DE10361220B4

DE10361220B4 - Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE10361220B4
Application number: DE2003161220
Authority: DE
Inventors: Dr. Düsterdiek Thorsten; Dr. Ruhnke Andreas; Gerhard Kahmann; Pascal Doré
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: DE10361220A1

Abstract

Verfahren zum Regenerieren eines katalytisch beschichteten Partikelfilters, insbesondere Dieselpartikelfilters, im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit folgenden Schritten: (a) Erhöhen der Abgastemperatur durch Verstellen von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und (b) Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrang stromauf des Partikelfilters, sobald die Abgastemperatur und/oder die Partikelfiltertemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wobei der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur unterhalb der Rußzündtemperatur liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines katalytisch beschichteten Partikelfilters, insbesondere Dieselpartikelfilters, im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
Um Partikelemissionen eines Dieselmotors wirksam zu verhindern, ist der Einsatz eines Partikelfilters bekannt. Der Partikelfilter wird fortwährend mit Ruß beladen, was den Partikelfilter immer weiter verstopft und den Abgasgegendruck vor dem Partikelfilter entsprechend erhöht. Um eine Beeinträchtigung des Betriebs des Dieselmotors durch einen zu sehr verstopfen Partikelfilter zu vermeiden, wird dieser regeneriert. Hierzu muss im Partikelfilter eine Temperatur erreicht werden, die zu einem Abbrennen von Rußablagerungen im Partikelfilter führt, d. h. es muss wenigstens eine Rußzündtemperatur erreicht werden, bei der im Partikelfilter abgelagerte Rußteilchen abbrennen.
Aus der DE 100 00 395 A1 ist es beispielsweise bekannt, dem Kraftstoff vor dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine ein Additiv zuzusetzen, welches gemeinsam mit dem Kraftstoff verbrennt. Dadurch wird die erforderliche Rußzündtemperatur herabgesetzt.
Die DE 100 48 511 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Partikeln im mageren Abgas von Verbrennungsmotoren, wobei im Abgasstrang in Kombination ein Oxidationskatalysator und stromab desselben ein Partikelfilter angeordnet sind. Durch eine Nacheinspritzung in den Brennraum des Verbrennungsmotors oder andere motorische Maßnahmen gelangen unverbrannter Kraftstoff und Kohlenmonoxid auf den Oxidationskatalysator und werden dort katalytisch zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt. Mit Hilfe der dabei frei werdenden Reaktionswärme wird das Abgas und damit auch der nachgeschaltete Partikelfilter aufgeheizt. In Verbindung mit einer die Rußzündtemperatur senkenden, katalytischen Beschichtung des Partikelfilters oder Kraftstoffadditiven wird die Menge der Nacheinspritzung reduziert und das Partikelfilter kann an jedem Betriebspunkt des Motors regeneriert werden. Die katalytische Beschichtung weist sowohl eine die Zündtemperatur des Rußes vermindernde Komponente als auch eine Komponente für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen auf, wobei die Temperatur des Partikelfilters bei Erreichen eines vorgebbaren Abgasgegendruckes, welcher einen Beladungszustand des Partikelfilters mit Ruß repräsentiert, durch Verbrennen von zusätzlichem Kraftstoff an der katalytischen Beschichtung auf die für die Zündung der Rußverbrennung notwendige Temperatur erhöht wird. Zur Einleitung der Regeneration des Partikelfilters kann der zusätzliche Kraftstoff dem Abgasstrom vor dem Partikelfilter zugeführt werden.
Aus der WO 01/33051 ( PCT/EP 00/10241 ) ist ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzen von Kraftstoff bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Vorkatalysator und einem Partikelfilter bekannt, wobei die Nacheinspritzung in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich des Vorkatalysators und dem Beladungszustand des Partikelfilters erfolgt.
Aus der nachveröffentlichten Druckschrift DE 103 47 133 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei dem stromab eines harnstoffbasierten SCR-Katalysators ein Partikelfilter angeschlossen ist. Das Verfahren der Partikelfilterregeneration lehrt die Steuerung von Betriebsbedingungen, um die Partikelfiltertemperatur in einen Bereich zu bringen, bei dem eine exotherme Reaktion zwischen Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff eintritt. Nachdem dies erreicht wurde, werden zusätzliche Kohlenwasserstoffe in das in den Partikelfilter eintretende Abgas eingespritzt, wo sie verbrennen und die resultierende Exotherme den Filter regeneriert.
Die Druckschrift DE 102 51 686 A1 betrifft ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei in Abhängigkeit von einer momentanen Temperatur eines Partikelfilters allein aufgrund des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine wahlweise eine Sekundärkraftstoffeinspritzung und/oder eine HC-Einspritzung in das Abgas durchgeführt wird. Es ist jedoch nicht vorgesehen, dass durch aktiven Eingriff in die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gezielt die Abgastemperatur erhöht wird, um dann bei einer vorbestimmten Temperatur HC in das Abgas stromauf des Partikelfilters einzuspritzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeneration eines Partikelfilter mit höherer Prozesssicherheit und geringerer thermischer Belastung von Motor und Abgasstrang bzw. einem in diesem angeordnetem Katalysator darzustellen.
Dazu sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:

