DE19506983A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontrollierten Regenerieren eines Dieselrußfilters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren des Dieselrußfilters eines Dieselmotors.

Es ist bekannt, daß Dieselrußfilter mit poröser Wand gasför­ mige Bestandteile des Abgases zwar durchlassen, jedoch den Durchgang von Feststoff-Partikeln behindern, welche haupt­ sächlich durch Koagulieren von Kohlenstoff-Molekülen und schweren Kohlenwasserstoffen entstehen.

Die im Dieselrußfilter abgelagerten Ruß-Partikel, welche den Dieselrußfilter im Laufe des Betriebs zunehmend zusetzen, lassen sich zur Regenerierung des Dieselrußfilters mittels thermischer (Verbrennen), katalytischer oder anderer Prozes­ se abbauen.

Durch thermisches Regenerieren bei laufendem Dieselmotor, z. B. im Betrieb eines damit ausgerüsteten Fahrzeuges, kann unter stochastischen Bedingungen bei automatisch ausgelöstem Regenerieren die Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung der im Dieselrußfilter gesammelten Partikel unkontrolliert steigen. Dies kann zu einer unzulässigen Erhöhung der Tempe­ ratur mit der Folge der teilweisen oder gänzlichen Ver­ schmelzung bzw. Zerstörung des Dieselrußfilters führen.

Zum Vermeiden einer unkontrollierten Verbrennung ist eine Messung der Temperatur des Abgases hinter dem Dieselrußfil­ ter vorgeschlagen worden (DE 38 06 219 A1), wobei im Falle des Überschreitens einer vorgegebenen, maximal zulässigen Temperatur mittels einer elektronischen Einheit Ventile vor und hinter dem Dieselrußfilter derart betätigt werden, daß das gesamte Abgas über einen den Dieselrußfilter umgehenden Bypass abgeleitet wird. Somit wird der Dieselrußfilter tem­ porär gänzlich aus dem Abgasstrom ausgeschaltet.

Wenngleich der Betrieb im Bypass nur einen kleinen Prozent­ satz der gesamten Betriebszeit des Motors in Anspruch nimmt, ist zur Dämpfung des im Bypass-Betrieb entstehenden lästigen Geräusches der Einsatz einer Schalldämpfanlage notwendig. Außerdem ist es aus ökologischer Sicht unerwünscht auch nur über eine kurze Zeitspanne ungereinigte Abgase ungefiltert in die Umgebung zu entlassen, wie es der Bypassbetrieb mit sich bringt.

Es ist auch bekannt (CH 663 253 A), einen Partikelfilter im Abgastrakt einer insbesondere abgasaufgeladenen Brennkraft­ maschine in zwei parallelgeschaltete Abschnitte, nämlich eine gut wärmeisolierte "Hochtemperaturflut" und eine "Nie­ dertemperaturflut" zu unterteilen, von denen mittels einer Steuerklappe bei niedriger Motorlast lediglich die Nieder­ temperaturflut und bei hoher Motorlast beide Fluten durch entsprechendes Einstellen einer Steuerklappe von Abgas durchströmt werden. Dadurch wird neben einer häufigen Parti­ kelverbrennung erreicht, daß der dem Abgastrakt nachgeschal­ tete Abgaslader stets schnell mit Abgas ausreichender Tempe­ ratur versorgt wird, um das sogenannte "Turboloch" beim Nie­ derdrücken des Gaspedals zu vermeiden. Ein Schutz gegen un­ kontrolliertes Abbrennen abgelagerter Partikel in den Fluten ist mit der Maßnahme nach der CM-PS jedoch nicht erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren von Dieselrußfiltern in Dieselmotoren anzugeben, bei dem einfacher als bisher unter Vermeidung der Unzuträglichkeiten eines Bypassbetriebes ein wirkungsvoller Schutz gegen Beschädigung oder Zerstörung des Dieselrußfilters erzielbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß An­ spruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2.

Gemäß der Erfindung ist der Dieselrußfilter in mehrere, pa­ rallel in den Abgasstrom eingeschaltete Abschnitte unter­ teilt, von denen mindestens einer abhängig von der jeweils am Ausgang des betreffenden Abschnittes herrschenden Abga­ stemperatur aus dem Abgasstrom ganz oder teilweise aus­ schaltbar sind.

