DE3602038C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrussfilters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Regenerierung eines Dieselrußfilters, das in den Auslaßkanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei das Abgas in demjenigen Abschnitt des Auslaßkanales, welcher das Dieselrußfilter enthält, durch gesteuertes Drosseln des Auslaßkanals in einem solchen Maße verdichtet wird, das die Regenerierungs­ temperaturgrenze erreicht oder überschritten wird.

Es sind Dieselrußfilter mit poröser Wand insbesondere aus Keramikwerkstoff in Monolithbauweise zur Filtrierung der im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Feststoffe, wie Ruß, entwickelt worden. Bei Tempera­ turen zwischen 500°C und 600°C wird der im Diesel­ rußfilter abgeschiedene Ruß in Anwesenheit von im Abgas enthaltenem Restsauerstoff gezündet und ver­ brannt. Das Dieselrußfilter wird dadurch regeneriert. Damit diese Regenerierung stattfinden kann, muß eine Temperatur in dem genannten Bereich im Dieselruß­ filter herrschen, die oberhalb der unteren Temperatur­ grenze des erwähnten Regenerierungstemperaturbereiches liegt.

Bei Stadtfahrten (z. B. Europa-Fahrzyklus ECE-15) von Diesel-PKW, -LKW oder -Omnibussen wird der Motor überwiegend im Teillastbereich betrieben. Dabei bleibt die Temperatur im Auslaßkanal unterhalb der Regenerierungstemperaturgrenze, so daß der abgeschiedene Ruß nicht verbrannt und das Dieselrußfilter nicht regeneriert wird.

Es ist bekannt, die Regenerierungstemperatur abzu­ senken, z. B. durch Imprägnieren der porösen Filter­ wand des Dieselrußfilters mit Metall oder Metalloxiden, welche eine katalytische Wirkung aufweisen, oder durch Zusätze von Metallverbindungen im Kraftstoff (Bleiäthyl, Manganoxid usw.). Solche Zusätze können aber zu Umweltbelastungen führen.

Es ist auch schon bekannt, die Abgastemperatur zu erhöhen, z. B. durch Drosseln der Ansaugluft des Motors. Dies führt jedoch nicht zu der erforderlichen Regenerierungstemperatur. Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, das Dieselrußfilter möglichst nahe am Auslaßventil im Auslaßkanal anzuordnen, weil dort die Temperaturen hoch sind. Diese Lösung führt aber ebenfalls nicht zu genügend hohen Temperaturen im Dieselrußfilter und begegnet im übrigen wegen der beschränkten Platzverhältnisse im Motorraum eines Fahrzeuges Einbauschwierigkeiten.

Ferner hat man zur Regenerierung des Rußfilters einen Brenner in den Auslaßkanal vor dem Rußfilter eingebaut. Mit einem Brenner werden zwar ausreichend hohe Temperaturen erreicht; doch werden die Tempera­ turen hierbei so hoch, daß das Dieselrußfilter leicht beschädigt oder zerstört werden kann. Außerdem müssen solche Brenner entgegen dem Druck im Auslaßkanal arbeiten, was bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde.

Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist vorgeschlagen worden, in den Auslaßkanal stromabwärts vom Rußfilter eine den Abströmweg der Abgase absperrende Klappe vorzusehen, die auch unabhängig vom Differenzdruck der Drücke im Auslaßkanal stromaufwärts und stromab­ wärts vom Rußfilter gesteuert werden kann (DE-OS 29 30 969).

Bei Drosselbetrieb wird der Liefergrad der Brennkraft­ maschine drastisch reduziert. Folglich wird der Brennkraftmaschine mehr Kraftstoff zugeführt als verbrannt werden kann. Der Kraftstoffüberschuß wird in Ruß umgewandelt, der in einer solchen Menge anfällt, daß das Filter zu stark mit Ruß beladen wird. Versuche haben gezeigt, daß im Rußfilter eine obere Grenztemperatur, die in der Praxis bei 650°C liegen kann, nicht überschritten werden darf. Diese Grenztemperatur verlagert sich zu tieferen Tempera­ turen, wenn die Rußbeladung des Filters höher wird. Bei Überschreiten der oberen Grenztemperatur kann lokales Schmelzen und damit eine Zerstörung des Filters bedingt durch die Zündung und Verbrennung des abgelagerten Rußes die Folge sein. Dieses Problem läßt sich auch mit dem zuletzt genannten bekannten Verfahren nicht beheben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die eine gleichzeitige und ausreichende Regenerierung des Rußfilters ohne Gefahr von dessen vorzeitiger Zerstörung aufgrund lokalen Schmelzens des Filter­ materials ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß während der Drosselung die dem Diesel­ motor zugemessene Kraftstoffmenge reduziert wird.

