DE102006028436A1

DE102006028436A1 - Verfahren zum Betreiben einer in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsanlage

Info

Publication number: DE102006028436A1
Application number: DE102006028436A
Authority: DE
Inventors: Horst Harndorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2007-12-27
Also published as: KR20090028718A; WO2007147720A1; EP2035674A1; JP2009540208A; US20090241519A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsanlage, welche eine eine Oxidationsreaktion herbeiführende katalytische Schicht (130) und einen Partikelfilter (140) umfasst, in welchem während des Betriebs der Brennkraftmaschine wenigstens eine Abgaskomponente eingelagert und welcher in vorgebbaren Betriebsphasen von dieser Abgaskomponente regeneriert wird, wird in den vorgebbaren Betriebsphasen der Regenerierung des Partikelfilters der Luftdurchsatz durch wenigstens einen Brennraum (100) der Brennkraftmaschine reduziert.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsanlage, welche eine eine Oxidationsreaktion herbeiführende katalytische Schicht und einen Partikelfilter enthält, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 9 sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10.
Stand der Technik
Aus der DE 199 06 287 A1 ist ein Verfahren zum Regenerieren eines in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters bekannt geworden, bei dem zwischen verschiedenen Betriebszuständen in Abhängigkeit vom zuletzt vorliegenden Betriebszustand und in Abhängigkeit vom Zustand des Partikelfilters gewechselt wird. Eine Regeneration des Partikelfilters von den eingelagerten Partikeln erfolgt dabei in einem Betriebszustand. Diese Regeneration findet bei einer erhöhten Temperatur statt, bei der die Partikel, hauptsächlich Rußpartikel und Aschepartikel, durch eine Oxidationsreaktion verbrannt werden.
Die DE 103 23 561 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Bauteils, insbesondere eines Partikelfilters, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der die Regenerationsphase in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Bauteils, insbesondere vom Beladungsgrad des Partikelfilters, gestartet wird. Die Regenerationsphase wird dabei willkürlich mittels eines externen Startsignals gestartet. Der regenerierte Zustand des Bauteils kann auf diese Weise von einer Bedienperson hergestellt werden, beispielsweise bei einem Werkstattaufenthalt des Kraftfahrzeuges, in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist, um so eine Diagnose der Brennkraftmaschine und ihrer Komponenten vorzunehmen.
Die Regenerierung des Diesel-Partikelfilters findet dabei diskontinuierlich statt, zum Beispiel als Funktion des Abgasgegendrucks. Die für einen Oxidationsvorgang zur Regenerierung des Filters notwendige Abgas- und Filtertemperatur liegt unter der Voraussetzung einer ausreichenden Oxidationsgeschwindigkeit im Regelfall oberhalb von ca. 600°C. Da diese ohne Zusatzmaßnahmen nur im oberen Mitteldruck-/Drehzahlkennfeld der Brennkraftmaschine zu erwarten ist, wird mittels Nacheinspritzung von Dieselkraftstoff in den Brennraum oder in den Abgastrakt unter Ausnutzung der dabei freigesetzten Reaktionswärme eine Abgastemperaturanhebung eingestellt, die für die Regenerierung des Filters erforderlich ist. Diese Eingriffe sind mit einem nachteiligen erhöhten Verbrauch verbunden.
Die Regenerierung von Diesel-Partikelfiltern kann außer durch Nacheinspritzung auch durch Zusatzbrenner im Abgasvoll- oder Abgasnebenstrom, temperatursteigernde Motorprozesseingriffe, mittels elektrischer Zusatzenergie oder Kraftstoffadditivierung erfolgen. Die Regenerierung mittels Kraftstoffadditivierung ist hinsichtlich der Langzeitstabilität des Dieselartikelfilters problematisch, da hier ein Eintrag von Metallasche stattfindet, der zu einer Verkürzung der Standzeit des Dieselpartikelfilters führt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 ermöglicht demgegenüber eine Regenerierung des Filters ohne einen wesentlichen Mehrverbrauch der Brennkraftmaschine. Durch die Reduktion des Luftdurchsatzes durch wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine wird nämlich bei nahezu gleichem Kraftstoffverbrauch eine signifikante Erhöhung des Gemischheizwertes und damit eine Erhöhung der Abgastemperatur, die für die Regenerierung des Filters erforderlich ist, erreicht.
