DE102013202142A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine durch eine Verbrennung der in dem Partikelfilter eingelagerten Partikel, wobei zum Starten der Regeneration die Temperatur des Partikelfilters auf eine Zündtemperatur erhöht wird. Dabei ist es vorgesehen, dass die Regeneration zumindest teilweise bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durchgeführt wird und dass die Regelung der Verbrennung der eingelagerten Partikel bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durch eine geregelt zugeführte Frischluftmenge ohne zusätzliche Aufheizmaßnahmen erfolgt. Das Verfahren sieht vor, dass zum Starten der Regeneration die Temperatur vor dem Partikelfilter in einen Bereich von etwa 600°C erhöht wird. Nach dem Starten der Regeneration wird diese bei laufender Brennkraftmaschine wie bekannt fortgeführt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei laufender Regeneration und einem Stopp der Brennkraftmaschine, beispielhaft bei einem Halt an einer Ampel mit Abschaltung der Brennkraftmaschine durch ein Start-Stopp-System, die Regeneration durch kontrollierte Zufuhr von Frischluft in den Partikelfilter fortgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine schnelle und energieeffiziente Regeneration eines Partikelfilters unter Ausnutzung von Stopp-Phasen der Brennkraftmaschine.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine durch eine Verbrennung der in dem Partikelfilter eingelagerten Partikel, wobei zum Starten der Regeneration die Temperatur des Partikelfilters auf eine Zündtemperatur erhöht wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine durch eine Verbrennung der in dem Partikelfilter eingelagerten Partikel, wobei die Vorrichtung zum Starten der Regeneration Mittel zur Erhöhung der Temperatur des Partikelfilters auf eine Zündtemperatur enthält.
  • Bei Dieselmotoren werden aufgrund der geforderten niedrigen Emissionsgrenzwerte Abgasnachbehandlungssysteme mit Oxidationskatalysatoren und in Abgasrichtung nachgeschalteten Partikelfiltern eingesetzt. Diesel-Partikelfilter (DPF) weisen eine begrenzte Speicherfähigkeit auf und müssen zur Wiederherstellung der Reinigungswirkung in bestimmten Abständen regeneriert werden. Dies geschieht typischerweise alle 250 bis 1000 km. Bei Diesel-Partikelfiltern wird die Regeneration durch eine Erhöhung der Abgastemperatur auf typischerweise 600°C bis 650°C eingeleitet, so dass der in dem Partikelfilter eingelagerte Ruß abzubrennen beginnt. Insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist es bekannt, zur Erreichung der notwendigen Temperaturen innermotorische Maßnahmen vorzusehen, zum Beispiel in der Gemischaufbereitung des Motors oder durch nachmotorische Maßnahmen wie einer an dem Oxidationskatalysator verbrennenden Nacheinspritzung in den Abgaskanal. Bei ausreichend hoher Abgastemperatur wird in dem Partikelfilter eine exotherme Reaktion angestoßen, die einen Abbrand der Rußpartikel bewirkt und innerhalb einiger Minuten (z.B. 20 Minuten) den Partikelfilter regeneriert.
  • Partikelfilter werden auch bei mit Benzin als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen zur Reinigung des Abgases eingesetzt.
  • Es ist weiterhin bekannt, bei Niedrig-Last-Zyklen die Leerlaufdrehzahl im Regenerationsbetrieb leicht zu erhöhten, um die Last und somit die Abgastemperatur anzuheben. Insgesamt führen jedoch häufiger Schwachlastbetrieb und Kurzstreckenfahrten zu langen und/oder häufigen Regenerationen des Partikelfilters und somit zu erhöhtem Ausstoß an Kohlendioxid und/oder Kraftstoffmehrverbrauch sowie zu einer erhöhten Ölverdünnung. Start-Stopp-Systeme und Hybrid-Antriebskonzepte erhöhen die Anzahl der Stopp-Phasen der Brennkraftmaschine und erschweren eine Regeneration des Partikelfilters.
