DE102013201196B4

DE102013201196B4 - Sicheres Betreiben eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102013201196B4
Application number: DE102013201196.2A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2033-01-26
Also published as: DE102013201196A1; US20130239800A1; US9593648B2

Abstract

Ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters (7) zum Filtern eines in dem Abgasweg fließenden Abgasstromes (1), das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweisend:
- Bestimmen einer Massendurchflußrate des Abgasstromes (1); und
- Zuführen von Umgebungsluft (4) in den Abgasweg, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen von Umgebungsluft (4) in den Abgasweg in Abhängigkeit von der bestimmten Massendurchflußrate durchgeführt wird, wobei dem Abgasweg eine erste Menge Umgebungsluft (4) zugeführt wird, wenn die bestimmte Massendurchflußrate einen ersten Wert hat, und wobei dem Abgasweg eine zweite Menge Umgebungsluft (4), welche größer als die erste Menge ist, zugeführt wird, wenn die bestimmte Massendurchflußrate einen zweiten Wert hat, welcher kleiner als der erste Wert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters, eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, die nach dem Verfahren betrieben werden kann, und ein Kraftfahrzeug mir einer solchen Vorrichtung.
Wandstrompartikelfilter, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit Diesel-Verbrennungsmotoren als Rußfilter verwendet werden, speichern das aus dem Abgas herausgefilterte Festmaterial vorzugsweise an der Wand des Substrates des Partikelfilters. Da die Aufnahmekapazität des Partikelfilters begrenzt ist, muß der Partikelfilter regelmäßig regeneriert werden. Dies ist auch deshalb notwendig, weil der Abgasgegendruck, der von dem mit steigender Festmaterialmenge immer undurchlässigeren Partikelfilter auf den Verbrennungsmotor rückwirkt, die Last des Verbrennungsmotors und damit den Kraftstoffverbrauch erhöht.
Bei der Regeneration des Partikelfilters wird das in dem Partikelfilter abgelagerte Festmaterial verbrannt. Der Brennvorgang kann gezielt durch ein sogenanntes fettes Kraftstoffgemisch initiiert werden, bei dem relativ zu der dem Verbrennungsmotor zugeführten Verbrennungsluft zu viel Kraftstoff zugeführt wird, so dass das Abgas des Verbrennungsmotors noch unverbrannten Kraftstoff enthält, der den Brennvorgang im Partikelfilter auslöst. Wird die Regeneration nicht regelmäßig durchgeführt, um die Menge des abgelagerten Festmaterials zu begrenzen, kann es zu einer spontanen Verbrennung kommen, die ein Sicherheitsproblem darstellen kann. Bei dem Brennvorgang können Temperaturen von über 600 Grad Celsius erreicht werden, die das Substrat des Partikelfilters beschädigen können. Die Gefahr einer Beschädigung ist besonders hoch, wenn der Brennvorgang unkontrolliert verläuft, weil beispielsweise die Menge des abgelagerten Festmaterials unerwartet hoch gewesen ist. Daher ist es erstrebenswert, den Abstand zwischen zwei Regenerationen nicht zu groß werden zu lassen.
Nachteilig ist an der regelmäßigen kontrollierten Regeneration jedoch, dass die Regenerationszyklen den Kraftstoffverbrauch erhöhen.
Aus DE 10 2004 046 638 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen stromaufwärts eines Partikelfilters Sekundärluft in den Abgasweg eingeleitet wird. Dies geschieht, um über den Sauerstoffgehalt und den Kühlungseffekt der eingeleiteten Luft eine Partikel-Abbrandgeschwindigkeit während einer Regeneration des Partikelfilters zu steuern.
Aus DE 103 45 986 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen stromaufwärts eines Rußfilters Luft zugeführt wird, deren Sauerstoffgehalt eine Selbstreinigung des Rußfilters und das Verbrennen von Rußpartikeln verbessern soll.
EP 1 630 369 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen durch Zugabe eines kühlenden Fluids in eine Abgasleitung während eines thermischen Rußabbrandes in einem Partikelfilter eine übermäßige Aufheizung des Partikelfilters vermieden werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Partikelfilters zur Verfügung zu stellen, das die Gefahr einer Beschädigung des Partikelfilters durch einen unkontrollierten Brennvorgang verringert.
Ein erster Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters zum Filtern eines in dem Abgasweg fließenden Abgasstromes. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:

- Bestimmen einer Massendurchflußrate des Abgasstromes; und
- Zuführen von Umgebungsluft in den Abgasweg in Abhängigkeit von der bestimmten Massendurchflußrate.

