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Die Erfindung betrifft ein Regenerationsverfahren für einen abgasstromdurchsetzten Rußpartikelfilter, bei dem eine zur Regeneration des Rußpartikelfilters heranzuziehende Abbrennstrategie in Abhängigkeit eines ermittelten Kraftstofftyps und/oder Biokraftstoffanteils ausgewählt wird.
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Ein derartiges Regenerationsverfahren für einen Rußpartikelfilter geht beispielsweise aus der
DE 10 2008 025 350 A1 hervor. So wird vorgeschlagen, das Verhältnis zwischen Speicherung und Regeneration des Rußpartikelfilters in Abhängigkeit sensorisch ermittelter Kraftstoffeigenschaften, insbesondere eines im Kraftstoff enthaltenen Anteils an sogenannten Biokraftstoffen, anzupassen. Eine weitergehende Optimierung der Regenerationsstrategie, insbesondere in Bezug auf den zur Durchführung des Regenerationsvorgangs aufzubringenden Energiebedarf, erfolgt nicht.
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Zu den Biokraftstoffen gehören insbesondere alternative und synthetische Kraftstoffe wie Fettsäuremethylester (FAME), Pflanzenöl, verflüssigte Biomasse (BTL; Biomass-to-liquid), verflüssigte Gase (GTL; Gas-to-liquid), und dergleichen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regenerationsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine bezüglich des Energiebedarfs optimierte Regenerationsstrategie bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Regenerationsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das Regenerationsverfahren für einen abgasstromdurchsetzten Rußpartikelfilter sieht vor, dass eine zur Regeneration des Rußpartikelfilters heranzuziehende Abbrennstrategie in Abhängigkeit eines ermittelten Kraftstofftyps und/oder Biokraftstoffanteils ausgewählt wird, wobei die Auswahl der Abbrennstrategie durch Vorgabe einer für den ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil charakteristischen Abbrenn- bzw. Aktivierungstemperatur erfolgt.
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Die zunehmende Verwendung bzw. Beimischung von Biokraftstoffen führt gegenüber herkömmlichen fossilen Dieselkraftstoffen nicht nur zu einer verringerten Rußbildung und damit zu dementsprechend verlängerten Regenerationszeitabständen des Rußpartikelfilters, sondern auch zu niedrigeren Abbrenntemperaturen in der Größenordnung von 500 °C. Ungeachtet dessen erreichen die Temperaturen der aus dem Verbrennungsmotor austretenden Abgase unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen allenfalls Werte im Bereich von 250 bis 300 °C. Dies macht eine nachträgliche Aufheizung des Abgasstroms im Abgasnachbehandlungssystem, beispielsweise in einem dem Rußpartikelfilter vorgeschalteten Oxydationskatalysator, erforderlich. Der hierzu benötigte Energiebedarf wird beispielsweise durch gezielte Nachverbrennung von Kraftstoff gedeckt.
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Durch geeignete Auswahl der Abbrennstrategie kann daher eine an den ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil und damit eine den tatsächlichen Bedürfnissen angepasste Abbrenntemperatur vorgegeben werden. Der insoweit aufzubringende Energiebedarf lässt sich auf diese Weise auf ein unbedingt notwendiges Maß reduzieren.
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Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Gerade als Common-Rail-Dieselmotoren ausgebildete Verbrennungsmotoren erlauben eine gezielte Nacheinspritzung von Kraftstoff im vierten Takt (sog. Auspufftakt). Der infolge der unvollständigen Verbrennung im vierten Takt im Abgasstrom verbliebene Kraftstoff kann in einem dem Rußpartikelfilter vorgeschalteten Oxydationskatalysator katalytisch oxydiert bzw. nachverbrannt werden. Alternativ kann auch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff außerhalb des Verbrennungsmotors in einem dem Oxydationskatalysator vorgeschalteten Trakt des Abgasstrangs erfolgen. In beiden Fällen führt die Nacheinspritzung zu einer entsprechenden Erhöhung der Abgasstromtemperatur. Vorzugsweise erfolgt daher die Vorgabe der Abbrenntemperatur durch Anpassung einer die Abgasstromtemperatur im Bereich eines Oxydationskatalysators beeinflussenden Kraftstoffnacheinspritzmenge. Da der Brennwert von Biokraftstoffen geringer ist als derjenige fossiler Dieselkraftstoffe, ist zur Erreichung der gleichen Abgasstromtemperatur bzw. Abbrenntemperatur eine verhältnismäßig gesehen höhere Kraftstoffnacheinspritzmenge erforderlich. Die Einhaltung der Abbrenntemperatur wird hierbei mittels einer von dem Abgasnachbehandlungssystem umfassten Temperaturregelung überwacht. Die Dauer des Regenerationsvorgangs ist fest vorgegeben und liegt im Bereich zwischen 20 und 30 Minuten.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass aus dem ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil auf den momentanen Beladungszustand des Rußpartikelfilters geschlossen wird. Der Beladungszustand und damit die Menge des im Rußpartikelfilter seit dem letzten Regenerationsvorgang angesammelten Rußes ist maßgeblich für die Entscheidung, ob ein Regenerationsvorgang durchzuführen ist oder nicht.