Während die Reaktion in dem isolierten Abschnitt reduziert bzw. unterbrochen ist, wird der Massendurchsatz durch den oder die verbleibenden, nicht ausgeschalteten Abschnitte des Dieselrußfilters erhöht. Dadurch wird die Reaktionsge­ schwindigkeit der thermischen Regenerierung in diesen ver­ bleibenden Abschnitten reduziert. Sollte in einem der ver­ bleibenden nicht ausgeschalteten Abschnitte des Dieselruß­ filters ebenfalls die maximal zulässige Temperatur über­ schritten werden, wird auch dieser Abschnitt aus dem Abgass­ trom ausgeschaltet. Dies setzt sich erfindungsgemäß so lange fort, bis der Massendurchsatz durch mindestens den letzten verbleibenden Abschnitt des Dieselrußfilters soweit ange­ wachsen ist, daß die begonnene Reaktion abgebrochen bzw. "gelöscht" wird.

So wird mit einfachen Mitteln ein wirksamer Schutz gegen Beschädigen oder Zerstören des Dieselrußfilters durch unkon­ trolliertes Verbrennen der abgelagerten Partikel geschaffen, was einen Bypass und somit das im Bypassbetrieb unvermeidli­ che Abgeben ungereinigten Abgases in die Umgebung sowie eine aufwendige Schalldämpfanlage erübrigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich­ nungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vierzylinder-Dieselmotor mit einem nach­ geschalteten Dieselrußfilter gemäß der Erfin­ dung im Abgastrakt;

Fig. 2 ein Diagramm mit der Reaktionsgeschwindigkeit der Regenerierung über dem Massendurchsatz des Dieselrußfilters;

Fig. 3 einen Sechszylinder-Motor mit einem abgewandel­ ten Dieselrußfilter gemäß der Erfindung,

Fig. 4, 5 und 6 weitere Abwandlungen von Dieselrußfiltern gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Vierzylinder-Dieselmotor 1 dargestellt, in dessen Abgastrakt 3 Dieselrußfilter 2, 4 und 6 eingebaut sind, wobei kein die Dieselrußfilter überbrückender Bypass vorgesehen ist. Diese drei Dieselrußfilter sind parallel zu­ einander in den Abgastrakt 3 eingebaut und umfassen einen gemeinsamen Einlaß 5, davon individuell abgehende Einlaß­ stutzen 5a, 5b, 5c, welche jeweils in einen zugehörigen Die­ selrußfilter 2, 4, 6 münden, und individuelle Auslaßstutzen 7a, 7b, 7c, welche je von einem Dieselrußfilter 2, 4, 6 aus­ gehen und in einen gemeinsamen Auslaß 7 zusammengeführt sind.

In den Einlässen 5a, 5b, 5c sind je ein Drosselorgan 10, 12, 14, - also ebenso viele Drosselorgane wie Dieselrußfilter 2, 4, 6 -, vorgesehen. Ebenso sind in den Auslässen 7a, 7b, 7c Thermoelemente 9, 11, 13 zum individuellen Erfassen der Ab­ gastemperaturen der drei Dieselrußfilter vorgesehen, deren Ausgangssignale in eine die Drosselorgane steuernde elektro­ nische Einheit 100 eingegeben werden. Die Drosselorgane 2, 4, 6 sind hier als Drosselklappen ausgebildet.

In den Dieselrußfiltern 2, 4, 6 abgelagerte Rußpartikel wer­ den von Zeit zu Zeit durch Abbrennen aufgrund einer Tempera­ turerhöhung während des Betriebs oder mittels Abgasdrosse­ lung regeneriert. Im Falle einer erzwungenen Regenerierung werden alle Drosselorgane 10, 12, 14 gleichzeitig durch die elektronische Einheit 100 betätigt.

