DE102012022153A1

DE102012022153A1 - Verfahren zur Regeneration mindestens eines Partikelfilters, Steuereinrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen

Info

Publication number: DE102012022153A1
Application number: DE201210022153
Authority: DE
Inventors: Lars Schlüter; Stefan PAUKNER
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-11-10
Filing date: 2012-11-10
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-11-11
Also published as: DE102012022153B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinrichtung (12) zur Regeneration mindestens eines mit Rußpartikeln beladenen Partikelfilters (22) einer Abgasanlage (18) für einen Ottomotor (14) sowie ein Kraftfahrzeug umfassend die Steuereinrichtung (12). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Als erster Schritt wird eine Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder eines Abgasstroms des Ottomotors (14) bestimmt. Solange die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder des Abgasstroms kleiner einer vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel ist, erfolgt ein Durchführen wenigstens eines der folgenden Schritte: Ein Spätverstellen eines Zündwinkels (ZW) des Ottomotors (14), oder ein Abschalten einer Kraftstoffzufuhr wenigstens eines Zylinders (34) des Ottomotors (14) und ein gleichzeitiges Absenken eines Verbrennungs-Lambdas wenigstes eines nicht abgeschalteten Zylinders auf einen Wert, kleiner als 1. Wenn die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder des Abgasstroms zumindest der vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel entspricht, erfolgt ein Durchführen wenigstens einer der folgenden Maßnahmen zur Erhöhung eines Sauerstoffanteiles (O2_A) des Abgases: Es wird ein Erhöhen einer Öffnung einer Drosseleinrichtung (16) des Ottomotors (14) bei Vorliegen eines Schubbetriebs, oder ein Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert größer 1 oder ein Abschalten oder Abgeschaltetlassen der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Zylinder (34) des Ottomotors (14) durchgeführt

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines, mit Rußpartikeln beladenen, mindestens einen Partikelfilters einer Abgasanlage für einen Ottomotor. Zudem betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit der Steuereinrichtung.
Künftige Abgasgesetzgebungen stellen hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und an eine Abgasnachbehandlung von Ottomotoren. Mit der Einführung der Euro 6 (EU6) Abgasnorm wird ein Partikelanzahl-Grenzwert (PN-Grenzwert) vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass in einigen Fahrzeugmodellen ein Einsatz eines Partikelfilters (Ottopartikelfilters OPF) notwendig sein wird.
Im Fahrbetrieb kann sich der Partikelfilter mit Ottoruß beladen. Damit ein Abgasdruckniveau (vor dem Partikelfilter) nicht zu weit ansteigt, wird der Partikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert. Zu diesem Zweck wird eine thermische Oxidation des Rußes mit Sauerstoff durchgeführt, wofür ein ausreichendes Temperaturniveau bei einem gleichzeitigen Vorliegen von Restsauerstoff im Abgas notwendig ist. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss betrieben werden, in der Regel mit Lambda gleich eins (λ = 1), also stöchiometrisch, ist ein Verfahren zur sicheren Einleitung der Regeneration unter sauerstoffarmen Bedingungen erforderlich.
Zur Zeit werden Partikelfilter noch nicht in Abgasanlagen von Ottomotoren verbaut. Die Einführung des PN-Grenzwertes mit der Euro 6 Abgasnorm und eine folgende Einführung der RDE-Gesetzgebung (Real Driving Emissions – als ein Teil der neuesten Abgasgesetzgebung EU6 ab 2017) wird einen Einsatz eines Partikelfilters wenigstens in einigen Fahrzeugmodellen erforderlich machen.