Bevorzugt erfolgt die Reduktion des Luftdurchsatzes durch den wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine kontinuierlich während der gesamten vorgegebenen Betriebsphase. Durch diese kontinuierliche Reduktion des Luftdurchsatzes ist gewissermaßen eine kontinuierliche Regenerierung des Filters innerhalb bestimmter Grenzen möglich. Selbst wenn dabei keine vollständige Regenerierung des Filters stattfinden kann, werden die Intervalle für eine diskontinuierliche Regenerierung des Filters, beispielsweise durch Zusatzmaßnahmen in Form von Nacheinspritzungen von Dieselkraftstoff in den Brennraum oder in den Abgastrakt oder beispielsweise durch Kraftstoffadditivierung verlängert.
Die vorgebbare Betriebsphase, in der die Regenerierung des Filters erfolgt, ist bevorzugt ein Teillastbereich der Brennkraftmaschine.
Die Reduktion des Luftdurchsatzes durch den wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine kann rein prinzipiell auf verschiedene Weise realisiert werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, die Reduktion des Luftdurchsatzes durch den wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine durch nach früh verlagertes Schließen wenigstens eines Einlassventils wenigstens eines Brennraums analog dem Miller-Verfahren zu realisieren. Unter Schließen wenigstens eines Einlassventils versteht vorliegende Erfindung bei Brennkraftmaschinen mit jeweils einem Einlassventil pro Brennraum das nach früh verlagerte Schließen dieses Einlassventils. Dies kann in einem oder mehreren Brennräumen, abhängig von der Anzahl der Zylinder und dem Arbeitstakt dieser Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen. Bei Brennkraftmaschinen mit beispiels weise zwei Einlassventilen pro Brennraum ist das nach früh verlagerte Schließen von beiden Einlassventilen in einem oder mehreren Brennräumen analog dem Miller-Verfahren zu verstehen.
Alternativ oder zusätzlich kann zu dem früheren Schließen des/der Einlassventils/Einlassventile auch ein frühes Schließen des/der Auslassventils/Auslassventile vorgesehen sein, wodurch der Restgasgehalt erhöht wird und sich der Luftdurchsatz durch den Brennraum der Brennkraftmaschine ebenfalls verringert. Auch hier wird wiederum bei einer Brennkraftmaschine, die pro Brennraum ein Auslassventil aufweist, dieses Auslassventil in wenigstens einem Brennraum früher geschlossen. Bei Brennkraftmaschinen, die mehr als ein Auslassventil pro Brennraum aufweisen, insbesondere zwei Auslassventile pro Brennraum, werden diese beiden Auslassventile in wenigstens eines Brennraums früher geschlossen.
Diese Ausführungsformen setzen einen variablen Ventiltrieb voraus. Grundidee dieser Ausgestaltungen ist es, das so genannte Miller-Verfahren, das bisher nur bei Großdieselmotoren, beispielsweise Schiffsmotoren, eingesetzt wird, bei einer direkteinspritzenden Dieselbrennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug einzusetzen, um so in Teillastgebieten mit prinzipbedingt hohem Luftüberschuss eine signifikante Erhöhung des Gemischheizwertes und damit der Abgastemperatur herbeizuführen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass aufgrund der Verlagerung des Schließens des/der Einlassventils/Einlassventile nach früh und/oder des Auslassventils/Auslassventile nach früh zum einen nur kleine Mehrverbräuche entstehen, darüber hinaus ist durch dieses Verfahren nicht mit einer Beeinträchtigung der Rohemissionen zu rechnen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, die Reduktion des Luftdurchsatzes durch wenigstens eine in dem Ansaugtrakt angeordnete Drosselklappe herbeizuführen.