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Insofern kann auf die Notwendigkeit der Durchführung eines Regenerationsvorgangs geschlossen werden, wenn der momentane Beladungszustand des Rußpartikelfilters einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Hierbei ist es denkbar, den vorgegebenen Grenzwert abhängig von dem ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil hinsichtlich der zu erwartenden Rußzusammensetzung, insbesondere der Partikelgrößenverteilung der brennbaren Rußanteile sowie der Art der daran haftenden Kohlenwasserstoffe, zu modifizieren.
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Im Allgemeinen werden zur Entscheidung, ob die Durchführung des Regenerationsvorgangs notwendig ist oder nicht, neben dem Beladungszustand des Rußpartikelfilters weitere Regenerationskriterien berücksichtigt. Hierzu gehört einerseits die seit der Durchführung des letzten Regenerationsvorgangs verstrichene Betriebszeit des Rußpartikelfilters sowie andererseits der zwischen einem Ein- und Auslass des Rußpartikelfilters anliegende Differenzdruck. Übersteigt letzterer einen charakteristischen Höchstwert, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen übermäßigen Beladungszustand des Rußpartikelfilters geschlossen werden. Andererseits ist es erforderlich, den Rußpartikelfilter in festen Zeitabständen von 10 bis 100 Stunden zu regenerieren. Die Durchführung des Regenerationsvorgangs wird daher dann veranlasst, sobald eines der vorgenannten drei Regenerationskriterien erfüllt ist.
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Da sich die Auslastung bzw. der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors entscheidend auf den Umfang der Rußbildung auswirkt, besteht ferner die Möglichkeit, dass zur Abschätzung des momentanen Beladungszustands des Rußpartikelfilters lastbezogene Motorparameter berücksichtigt werden. Bei den lastbezogenen Motorparametern handelt es sich beispielsweise um den Lambdawert, die Kraftstoffeinspritzmenge und/oder die Drehzahl des Verbrennungsmotors. So lässt beispielsweise ein Lambdawert < 1 (sog. fettes Gemisch) auf eine vermehrte Rußbildung bei vergleichsweise geringem Stickoxidausstoß schließen. Umgekehrt kann bei einem Lambdawert > 1 (sog. mageres Gemisch) auf eine verringerte Rußbildung bei vergleichsweise hohem Stickoxidausstoß geschlossen werden. Ein Lambdawert von 1,3 markiert hierbei die sogenannte Rußgrenze. Die lastbezogenen Motorparameter werden über einen vorgegebenen Messzeitraum, jeweils ausgehend vom Zeitpunkt des zuletzt durchgeführten Regenerationsvorgangs, erfasst und der Abschätzung des momentanen Beladungszustands des Rußpartikelfilters zugrunde gelegt. Die Bestimmung des Lambdawerts kann mittels einer im Abgasstrom angeordneten Lambdasonde oder aber rechnerisch durch Auswertung der Einspritzmenge und der Verbrennungsluftmasse erfolgen.
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Aufgrund der oxydierenden und insofern rußreduzierenden Wirkung der im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide (NOx) kann zur Abschätzung des momentanen Beladungszustands des Rußpartikelfilters zusätzlich die vom ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil abhängige NOx-Konzentration im Abgasstrom berücksichtigt werden. So findet bei der Verbrennung von Biokraftstoffen gegenüber fossilen Dieselkraftstoffen unter ansonsten gleichen Bedingungen eine vermehrte Bildung von Stickoxiden statt.