Die Massendurchflußrate des Abgasstromes bestimmt sich im wesentlichen nach dem aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors, der den Abgasstrom erzeugt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass spontane Entzündungen des im Partikelfilter abgelagerten Materials entstehen und besonders hohe Temperaturen erzeugen können, wenn der Abgasstrom durch den Partikelfilter nach einer Phase hoher Betriebslast des Verbrennungsmotors stark abnimmt. Der Grund hierfür liegt in der Kühlungsfunktion, die der Abgasstrom ausübt, indem er im Partikelfilter entstehende Wärme abgeführt. Daher sind Situationen wie beispielsweise ein Fahren eines mit einem Partikelfilter ausgestatteten Kraftfahrzeuges über längere Strecken und bei hoher Geschwindigkeit und anschließendes Abstellen des Kraftfahrzeuges besonders risikoreich, zumal die Möglichkeit besteht, dass der Partikelfilter kurz vor einem Regenerationszyklus steht. Die Erfindung sieht daher vor, die Massendurchflußrate des Abgasstromes zu bestimmen und in Abhängigkeit von der bestimmten Massendurchflußrate Umgebungsluft in den Abgasweg zuzuführen. Die zugeführte Umgebungsluft kann dann die gewünschte Kühlungsfunktion ausüben.
Dabei wird dem Abgasweg eine erste Menge Umgebungsluft zugeführt, wenn die bestimmte Massendurchflußrate einen ersten Wert hat, und eine zweite Menge Umgebungsluft, welche größer als die erste Menge ist, wenn die bestimmte Massendurchflußrate einen zweiten Wert hat, welcher kleiner als der erste Wert ist. Dies bedeutet, dass die zugeführte Umgebungsluft einen abnehmenden Abgasstrom beziehungsweise eine sinkende Massendurchflußrate des Abgasstromes kompensiert. Die Menge der zugeführten Umgebungsluft kann beispielsweise antiproportional zu der bestimmten Massendurchflußrate gewählt sein. Bevorzugt wird eine Gesamtmassendurchflußrate durch den Partikelfilter, welche die Massendurchflußrate des Abgasstromes und eine Zuluftmassendurchflußrate der zugeführten Umgebungsluft umfaßt, wenigstens näherungsweise konstant gehalten.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird die Umgebungsluft komprimiert, bevor sie dem Abgasweg zugeführt wird. Dadurch kann die Menge der in einer gegebenen Zeitspanne zugeführten Umgebungsluft erhöht werden. Das Komprimieren ist auch vorteilhaft, wenn der Abgasgegendruck wegen einer hohen Menge Ablagerungen in dem Partikelfilter steigt, der Partikelfilter also immer weniger durchlässig wird.
Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt des Bestimmens einer Substrattemperatur des Partikelfilters aufweisen. In einem solchen Fall kann das Zuführen von Umgebungsluft in den Abgasweg zusätzlich in Abhängigkeit von der bestimmten Substrattemperatur durchgeführt werden. Beispielsweise kann anhand der bestimmten Substrattemperatur abgeleitet werden, wie groß der Bedarf an Kühlung des Partikelfilters zu einem gegebenen Zeitpunkt ist. Insbesondere kann dem Abgasweg eine dritte Menge Umgebungsluft zugeführt werden, wenn die bestimmte Substrattemperatur einen ersten Temperaturwert hat, und eine vierte Menge Umgebungsluft, welche größer als die dritte Menge ist, zugeführt werden, wenn die bestimmte Substrattemperatur einen zweiten Temperaturwert hat, welcher größer als der erste Temperaturwert ist. Eine höhere Substrattemperatur bedeutet einen höheren Bedarf an Kühlung, so dass entsprechend mehr Umgebungsluft zugeführt wird. Insbesondere kann die Menge der zugeführten Umgebungsluft proportional zu der Substrattemperatur gewählt sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird der Abgasstrom unterbrochen, wenn die Substrattemperatur einen ersten Schwellwert überschreitet. Hierbei handelt es sich um eine Sicherheitsmaßnahme, die die Zufuhr des Abgases unterbindet, wenn die Substrattemperatur kritische Temperaturen erreicht. Das gewöhnlich heiße Abgas vermag nur einen geringeren Kühlungseffekt zu bewirken als es die gleiche Menge Umgebungsluft kann, weshalb bei diesen Ausführungsformen bei besonders hohen Substrattemperaturen nur noch Umgebungsluft zur Kühlung zugeführt wird. Üblicherweise wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet, um kein weiteres Abgas zu erzeugen. Vorzugsweise wird der Abgasstrom unterbrochen und dem Abgasweg Umgebungsluft zugeführt, bis die Substrattemperatur einen zweiten Schwellwert, der niedriger als der erste Schwellwert ist, unterschreitet. Wenn der zweite Schwellwert unterschritten wird, wird die kritische Situation als beendet angesehen, so dass zu einer normalen Betriebsweise zurückgekehrt werden kann.