  • Nachteilig bei den bekannten Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltern ist es, dass während Stopp-Phasen der Brennkraftmaschine keine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine verbesserte Regeneration von Partikelfiltern im Abgaskanal von Brennkraftmaschinen bei einem Betrieb mit häufigen Stopp-Phasen ermöglicht.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Regeneration zumindest teilweise bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durchgeführt wird und dass die Regelung der Verbrennung der eingelagerten Partikel bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durch eine geregelt zugeführte Frischluftmenge ohne zusätzliche Aufheizmaßnahmen erfolgt. Das Verfahren sieht vor, dass zum Starten der Regeneration die Temperatur vor dem Partikelfilter in einen Bereich von etwa 600°C erhöht wird. Dies kann mittels bekannter motorischer Maßnahmen erfolgen. Nach dem Starten der Regeneration wird diese bei laufender Brennkraftmaschine wie bekannt fortgeführt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei laufender Regeneration und einem Stopp der Brennkraftmaschine, beispielhaft bei einem Halt an einer Ampel mit Abschaltung der Brennkraftmaschine durch ein Start-Stopp-System, die Regeneration durch kontrollierte Zufuhr von Frischluft in den Partikelfilter fortgeführt wird. Die Mengenkontrolle der Frischluft kann dabei über eine Temperaturmessung an dem Partikelfilter oder in dessen Nähe oder über ein in den Unteransprüchen dargelegtes Verfahren erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei Hybridantrieben während des Stillstands der Brennkraftmaschine vorteilhaft einsetzbar. Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine energieeffiziente und schnelle Regeneration des Partikelfilters erreicht werden, da kein zusätzlicher Kraftstoff benötigt wird und Stillstandphasen der Brennkraftmaschine zur Regeneration ausgenutzt werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine vollständige Regeneration eines Partikelfilters in etwa 5 Minuten möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Starten der Regeneration bei stehender oder stark gedrosselt laufender Brennkraftmaschine die Aufheizung des Partikelfilters durch eine externe Wärmezufuhr bei kontrollierter Frischluftzuführung mit geringem Massenstrom erfolgt. Bei dem geringen Massenstrom im Bereich von 1 bis 10 kg/h kann mittels der zugeführten Frischluft die Regeneration gestartet werden und das Zünden der Regeneration kann durch eine Abnahme der Sauerstoff-Konzentration nach dem Partikelfilter erkannt werden.
  • Eine schnelle und zuverlässige Regeneration des Partikelfilters wird erreicht, indem während der Regeneration bei abgeschalteter Brennkraftmaschine ein Massenstrom der dem Partikelfilter zugeführten Frischluft in einem Bereich von 0,5kg/h bis 20kg/h, vorzugsweise in einem Bereich von 1,0kg/h bis 10kg/h, eingestellt wird. In einem solchen Betriebsbereich verhält sich der Partikelfilter wie ein Festbettreaktor. Sauerstoff diffundiert von Ein- und Auslasskanal an die Reaktionsfront, welche, in Richtung des Abgas-Stroms, von vorne nach hinten durch den Partikelfilter wandert. Hierbei ist die Regeneration selbsterhaltend und besonders effektiv.
  • Wird während der Regeneration bei abgeschalteter Brennkraftmaschine die Regelung der zugeführten Frischluftmenge an Hand eines in dem Abgaskanal nach dem Partikelfilter bestimmten Sauerstoffgehalts des Verbrennungsabgases durchgeführt, kann der Abbrand der Partikel bei besonders geeigneten Bedingungen erfolgen. Der Sauerstoffgehalt kann mittels einer dem Partikelfilter nachgeschalteten Lambdasonde erfolgen. Aufgrund des geringen Frischluftmassenstroms und des hohen Sauerstoff-Verbrauchs der Regeneration kann die Überwachung sehr genau und mit hoher Signalgüte erfolgen.