Zum Schutz gegen unkontrolliertes Verbrennen beim Regenerie­ ren werden derjenige Dieselrußfilter 2, 4 oder 6 durch Ab­ sperren des zugehörigen Drosselorganes 10, 12 oder 14 aus dem Abgasstrom ausgeschaltet, hinter dem die gemessene Abga­ stemperatur eine vorgegebene Temperatur überschreitet. Das Absperren des betreffenden Einlasses 5a, b oder c erfolgt ganz oder teilweise mittels des entsprechenden Drosselorga­ nes 10, 12 oder 14 auf ein EIN/AUS-Signal bzw. analoges Be­ tätigungssignal hin, welches von der elektronischen Einheit 100 abgegeben wird. Diese Einheit 100 erhält die Ausgangs­ signale der Thermoelemente 9, 11, 13 als Eingangssignale.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der angefangenen Verbrennung des im Dieselrußfilter gesammelten Rußes, bei konstanter Abgastemperatur, ist eine Funktion des Massendurchsatzes m. Im Bild 2 ist qualitativ in Form eines Diagramms die Abhän­ gigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit w der Verbrennung vom Massendurchsatz m dargestellt. Falls die Temperatur hinter dem mit einer Partikelmenge G beladenen Dieselrußfilter 2 (Fig. 1) die maximale zulässige Abgastemperatur überschrei­ tet, wird dieser Filter 2 durch Betätigung der zugehörigen Drosselklappe 10 teilweise oder sogar ganz abgesperrt mit der Folge, daß der Massenstrom unter m₁ reduziert wird. Jetzt wird der Hauptabgasdurchsatz über die Dieselrußfilter 4 und 6 geleitet. Dementsprechend wird der Massendurchsatz m durch diese Filter 4, 6 auf über m₂ erhöht. Das bedeutet, daß die Reaktionsgeschwindigkeit w in allen Filtern redu­ ziert wird, wie aus dem Diagramm der Fig. 2 zu erkennen ist. Für den Fall, daß die Abgastemperatur hinter einem weiteren Filter den maximal zulässigen Wert überschreitet, z. B. hin­ ter dem Filter 4, wird dieser Filter in der gleichen Weise wie vorher Filter 2 gedrosselt oder abgesperrt. Dies hat eine weitere Erhöhung des Massendurchsatzes m durch den Fil­ ter 6 zur Folge, in dem die Reaktionsgeschwindigkeit folg­ lich um einen solchen Betrag reduziert wird, daß eine even­ tuell begonnene Reaktion abgebrochen bzw. "gelöscht" wird.

Der Normalbetrieb des Systems wird dann wieder aufgenommen, wenn die Abgastemperatur hinter jedem Dieselrußfilter 2, 4, 6 kleiner als der maximal zulässige Wert wird.

Voraussetzung für einen vollständigen Schutz gegen unkon­ trollierte Verbrennung der abgelagerten Partikelmenge im Dieselrußfilter ist, daß der Massendurchsatz im letzten Fil­ ter schon im Leerlauf des Dieselmotors das Abbrechen oder "Löschen" der Reaktion verursacht.

So werden das Volumen und die Anzahl der Dieselrußfilter für einen bestimmten Dieselmotor vorausbestimmt.

In Fig. 3 ist eine Anlage eines Sechszylinder-Dieselmotors mit vier Dieselrußfiltern 16, 18, 20, 22 dargestellt. Auch hier sind jedem Dieselrußfilter je ein Drosselorgan 24, 26, 28, 30 in den entsprechenden, hier nicht bezeichneten Ein­ lässen und je ein Thermoelement 32, 34, 36, 38 in den ent­ sprechenden hier nicht bezeichneten Auslässen zugeordnet.

Die individuelle Ausschaltung der Dieselrußfilter aus dem Abgasstrom erfolgt mittels der hier nicht gezeichneten elek­ tronischen Einheit in gleicher Weise wie bei der Ausführung nach Fig. 1 stufenweise, wobei in der letzten Stufe minde­ stens ein Dieselrußfilter in Betrieb belassen wird.

Die Drosselorgane können als Drosselklappen oder Tellerven­ tile ausgebildet sein.