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Zur genauen Ermittlung des Kraftstofftyps und/oder des Biokraftstoffanteils können die Viskosität, dielektrische Leitfähigkeit und/oder Dichte des verwendeten Kraftstoffs in Abhängigkeit einer ermittelten Kraftstofftemperatur erfasst werden.
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Die Erfassung der Viskosität, dielektrischen Leitfähigkeit und/oder Dichte kann durch Auswertung des Schwingungs- und/oder Schallausbreitungsverhaltens des Kraftstoffs erfolgen. Ein hierfür geeigneter Sensor wird beispielsweise von der Firma Measurement Specialities Inc. (MEAS) unter der Baureihenbezeichnung FPS28xx angeboten. Dieser beruht auf der Verwendung einer verstimmbaren Quartz-Resonanzgabel, wobei der Grad der Verstimmung der Quartz-Resonanzgabel beim Eintauchen in den Kraftstoff einen unmittelbaren Rückschluss auf dessen physikalische Eigenschaften wie Viskosität, dielektrische Leitfähigkeit und/oder Dichte erlaubt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass abweichend davon auch eine Verwendung beliebiger anderer Sensoren denkbar ist. So kann beispielsweise eine Auswertung von im Kraftstoff induzierter Druckschwingungen mittels hochauflösender Drucksensoren erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens in Gestalt eines Flussdiagramms, und
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2 ein schematisch dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem, das mittels des in 1 dargestellten Regenerationsverfahrens betrieben wird.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens in Gestalt eines Flussdiagramms, wobei dieses unter Bezugnahme auf das in 2 dargestellte Abgasnachbehandlungssystem erläutert werden soll.
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Das in einer elektronischen Steuereinheit 10 ablaufende Regenerationsverfahren wird in einem Startschritt 100 bei Inbetriebnahme eines mit dem Abgasnachbehandlungssystem 12 ausgestatteten Kraftfahrzeugs initiiert.
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Das von Seiten eines Verbrennungsmotors 14 mit Abgas durchströmte Abgasnachbehandlungssystem 12 umfasst einen Oxydationskatalysator 16 sowie einen dem Oxydationskatalysator 16 stromabwärts nachgeschalteten Rußpartikelfilter 18 herkömmlicher Bauart. Bei dem Verbrennungsmotor 14 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Common-Rail-Dieselmotor. Der aus dem Rußpartikelfilter 18 austretende Abgasstrom wird über eine Auspuffanlage 20 an die Umgebung abgegeben.
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Zusätzlich kann eine selektive katalytische Reduktion von im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden durch Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung (AdBlue) mittels einer dem Rußpartikelfilter 18 vorgeschalteten Zuführeinrichtung 22 erfolgen. Letztere ist in 2 gestrichelt eingezeichnet. Die Steuerung der Zuführeinrichtung 22 erfolgt mittels der elektronischen Steuereinheit 10, die ihrerseits Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung 24 des Verbrennungsmotors 14 ist. Gemäß einer nicht dargestellten Variante des Abgasnachbehandlungssystems 12 ist die Zuführeinrichtung 22 einem zwischen Rußpartikelfilter 18 und Auspuffanlage 20 angeordneten SCR-Katalysator (SCR – Selective Catalytic Reduction) im Abgasstrom vorgeschaltet.
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In einem ersten Verfahrensschritt 101 erfolgt die Ermittlung des verwendeten Kraftstofftyps und/oder Biokraftstoffanteils. Hierzu wird die Viskosität, dielektrische Leitfähigkeit und/oder Dichte des Kraftstoffs in Abhängigkeit einer ermittelten Kraftstofftemperatur erfasst. Die Erfassung der Viskosität, dielektrischen Leitfähigkeit und/oder Dichte erfolgt durch Auswertung des Schwingungs- und/oder Schallausbreitungsverhaltens des Kraftstoffs mittels eines Kraftstoffsensors 26.
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Ein hierfür geeigneter Kraftstoffsensor 26 wird beispielsweise von der Firma Measurement Specialities Inc. (MEAS) unter der Baureihenbezeichnung FPS28xx angeboten. Dieser beruht auf der Verwendung einer verstimmbaren Quartz-Resonanzgabel, wobei der Grad der Verstimmung der Quartz-Resonanzgabel beim Eintauchen in den Kraftstoff einen unmittelbaren Rückschluss auf dessen physikalische Eigenschaften wie Viskosität, dielektrische Leitfähigkeit und/oder Dichte erlaubt.