Die Abgasreinigungsanlage kann dabei auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildet sein. Bei einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Oxidationsreaktion herbeiführende katalytische Schicht durch einen Oxidationskatalysator gebildet wird, dem ein Dieselpartikelfilter nachgeschaltet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Dieselpartikelfilter mit einer integrierten katalytischen Beschichtung, ein sogenannter Catalytic Soot Filter vorgesehen.
Die Kombination aus einer katalytischen Schicht, die eine Oxidationsreaktion hervorruft und einem Partikelfilter ist für das vorstehend beschriebene Verfahren unbedingt erforderlich, da erst durch die katalytische Schicht eine Oxidation von Stickstoffoxid in Stickstoffdioxid erfolgt, welches für die kontinuierliche Regenerierung des Partikelfilters, insbesondere des Dieselpartikelfilters erforderlich ist. Eine solche kontinuierliche Regenerierung kann nur erfolgen, wenn das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Kohlenstoff C größer oder gleich 8 ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In 1 ist schematisch ein technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft, dargestellt und 2 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Brennraum 100 einer Brennkraftmaschine, in dem sich ein Kolben 105 auf an sich bekannte Weise aufwärts und abwärts bewegt. Der Brennraum 100 weist einen Einlasskanal 110 sowie einen Auslasskanal 120 auf. Der Auslasskanal 120 mündet in einem Abgasstrang 122, in dem eine Abgasreinigungsanlage umfassend einen Oxidationskatalysator 130 sowie ein Partikelfilter 140 angeordnet ist. Statt der Anordnung eines eine Oxidationsreaktion herbeiführenden Oxidationskatalysators 130 und eines Partikelfilters 140 kann auch ein an sich bekannter sogenannter CSF (Catalytic Soot Filter) vorgesehen sein, also ein beschichteter Partikelfilter, dessen katalytische Schicht eine Oxidationsreaktion, insbesondere eine Oxidation von Stickstoffoxid NO zu Stickstoffdioxid NO₂ herbeiführt.
Der Einlasskanal 110 ist mit dem Brennraum 100 durch ein Einlassventil 112 verbindbar. Der Auslasskanal 120 kann mit dem Brennraum durch ein Auslassventil 122 verbunden werden. Sowohl das Einlassventil 112 als auch das Auslassventil 122 sind durch einen variablen Ventiltrieb ansteuerbar, um so die Einlass- und Auslasssteuerzeiten innerhalb vorgebbarer Grenzen zu verändern. Das Einlassventil 112 und das Auslassventil 122 können beispielsweise durch eine elektrohydraulische Ventilsteuerung oder dergleichen angesteuert werden. Die Ansteuerung kann dabei mittels eines Motorsteuergeräts 150 erfolgen.
Die Beladung des Partikelfilters 140 wird auf an sich bekannte Weise, beispielsweise durch einen Differenzdrucksensor 145 erfasst, der die Druckdifferenz des Abgases in Abgasstromrichtung vor und hinter dem Filter 140 erfasst. Das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 145 wird ebenfalls dem Steuergerät 150 zugeführt. Verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine werden durch geeignete Sensoren erfasst, beispielsweise durch einen Sensor zur Erfassung der Drehzahl, einen Sensor zur Erfassung der Verbrennungstemperatur und dergleichen. Stellvertretend für diese Mehrzahl von Sensoren ist in 1 ein Sensor 160 gezeigt, dessen Ausgangssignal dem Steuergerät 150 zugeführt wird.
Im Einlasskanal 110 kann darüber hinaus eine Drosselklappe 170 angeordnet sein, deren Stellung im Steuergerät 150 bestimmt wird und die elektrisch ansteuerbar ist.