Die DE 10 2007 033 424 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden eines Abgases einer Brennkraftmaschine, welche mit Luftüberschuss betrieben wird. Während eines nicht gefeuerten Motorbremsbetriebs wird die angesaugte Luft verdichtet und erwärmt sich dabei. Die so aufgeheizte Luft wird in den Abgastrakt gedrückt. Mittels eines Sperrorgans kann der Abgasteilstrom über einen separaten Abgaskanal zur Zumessung eines Reduktionsmittels geleitet werden. Die aufgeheizte Luft löst dort etwaige Ablagerungen, die durch das Eindosieren des Reduktionsmittels entstanden sind, thermisch auf. Ferner kann ein Partikelabscheider oder Partikelfilter stromauf oder stromab des SCR-Katalysators angeordnet sein. Eine Beseitigung von angelagerten Rußpartikeln erfolgt kontinuierlich mit Hilfe von NO₂, welches die Rußpartikel zu CO bzw. CO₂ oxidiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters einer Abgasanlage für einen Ottomotor bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration mindestens eines mit Rußpartikeln beladenen Partikelfilters einer Abgasanlage für einen Ottomotor umfasst einen Schritt des Bestimmens einer Temperatur des mindestens einen Partikelfilters und/oder eines Abgasstroms des Ottomotors. Solange die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters und/oder des Abgasstroms kleiner einer vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel ist, erfolgt ein Durchführen wenigstens eines der folgenden Schritte:
Es wird ein Spätverstellen eines Zündwinkels des Ottomotors oder ein Abschalten einer Kraftstoffzufuhr wenigstens eines Zylinders des Ottomotors und gleichzeitiges Absenken eines Verbrennungs-Lambdas wenigstes eines nicht abgeschalteten Zylinders auf einen Wert kleiner als 1 durchgeführt.
Wenn die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters und/oder des Abgasstroms zumindest der vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel entspricht (also größer als oder gleich der vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel ist), erfolgt ein Durchführen wenigstens einer der folgenden Maßnahmen zur Erhöhung eines Sauerstoffanteiles des Abgases:
Es wird ein Erhöhen einer Öffnung einer Drosseleinrichtung des Ottomotors bei Vorliegen eines Schubbetriebs, oder ein Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert größer 1 oder ein Abschalten oder Abgeschaltetlassen der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Zylinder des Ottomotors durchgeführt.
Typischerweise ist der Ottomotor ein auf Lambda gleich 1 (λ = 1) geregelter Ottomotor. In der Realität schwankt ein realer Lambdawert um die Zahl 1 innerhalb eines sogenannten Lambda-Fensters von typischerweise 0,97 bis 1,03. Das Abgas derartiger Ottomotoren ist mittels eines Drei-Wege-Katalysators sehr gut nachbehandelbar, jedoch weist es für eine Oxidation, also einen Abbrand von Rußpartikeln ohne weitere Maßnahmen einen zu geringen Sauerstoffanteil auf. Bei einem Kaltstart ist jedoch auch kurzzeitig mit einem Lambdawert geringer als 1 zu rechnen. In Schubphasen hingegen wird typischerweise auch bei λ = 1 geregelten Ottomotoren eine Kraftstoffzufuhr unterbrochen, wodurch der aktuelle Lambda Wert gegen unendlich geht.
Die Temperatur des Abgasstroms (Abgases) ist typischerweise eine Temperatur des Abgasstroms vor dem Partikelfilter, insbesondere im Wesentlichen am Eingang des Partikelfilters, also im Wesentlichen beim Eintritt in den Partikelfilter.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst sichergestellt, dass eine ausreichend hohe und für einen Abbrand der Rußpartikel notwendige Temperatur (wenigstens die Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel) des mindestens einen Partikelfilters und/oder des Abgasstroms vorliegt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird diese mittels wenigstens eines der vorgeschlagenen Schritte angehoben.
Ein vorgeschlagener Schritt sieht die Spätverstellung des Zündwinkels des Ottomotors vor. Durch diese Maßnahme verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Ottomotors, wodurch die Abgastemperatur steigt. In Folge wird auch der mindestens eine Partikelfilter erwärmt. Dies kann z. B. durch ein Erhöhen der Öffnung der Drosseleinrichtung, und gleichzeitiges Erhöhen einer dem Ottomotor zugeführten Kraftstoffmenge ohne einen Momenteneingriff erfolgen.
Eine weiterer vorgeschlagener Schritt sieht das Abschalten der Kraftstoffzufuhr wenigstens eines Zylinders des Ottomotors (Zylinderabschaltung) bei gleichzeitigem Absenken eines Verbrennungs-Lambdas wenigstes eines nicht abgeschalteten Zylinders auf einen Wert kleiner als 1 vor. Die nicht abgeschalteten Zylinder werden also fett verstellt. Dadurch gelangt unverbrannter Kraftstoff in die Abgasanlage, welcher dort unter Wärmefreisetzung oxidiert. Dies geschieht üblicherweise mit Hilfe eines Katalysators der Abgasanlage, z. B. eines Vorkatalysators.
Es ist möglich, nur einen der angeführten Schritte durchzuführen oder diese z. B. wegen einer vom Fahrer gewünschten Drehmomentänderung des Ottomotors nacheinander durchzuführen.