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Sowohl der Kraftstoffsensor 26 als auch ein zur Ermittlung der Kraftstofftemperatur vorgesehener Temperatursensor 28 sind gemeinsam innerhalb eines Kraftstofftanks 30 angeordnet und werden dort stetig von Kraftstoff umspült. Die Signale des Kraftstoffsensors 26 sowie des Temperatursensors 28 werden der elektronischen Steuereinheit 10 zugeführt und von dieser zur Ermittlung des Kraftstofftyps und/oder des Biokraftstoffanteils durch Verwendung zugehöriger Kraftstoffkennfelder miteinander in Beziehung gesetzt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 102 nimmt die elektronische Steuereinheit 10 ausgehend von dem im ersten Verfahrensschritt 101 ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil eine Abschätzung des momentanen Beladungszustands η des Rußpartikelfilters 18 vor. Hierbei wird von der elektronischen Steuereinheit 10 berücksichtigt, dass bei der Verbrennung fossiler Dieselkraftstoffe gegenüber Biokraftstoffen in erhöhtem Maße Ruß gebildet wird.
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Da sich die Auslastung bzw. der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 14 entscheidend auf den Umfang der Rußbildung auswirkt, erfolgt die Abschätzung des momentanen Beladungszustands η unter zusätzlicher Berücksichtigung lastbezogener Motorparameter. Bei den lastbezogenen Motorparametern handelt es sich unter anderem um den Lambdawert λ, der mittels einer im Abgasstrom angeordneten Lambdasonde 32 erfasst wird. Zusätzlich kann die Kraftstoffeinspritzmenge und/oder die Drehzahl des Verbrennungsmotors 14 berücksichtigt werden, wobei sich deren momentane Werte aus einem in der Motorsteuerung 24 hinterlegten Motorkennfeld ergeben. Die lastbezogenen Motorparameter werden über einen vorgegebenen Messzeitraum, jeweils ausgehend vom Zeitpunkt des zuletzt durchgeführten Regenerationsvorgangs, von der elektronischen Steuereinheit 10 erfasst und der Abschätzung des momentanen Beladungszustands η des Rußpartikelfilters 18 zugrunde gelegt.
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Aufgrund der oxydierenden und insofern rußreduzierenden Wirkung der im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide (NOx) wird bei der Abschätzung des momentanen Beladungszustands η zusätzlich die vom ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil abhängige NOx-Konzentration im Abgasstrom berücksichtigt. So findet bei der Verbrennung von Biokraftstoffen gegenüber fossilen Dieselkraftstoffen unter ansonsten gleichen Bedingungen eine vermehrte Bildung von Stickoxiden statt.
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Stellt die elektronische Steuereinheit 10 daraufhin in einem dritten Verfahrensschritt 103 fest, dass der momentane Beladungszustand η des Rußpartikelfilters 18 einen vorgegebenen Grenzwert ηlimit übersteigt, so veranlasst diese in einem vierten Verfahrensschritt 104 die Durchführung des Regenerationsvorgangs durch Vorgabe einer an den ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil angepassten Abbrenntemperatur Treg. Dabei wird berücksichtigt, dass zum Abbrennen von aus Biokraftstoffen herrührendem Ruß geringere Abbrenntemperaturen Treg benötigt werden als im Falle fossiler Dieselkraftstoffe. Die Bestimmung der zur Regeneration benötigten Abbrenntemperatur Treg erfolgt auf Grundlage empirisch ermittelter Zusammenhänge, die in der elektronischen Steuereinheit 10 in Gestalt zugehöriger Temperaturkennfelder hinterlegt ist. Ferner ist es denkbar, den vorgegebenen Grenzwert ηlimit abhängig von dem ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil hinsichtlich der zu erwartenden Rußzusammensetzung, insbesondere der Partikelgrößenverteilung der brennbaren Rußanteile sowie der Art der daran haftenden Kohlenwasserstoffe, zu modifizieren.
