DE102016110632A1 - Process for the regeneration of a particulate filter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors. Dabei weist der Verbrennungsmotor mindestens zwei Brennräume auf, wobei zu einer Regeneration des Partikelfilters zunächst der Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur gebracht wird, wobei die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors in einer Heizphase angehoben wird, indem ein erster Brennraum des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und ein zweiter Brennraum mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dabei werden im Abgaskanal insgesamt ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingestellt und die unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs aus den mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennraum mit dem Restsauerstoff aus den mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennraum auf einer Drei-Wege katalytischen Beschichtung des Partikelfilters oder einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Drei-Wege-Katalysator exotherm umgesetzt. In der Regenerationsphase wird der Verbrennungsmotor dann mit einem insgesamt überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit mindestens zwei getrennten Brennräumen, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.The invention relates to a method for the regeneration of a particulate filter in the exhaust passage of an internal combustion engine. In this case, the internal combustion engine has at least two combustion chambers, the particle filter initially being brought to a regeneration temperature for regeneration of the particle filter, the exhaust gas temperature of the internal combustion engine being raised in a heating phase by operating a first combustion chamber of the internal combustion engine with a substoichiometric combustion air ratio and a second combustion chamber Combustion chamber is operated with a superstoichiometric combustion air ratio. In the process, a stoichiometric combustion air ratio is set in the exhaust gas passage overall and the unburned constituents of the fuel from the combustion chamber operated with substoichiometric combustion air ratio with the residual oxygen from the combustion chamber operated with superstoichiometric combustion air ratio on a three-way catalytic coating of the particulate filter or a three-way catalytic converter upstream of the particulate filter. Catalyst exothermic reacted. In the regeneration phase, the internal combustion engine is then operated with a total superstoichiometric combustion air ratio in order to oxidize the soot particles retained in the particle filter. The invention further relates to a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine with at least two separate combustion chambers, with which such a method can be performed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors sowie eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, die geeignet ist, um ein solches Verfahren durchzuführen. The invention relates to a method for the regeneration of a particulate filter in the exhaust passage of an internal combustion engine and to a device for the exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine which is suitable for carrying out such a method.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. The continuous tightening of the exhaust emission legislation places high demands on the vehicle manufacturers, which are solved by appropriate measures for the reduction of the engine raw emissions and by a corresponding exhaust aftertreatment. With the introduction of the legislative level EU6, a limit value for gasoline engines is prescribed for a number of particles, which in many cases necessitates the use of an Otto particle filter. When driving, such a gasoline particulate filter is loaded with soot. So that the exhaust gas backpressure does not increase too much, this Otto particle filter must be regenerated continuously or periodically. In order to carry out a thermal oxidation of the soot retained in the Otto particle filter with oxygen, a sufficiently high temperature level in conjunction with simultaneously existing oxygen in the exhaust system of the gasoline engine is necessary. Since modern gasoline engines are normally operated without oxygen surplus with a stoichiometric combustion air ratio (λ = 1), additional measures are required. These come as measures, for example, a temperature increase by a Zündwinkelverstellung, a temporary lean adjustment of the gasoline engine, the injection of secondary air into the exhaust system or a combination of these measures in question. An ignition angle adjustment in the direction of late in combination with a lean adjustment of the gasoline engine is preferably used so far, since this method requires no additional components and can deliver a sufficient amount of oxygen in most operating points of the gasoline engine.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welches sich auch bei Kurzstreckenfahrten oder niedrigem Teillastbetrieb durchführen lässt und welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet. The invention is based on the object of providing a method for regeneration of a particulate filter in the exhaust passage of an internal combustion engine, which can also be carried out during short journeys or low partial load operation and which overcomes the disadvantages known from the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors mit mindestens zwei getrennten Brennräumen gelöst, welches folgende Schritte aufweist:
- – Betreiben des Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebszustand, wobei bei der Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors entstehende Partikel in einem im Abgaskanal angeordneten Partikelfilter eingelagert werden,
- – Ermitteln eines Beladungszustandes des im Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters und
- – Regenerieren des Partikelfilters, wenn ein Schwellenwert der Beladung erreicht oder überschritten ist, mit den Schritten – Durchführen einer Heizphase, wobei die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors angehoben wird, indem ein erster Brennraum oder eine erste Gruppe von Brennräumen des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und ein zweiter Brennraum oder eine zweite Gruppe von Brennräumen mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei sich insgesamt ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis im Abgaskanal einstellt und die unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs aus dem bzw. der mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen ersten Brennraum oder ersten Gruppe von Brennräumen mit dem Restsauerstoff aus dem bzw. der mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen zweiten Brennraum oder zweiten Gruppe von Brennräumen auf dem Partikelfilter oder einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Katalysator exotherm umgesetzt werden, bis eine Schwellentemperatur zur Regeneration des Partikelfilters erreicht ist, – Durchführen einer Oxidationsphase, indem der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel oxidiert werden.