  • In einer Ausprägung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Beginn und das Ende der Regeneration an Hand der Differenz des Sauerstoffgehalts vor und nach dem Partikelfilter bestimmt wird. Dies erfordert keine zusätzlichen Einrichtungen, da die dem Partikelfilter nachgeschaltete Lambdasonde bereits vorhanden ist, da sie unter anderem zur Regelung der Regeneration verwendet wird.
  • In einer Weiterführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass aus dem zugeführten Frischluftmassenstrom und der Dauer der Regeneration die verbrannte Partikelmenge bestimmt wird.
  • Eine genauere Bestimmung der verbrannten Partikelmenge, und damit der Restbeladung nach Regeneration, ist erreichbar, indem zusätzlich die Differenz des Sauerstoffgehalts vor und nach dem Partikelfilter zur Bestimmung der verbrannten Partikelmenge berücksichtigt wird.
  • Zur Bereitstellung der Frischluft ist es vorgesehen, dass während der Regeneration bei abgeschalteter Brennkraftmaschine die Frischluft durch einen externen Luftverdichter oder über einen elektrischen Turbolader oder in einem Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine dem Partikelfilter zugeführt wird. Hierdurch ist nur ein geringer zusätzlicher Energieaufwand erforderlich.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Brennkraftmaschine während der Regeneration abschaltbar ist, dass die Vorrichtung Mittel zur geregelten Zuführung von Frischluft zu dem Partikelfilter während der Regeneration des Partikelfilters enthält und dass die Vorrichtung zumindest eine nach dem Partikelfilter vorgesehene Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Verbrennungsabgases zur Regelung des dem Partikelfilter zugeführten Frischluftmassenstroms enthält. Die Vorrichtung enthält nach dem Stand der Technik vorhandene Mittel zur Aufheizung des Abgases der Brennkraftmaschine in einen Bereich über etwa 600°C, die zum Start der Regeneration des Partikelfilters benutzt werden. Über die erfindungsgemäße zusätzliche Frischluftzuführung vor dem Partikelfilter wird bei abgeschalteter Brennkraftmaschine derart Frischluft eindosiert, dass die Regeneration weitergeführt wird. Es muss kein zusätzlicher Kraftstoff zudosiert werden. Mittels der im Abgasstrom nach dem Partikelfilter angeordneten Lambdasonde kann über den verbleibenden Sauerstoffgehalt die Verbrennung der Partikel verfolgt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders für Anordnungen geeignet, in denen die Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet ist.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders geeignet zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor. Bei dem Hybridantrieb kann über die Betriebsstrategie unter geeigneten Bedingungen die Brennkraftmaschine bei der Regeneration abgeschaltet werden und der Elektroantrieb genutzt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des technischen Umfelds,
  • 2 einen Ablaufplan einer Regeneration eines Partikelfilters,
  • 3 ein erstes Diagramm zum Zeitverlauf des Sauerstoffgehalts bei der Regeneration des Partikelfilters,
  • 4 ein zweites Diagramm zum Zeitverlauf einer Rußbeladung bei der Regeneration des Partikelfilters.
  • 1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugtrakt 11 Frischluft zugeführt. Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 12 abgeführt und mittels eines Oxidationskatalysators 13 und eines Partikelfilters 17 gereinigt. Vor dem Partikelfilter 17 ist eine erste Lambdasonde 16, nach dem Partikelfilter 17 eine zweite Lambdasonde 18 angeordnet. Über eine Frischluftzuführung 15 kann vor dem Partikelfilter 17 Frischluft 14 zudosiert werden. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 filtert der Partikelfilter 17 Ruß-Partikel aus dem Abgas. Ist der Partikelfilter 17 mit Partikeln beladen, erhöht sich der Differenzdruck des Abgasstroms durch den Partikelfilter 17. Es ist dann ein Regenerationsvorgang erforderlich, in dem die Partikel verbrannt werden. Dazu sind zum Start des Abbrands und für die Weiterführung der Regeneration geeignete Abgasbedingungen einzustellen, welche den Abbrand der Partikel ermöglichen. Zum Start ist eine Mindest-Temperatur des Abgases vor dem Partikelfilter 17 von etwa 600°C erforderlich. Dies kann durch motorische Maßnahmen und/oder durch Zudosierung von Kraftstoff in den Oxidationskatalysator 13 erfolgen. Zur Aufrechterhaltung der Regeneration bei abgestellter Brennkraftmaschine 10 ist erfindungsgemäß vorgesehen, Frischluft 14 über die Frischluftzuführung 15 zuzudosieren und den Sauerstoffverbrauch durch den Abbrand mittels der ersten Lambdasonde 16 und der zweiten Lambdasonde 18 zu bestimmen.