Das Verfahren zur Regenerierung des Partikelfilters 140 wird nachfolgend in Verbindung mit 2 beschrieben.
Grundidee der Erfindung ist es, den Luftdurchsatz durch den Brennraum 100 der Brennkraftmaschine in vorgegebenen Betriebsphasen, nämlich insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass in Teillastbereichen mit hohem Luftüberschuss durch eine Reduktion des Luftdurchsatzes durch den Brennraum 100 eine signifikante Erhöhung des Gemischheizwertes und damit der Abgastemperatur bewirkt werden kann. Die Abgastemperatur kann dabei so erhöht werden, dass eine passive, kontinuierliche Regenerierung des Partikelfilters 140 möglich ist. Dazu wird in einem ersten Schritt 210 zunächst geprüft, ob die für die Regenerierung erforderliche Betriebsphase, also der Teillastbereich vorliegt. Wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 220 geprüft, ob die nachfolgend noch näher beschriebenen Randbedingungen, insbesondere ein gewünschtes Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Kohlenstoff C, für eine Regeneration vorliegen. Wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 230 der Luftdurchsatz durch den Brennraum reduziert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Einlassventil 112 früher geschlossen wird, das heißt eine Verlagerung der Schließzeit des Einlassventils 112 zu einem früheren Kurbelwellenwinkel hin erfolgt.
Die Verlagerung der Schließzeit nach „früh" erfolgt analog dem Miller-Verfahren. Anders als beim Miller-Verfahren aber wird hier der aufgrund des frühen Schließens des Einlassventils verminderte Luftdurchsatz nicht durch einen mittels eines Abgasturboladers, Kompressors oder dergleichen erzeugten höheren Druck im Einlasskanal 110 ausgeglichen. Gemäß der Erfindung soll ja gerade durch das frühe Schließen des Einlassventils 112 weniger ballastige Luft in den Brennraum 100 in dem hier interessierenden Teillastgebiet, in dem ohnehin bereits ein hoher Luftüberschuss vorhanden ist, ermöglicht werden, um so eine signifikante Erhöhung des Gemischheizwertes und damit der für die Regenerierung erforderlichen Abgastemperatur zu bewirken.
Rein prinzipiell kann die Reduktion des Luftdurchsatzes durch den Brennraum 100 auch durch ein früheres Schließen des Auslassventils 122 analog des Miller-Verfahrens durch Restgaskompression erreicht werden.
Eine Reduktion des Luftdurchsatzes durch den Brennraum 100 kann darüber hinaus auch alternativ oder zusätzlich durch eine entsprechende Ansteuerung der Drosselklappe 170 geschehen.
Der Vorteil vorbeschriebenen Verfahrens liegt infolge der thermodynamischen Randbedingungen darin, dass sich bei der Drosselung der Frischgasmasse nur geringe Mehrverbräuche einstellen und durch die Abgastemperaturerhöhung eine kontinuierliche, passive Regenerierung des Partikelfilters 140 einhergeht. Darüber hinaus verbessert sich die Qualität der Rohemissionen im Abgaskanal 120. Hierdurch besteht die Möglichkeit, auch im Niedertemperaturbereich eine vollständige Regenerierung des Partikelfilters 140 zu erreichen.
Diese Regenerierung erfolgt dabei vorteilhafterweise kontinuierlich während der gesamten Betriebsphase, das heißt im gesamten Teillastbereich. Die kontinuierliche Regenerierung erfolgt dabei auf nachfolgend beschriebene Weise. In dem Oxidationskatalysator 130 wird in dem Abgas vorhandenes Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO₂ oxidiert, da die Oxidation von Ruß, also Kohlenstoff C zu Kohlenmonoxid CO oder Kohlendioxid CO₂ nun mit Stickstoffdioxid NO₂ bei wesentlich niedrigeren und auf vorbeschriebene Weise realisierbaren Temperaturen stattfindet als mit molekularem Sauerstoff O₂. Es ist deshalb erforderlich, dass der Oxidationskatalysator 130 ständig so viel Stickstoffdioxid NO₂ erzeugt, dass der gleichzeitig anfallende Ruß oxidiert wird und es möglichst nicht zu einer unerwünschten Rußansammlung und damit zu Druckverlusten in dem Partikelfilter 140 kommt. Die Rußoxidation wird dabei wesentlich von dem Verhältnis von Kohlenstoff (Ruß) zu Stickstoffdioxid NO₂ bestimmt. Eine vollständige Regeneration ist nur bei einem Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Kohlenstoff C größer als 8 möglich.