Vorzugsweise wird die Kraftstoffmenge gesteuert in Abhängigkeit vom Druck in dem Auslaßkanal reduziert. Mit aufgrund der Drosselung zunehmendem Druck im Auslaßkanal wird entsprechend weniger Kraftstoff zugemessen, so daß die Gefahr der übermäßigen Rußbil­ dung bei Vollastbetrieb des Motors vermieden wird.

Gleichwohl läßt sich eine ausreichende und regelmäßige Regenerierung des Rußfilters durch Erhöhen des Druckes in dem Auslaßkanal erzielen. Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn die Drosselung selbsttätig in Abhängigkeit vom Druck im Auslaßkanal, insbesondere stromaufwärts vom Dieselrußfilter, gesteuert wird, weil bei Drosselung des Abgasstromes von dem Dieselruß­ filter dieser im Bereich kleineren Druckes und damit geringerer Beanspruchung im Betrieb liegt.

Eine Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselruß­ filters, das in den Auslaßkanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei eine Drosseleinrichtung in den Auslaßkanal eingebaut ist, kennzeichnet sich erfindungsgemäß durch eine Steuervorrichtung zum Beeinflussen der dem Motor zugemessenen Kraftstoffmenge im Betrieb der Drosseleinrichtung.

Bei einer Weiterbildung dieser Vorrichtung ist er­ findungsgemäß vorgesehen, daß die Steuervorrichtung eine vom Druck in der Auslaßleitung beaufschlagbaren bewegliche Wand umfaßt, die mit einer Regelstange einer Kraftstoff-Einspritzpumpe gekoppelt ist, wobei die bewegliche Wand zweckmäßig auf der einen Seite vom Druck in der Auslaßleitung und auf der anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder beaufschlagt ist.

Die Drosseleinrichtung selbst weist vorzugsweise ein Ventil mit durch einen Ventilschließkörper steuer­ barer Ventilöffnung und mit einer vom Druck in der Auslaßleitung beaufschlagten, mit dem Ventil­ schließkörper verbundenen Betätigungsmembran auf, die niederdruckseitig gegen eine Druckfeder wirkt.

Die Drosselung kann manuell oder selbsttätig in Abhängigkeit vom Druckverlust im Dieselrußfilter gesteuert sein. Die Drosselung kann in beiden Fällen durch volle Betätigung des Gaspedales ("Kick-down") abgeschaltet werden, so daß bei Bedarf die volle Leistung des Dieselmotors zur Verfügung steht.

Die Drosseleinrichtung kann anstatt von einem Ventil auch von einer Drosselklappe gebildet sein, welche eine Steuerbohrung aufweist.

Im Betrieb des Dieselmotors wird das Abgas in dem Abschnitt des Auslaßkanales, der das Dieselrußfilter enthält, selbsttätig bzw. zu gewählten Zeitpunkten verdichtet. Dadurch werden in diesem Abschnitt Tempera­ tur und Druck in einem solchen Maße erhöht, daß Zündung und Verbrennung des im Dieselrußfilter abge­ schiedenen Rußes bzw. der Feststoffe im Abgas mit Sicherheit erfolgt. Gleichzeitig wird eine Überbe­ ladung des Rußfilters im Vollastbetrieb der Maschine bei gedrosseltem Auslaßkanal vermieden. Somit wird die gewünschte Regenerierung unter allen Betriebsbe­ dingungen des Dieselmotors, d. h. auch im Leerlauf und bei Teillast, stets sichergestellt.

Die Erfindung erlaubt es, die Regenerierung des Dieselrußfilters in nach Bedarf wählbaren Zeitab­ schnitten vorzunehmen, welche nur einen Bruchteil, z. B. ¹ /₁₀₀ der gesamten Betriebszeit des Motors ausmachen. Dadurch läßt sich eine Beeinträchtigung des Motorbetriebes durch die Regenerierung praktisch ausschalten.