Nach Erreichen der vorbestimmten Mindesttemperatur (oder auch, wenn diese von Beginn des Verfahrens an vorliegt,) wird wenigstens eine der Maßnahmen zur Erhöhung des Sauerstoffanteils des Abgases durchgeführt, um einen Abbrand der Rußpartikel zu ermöglichen. Hier ist es wiederum möglich, nur eine der Maßnahmen durchzuführen oder diese z. B. wegen einer vom Fahrer gewünschten Drehmomentänderung des Ottomotors nacheinander durchzuführen.
Eine vorgeschlagene Maßnahme sieht ein Erhöhen der Öffnung der Drosseleinrichtung des Ottomotors bei Vorliegen eines Schubbetriebs vor. Im Schubbetrieb wird üblicherweise eine Schubabschaltung durchgeführt, welche eine Kraftstoffzufuhr während des Schubbetriebs unterbindet. Durch das Erhöhen der Öffnung der Drosseleinrichtung wird somit ein ohnehin vorhandener Luftstrom in den Partikelfilter weiter erhöht.
Eine weitere vorgeschlagene Maßnahme sieht ein Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert größer als 1 (Magerverstellung) vor. Dadurch steigt der Sauerstoffanteil im Abgas, bzw. wird nun ein ansonsten auf λ = 1 geregelter Ottomotor mit Luftüberschuss betrieben. Der Luftüberschuss dient in Folge zur Oxidation der Rußpartikel.
Eine weitere vorgeschlagene Maßnahme sieht das Abschalten oder Abgeschaltetlassen der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Zylinder des Ottomotors vor. Durch diese Zylinderabschaltung pumpt der wenigstens eine abgeschaltete Zylinder Luft in die Abgasanlage.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine sichere Regeneration, insbesondere eine sichere Einleitung der Regeneration, typischerweise unter ursprünglich sauerstoffarmen Bedingungen ermöglicht.
Bevorzugt werden die Maßnahmen zur Erhöhung des Sauerstoffanteils des Abgases durchgeführt, wenn ein aktuelles Abgas-Lambda höchstens einem vorbestimmten Grenzlambdawert entspricht (also kleiner als oder gleich dem vorbestimmten Grenzlambdawert ist). Insbesondere ist der vorbestimmte Grenzlambdawert gleich 1. Das aktuelle Abgas-Lambda ist typischerweise das Abgas-Lambda vor einem Eintritt in den Partikelfilter.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Maßnahme zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles des Abgases durchgeführt, wenn eine aktuelle Temperatur des mindestens einen Partikelfilters kleiner als eine vorbestimmte Grenztemperatur ist. Damit wird sichergestellt, dass der mindestens eine Partikelfilter eine maximal zulässige Bauteiltemperatur nicht überschreitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die wenigstens eine Maßnahme zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles des Abgases durch Öffnung der Drosseleinrichtung, wenn eine aktuelle Beladung des mindestens einen Partikelfilters mit Rußpartikeln kleiner als eine vorbestimmte Grenzbeladung ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer zu hohen Beladung (Partikelmasse pro Filtervolumen) des mindestens einen Partikelfilters, ein Abbrand der Rußpartikel nicht derart forciert wird, dass eine maximal zulässige Bauteiltemperatur des mindestens einen Partikelfilters überschritten wird.
Bevorzugt erfolgt das Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert nahe einer oberen Zündgrenze. Dadurch wird ein durch das Anheben des Verbrennungs-Lambdas maximal möglicher Sauerstoffeintrag in den Partikelfilter erwirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Bestimmen der Temperatur des mindestens einen Partikelfilters und/oder des Abgasstroms mittels eines Modells. Prinzipiell kann zur Bestimmung dieser Temperaturen auch ein Temperatursensor verwendet werden. Durch das Bestimmen der Temperatur des mindestens einen Partikelfilters und/oder des Abgasstroms mittels eines Modells kann dieser Temperatursensor jedoch eingespart werden. Das Modell (Rechenmodell) ist typischerweise in eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Ottomotors integriert.