Vorzugsweise wird die Massendurchflußrate des Abgasstromes bestimmt, indem eine Last des Verbrennungsmotors bestimmt wird. Die Massendurchflußrate ergibt sich direkt aus der Last des Verbrennungsmotors, welche aus den verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors ohnehin im System bekannt ist. Daher kann die Massendurchflußrate des Abgasstromes vorteilhaft ohne weitere Maßnahmen wie die Durchführung von Messungen bestimmt werden.
Bei dem Verfahren kann ein Mischventil zum Mischen des Abgasstromes und der zugeführten Umgebungsluft auch verwendet werden, um einen Abgasgegendruck zu erhöhen. Dadurch kann die Last des Verbrennungsmotors erhöht werden, was wiederum eine höhere Abgasproduktion und damit eine größere Massendurchflußrate erzwingt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem über einen Abgasweg mit einem Verbrennungsmotor verbundenen oder verbindbaren Partikelfilter, der ausgebildet ist, einen in dem Abgasweg fließenden Abgasstrom zu filtern. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung Mittel zum Zuführen von Umgebungsluft in den Abgasweg, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren des ersten Erfindungsaspektes auszuführen. Dazu kann die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, die ausgebildet ist, die Mittel zum Zuführen der Umgebungsluft in den Abgasweg entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zu steuern. Die Mittel zum Zuführen von Umgebungsluft in den Abgasweg können beispielsweise eine Ansaugvorrichtung, eine Zuleitung, ein Diffusoreinlaß und/oder ein Kompressor sein.
Ein weiterer Erfindungsaspekt ist auf ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt gerichtet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gemäß der Erfindung.
Ein Abgasstrom 1 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors wird in dem Beispiel der 1 zuerst über eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 geführt, die bei anderen Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch weggelassen oder an anderer Stelle vorgesehen werden kann. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 kann beispielsweise vorgesehen werden, um aggressive Gasbestandteile oder Stickoxide und dergleichen katalytisch zu reduzieren, was einerseits die Belastung der Umwelt verringert, andererseits aber auch eine Schädigung nachgeschalteter Komponenten durch unerwünschte unkontrollierte chemische Reaktionen verhindern kann. Der Abgasstrom 1 wird im gezeigten Beispiel nach Passieren der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 über ein Mischventil 3 einem Partikelfilter 7, beispielsweise einem Diesel-Partikelfilter, zugeführt. Dem Abgasstrom 1 wird in dem Mischventil 3 eine Menge von Umgebungsluft 4 beigemischt, wodurch einerseits die Temperatur des Gesamtstromes sinkt und andererseits eine Gesamtmassendurchflußrate durch den Partikelfilter 7 erhöht wird. Beide Effekte bewirken eine größere Kühlwirkung des Partikelfilters 7, wodurch eine Beschädigung des Partikelfilters aufgrund hoher Temperaturen, die im Zuge einer Verbrennung von im Partikelfilter abgelagerten Feststoffen entstehen könnten, unwahrscheinlich wird.
Die Umgebungsluft wird über einen Diffusoreinlaß 5, der beispielsweise an einer Fahrzeugunterseite oder hinter einem Kühlergrill angeordnet sein kann, angesaugt. Ein optionaler Kompressor 6 komprimiert dabei die angesaugte Umgebungsluft, um die Menge an zugeführter Umgebungsluft zu erhöhen und ihren Luftdruck an dem vor dem Partikelfilter 7 herrschenden Abgasdruck anzupassen.
Nachdem das Gemisch aus Abgas und Umgebungsluft den Partikelfilter 7 passiert hat, kann es durch einen Auspuff 8 in die Umgebung entlassen werden. Alternativ kann das durch den Partikelfilter 7 gefilterte Gasgemisch aber auch im Rahmen einer Abgasrückführung wenigstens teilweise dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Hierbei ist zu beachten, dass das Gasgemisch aufgrund der beigemischten Umgebungsluft bereits einen Sauerstoffanteil aufweist. Dementsprechend kann im Rahmen der Erzeugung des Kraftstoffgemisches eine geringere Menge Luft beigemischt werden.