(a) Erhöhen der Abgastemperatur durch Verstellen von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und
(b) Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrang stromauf des Partikelfilters, sobald die Abgastemperatur und/oder die Partikelfiltertemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wobei der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur unterhalb der Rußzündtemperatur liegt.

Dies hat den Vorteil, dass der Motor und ein ggf. im Abgasstrang vor dem Dieselpartikelfilter angeordneter Katalysator weniger thermisch belastet werden, da die für den Rußabbrand im Dieselpartikelfilter notwendige thermische Energie direkt auf der katalytischen Beschichtung des Dieselpartikelfilters durch die Oxidation von im Kraftstoff enthaltenem HC erfolgt. Dadurch ergibt sich auch eine hohe Prozesssicherheit und es kann ein Kraftstoffadditiv entfallen, wodurch Ascherückstände im Dieselpartikelfilter reduziert sind und eine höhere Lebensdauer des Partikelfilters erzielt wird. Eine Motorschädigung durch Kraftstoffeintrag in das Motoröl ist vermieden.
In vorteilhafter Weise wird der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur im Bereich 350°C bis 450°C, insbesondere als 400°C, gewählt.
Zweckmäßigerweise umfassen die Betriebsparameter einen Zündzeitpunkt, einen Einspritzzeitpunkt, eine eingespritzte Kraftstoffmenge, einen Schließzeitpunkt eines Auslasses eines Brennraumes, einen Schließzeitpunkt eines Einlasses eines Brennraumes, einen Öffnungszeitpunkt eines Auslasses eines Brennraumes und/oder einen Öffnungszeitpunkt eines Einlasses eines Brennraumes jeweils der Brennkraftmaschine.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt (b) der Kraftstoff zwischen einem motornahen Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter in den Abgasstrang eingespritzt.
Zweckmäßigerweise wird in Schritt (a) ein Regenerationsbetrieb der Brennkraftmaschine ausgeführt.
Dadurch, dass der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur oberhalb einer Temperatur liegt, bei der eingespritzter Kraftstoff rekondensiert, ist eine unerwünschte Kondensation von HC wirksam vermieden.
Eine vom augenblicklichen Betriebszustand des Motors unabhängige Einspritzung von Kraftstoff in Schritt (b) erzielt man dadurch, dass die Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrang mittels einer externen Einspritzeinrichtung durchgeführt wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
1 eine erste Anordnung von Motor und Abgasstrang zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine zweite Anordnung von Motor und Abgasstrang zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise bei einer in 1 dargestellten Anordnung einer Brennkraftmaschine ausgeführt. Hierbei ist ein Motor 10 und ein nachgeordneter Abgasstrang 12 zum Abführen und Nachbehandeln von aus dem Motor 10 strömendem Abgas vorgesehen. In dem Abgasstrang 12 sind ein motornaher Oxidationskatalysator 14 und stromab von diesem ein Partikelfilter 16 angeordnet. Der Partikelfilter ist mit einer katalytischen Beschichtung ausgebildet und daher vom Typ ”CSF” (Coated Soot Filter). Es ist ferner eine separate Dosiervorrichtung 18 vorgesehen, welche vom Motor 10 Kraftstoff erhält und diesen wahlweise nach Bedarf in den Abgasstrang 12 zwischen Oxidationskatalysator 14 und Partikelfilter 16 einspritzt bzw. eindosiert.
Zur Regeneration des Partikelfilters 16 wird erfindungsgemäß folgendermaßen vorgegangen. Durch einen entsprechenden Eingriff in das Motormanagement, beispielsweise Übergang in einen Regenerationsbetrieb, wird die Abgastemperatur erhöht, bis eine Abgastemperatur und/oder eine Partikelfiltertemperatur erreicht ist, bei der von der Dosiervorrichtung 18 eingespritzter Kraftstoff nicht mehr im Abgasstrang kondensiert. Erst dann, wenn eine Abgastemperatur und/oder eine Partikelfiltertemperatur von beispielsweise ca. 400°C erreicht ist, wird von der Dosiervorrichtung 18 Kraftstoff in den Abgasstrang unmittelbar stromauf des Partikelfilters 16 eingespritzt. Dieser Kraftstoff bzw. die in diesem enthaltenen HC-Anteile werden auf der katalytischen Beschichtung des Partikelfilters 16 oxidiert und die sich so ergebende Reaktionswärme heizt den Partikelfilters 16 auf die erforderliche Temperatur von beispielsweise 600°C auf, bei der die Zündtemperatur des in dem Partikelfilter 16 eingelagerten Rußes erreicht ist, so dass ein Abbrand des Rußes erfolgt. Da die notwendige thermische Energie zum Aufheizen des Partikelfilters 16 direkt in diesem selbst erzeugt wird, kann der restliche Abgasstrang 12 deutlich unterhalb der Zündtemperatur von 600°C bleiben, so dass der Abgasstrang 12 und die in diesem angeordneten Bauteile, wie beispielsweise der Oxidationskatalysator 14, thermisch nur gering belastet werden.
Die durch die HC-Oxidation im Partikelfilter 16 erzeugte Wärme dient dabei lediglich der Unterstützung des Regenerationsbetriebes, d. h. das Abgas ist bereits durch Verstellen des Motorbetriebs auf eine Temperatur erwärmt, bei der eine Rekondensation des eingespritzten HC vermieden wird.
2 zeigt eine alternative Anordnung einer Brennkraftmaschine mit Motor 10 und Abgastrakt 12, wobei gleiche Bezugszeichen funktionsgleiche Teile bezeichnen, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert auch bei einer Anordnung gemäß 2, bei der der Partikelfilter 16 motornah im Abgasstrang 12 angeordnet ist.
Durch regelmäßiges Freibrennen des Partikelfilters während eines Regenerationsbetriebes kann eine Katalysator- bzw. Partikelfilterversottung vermieden werden. Die notwendige thermische Energie wird unmittelbar auf dem katalytisch beschichteten Partikelfilter (CSF, Coated Soot Filter) erzeugt, wodurch Wärmeverluste in der Abgasanlage vermieden sind.