Des Weiteren wird eine Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Typischerweise ist die Steuereinrichtung Teil eines Motorsteuergerätes. Die Steuereinrichtung umfasst üblicherweise eine Verarbeitungseinheit und eine Speichereinheit.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, einen Ottomotor und eine Abgasanlage mit einem Partikelfilter. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich insbesondere durch eine äußerst geringe Rußpartikelemission aus.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Partikelfilter ein Wandstromfilter (Wallflow-Filter). Der Partikelfilter kann unbeschichtet, mit einem Washcoat ohne Edelmetall oder mit einer katalytischen Beschichtung, insbesondere einer Drei-Wege-Beschichtung ausgeführt sein. Der Partikelfilter kann mit einem oder mehreren weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten kombiniert werden.
Bevorzugt umfasst die Abgasanlage ferner einen, stromauf des mindestens einen Partikelfilters angeordneten Katalysator (als weitere Abgasnachbehandlungskomponente). Insbesondere ist der Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator. Durch den Drei-Wege-Katalysator kann auf gewohnt effektive Art und Weise eine Abgasnachbehandlung eines λ = 1 geregelten Ottomotors durchgeführt werden.
Insbesondere ist der Drei-Wege-Katalysator motornah stromab des Ottomotors angeordnet. Dies resultiert in einer kurzen Anspringzeit des Drei-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart.
Zudem kann der Partikelfilter als eine erste Abgasnachbehandlungskomponente stromab des Ottomotors, also nach dem Ottomotor und insbesondere motornah angeordnet sein. Der Drei-Wege-Katalysator kann somit auch stromab des mindestens einen Partikelfilters angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Teil eines Kraftfahrzeugs,
2 eine Spätverstellung eines Zündwinkels,
3 ein Erhöhen einer Öffnung einer Drosseleinrichtung,
4 ein Anheben eines Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert größer als 1, und
5 ein Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Zylinder.
1 zeigt schematisch einen Teil eines Kraftfahrzeugs 10, welches ein Steuergerät 12 umfasst. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ferner einen Ottomotor 14, eine Drosseleinrichtung 16, eine Abgasanlage 18 und einen Gaspedalsensor 20. Die Abgasanlage 18 umfasst einen Partikelfilter 22 (Ottopartikelfilter, kurz OPF). Ferner kann die Abgasanlage einen Katalysator 24 (Vorkatalysator) umfassen, welcher typischerweise ein Drei-Wege-Katalysator 24 ist. Der Drei-Wege-Katalysator kann stromauf des mindestens einen Partikelfilters 22 angeordnet sein. Zudem kann die Abgasanlage 18 eine erste Lambdasonde 28 zwischen dem Ottomotor 14 und dem Drei-Wege-Katalysator 24 und eine zweite Lambdasonde 26 zwischen dem Partikelfilter 22 und dem Drei-Wege-Katalysator 24 umfassen. Ferner kann in der Abgasanlage 18 typischerweise stromauf des Drei-Wege-Katalysators 24 eine Turbine eines Turboladers (nicht dargestellt) angeordnet sein.
Der Ottomotor 14 umfasst eine Einspritzeinrichtung 30, eine Zündeinrichtung 32 und normalerweise mehrere Zylinder 34. Der Gaspedalsensor 20, die Drosselklappe 16, die Einspritzeinrichtung 30, die Zündeinrichtung 32, die zweite Lambdasonde 26 und die erste Lambdasonde 28 sind auf geeignete und bekannte Weise mit der Steuereinrichtung 12 verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wie folgt durchgeführt werden:
Das Steuergerät 12 regelt eine Kraftstoffzufuhr zu dem Ottomotor 14. Typischerweise ist der Ottomotor ein, auf Lambda gleich 1 (λ = 1) geregelter Ottomotor, wobei in der Realität der tatsächliche Lambdawert minimal um 1 schwankt. Dadurch wird der Ottomotor 14 während eines Großteils seiner Betriebszeit mit stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen betrieben. Für die optimale Einhaltung dieser Regelvorgabe sorgt die erste Lambdasonde 28. Durch den λ = 1 Betrieb kann im Drei-Wege Katalysator 24 eine optimale Abgasnachbehandlung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden erfolgen.
Größtenteils wird der mindestens eine Partikelfilter 22 während Kaltstarts mit Rußpartikeln beladen. Um die angesammelten Rußpartikel aus dem Partikelfilter 22 zu entfernen, werden diese abgebrannt (der Partikelfilter wird regeneriert). Um einen Abbrand zu ermöglichen, muss eine ausreichende Temperatur des mindestens einen Partikelfilters 22 und/oder eine Temperatur des Abgasstroms (Abgastemperatur), sowie ein ausreichend hoher Sauerstoffanteil O_{2_A} (Sauerstoffkonzentration) des Abgases, welches in den Partikelfilter 22 strömt, sichergestellt werden. Die Temperatur des Abgasstroms ist dabei typischerweise eine Temperatur T_AvF des Abgasstroms vor dem Partikelfilter 22, also stromauf des Partikelfilters 22.
