedenen Temperaturen und unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung erzeugen. Das Wechseln zwischen verschiedenen Einspritzzuständen erfolgt ausreichend schnell, so dass sich die sich ergebenden Abgase miteinander vermischen können, bevor sie den Katalysator 46 und den Filter 48 erreichen.
  • Die Erfindung vermeidet die Probleme der Kalibrierung durch Verwenden verschiedener Verbrennungszyklen zum Erzeugen der hohen Temperatur und des hohen Kohlenwasserstoffgehalts. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, von einem Einspritzzustand hoher Temperatur zu einem Einspritzzustand hohen Kohlenwasserstoffgehalts alle beispielsweise neun Motorverbrennungszyklen zu wechseln. Wenn sich die Temperatur als hoch und der Kohlenwasserstoffgehalt als niedrig erweist, dann kann die Wechselhäufigkeit auf einen Zyklus pro acht statt neun erhöht werden. Umgekehrt kann die Temperatur angehoben und der Kohlenwasserstoffgehalt gesenkt werden, indem die Wechselhäufigkeit auf einen Verbrennungszyklus pro zehn gesenkt wird.
  • Bevorzugt wird vermieden, einen Motorzylinder ständig mit einem gegenüber den anderen Zylindern anderen Einspritzzustand laufen zu lassen. Wenn der gleiche Zylinder immer zum Erzeugen eines hohen Kohlenwasserstoffgehalts verwendet wird, dann läuft er bei einer anderen Temperatur als die anderen. Dies könnte nach Beendigung der Filterregeneration bei Rückkehr zu einer anderen Kraftstoffzufuhrregelung Probleme verursachen. Daher ist bevorzugt, eine asynchrone Ablaufplanung zu verwenden, so dass verschiedene Filter nacheinander für den Betrieb mit einem anderen Einspritzzustand gewählt werden.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder eines einen Partikelfilter aufweisenden Dieselmotors, welches das Unterteilen der Kraftstoffeinspritzung in jeden Zylinder während jedes Verbrennungszyklus in mehrere getrennte Vorgänge, die zusammen einen Einspritzzustand bilden, und das Wechseln des Einspritzzustands in einer Folge zwischen einem ersten Einspritzzustand, der Abgase mit einer hohen Temperatur erzeugt, und einem zweiten Einspritzzustand, der Abgase mit einer niedrigeren Temperatur, aber mit einem höheren Kohlenwasserstoffgehalt als der erste Einspritzzustand erzeugt, umfasst, wobei die Wechselhäufigkeit hoch genug ist, dass sich die während der Verbrennungsvorgänge mit unterschiedlichen Einspritzzuständen erzeugten Abgase in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters miteinander mischen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ablaufplanung solcher Art ist, dass verschiedene Zylinder nacheinander gewählt werden, um bei einem gegenüber den verbleibenden Zylindern anderen Einspritzzustand zu arbeiten.
DE102006023674.2A 2005-05-26 2006-05-19 Verfahren zum Spülen eines Partikelfilters eines Dieselmotors Active DE102006023674B4 (de)

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