DE3522431A1 - Steuereinrichtung an einer luftverdichtenden einspritzbrennkraftmaschine zur regeneration eines russabbrennfilters - Google Patents

Steuereinrichtung an einer luftverdichtenden einspritzbrennkraftmaschine zur regeneration eines russabbrennfilters

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung an einer luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Zum Freibrennen eines Rußabbrennfilters ist es bekannt, die Prozeß- bzw. die Abgastemperatur zu erhöhen, indem der Ansaugluftmassenstrom gedrosselt wird, wodurch sich die im Verbrennungsraum zu erwärmende Luftmenge reduziert. So wird nach der Druckschrift EP-PS 10 384 mittels eines regelbaren Drosselklappensystems die Ansaug­ luftmenge variiert. Bei einer Verwendung dieser An­ ordnung wird die zur Rußfilterregeneration erforderliche Prozeß- bzw. Abgastemperatur jedoch erst in höheren Last- und Drehzahlbereichen erreicht.
Bei Fahrzeugen, welche überwiegend in niederen Last- und Drehzahlbereichen gefahren werden, sind die Bedin­ gungen für eine optimale Rußfilterregeneration deshalb nur selten gegeben.
Eine ausreichend hohe Prozeßtemperatur zum Freibrennen des Rußabbrennfilters bei niederer Last und niederer Drehzahl durch eine ebenfalls nach der Druckschrift EP- PS 10 384 vorgeschlagene Abgasrückführung zu erzielen, ist auch nicht möglich, da, um eine einwandfreie Funktions­ weise der Brennkraftmaschine aufrecht zu erhalten, der Abgasanteil im Frischgas 30% nicht überschreiten darf. Damit ist die zur Filterregeneration erforderliche Abgas­ temperatur jedoch nicht zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuer­ einrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschrie­ benen Art zu schaffen, mit der bei einem geringen Zündver­ zug im Leerlauf und in der Beschleunigungsphase ein Frei­ brennen des Rußabbrennfilters schon bei relativ niederer Last und niederer Drehzahl erreichbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß stromab des Rußabbrennfilters ein Luft-Abgas-Wärmetauscher ange­ ordnet ist, der in Abhängigkeit von der Stellung des Stellgliedes ganz oder teilweise von der angesaugten Frischluft durchströmt wird.
Durch eine entsprechende Auslegung des Wärmetauschers wird bei der Umlenkung des gesamten Ansaugluftstromes über den Wärmetauscher erreicht, daß der Ansaugluftstrom auf nahezu Abgastemperatur erwärmt wird. Dies bedeutet, daß die Ruß­ abbrennfilterregeneration auch schon bei niederer Last und niederer Drehzahl ablaufen kann.
Die hohe Temperatur der Ansaugluft bewirkt ein schnelles Durch­ laufen der Warmlaufphase und auch bei betriebswarmem Motor kann das Temperaturniveau im Brennraum der Brennkraft­ maschine im Leerlauf so hoch gehalten werden, daß der Zünd­ verzug des eingespritzten Kraftstoffes relativ gering ist, so daß eine nur minimale Geräuschemission, auch beim Be­ schleunigen aus dem Leerlauf heraus, auftritt.
Durch das Vorschalten eines Katalysators vor den Wärme­ tauscher werden die im Abgas noch vorhandenen Kohlenwasser­ stoffanteile katalytisch oxidiert, wodurch es infolge des exothermen Verlaufs dieser Reaktion zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung des Abgasstromes vor dem Wärmetauscher kommt.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Steuereinrichtung an einer Brennkraftmaschine in einer Prinzipdarstellung.
An eine Brennkraftmaschine 1 sind eine Ansaugleitung 2 und ein Abgasleitungssystem 3 angeschlossen. Letzteres mündet in einen Rußabbrennfilter 4, welcher wiederum über eine Leitung 5 mit einem einem Abgas-Wärmetauscher 6 vorgeschal­ teten Katalysator 7 in Verbindung steht.
An die Ansaugleitung 2 ist ferner ein Luftfilter 8 ange­ schlossen.
Im Verlauf der Ansaugleitung 2 ist eine Stellklappe 9 an­ gebracht, stromauf welcher von der Ansaugleitung 2 eine Ver­ bindungsleitung 10 zu dem Wärmetauscher 6 abzweigt. Stromab der Stellklappe 9 mündet eine vom Wärmetauscher 6 kommende weitere Leitung 11 in die Ansaugleitung 2. Die Stellklappe 9 wird über ein Gestänge 12 von einem Stellantrieb 13, z.B. einem Servomotor, welcher über eine Steuereinheit 14 angesteuert wird, betätigt.
Die bei der Verbrennung des Kraftstoffes entstehenden Ruß­ partikel werden in dem Rußabbrennfilter 4 aufgefangen. Durch die zunehmende Querschnittsverengung im Filter 4 steigt der Staudruck vor diesem in der Abgasleitung 3 stetig an. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzdruckes wird die Stell­ klappe 9 über den Stellantrieb 13 in die in der Zeichnung dargestellte Stellung gebracht, d.h., der gesamte An­ saugluftstrom wird auf dem Weg zur Brennkraftmaschine 1 über den Wärmetauscher 6 umgeleitet. Aufgrund der hohen Wirkungsgrade heutiger Wärmetauscher erwärmt sich die An­ saugluft auf nahezu Abgastemperatur, wobei eine zusätz­ liche Erwärmung durch die exotherme Reaktion der kata­ lytischen Oxydation der noch im Abgas vorhandenen un­ verbrannten Kohlenwasserstoffanteile hinzukommt.
Zum Freibrennen des Rußabbrennfilters 4 ist eine Temperatur von ca. 600°C erforderlich, welche sich schon bei niederer Last und niederer Drehzahl mühelos erreichen läßt. Selbst im Leerlauf werden bei geschlossener Stellklappe 9 schon Ansauglufttemperaturen von bis zu 350°C erzielt. Dies be­ deutet auch, daß der Katalysator 7, der eine "Anspring­ temperatur" in der Größenordnung von ca. 300°C hat, be­ reits im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 1 aktiv ist.
Die Steuerung der Stellklappe 9 ist so ausgelegt, daß, wie erwähnt, der Rußabbrennfilter 4 bei Erreichen eines bestimmten Staudruckes in der Abgasleitung 3 freigebrannt wird. Um zu verhindern, daß es zu einer Zerstörung des Filters 4 in­ folge zu großer Abgastemperaturen kommt, wird in der Ab­ gasleitung 3 vor dem Filter 4, z.B. mittels eines Thermoele­ mentes, die Temperatur ϑ abgenommen und gegebenenfalls die Schaltklappe 9 etwas geöffnet. Die obere Grenze für die Abgastemperatur liegt diesbezüglich bei ca. 800°C. Die Tempe­ ratur und der Druck werden an den Stellen 16 und 17 der Abgasleitung 3 gemessen und die Werte der Steuereinheit 14 zugeführt. Die Motorlast M geht insofern als Regel­ größe mit ein, als daß bei Vollast die Stellklappe 9 ganz ge­ öffnet bleiben soll, um keine Leistungseinbußen in Kauf nehmen zu müssen.
Im Leerlauf bleibt die Stellklappe 9 immer geschlossen, da sich auf diese Weise ein relativ hohes Temperaturniveau im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine 1 hält und des­ halb ein nur geringer Zündverzug des eingespritzten Kraft­ stoffes, auch beim Beschleunigen aus dem Leerlauf heraus, entsteht. Die Geräuschemission wird dadurch stark reduziert. Ebenfalls sinkt so die Abgastemperatur zu keinem Zeitpunkt unter die "Anspringtemperatur" des Katalysators 7. Die Steuerung sieht ferner vor, daß sich die Stellklappe 9 zum schnelleren Erreichen der Betriebstemperatur der Brenn­ kraftmaschine 1 und zur Reduzierung des Weißrauchens während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1, ausgehend von einer geschlossenen Stellung beim Kaltstart in Abhängigkeit von der Abgastemperatur bis hin zum Erreichen der Betriebs­ temperatur, kontinuierlich öffnet.
Die Regeneration des Rußabbrennfilters 4 wird noch durch eine Wärmeisolierung der einzelnen Leitungen 2, 3, 5, 10 und 11 des Rußabbrennfilters 4, des Katalysators 7 und des Wärme­ tauschers 6 zusätzlich begünstigt.
Zur Kompensation der temperaturbedingten Längenänderungen sind die Ansaug- 2 und die Abgasleitungen 3 bzw. 5 mit Wellrohreinsätzen 15 versehen.