Claims

Ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters (7) zum Filtern eines in dem Abgasweg fließenden Abgasstromes (1), das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweisend: - Bestimmen einer Massendurchflußrate des Abgasstromes (1); und - Zuführen von Umgebungsluft (4) in den Abgasweg, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen von Umgebungsluft (4) in den Abgasweg in Abhängigkeit von der bestimmten Massendurchflußrate durchgeführt wird, wobei dem Abgasweg eine erste Menge Umgebungsluft (4) zugeführt wird, wenn die bestimmte Massendurchflußrate einen ersten Wert hat, und wobei dem Abgasweg eine zweite Menge Umgebungsluft (4), welche größer als die erste Menge ist, zugeführt wird, wenn die bestimmte Massendurchflußrate einen zweiten Wert hat, welcher kleiner als der erste Wert ist.
Das Verfahren von Anspruch 1, bei dem eine Gesamtmassendurchflußrate durch den Partikelfilter (7), welche die Massendurchflußrate des Abgasstromes (1) und eine Zuluftmassendurchflußrate der zugeführten Umgebungsluft (4) umfaßt, wenigstens näherungsweise konstant gehalten wird.
Das Verfahren von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Umgebungsluft (4) komprimiert wird, bevor sie dem Abgasweg zugeführt wird.
Das Verfahren von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zusätzlichen Schritt des Bestimmens einer Substrattemperatur des Partikelfilters (7), wobei das Zuführen von Umgebungsluft (4) in den Abgasweg zusätzlich in Abhängigkeit von der bestimmten Substrattemperatur durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 4, bei dem dem Abgasweg eine dritte Menge Umgebungsluft (4) zugeführt wird, wenn die bestimmte Substrattemperatur einen ersten Temperaturwert hat, und bei dem dem Abgasweg eine vierte Menge Umgebungsluft (4), welche größer als die dritte Menge ist, zugeführt wird, wenn die bestimmte Substrattemperatur einen zweiten Temperaturwert hat, welcher größer als der erste Temperaturwert ist.
Das Verfahren von einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der Abgasstrom (1) unterbrochen wird, wenn die Substrattemperatur einen ersten Schwellwert überschreitet.
Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der Abgasstrom (1) unterbrochen und dem Abgasweg Umgebungsluft (4) zugeführt wird, bis die Substrattemperatur einen zweiten Schwellwert, der niedriger als der erste Schwellwert ist, unterschreitet.
Das Verfahren von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Massendurchflußrate bestimmt wird, indem eine Last des Verbrennungsmotors bestimmt wird.
Das Verfahren von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Mischventil (3) zum Mischen des Abgasstromes und der zugeführten Umgebungsluft (4) verwendet wird, um einen Abgasgegendruck zu erhöhen.
Eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem über einen Abgasweg mit einem Verbrennungsmotor verbundenen oder verbindbaren Partikelfilter (7), der ausgebildet ist, einen in dem Abgasweg fließenden Abgasstrom (1) zu filtern, und Mitteln (5, 6, 3) zum Zuführen von Umgebungsluft (4) in den Abgasweg, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren von einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gemäß Anspruch 10.