  • 2 zeigt in einem Ablaufdiagramm einen Regenerationsvorgang für den Partikelfilter 17. In einem Block Aufheizen 20 wird der Partikelfilter 17 durch bekannte Maßnahmen so weit aufgeheizt, dass ein Abbrand von im Partikelfilter 17 zurückgehaltenen Partikeln beginnt. In einem Block Regenerationsbeginn 21 wird über einen Unterschied des Sauerstoffgehalts des Abgases vor und nach dem Partikelfilter 17 bestimmt, ob die Regeneration begonnen hat. Hat die Regeneration begonnen, wird bei einem Hybridfahrzeug in einem Block aktives Stoppen 22 entschieden, ob die Bedingungen für ein Anhalten der Brennkraftmaschine 10 gegeben sind und diese gegebenenfalls abgestellt. In anderen Systemen wird in einem Block Stoppen 23 geprüft, ob die Brennkraftmaschine, beispielhaft während eines Ampelhalts, abgeschaltet werden kann. Ist dies der Fall, wird in einem Block Frischluftzufuhr 24 begonnen, dem Partikelfilter 17 kontrolliert Frischluft 14 zuzuführen. In einem Block Regelung 25 wird mittels eines Delta-Lambda-Verfahrens aufgrund der Lambdawerte vor und nach dem Partikelfilter 17 die Regeneration geregelt. In einem Block Regenerationsende 26 wird, ebenfalls über das Delta-Lambda-Verfahren, das Ende des Vorgangs bestimmt.
  • 3 zeigt in einem ersten Diagramm 30 einen simulierten zeitlichen Verlauf des Sauerstoffgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine 10 vor und nach dem Partikelfilter 17. Ein erstes Sauerstoffsignal 32 zeigt den Verlauf des Sauerstoffgehalts vor dem Partikelfilter 17, wie er beispielhaft mit der ersten Lambdasonde 16 bestimmt werden könnte. Das erste Sauerstoffsignal 32 ist entlang einer Zeitachse 34 auf einer Sauerstoffgehalt-Achse 31 abgetragen. Das erste Sauerstoffsignal 32 zeigt anfangs einen Anstieg, der von der ab diesem Zeitpunkt zudosierten Frischluft 14 herrührt und bleibt im weiteren Verlauf konstant. In dem Diagramm 30 ist weiterhin ein zweites Sauerstoffsignal 33 gezeigt, das den Sauerstoffgehalt nach dem Partikelfilter 17 darstellt, wie er beispielhaft mit der zweiten Lambdasonde 18 bestimmt werden könnte. Mit Beginn der Regeneration und der Zudosierung von Frischluft 14 sinkt das zweite Sauerstoffsignal 33, da der Abbrand der Partikel den Sauerstoff verbraucht. Nach dem Ende der Regeneration steigt das zweite Sauerstoffsignal 33 an und erreicht den Wert des ersten Sauerstoffsignals 32. Aus dem ersten Sauerstoffsignals 32 und dem zweiten Sauerstoffsignal 33 kann in Verbindung mit dem Gasmassenstrom im Partikelfilter 17 die verbrannte Partikelmasse bestimmt werden.