In Fig. 4 ist ein Dieselrußfilter mit zwei Eingängen 51, 52 dargestellt, das aus einem Monolith besteht. Durch den Ein­ laß 51, der kein Drosselorgan beinhaltet, wird das Abgas in den Abschnitt 52 des Rußfilters geleitet. Der Abschnitt 57 wird von Abgas durchströmt, das durch den Einlaß 50 geleitet wird. Dieser Einlaß 50 ist mit einem Drosselorgan 40 verse­ hen. Hinter den Auslaßquerschnitten beider Abschnitte 52 und 57 sind jeweils mittig Thermoelemente T1 und T2 eingebaut.

Ein Schutz gegen unkontrollierte Verbrennung wird durch Be­ tätigen des Drosselorgans am Einlaß 50 unabhängig davon ge­ währleistet, welches von beiden Thermoelementen T1 oder T2 eine unzulässige Temperatur registriert hat. Der Abschnitt 52 ist durch die Dimensionierung des rohrförmigen Einlasses 51 so klein gewählt, daß schon im Leerlauf der dadurch strö­ mende Massenstrom so groß ist, daß die Verbrennung des abge­ lagerten Rußes verzögert oder sogar unterbrochen wird.

Anders als bei den Ausführungen nach den Fig. 1 und 3 kommt diejenige nach Fig. 4 (und auch die Ausführungen nach den Fig. 5 und 6) mit nur einem Drosselorgan 40 aus, was die Anzahl der beweglichen und damit anfälligen Teile vermindert und die Konstruktion vereinfacht. Der Wegfall des Drossel­ organes für den Abschnitt 52 beeinträchtigt überraschender­ weise eine erzwungene Regenerierung durch Abgasdrosselung nicht.

Eine Regeneration durch Partikelabbrand wird dadurch erzwun­ gen, daß das einzige Absperrorgan 40 geschlossen wird. Da­ durch wird eine Erhöhung des Abgasgegendruckes und dement­ sprechend der Temperatur vor beiden Abschnitten des Diesel­ rußfilters erreicht.

Der Schutz gegen unkontrolliertes Abbrennen wird meist bei kleinen bis mittleren Drehzahlen bzw. bei kleiner Last wirk­ sam. Dabei wird eine Verschlechterung der Fahreigenschaften wegen des durch die verminderte Austrittsfläche erhöhten Gegendruckes vom Fahrer nicht bemerkt, denn er kann zur Er­ reichung der gewünschten Leistung das Gaspedal weiter durch­ drücken. Sollte andererseits der Schutz im Bereich der Höchstdrehzahl bzw. -Leistung auftreten, kann durch einen Kick-Down Schalter der Schutzprozeß unterbrochen werden.

Wie bekannt wird in diesem Betriebsbereich der Schutz gegen unkontrolliertes Abbrennen durch die Kühlwirkung der Ab­ gasströmung übernommen. Analog kann eine angefangene Drosse­ lung aufgehoben werden, falls die volle Leistung vom Fahrer verlangt wird.

In Fig. 5 ist ein Dieselrußfilter dargestellt, der zwei Ab­ schnitte, nämlich einen größeren 67 und einen kleineren Ab­ schnitt 62 und keine Absperrorgane in den Eingängen 60, 61 hat. Ein einziges Absperrorgan ist von einem Thermostat 64 gebildet, der im gemeinsamen Ausgangskanal der beiden Ab­ schnitte 62, 67 angeordnet ist und von den Abgasströmen durch die Abschnitte 62, 67 durchströmt wird. Dehnt sich der Thermostat aus, so verschließt er den Ausgang 63 des größe­ ren Abschnittes 67 bei einer vorgegebenen Abgastemperatur. Bei dieser Ausführung wird eine Überwachung der Temperaturen am Filterausgang und dementsprechend eine elektronische Kon­ trolleinheit überflüssig, den der Thermostat 64 übernimmt automatisch den Schutz gegen unkontrollierte Verbrennung beider Abschnitte 62, 67, wenn die vorgegebene Abgastempera­ tur erreicht wird.