Claims

Verfahren zum Regenerieren eines katalytisch beschichteten Partikelfilters, insbesondere Dieselpartikelfilters, im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit folgenden Schritten: (a) Erhöhen der Abgastemperatur durch Verstellen von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und (b) Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrang stromauf des Partikelfilters, sobald die Abgastemperatur und/oder die Partikelfiltertemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wobei der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur unterhalb der Rußzündtemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur aus dem Bereich 350°C bis 450°C gewählt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur 400°C ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter einen Zündzeitpunkt, einen Einspritzzeitpunkt, eine eingespritzte Kraftstoffmenge, einen Schließzeitpunkt eines Auslasses eines Brennraumes, einen Schließzeitpunkt eines Einlasses eines Brennraumes, einen Öffnungszeitpunkt eines Auslasses eines Brennraumes und/oder einen Öffnungszeitpunkt eines Einlasses eines Brennraumes umfassen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) der Kraftstoff zwischen einem motornahen Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter in den Abgasstrang eingespritzt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) ein Regenerationsbetrieb der Brennkraftmaschine ausgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert für die Abgastemperatur und/oder Partikelfiltertemperatur oberhalb einer Temperatur liegt, bei der eingespritzter Kraftstoff rekondensiert.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrang mittels einer externen Einspritzeinrichtung durchgeführt wird.