Das vorbeschriebene Verfahren zur kontinuierlichen Regenerierung des im Abgasbereich angeordneten Partikelfilters 140 erfordert nur einen geringen Mehrverbrauch während der Regenerierphase, da keine hohen Druckverluste am Partikelfilter 140 entstehen können bzw. sich die Zeitintervalle bis zu einer Zwangsregenerierung, die beispielsweise durch Nacheinspritzungen vorgenommen werden, deutlich verlängern und dadurch der Kraftstoffmehrverbrauch wesentlich reduziert wird. Sehr vorteilhaft ist auch, dass aufgrund des früheren Schließens des Einlassventils eine bessere Gemischhomogenisierung bei gleichzeitig reduzierter Ladungstemperatur vor Brennbeginn realisiert werden kann. Auf diese Weise kann die Rußemission im Rohabgas signifikant gesenkt werden.
Darüber hinaus ist eine Verbesserung der Kaltstartemission, insbesondere der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid realisierbar, die durch Steigerung des Gemischheizwertes und damit der mittleren Gastemperatur deutlich reduziert werden.
Es ist zu erwähnen, dass das vorstehend beschriebene Verfahren parallel zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Regenerierung des Partikelfilters, bei denen eine Zwangsregenerierung in bestimmten Betriebsphasen erfolgt, eingesetzt werden kann.
In diesem Falle erhöht sich der zusätzliche Abstand zwischen zwei Regenerierintervallen, in denen eine Zwangsregenerierung beispielsweise durch Nacheinspritzungen vorgenommen wird, deutlich.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsanlage, welche eine Oxidationsreaktion herbeiführende katalytische Schicht (130) und einen Partikelfilter (140) aufweist, in welchen während des Betriebs der Brennkraftmaschine wenigstens eine Abgaskomponente eingelagert und welcher in vorgebbaren Betriebsphasen von dieser Abgaskomponente regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den vorgebbaren Betriebsphasen der Regenerierung des Partikelfilters (140) der Luftdurchsatz durch wenigstens einen Brennraum (100) der Brennkraftmaschine reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion der Luftzufuhr in der vorgebbaren Betriebsphase der Regenerierung des Partikelfilters (140) kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Betriebsphase ein Teillastbereich der Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion des Luftdurchsatzes durch den wenigstens einen Brennraum (100) der Brennkraftmaschine durch nach früh verlagertes Schließen wenigstens eines Einlassventils (112) wenigstens eines Brennraums (100) analog dem Miller-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion des Luftdurchsatzes durch den wenigstens einen Brennraum (100) der Brennkraftmaschine durch nach früh verlagertes Schließen wenigstens eines Aus lassventils (122) analog dem Miller-Verfahren mittels Restgaskompression erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion des Luftdurchsatzes durch wenigstens einen Brennraum (100) der Brennkraftmaschine durch eine in dem Ansaugtrakt angeordnete Drosselklappe (170) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Oxidationsreaktion herbeiführende Katalysatorschicht ein Oxidationskatalysator (130) ist, und dass der Partikelfilter ein diesem nachgeschalteter Dieselpartikelfilter (140) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage durch einen beschichteten Partikelfilter, insbesondere einen Catalytic Soot Filter, gebildet wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einer Recheneinrichtung abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät (150) ausgeführt wird.