Claims (4)

1. Steuereinrichtung zum Anheben der Abgastemperatur in der Abgasleitung einer luftverdichtenden Einspritzbrenn­ kraftmaschine auf die Abbrenntemperatur eines in der Abgasleitung angeordneten Rußabbrennfilters, die ein in der Ansaugleitung der luftverdichtenden Einspritz­ brennkraftmaschine angeordnetes Stellglied zur Be­ einflussung des angesaugten Verbrennungsluftstromes auf­ weist, welches von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ver­ stellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Rußabbrennfilters (4) ein Luft-Abgas- Wärmetauscher (6) angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Stellung des Stellgliedes (9) ganz oder teil­ weise von der angesaugten Frischluft durchströmt wird.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Ansaugleitung (2) stromauf des Stellgliedes (9) eine in den Wärmetauscher (6) führende Leitung (10) abgezweigt ist und eine die im Wärmetauscher (6) er­ wärmte Ansaugluft führende Leitung (11) stromab des Stellgliedes (9) wieder in die Ansaugleitung (2) mündet.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (5) zwischen Rußfilter (4) und Wärmetauscher (6) ein Katalysator (7) angeordnet ist.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) derart steuerbar ist, daß es im Leerlauf und im unteren Lastbereich der Brennkraft­ maschine (1) in Schließstellung geschaltet ist.
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