Die Regenerierung des Dieselrußfilters kann beispiels­ weise im Leerlauf bei stehendem Fahrzeug bzw. im lastfreien Betrieb eines stationären Dieselmotors oder während der Fahrt bzw. unter Last des Dieselmotors erfolgen. Dabei ist es möglich, durch entsprechende Dimensionierung der Drosseleinrichtung die volle Leistung des Motors für die Regenerierung des Diesel­ rußfilters auch bei Nullast bereitzustellen. Die auf diese Weise erreichbare Abgastemperatur übersteigt die untere Grenze des Regenerierungs-Temperaturbe­ reiches. Je tiefer diese untere Grenze liegt, desto schneller wird die gewünschte Regenerierung erzielt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 in Drehmoment-Drehzahl-Diagrammen einen Vergleich der beim Stand der Technik und bei der Erfindung zur Regenerierung ausnutzbaren Bereiche des Dieselmotor-Kenn­ feldes und

Fig. 4 und 5 Ausführungsbeispiele für eine Drossel­ einrichtung, wie sie mit Vorteil bei der Erfindung zum Drosseln des Abgases im Auslaßkanal des Dieselmotors angeordnet ist.

Gemäß Fig. 1 gehört zu einem Dieselmotor 11 eine Einspritzpumpe 12. In den Auslaßkanal 13 für die Abgase des Dieselmotors 11 ist ein Rußfilter 10 eingeschaltet. Stromaufwärts vom Rußfilter 10 ist eine Drosseleinrichtung 14 in den Auslaßkanal einge­ baut, um den Druck im Auslaßkanal vor dem Rußfilter 10 auf einen Wert anzuheben, bei welcher sich der im Rußfilter 10 abgeschiedene Ruß entzündet und verbrennt.

Der Einspritzpumpe 12 ist eine Steuervorrichtung 16 zugeordnet, welche eine bewegliche Wand bzw. Membran 15 aufweist, die auf ihrer einen Seite vom Druck im Auslaßkanal 13 zwischen Dieselmotor 11 und Drossel­ einrichtung 14 und auf ihrer anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder 18 mit einem definierten, z. B. progressiven Federverhalten beaufschlagt ist. Die Membran ist mittig mit einer Regelstange 19 verbunden, welche den Vollastanschlag in der Einspritz­ pumpe 12 regelt. Erhöht sich aufgrund einer Drosselung mittels der Drosseleinrichtung 14 der Druck im Auslaß­ kanal 13, so erhöht sich auch der Druck in einer Zweigleitung 17 und damit in der Kammer der Steuerein­ richtung 16 oberhalb der Membran 15, so daß diese gegen die Kraft der Feder 18 zusammen mit der Regel­ stange 19 nach außen bewegt wird und die von der Einspritzpumpe 12 zugemessene Kraftstoffmenge reduziert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Kurvenverlauf 30 des Drehmomentes M _d über der Drehzahl n. Am Punkt 34 der Drehmomentkurve 30 ist die Nenndrehzahl erreicht. Die Kurven 31 und 32 zeigen in Fig. 2 am Stand der Technik und in Fig. 3 bei der Erfindung die Betriebs­ bereichsgrenzen unter der Drehmomentkurve 30 innerhalb deren eine Drosselung mittels der Drosseleinrichtung ohne Gefahr der Zerstörung des Rußfilters 10 möglich ist.

Es ist ersichtlich, daß im Bereich von Teillast und Vollast insbesondere bei größer werdenden Dreh­ zahlen eine Regenerierung durch Drosselung des Abgases nicht möglich ist, während sie gemäß dem schraffierten Bereich unter der Kurve 30 nach Fig. 3 aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme auch bei hohen Drehzahlen im Teillast- und Vollastbereich möglich ist. Dies beruht darauf, daß die Kraftstoffzufuhr in diesem Betriebsbereich erfindungsgemäß abgesenkt und damit die Rußbildung durch überschüssigen Kraftstoff aufgrund des bei der Drosselung verminderten Liefergrades ausgeschlossen ist.

Im Gegensatz zur Darstellung gemäß Fig. 1 läßt sich eine Vergrößerung des Betriebsbereiches unter der Drehmomentkurve 30 im Vergleich zu Fig. 2 auch dann erreichen, wenn die Steuereinrichtung 16 nicht vom Druck im Auslaßkanal 13 beaufschlagt ist sondern jeweils bei wirksam werdender Drosseleinrichtung 14 die zugemessene Kraftstoffmenge um einen vorge­ gebenen Betrag, z. B. einen konstanten Betrag, redu­ ziert ist. Optimale Verhältnisse ergeben sich jedoch bei Beaufschlagung der Membran 15 der Steuereinrichtung 16 mit dem Druck im Auslaßkanal 13 über die Rückführ­ leitung 17 gemäß Fig. 1.