Je nach Fahrzyklus und Umgebungsbedingungen kann es sein, dass die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters 22 (Bauteiltemperaturen) und/oder die Temperatur T_AvF des Abgasstroms sowie der Sauerstoffanteil O_{2_A} des Abgases (Restsauerstoffanteil) am Partikelfilter 22 für eine Regeneration des Partikelfilters 22 nicht ausreichend sind. Die erforderliche, vorbestimmte Mindesttemperatur (Zieltemperatur) zur Oxidation beträgt für eine schnelle, effektive thermische Regeneration z. B. ca. 600°C bei einem gleichzeitigen Sauerstoffüberschuss. Zur Überprüfung der Temperatur des mindestens einen Partikelfilters 22 und/oder des Abgasstroms kann diese auf bekannte Art und Weise mittels eines Modells, welches in der Steuereinrichtung 12 hinterlegt ist, bestimmt werden. Sollte diese bereits zumindest einer vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel entsprechen (also größer als oder gleich der Mindesttemperatur sein), wird direkt mit einer Maßnahme zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles O_{2_A} des Abgases fortgefahren.
Ist die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters 22 und/oder des Abgasstroms jedoch kleiner als die vorbestimmte Mindesttemperatur, wird wenigstens einer der folgenden Schritte durchgeführt.
So kann eine Spätverstellung eines Zündwinkels ZW des Ottomotors 14 vorgenommen werden. Die Temperatur T_AvF des Abgasstroms kann dadurch deutlich und auch ohne einen Momenteneingriff erhöht werden. Durch die Spätverstellung erfolgt eine bewusst herbeigeführte Verschlechterung des Wirkungsgrads des Ottomotors 14. Zur Kompensation eines ansonsten eintretenden Momenteneingriffs kann eine Erhöhung der Öffnung der Drosseleinrichtung 16 bei einer gleichzeitigen Erhöhung einer dem Ottomotor 14 zugeführten Brennstoffmasse erfolgen. Durch die Verschlechterung des Wirkungsgrads und die Kompensation erhöhen sich die Temperatur T_AvF sowie der Abgasmassenstrom.
2 zeigt exemplarisch ein Messergebnis der Spätverstellung des Zündwinkels ZW. Der Zündwinkel ZW kann z. B. von einer Vorzündung von ca. 15°KW (Grad Kurbelwinkel) auf eine Nachzündung von ca. 5°KW verstellt werden. Als Resultat erfolgt ein Ansteigen der Temperatur T_AvF des Abgasstroms vor dem Partikelfilter 22 von ca. 480°C (Grad Celsius) auf ca. 550°C. Während der Zündwinkelspätverstellung bleibt die Motordrehzahl n konstant bei ca. 2000 min^–1 (Umdrehungen pro Minute).
Zudem kann anstatt, vor oder nach der Zündwinkelspätverstellung auch ein Abschalten einer Kraftstoffzufuhr wenigstens eines Zylinders 34 des Ottomotors 14 (Zylinderabschaltung) bei einem gleichzeitigen Absenken eines Verbrennungs-Lambdas (Fettverstellung) wenigstes eines nicht abgeschalteten Zylinders 34 auf einen Wert, kleiner als 1 erfolgen. Durch das Abschalten der Zylinder 34 werdend die abgeschalteten (nicht gefeuerten) Zylinder 34 als Luftpumpen verwendet, wodurch sich ein hoher Sauerstoffanteil O_{2_A} im Abgasstrom einstellen lässt. Durch die Fettverstellung der nicht abgeschalteten (also der gefeuerten) Zylinder, gelangen unverbrannte Kohlenwasserstoffe in die Abgasanlage 18. Durch den Drei-Wege-Katalysator 24 werden die Kohlenwasserstoffe exotherm umgesetzt, wodurch die Temperatur T_AvF des Abgasstroms vor dem Partikelfilter 22 und in Folge die Temperatur des Partikelfilters 22 deutlich erhöht wird.
Wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 und/oder die Temperatur des Abgasstroms zumindest der vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel entspricht, muss für eine Regeneration des mindestens einen Partikelfilters 22 ein ausreichender Sauerstoffanteil O_{2_A} im Abgasstrom sichergestellt werden. Dazu wird wenigstens eine der folgenden Maßnahmen zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles O_{2_A} des Abgases durchgeführt. Dies ist insbesondere bei λ = 1 geregelten Ottomotoren erforderlich, da diese für eine effektive Regeneration des mindestens einen Partikelfilters 22 je nach Betriebsphase einen zu geringen Sauerstoffanteil O_{2_A} im Abgasstrom bereitstellen. Von den beschriebenen Maßnahmen kann z. B. nur eine einzige oder mehrere in beliebiger Reihenfolge nacheinander durchgeführt werden.
Bei einem Lastwechsel in den Schubbetrieb (in eine Schubphase) bei einer aktiven Schubabschaltung erhöht sich der Sauerstoffanteil O_{2_A} im Abgasstrom automatisch. Der dadurch eingebrachte Sauerstoffanteil O_{2_A} bewirkt in der Regel bereits einen raschen Rußumsatz. Es kann jedoch wünschenswert sein, den Rußumsatz weiter zu erhöhen. In diesem Fall wird im Schubbetrieb ein Erhöhen der Öffnung der Drosseleinrichtung 16 vorgenommen (also in der Regel ein Öffnen einer Drosselklappe bzw. ein Erhöhen einer Drosselklappenöffnung der Drosselklappe). Dadurch steigt ein Luftmassenstrom und somit auch ein Sauerstoffmassenstrom in den Partikelfilter 22. Die Steuereinrichtung 12 kann ein Vorliegen einer Schubphase über den Gaspedalsensor 20 detektieren.
In 3 ist ein solches Erhöhen der Öffnung der Drosseleinrichtung 16 ersichtlich. Einerseits wird eine Drosselklappenöffnung D_n in % im Normalbetrieb bei einer Schubabschaltung über der Zeit t in s (Sekunden) dargestellt. Zudem ist zur Verdeutlichung der Schubphase auch eine Fahrzeuggeschwindigkeit V_Fzg des Kraftfahrzeugs 10 dargestellt. Überdies ist eine zur Drosselklappenöffnung D_n zugehörige, integrale Sauerstoffmasse IO_{2_n} im Normalbetrieb in kg dargestellt. Während der Schubphase wird nun die Drosselklappenöffnung von 7% auf 20% erhöht – vergleiche den Verlauf der Drosselklappenöffnung D_o in % während des Betriebs mit der erhöhten Öffnung. Der dazugehörige Verlauf einer integralen Sauerstoffmasse IO_{2_o} im Betrieb mit der erhöhten Öffnung zeigt die Auswirkungen dieser Erhöhung. Demnach findet ca. eine Verdoppelung der integralen Sauerstoffmasse IO_{2_n} statt. Ein durch die Erhöhung reduziertes Bremsmoment kann durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden.
Sollte nach Erreichen der vorbestimmten Mindesttemperatur kein Schubbetrieb eintreten, kann alternativ als eine weitere Maßnahme das Verbrennungs-Lambda auf einen Wert größer als 1 angehoben werden (Magerverstellung des Ottomotors 14). Dadurch stellt sich auch ein Abgas-Lambda λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 ein, welches ebenfalls größer als 1 ist. Das Abgas-Lambda λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 wird mittels der zweiten Lambdasonde 26 gemessen. Dabei werden die Zündgrenze und die Laufruhe des Ottomotors 14 als begrenzende Faktoren berücksichtigt. Um einen möglichst hohen Sauerstoffanteil erreichen zu können, kann ein Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert nahe der oberen Zündgrenze erfolgen. Der durch die Magerverstellung eingebrachte Sauerstoffanteil O_{2_A} (Restsauerstoff) bewirkt eine effektive Regeneration des mindestens einen Partikelfilters 22. Die Magerverstellung ist so auszuführen, dass ein in dieser Magerphase auftretender NO_x-Schlupf nicht zu hoch ausfällt.