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Zugleich werden im dritten Verfahrensschritt 103 neben dem momentanen Beladungszustand η des Rußpartikelfilters 18 weitere Regenerationskriterien berücksichtigt. Hierzu gehört einerseits die seit der Durchführung des letzten Regenerationsvorgangs verstrichene Betriebszeit τ des Rußpartikelfilters 18 sowie andererseits der zwischen einem Ein- und Auslass des Rußpartikelfilters 18 anliegende Differenzdruck Δp, der mittels zugehöriger Drucksensoren 34 und 36 ermittelt wird. Übersteigt letzterer einen charakteristischen Höchstwert plimit, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen übermäßigen Beladungszustand η des Rußpartikelfilters 18 geschlossen werden. Andererseits ist es erforderlich, den Rußpartikelfilter 18 in festen Zeitabständen τlimit von 10 bis 100 Stunden zu regenerieren. Die elektronische Steuereinheit 10 veranlasst die Durchführung des Regenerationsvorgangs daher dann, sobald eines der vorgenannten drei Regenerationskriterien im dritten Verfahrensschritt 103 erfüllt ist.
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Trifft keines der drei Regenerationskriterien zu, so kehrt das Regenerationsverfahren zum ersten Verfahrensschritt 101 zurück.
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Der verwendete Common-Rail-Dieselmotor erlaubt eine gezielte Nacheinspritzung von Kraftstoff im vierten Takt (sog. Auspufftakt). Der infolge der unvollständigen Verbrennung im vierten Takt im Abgasstrom verbliebene Kraftstoff wird im Oxydationskatalysator 16 katalytisch oxydiert bzw. nachverbrannt. Dies führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Abgasstromtemperatur. Die Vorgabe der Abbrenntemperatur Treg erfolgt daher im vierten Verfahrensschritt 104 durch Anpassung einer die Abgasstromtemperatur im Bereich des Oxydationskatalysators 16 beeinflussenden Kraftstoffnacheinspritzmenge κ, wozu die elektronische Steuereinheit 10 in geeigneter Weise in die Motorsteuerung 24 des Verbrennungsmotors 14 eingreift. Da der Brennwert von Biokraftstoffen geringer ist als derjenige fossiler Dieselkraftstoffe, ist zur Erreichung der gleichen Abgasstromtemperatur bzw. Abbrenntemperatur Treg eine verhältnismäßig gesehen höhere Kraftstoffnacheinspritzmenge κ erforderlich.
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Die Einhaltung der Abbrenntemperatur Treg wird mittels einer von dem Abgasnachbehandlungssystem 12 umfassten Temperaturregelung überwacht. Beispielsgemäß weist diese mehrere auf einen Einlass des Oxydationskatalysators 16 sowie auf den Ein- und Auslass des Rußpartikelfilters 18 verteilt angeordnete Temperatursensoren 38, 40 und 42 zur Erfassung der jeweiligen Abgasstromtemperaturen auf, wobei die Signale der Temperatursensoren 38, 40 und 42 der elektronischen Steuereinheit 10 zugeführt werden. Diese regelt die Kraftstoffnacheinspritzmenge κ auf Basis der zugeführten Signale derart ein, dass an allen Stellen innerhalb des Rußpartikelfilters 18 die vorgegebene Abbrenntemperatur Treg erreicht wird, sodass ein vollständiges bzw. gleichmäßiges Regenerationsergebnis sichergestellt ist.
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Die Dauer des Regenerationsvorgangs ist fest vorgegeben und liegt im Bereich zwischen 20 und 30 Minuten. Nach Ablauf dieser Zeitspanne wird das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren in einem Schlussschritt 105 beendet.
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Mit anderen Worten sieht das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren vor, dass eine zur Regeneration des Rußpartikelfilters 18 heranzuziehende Abbrennstrategie in Abhängigkeit eines ermittelten Kraftstofftyps und/oder Biokraftstoffanteils ausgewählt wird, wobei die Auswahl der Abbrennstrategie durch Vorgabe einer für den ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil charakteristischen Abbrenn- bzw. Aktivierungstemperatur Treg erfolgt.
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Durch geeignete Auswahl der Abbrennstrategie kann daher eine an den ermittelten Kraftstofftyp und/oder Biokraftstoffanteil und damit eine den tatsächlichen Bedürfnissen angepasste Abbrenntemperatur Treg vorgegeben werden. Der insoweit aufzubringende Energiebedarf lässt sich auf diese Weise auf ein unbedingt notwendiges Maß reduzieren.
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Grundsätzlich kommt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens bei dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen beliebiger Bauart in Frage. Ebenso ist eine stationäre Nutzung im Falle dieselbetriebener Stromgeneratoren oder dergleichen denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008025350 A1 [0002]