- Operating the internal combustion engine in a first operating state, wherein particles formed during combustion in the combustion chambers of the internal combustion engine are stored in a particle filter arranged in the exhaust gas duct,
- - Determining a loading state of the arranged in the exhaust passage of the internal combustion engine particulate filter and
- Regenerating the particulate filter when a threshold value of the load is reached or exceeded, comprising the steps of - performing a heating phase wherein the exhaust gas temperature of the internal combustion engine is increased by operating a first combustion chamber or a first group of combustion chambers of the internal combustion engine with a substoichiometric combustion air ratio and a second combustion chamber or a second group of combustion chambers is operated with a superstoichiometric combustion air ratio, wherein a stoichiometric combustion air ratio sets in the exhaust passage and the unburned components of the fuel from the or the stoichiometric combustion air ratio operated first combustion chamber or first group of combustion chambers with the residual oxygen from the or with the superstoichiometric combustion air ratio operated second combustion chamber or second group of combustion chambers on the particles - Performing an oxidation phase in which the internal combustion engine is operated with a superstoichiometric combustion air ratio, wherein the particulate matter retained in the particulate filter soot particles are oxidized - performing an oxidation phase exothermically reacted to a threshold temperature for regeneration of the particulate filter.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Temperatur im Abgaskanal anzuheben, um auch bei niedriger Teillast oder Kurzstreckenfahrt den Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen, und eine Regeneration des Partikelfilters durchzuführen. By means of the method according to the invention, it is possible to raise the temperature in the exhaust gas duct in order to heat the particle filter to a regeneration temperature even at low partial load or short-distance travel, and to carry out regeneration of the particle filter.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters möglich. The measures specified in the dependent claims advantageous improvements and developments of the method specified in the independent claim for the regeneration of a particulate filter are possible.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter eine drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist, wobei die unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs auf der drei-Wege-katalytischen Beschichtung des Partikelfilters exotherm umgesetzt werden. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the particulate filter has a three-way catalytic coating, wherein the unburned constituents of the fuel are exothermically reacted on the three-way catalytic coating of the particulate filter.
Dadurch ist eine direkte Erwärmung des Partikelfilters durch die exotherme Reaktion auf der Beschichtung möglich, wodurch ein besonders einfaches und schnelles Erwärmen des Partikelfilters auf die Regenerationstemperatur möglich ist. As a result, a direct heating of the particulate filter by the exothermic reaction on the coating is possible, whereby a particularly simple and rapid heating of the particulate filter to the regeneration temperature is possible.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Regenerieren des Partikelfilters nur dann eingeleitet wird, wenn eine Light-Off-Temperatur des Katalysators oder der drei-Wege-katalytischen Beschichtung des Partikelfilters erreicht ist. Unterhalb der Light-Off-Temperatur des Katalysators oder der drei-Wege-katalytischen Beschichtung des Partikelfilters von ca. 250°C kann keine exotherme Reaktion auf der entsprechenden Komponente im Abgaskanal gestartet werden, welche zu einer weiteren Temperaturerhöhung führt. In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the regeneration of the particulate filter is initiated only when a light-off temperature of the catalyst or the three-way catalytic coating of the particulate filter is reached. Below the light-off temperature of the catalyst or the three-way catalytic coating of the particulate filter of about 250 ° C, no exothermic reaction can be started on the corresponding component in the exhaust gas channel, which leads to a further increase in temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Heizphase solange aufrecht erhalten wird, bis eine obere Schwellentemperatur erreicht wird, und die Oxidationsphase des Partikelfilters solange aufrecht erhalten wird, bis eine untere Schwellentemperatur erreicht wird. Dadurch kann eine bauteilschonende Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden, ohne dass es durch einen zu starken Rußabbrand auf dem Partikelfilter zu einem unkontrollierten Temperaturanstieg auf dem Partikelfilter kommt. In a preferred embodiment of the method it is provided that the heating phase is maintained until an upper threshold temperature is reached, and the oxidation phase of the particulate filter is maintained until a lower threshold temperature is reached. As a result, a component-sparing regeneration of the particulate filter can be carried out without excessive carbon black burning off on the particulate filter leading to an uncontrolled rise in temperature on the particulate filter.