In 4 ist ein solcher Messwert des Abgas-Lambdas λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 ersichtlich. Demnach erfolgt bei dieser Magerverstellung eine Anhebung des Abgas-Lambdas λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 von 1 auf ca. 1,15. Der Sauerstoffanteil O_{2_A} in % des Abgasstroms (gemessen mit einer Sauerstoffsonde) vor dem Partikelfilter 22 weist einen analogen Verlauf auf und erhöht sich durch die Maßnahme von 0% auf 3%. Die Motordrehzahl n wird bei dieser Maßnahme auf konstant ca. 2000 min^–1 gehalten. Die Temperatur T_AvF des Abgasstroms vor dem Partikelfilter 22 wurde vor der Magerverstellung bereits durch einen der oben erwähnten Schritte angehoben. Anhand der Darstellung einer Temperatur T_AnF des Abgasstroms nach dem Partikelfilter 22, also stromab des Partikelfilters 22 wird im eingekreisten Bereich eine Exothermie durch einen Rußumsatz auf dem Partikelfilter 22 sichtbar. Die Temperatur T_AvF des Abgasstroms vor dem Partikelfilter 22 ist insbesondere bei Beginn des Abbrands wichtig.
Eine weitere Maßnahme, Sauerstoff in die Abgasanlage 18 einzubringen, sieht das Abschalten oder Abgeschaltetlassen der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Zylinder 34 des Ottomotors 14 vor. Bei einem Ottomotor 14, welcher als Vierzylinder mit einer Zündreihenfolge I-III-IV-II ausgebildet ist, werden entweder die Zylinder I und IV oder die Zylinder II und III abgeschaltet. Die abgeschalteten Zylinder 34 pumpen dabei Luft in die Abgasanlage 18.
5 verdeutlicht diesen Vorgang. So wird wiederum über die Zeit t die Motordrehzahl n konstant bei ca. 2000 min^–1 gehalten. Der Verlauf von Einspritzzeiten t_E in ms (Millisekunden) der Zylinder 14 ist ebenfalls symbolisch dargestellt. Demnach ist ersichtlich, in welchem Zeitraum die Zylinderabschaltung aktiv ist, also wann die Zylinder 34 mit Kraftstoff versorgt werden und wann nicht. Als Ergebnis dieser Maßnahme steigt das Abgas-Lambda λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 von 1 auf 1,8.
Vor oder während den Maßnahmen zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles O_{2_A} kann eine Überprüfung eines aktuellen Abgas-Lambdas λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 durchgeführt werden. Wenn das aktuelle Abgas-Lambda λ_AvF vor dem Partikelfilter 22 höchstens einem vorbestimmten Grenzlambdawert (typischerweise 1) entspricht, werden die Maßnahmen (weiter) durchgeführt. Somit wird sichergestellt, dass das Verfahren nur bei zu geringem Sauerstoffanteil O_{2_A} im Abgas durchgeführt wird.
Um eine maximal zulässige Bauteiltemperatur des Partikelfilters 22 nicht zu überschreiten, kann eine aktuelle Temperatur des Partikelfilters 22 überprüft werden. Bei einem erwarteten Überschreiten einer festegelegten Grenztemperatur kann die Erhöhung des Sauerstoffanteiles O_{2_A} des Abgases gestoppt oder auch erst gar nicht eingeleitet werden. Die Erhöhung des Sauerstoffanteiles O_{2_A} des Abgases findet somit (wenn überhaupt) nur dann statt, wenn eine aktuelle Temperatur des mindestens einen Partikelfilters 22 kleiner als die Grenztemperatur ist.
Zudem kann überprüft werden, ob eine aktuelle Beladung des Partikelfilters 22 mit Rußpartikeln kleiner als eine vorbestimmte Grenzbeladung ist. So kann z. B. sichergestellt werden, dass eine Regeneration nur bei einer unkritischen Beladung bis z. B. 2 g/L (Gramm pro Liter) durchgeführt wird. Dadurch wird eine Erhöhung des Sauerstoffanteils bei kritischen Beladungen, z. B. 5 g/L verhindert. Bei einer Erhöhung des Sauerstoffanteils bei gleichzeitigem Vorliegen einer Beladung, größer als die Grenzbeladung, könnte ansonsten eine thermische Überlastung des Partikelfilters 22 eintreten.