Der Thermostat 64 besteht bei dieser Ausführung aus einem abgeschlossenen Wellrohr, das sich unter innerem Überdruck axial ausdehnt. Es ist mit einer geeigneten Füllung aus ei­ nem Stoff (z. B. Natrium) versehen, der beim Erreichen einer bestimmten Temperatur verdampft und dadurch eine rasche In­ nendruckerhöhung verursacht. Damit wird der Thermostat 64 elastisch verlängert und der Auslaß 63 abgesperrt.

In Fig. 6 ist eine Variante der Ausführung nach Fig. 5 dar­ gestellt, wobei ein kleiner und ein großer Abschnitt 72, 77 eines Filters 71 als zwei Abschnitte eines Monolithen 72 ausgebildet sind. Die Abschnitte werden über einen gemein­ samen Einlaß 70 von Abgas durchströmt. Wie bei der Ausfüh­ rung nach Fig. 5 ist ein Thermostat 74 in Form eines axial dehnbaren Wellrohres im Auslaß 73 des großen Abschnitts 77 so angeordnet, daß es dessen Austritt 73 bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur selbsttätig verschließt.

Claims (10)

1. Verfahren zum kontrollierten Regenerieren eines Diesel­ rußfilters eines Dieselmotors, wobei der Abgasstrom durch den Dieselrußfilter in Abhängigkeit von der Ab­ gastemperatur hinter dem Dieselrußfilter gedrosselt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Die­ selrußfilter in mehrere, parallel in den Abgastrakt eingeschaltete Abschnitte unterteilt wird, in deren mindestens einem der Abgasdurchsatz in Abhängigkeit von der Abgastemperatur hinter dem Dieselrußfilter ge­ drosselt oder ganz gesperrt wird.

2. Vorrichtung zum kontrollierten Regenerieren des Diesel­ rußfilters eines Dieselmotors, bei der eine durch die Abgastemperatur hinter dem Dieselrußfilter gesteuerte Drosselvorrichtung vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dieselrußfilter in mindestens zwei parallel geschaltete Abschnitte (2-6; 16-22; 52, 57; 62, 67; 72, 77) unterteilt ist, von de­ nen mindestens einer durch eine Drosselvorrichtung (10-14; 24-30; 40; 64; 74) teilweise oder ganz absperrbar ist, die durch die Abgastemperatur hinter dem Diesel­ rußfilter gesteuert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den einzelnen Abschnitten (2-6; 16-22) jeweils eigene Drosselvorrichtungen (10-14; 24-30) im Einlaß (5a, 5b, 5c) und eigene Temperaturmeßvor­ richtungen (9-13; 32-38) im Auslaß (7a, 7b, 7c) zuge­ ordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der eine Abschnitt (52; 62; 72) der mindestens zwei getrennten Abschnitte (52, 57; 62, 67; 72, 77) unbehindert vom Abgas durchströmt ist, wäh­ rend der andere Abschnitt (57; 67; 77) durch ein Ab­ sperrorgan (40; 64; 74) in Abhängigkeit von der im Aus­ laß herrschenden Temperatur teilweise oder ganz ab­ sperrbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine elektronische Steuer­ einheit (100) vorgesehen ist, welche das oder jedes Absperrorgan (10-14; 24-30; 40) bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur im zugehörigen Auslaß (7a, 7b, 7c; 53) des betreffenden Abschnittes individuell zum teilweisen oder gänzlichen Absperren betätigt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Temperatursensoren (T1, T2) in den Auslässen beider Abschnitte (52, 57) ange­ ordnet sind und daß das im Einlaß (50) des größeren Abschnittes (57) vorgesehene Absperrorgan (40) unabhän­ gig davon betätigt wird, welcher der beiden Temperatur­ sensoren ein Überschreiten der zulässigen Temperatur erfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein selbsttätig bei Überschreiten einer vorgegebenen Abgastemperatur wirksam werdendes Absperrorgan (64; 74) im Auslaß (63; 73) des größeren Abschnittes (67; 77) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Absperrorgan (64; 74) ein Wellrohr ist, welches eine abgeschlossene Füllung aus einem Stoff, insbesondere Natrium, aufweist, der bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur verdampft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (72, 77) Teile eines Monolithen bilden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß kein den Dieselrußfil­ ter umgehender Bypass vorgesehen ist.