Gemäß einer Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine erneute Heizphase eingeleitet wird, wenn der Partikelfilter nicht vollständig regeneriert ist und die Temperatur am Partikelfilter während der Oxidationsphase unter die untere Schwellentemperatur abfällt. Dadurch ist eine mehrstufige Regeneration des Partikelfilters möglich, wobei beim erneuten Aufheizen des Partikelfilters bereits auf einem hohen Temperaturniveau gestartet werden kann und die Heizphase entsprechend kürzer ausgeführt werden kann. According to an improvement of the method it is provided that a renewed heating phase is initiated when the particulate filter is not completely regenerated and the temperature at the particulate filter drops below the lower threshold temperature during the oxidation phase. As a result, a multi-stage regeneration of the particulate filter is possible, it being possible to start at a high temperature level when the particulate filter is reheated, and the heating phase can be correspondingly shorter.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die untere Schwellentemperatur bei 580°C bis 600°C und die obere Schwellentemperatur bei 650°C bis 900°C liegen. Dadurch kann sowohl eine thermische Schädigung des Partikelfilters als auch ein Absinken der Temperatur weit unter die Regenerationstemperatur verhindert werden. It is particularly preferred if the lower threshold temperature at 580 ° C to 600 ° C and the upper threshold temperature at 650 ° C to 900 ° C. As a result, both a thermal damage to the particulate filter and a drop in temperature far below the regeneration temperature can be prevented.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verbrennungsluftverhältnis des zweiten Brennraums oder der zweiten Gruppe von Brennräumen in der Oxidationsphase weiter abgemagert wird. Dabei liegt das Verbrennungsluftverhältnis während der Heizphase vorzugsweise im Bereich von 1,05 bis 1,2, und in der Oxidationsphase vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 1,4. Dadurch entsteht ein insgesamt überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis im Abgaskanal, wodurch eine Oxidation der auf dem Rußfilter zurückgehaltenen Rußpartikel erfolgen kann. Dabei ist ein Mischungsluftverhältnis von dem mit fetten Gemisch betriebenen ersten Brennraum oder der ersten Gruppe von Brennräumen und dem mit magerem Gemisch betriebenen zweiten Brennraum bzw. der mit mageren Gemisch betriebenen zweiten Gruppe von Brennräumen von 1,02 bis 1,4 in der Oxidationsphase besonders vorteilhaft, um einerseits hinreichend viel Sauerstoff für die Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes bereitzustellen und andererseits einen unkontrollierten Rußabbrand durch einen zu hohen Sauerstoffüberschuss zu vermeiden. According to a further improvement of the method, it is provided that the combustion air ratio of the second combustion chamber or the second group of combustion chambers in the oxidation phase is further emaciated. In this case, the combustion air ratio is preferably in the range of 1.05 to 1.2 during the heating phase, and preferably in the range of 1.1 to 1.4 in the oxidation phase. This results in a total superstoichiometric combustion air ratio in the exhaust passage, whereby an oxidation of the soot particles retained on the soot filter can take place. Here, a mixture air ratio of the operated with rich mixture first combustion chamber or the first group of combustion chambers and operated with a lean mixture second combustion chamber or with lean mixture operated second group of combustion chambers from 1.02 to 1.4 in the oxidation phase particularly advantageous to provide on the one hand sufficient oxygen for the oxidation of retained in the particulate filter soot and on the other hand to avoid uncontrolled Rußabbrand by excessive oxygen excess.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass während der Oxidationsphase der erste Brennraum oder die erste Gruppe von Brennräumen mit einem weniger fetten Verbrennungsluftverhältnis als in der Heizphase betrieben wird. Dabei wird das fette Gemisch weniger fett eingestellt, das heißt das Verbrennungslambda erhöht, wobei der entsprechende Brennraum oder die Gruppe von Brennräumen mit einem weiterhin leicht fetten Gemisch, einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis oder mit einem mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dabei sind die Zündgrenzen des Verbrennungsgemischs im Brennraum zu beachten. According to a further improvement of the method, it is provided that during the oxidation phase the first combustion chamber or the first group of combustion chambers is operated with a less rich combustion air ratio than in the heating phase. In this case, the rich mixture is set to less rich, that is, the combustion lambda increased, wherein the corresponding combustion chamber or the group of combustion chambers is operated with a still slightly rich mixture, a stoichiometric combustion air ratio or with a lean combustion air ratio. The ignition limits of the combustion mixture in the combustion chamber must be observed.
Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Heizphase der erste Brennraums oder die erste Gruppe von Brennräumen, die in der Heizphase mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen werden, mit einem Verbrennungsluftverhältnis von 0,85 < λE < 0,95 betrieben wird. Dadurch werden hinreichend viele unverbrannte Bestandteile des Kraftstoffs in den Abgaskanal eingeleitet, um ein Aufheizen des Partikelfilters auf die Regenerationstemperatur zu ermöglichen. According to a further development of the method, it is provided that in the heating phase the first combustion chamber or the first group of combustion chambers, which are operated in the heating phase with a substoichiometric combustion air ratio, is operated with a combustion air ratio of 0.85 <λ E <0.95. As a result, a sufficient number of unburned constituents of the fuel are introduced into the exhaust gas channel in order to allow the particle filter to be heated up to the regeneration temperature.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit mindestens zwei Brennräumen, insbesondere eines Ottomotors, mit einem Abgaskanal, einem im Abgaskanal angeordneten Partikelfilter, sowie einem im Abgaskanal angeordneten Katalysator vorgeschlagen, wobei der Partikelfilter vorzugsweise eine Drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist, und die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. According to the invention, a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine having at least two combustion chambers, in particular a gasoline engine, with an exhaust passage, a particulate filter arranged in the exhaust duct, and a catalyst arranged in the exhaust duct is also proposed, wherein the particulate filter preferably has a three-way catalytic coating, and the device is designed for carrying out the method according to the invention.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Im Betrieb des Verbrennungsmotors
Ist die Regenerationstemperatur für eine effiziente Rußumsetzung der im Partikelfilter
Sollte die Temperatur am Partikelfilter
Während der Regeneration des Partikelfilters
In
In
In
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Verbrennungsmotor internal combustion engine
- 12 12
- Abgaskanal exhaust duct
- 14 14
- Partikelfilter particulate Filter
- 16 16
- Vier-Wege-Katalysator Four-way catalyst
- 18 18
- Drei-Wege-Katalysator Three-way catalytic converter
- 20 20
- erster Brennraum first combustion chamber
- 22 22
- dritter Brennraum third combustion chamber
- 24 24
- zweiter Brennraum second combustion chamber
- 26 26
- vierter Brennraum fourth combustion chamber
- 28 28
- Katalysator catalyst
- 30 30
- drei-Wege-katalytische Beschichtung three-way catalytic coating
- 32 32
- erste Lambdasonde first lambda probe
- 34 34
- zweite Lambdasonde second lambda probe
- 36 36
- Turbolader turbocharger
- 38 38
- Steuergerät control unit
- 40 40
- Signalleitungen signal lines
- FWC FWC
- Vier-Wege-Katalysator Four-way catalyst
- OPF OPF
- Otto-Partikel-Filter Otto particulate filter
- TWC TWC
- Drei-Wege-Katalysator Three-way catalytic converter
- λ λ
- Verbrennungsluftverhältnis im Abgaskanal stromauf des Partikelfilters Combustion air ratio in the exhaust duct upstream of the particulate filter
- L L
- Beladung des Partikelfilters Loading the particle filter
- T T
- Temperatur am Partikelfilter Temperature at the particle filter
- t t
- Zeit Time
- g G
- Gramm gram
- l l
- Liter liter
- s s
- Sekunde second
- °C ° C
- Temperatur in Grad Celsius Temperature in degrees Celsius
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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