Generell ist es auch denkbar, den Partikelfilter 22 mit einer katalytischen Beschichtung, insbesondere einer Drei-Wege-Beschichtung zu versehen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass ein motorisches Verfahren zur Verfügung gestellt wird, um einen, in einer Abgasanlage 18 für einen Ottomotor 14 verbauten Partikelfilter 22 zu regenerieren, also um auf dem Partikelfilter 22 eingelagerte Rußpartikel periodisch zu entfernen. Dazu werden Schritte und Maßnahmen kombiniert, welche die für eine thermische Regeneration erforderlichen Temperaturen und Sauerstoffanteile im Abgas bereitstellen.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Steuergerät
14: Ottomotor
16: Drosseleinrichtung
18: Abgasanlage
20: Gaspedalsensor
22: Partikelfilter
24: Katalysator/Drei-Wege-Katalysator
26: zweite Lambdasonde
28: erste Lambdasonde
30: Einspritzeinrichtung
32: Zündeinrichtung
34: Zylinder
ZW: Zündwinkel
t: Zeit
n: Motordrehzahl
T_AvF: Temperatur des Abgasstroms vor dem Partikelfilter
T_AnF: Temperatur des Abgasstroms nach dem Partikelfilter
O_{2_A}: Sauerstoffanteil im Abgasstrom
λ_AvF: Abgas-Lambda vor dem Partikelfilter
D_n: Drosselklappenöffnung im Normalbetrieb
D_o: Drosselklappenöffnung während eines Betriebs mit einer erhöhten Öffnung
IO_{2_n}: integrale Sauerstoffmasse im Normalbetrieb
IO_{2_o}: Verlauf einer integralen Sauerstoffmasse im Betrieb mit einer erhöhten Öffnung
V_Fzg: Fahrzeuggeschwindigkeit
t_E: Einspritzzeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007033424 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Euro 6 (EU6) Abgasnorm [0002]
Euro 6 Abgasnorm [0004]

Claims

Verfahren zur Regeneration mindestens eines mit Rußpartikeln beladenen Partikelfilters (22) einer Abgasanlage (18) für einen Ottomotor (14) umfassend die folgenden Schritte: – Bestimmen einer Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder eines Abgasstroms des Ottomotors (14); – Solange die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder des Abgasstroms kleiner als eine vorbestimmte Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel ist, Durchführen wenigstens eines der folgenden Schritte: – Spätverstellen eines Zündwinkels (ZW) des Ottomotors (14); oder – Abschalten einer Kraftstoffzufuhr wenigstens eines Zylinders (34) des Ottomotors (14) und gleichzeitiges Absenken eines Verbrennungs-Lambdas wenigstes eines nicht abgeschalteten Zylinders auf einen Wert kleiner als 1; – Wenn die Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder des Abgasstroms zumindest der vorbestimmten Mindesttemperatur zur Oxidation der Rußpartikel entspricht, Durchführen wenigstens einer der folgenden Maßnahmen zur Erhöhung eines Sauerstoffanteiles (O_{2_A}) des Abgases: – Erhöhen einer Öffnung einer Drosseleinrichtung (16) des Ottomotors (14) bei Vorliegen eines Schubbetriebs; oder – Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert größer als 1; oder – Abschalten oder Abgeschaltetlassen der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Zylinder (34) des Ottomotors (14).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maßnahmen zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles (O_{2_A}) des Abgases durchgeführt werden, wenn ein aktuelles Abgas-Lambda höchstens einem vorbestimmten Grenzlambdawert entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Maßnahme zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles (O_{2_A}) des Abgases durchgeführt wird, wenn eine aktuelle Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) kleiner als eine vorbestimmte Grenztemperatur ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Maßnahme zur Erhöhung des Sauerstoffanteiles (O_{2_A}) des Abgases durch Erhöhen der Öffnung der Drosseleinrichtung (16) erfolgt, wenn eine aktuelle Beladung des mindestens einen Partikelfilters (22) mit Rußpartikeln kleiner als eine vorbestimmte Grenzbeladung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anheben des Verbrennungs-Lambdas auf einen Wert nahe einer oberen Zündgrenze erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Temperatur des mindestens einen Partikelfilters (22) und/oder des Abgasstroms mittels eines Modells, erfolgt.
Steuereinrichtung (12) eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug (10) umfassend die Steuereinrichtung (12) nach Anspruch 7, einen Ottomotor (14) und eine Abgasanlage (18) mit mindestens einem Partikelfilter (22).
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, wobei die Abgasanlage (18) ferner einen, stromauf des mindestens einen Partikelfilters (22) angeordneten Katalysator (24) umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei der Katalysator (24) motornah stromab des Ottomotors (14) angeordnet ist.