Die Fig. 4 und 5 zeigen denkbare Ausführungen der Drosseleinrichtung 14. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 umfaßt die Drosselein­ richtung 14 ein Ventil mit Ventilschließkörper 35 an einer Ventilstange 36, welche eine Ventilöffnung 37 in einer Trennwand 38 im Auslaßkanal 13 durchsetzt. Der von der Trennwand 38 abstromseitige Abschnitt des Auslaßkanals ist mit dem Bezugszeichen 13′ bezeich­ net.

Die Ventilstange 36 ist mit einer Membran 40 verbunden, welche auf ihrer Oberseite vom Druck im aufstromseitigen Abschnitt des Auslaßkanales 13 über eine Leitung 41 beaufschlagt ist, während auf die andere Seite der Membran 40 eine vorgespannte Druckfeder 42 wirkt. Bei zunehmendem Druck im Auslaßkanal 13 öffnet der Ventilschließkörper 35 somit die Ventilöffnung 37, schwächt die Drosselwirkung der Drosseleinrichtung 14 also ab.

Es ist auch denkbar, die Drosseleinrichtung unabhängig vom Druck im Auslaßkanal 13 zu steuern, und zwar zu gewünschten Zeiten oder bei bestimmten Betriebszu­ ständen des Dieselmotors, um wahlweise eine bestimmte Drosselwirkung zu erzielen, beispielsweise auf Knopf­ druck des Fahrers hin. Auch ist denkbar, die Drosselein­ richtung 14 abhängig vom Differenzdruck vor und hinter der Drosselstelle zu steuern. Dabei müßte eine Leitung ähnlich der Leitung 41 in Verbindung mit der Kammer unterhalb der Membran 40 stehen.

Eine abgewandelte Drosseleinrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall ist eine Drosselklappe 45 mit einer Steuerbohrung 47 im Auslaßkanal 13 ange­ ordnet. Eine Bypaß-Leitung 48 verbindet die Abschnitte des Auslaßkanals 13 stromaufwärts und stromabwärts von der Drosselklappe 45. In diese Bypaß-Leitung ist ein Ventil eingeschaltet, das prinzipiell wie das Ventil in Fig. 4 aufgebaut ist, jedoch in entgegen­ gesetzte Richtung betätigt wird. Die Teile dieses Ventiles sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 bezeichnet. Bei zunehmendem Druck im Abschnitt des Auslaßkanals 13 stromaufwärts von der Drossel­ klappe 45 öffnet auch dieses Ventil.

Entgegen der Darstellung nach Fig. 1 kann die Drossel­ einrichtung 14 auch stromabwärts von dem Rußfilter 10 im Auslaßkanal 13 angeordnet sein, wobei dann der Rußfilter 10 einem höheren Druck ausgesetzt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Regenerierung eines Dieselrußfilters, das in den Auslaßkanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei das Abgas in demjenigen Abschnitt des Auslaßkanales, welcher das Dieselrußfilter enthält, durch gesteuertes Drosseln des Auslaß­ kanals in einem solchen Maße verdichtet wird, daß die Regenerierungstemperaturgrenze erreicht oder überschritten wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Drosselung die dem Dieselmotor zugemessene Kraftstoffmenge redu­ ziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kraftstoffmenge gesteuert in Abhängigkeit vom Druck in dem Auslaßkanal reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kraftstoffmenge abhängig vom Druck an einer Stelle stromaufwärts vom Diesel­ rußfilter reduziert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung selbsttätig in Abhängigkeit vom Druck im Auslaß­ kanal, insbesondere stromaufwärts vom Dieselruß­ filter, gesteuert wird.

5. Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselruß­ filters, der in den Auslaßkanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei eine Drosseleinrichtung in den Auslaßkanal eingebaut ist, gekennzeichnet durch eine Steuerein­ richtung (16) zum Beeinflussen der dem Motor zugemessenen Kraftstoffmenge im Betrieb der Drossel­ einrichtung (12).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) eine vom Druck in der Auslaßleitung (13) beauf­ schlagbaren bewegliche Wand (15) umfaßt, die mit einer Regelstange (19) einer Kraftstoff-Ein­ spritzpumpe (12) gekoppelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bewegliche Wand (15) auf der einen Seite vom Druck in der Auslaßleitung (13) und auf der anderen Seite von einer vorge­ spannten Druckfeder (18) beaufschlagt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (14) ein Ventil (35, 37) mit durch einen Ventilschließkörper (14) steuerbarer Ventilöffnung ( 15) und mit einer vom Druck in der Auslaßöffnung (13) beaufschlagten, mit dem Ventilschließkörper verbundenen Betätigungsmembran (40) aufweist, die gegen eine Druckfeder (42) wirkt.