  • Die Simulation zeigt, dass bei einer Beladung des Partikelfilters 17 mit 10g/l Partikeln und einem Frischluftmassenstrom von 3,6kg/h der Anstieg des zweiten Sauerstoffsignals 33, und damit das Ende der Regeneration, nach etwa 5 Minuten nach deren Beginn zu erwarten ist.
  • 4 zeigt in einem zweiten Diagramm 40 eine Simulation zum zeitlichen Verlauf der Rußmasse in einem Partikelfilter 17. Eine Rußmasse 42 ist entlang der Zeitachse 34 und einer Rußmassen-Achse 41 aufgetragen. In 4 wird eine identisch zu 3 skalierte Zeitachse 34 verwendet. Mit Beginn der Regeneration beginnt der Wert für die Rußmasse 42 zu sinken. Wird in der Simulation eine Beladung des Partikelfilters 17 mit 10g/l Partikeln und ein Frischluftmassenstrom von 3,6kg/h angenommen, ist etwa 5 Minuten nach dem Beginn der Regeneration der Wert für die Rußmasse 42 auf nahe Null abgesunken und die Regeneration kann beendet werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (17) im Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10) durch eine Verbrennung der in dem Partikelfilter (17) eingelagerten Partikel, wobei zum Starten der Regeneration die Temperatur des Partikelfilters (17) auf eine Zündtemperatur erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration zumindest teilweise bei abgeschalteter Brennkraftmaschine (10) durchgeführt wird und dass die Regelung der Verbrennung der eingelagerten Partikel bei abgeschalteter Brennkraftmaschine (10) durch eine geregelt zugeführte Frischluftmenge ohne zusätzliche Aufheizmaßnahmen erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Regeneration bei stehender oder stark gedrosselt laufender Brennkraftmaschine (10) die Aufheizung des Partikelfilters (17) durch eine externe Wärmezufuhr bei kontrollierter Frischluftzuführung mit geringem Massenstrom erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regeneration bei abgeschalteter Brennkraftmaschine (10) ein Massenstrom der dem Partikelfilter (17) zugeführten Frischluft in einem Bereich von 0,5kg/h bis 20kg/h, vorzugsweise in einem Bereich von 1,0kg/h bis 10kg/h, eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regeneration bei abgeschalteter Brennkraftmaschine (10) die Regelung der zugeführten Frischluftmenge an Hand eines in dem Abgaskanal nach dem Partikelfilter (17) bestimmten Sauerstoffgehalts des Verbrennungsabgases durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn und das Ende der Regeneration an Hand der Differenz des Sauerstoffgehalts vor und nach dem Partikelfilter (17) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zugeführten Frischluftmassenstrom und der Dauer der Regeneration die verbrannte Partikelmenge bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Differenz des Sauerstoffgehalts vor und nach dem Partikelfilter zur Bestimmung der verbrannten Partikelmenge berücksichtigt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regeneration bei abgeschalteter Brennkraftmaschine (10) die Frischluft (14) durch einen externen Luftverdichter oder über einen elektrischen Turbolader oder in einem Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine dem Partikelfilter zugeführt wird.
  9. Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters (17) im Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10) durch eine Verbrennung der in dem Partikelfilter (17) eingelagerten Partikel, wobei die Vorrichtung zum Starten der Regeneration Mittel zur Erhöhung der Temperatur des Partikelfilters (17) auf eine Zündtemperatur enthält , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) während der Regeneration abschaltbar ist, dass die Vorrichtung Mittel zur geregelten Zuführung von Frischluft (14) zu dem Partikelfilter (17) während der Regeneration des Partikelfilters (17) enthält und dass die Vorrichtung zumindest eine nach dem Partikelfilter (17) vorgesehene Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Verbrennungsabgases zur Regelung des dem Partikelfilter (17) zugeführten Frischluftmassenstroms enthält.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) als Dieselmotor ausgebildet ist.
  11. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters (17) in einem Abgaskanal (12) eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb bestehend aus einer Brennkraftmaschine (10) und einem Elektromotor.
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