DE3608370A1 - Method for the regeneration of filter systems for the exhaust gases of vehicle internal combustion engines - Google Patents

Method for the regeneration of filter systems for the exhaust gases of vehicle internal combustion engines

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Abstract

In a method for the regeneration of filter systems for the exhaust gases of vehicle internal combustion engines by oxidation of deposited particles by means of secondary electrical energy the alternator is switched on in the idling or overrun phase of vehicle operation, in order to convert the kinetic energy of the vehicle into electrical energy, and the electrical energy generated by the alternator is fed to the particle filter system as secondary energy.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regenera­ tion von Filtersystemen für die Abgase von Fahrzeug-Brenn­ kraftmaschinen durch Oxidation abgelagerter Partikeln mit Hilfe elektrischer Sekundärenergie.The invention relates to a method for regeneration tion of filter systems for the exhaust gases from vehicle combustion with oxidized particles Aid to electrical secondary energy.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Verbrennungskraft­ maschinen mit möglichst schadstoffarmen Abgasen werden bei Dieselmotoren zur Reduzierung der Partikelemission Nachbe­ handlungssysteme für das Abgas eingesetzt. Diese bestehen im wesentlichen aus Filtersystemen, die die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikeln führen zu einer Erhöhung des Strö­ mungswiderstandes im Abgassystem, wodurch sich der Abgas­ gegendruck für den Motor erhöht. Mit zunehmender Partikel­ masse führt dies in Abhängigkeit von Last (Drehmoment) und Drehzahl zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und im Ex­ tremfall zum Stillstand des Motors. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, kontinuierlich oder intermittierend die im Filter abgelagerten Partikeln zu beseitigen, und zwar im allgemeinen durch Oxidation der Partikeln.In connection with the development of combustion power machines with exhaust gases that are as low in pollutants as possible are used Diesel engines to reduce particle emissions handling systems for the exhaust gas. These exist essentially from filter systems that have the fixed proportions collect and collect at the particle phase. The one in the filter deposited particles lead to an increase in flow resistance in the exhaust system, which causes the exhaust gas back pressure for the motor increased. With increasing particles This leads depending on the load (torque) and Speed to increased fuel consumption and in Ex Accident to a standstill of the engine. This is why it required continuous or intermittent the to remove particles deposited in the filter, namely generally by oxidation of the particles.

Als Filtersysteme zur Sammlung der Partikeln mit intermit­ tierender Rußverbrennung haben sich u.a. keramische Waben­ filter mit und ohne katalytische Beschichtung bewährt.As filter systems for collecting the particles with intermit Burning soot has among other things ceramic honeycomb Proven filters with and without catalytic coating.

Die Oxidation der im Filter angesammelten Partikeln setzt bei Temperaturen oberhalb 500 Grad C ein. Durch den Einsatz katalytischer Filterbeschichtungen kann die erforderliche Temperatur um bis zu 100 Grad C gesenkt werden.The oxidation of the particles collected in the filter sets at temperatures above 500 degrees C. Because of the engagement Catalytic filter coatings can be the required Temperature can be reduced by up to 100 degrees C.

Derartig hohe Temperaturen werden von Dieselmotoren jedoch nur im oberen Lastbereich erreicht. Eine ausreichend häufi­ ge Filterregeneration im Fahrbetrieb ist daher nicht sicher­ gestellt. Durch den Einsatz von Sekundärenergie kann die Ab­ gastemperatur soweit erhöht werden, daß eine zur Filterre­ generation ausreichende Abgastemperatur erreicht wird. Die notwendigen Heizleistungen sind allerdings aufgrund des großen Abgasmassenstroms sehr hoch (etwa 40 kW für einen Saugmotor mit 10 Liter Hubraum). Bei Regeneration im Leer­ lauf (n = 800 U/min) liegen infolge der geringeren Motorab­ gastemperatur trotz des geringeren Abgasmassenstroms die er­ forderlichen Leistungen mit etwa 30 kW in ähnlicher Größen­ ordnung.Such high temperatures are only reached by diesel engines in the upper load range. A sufficiently frequent filter regeneration when driving is therefore not ensured. By using secondary energy, the exhaust gas temperature can be increased to such an extent that an exhaust gas temperature sufficient for filter regeneration is achieved. However, the heating power required is very high due to the large exhaust gas mass flow (around 40 kW for a naturally aspirated engine with a 10 liter displacement). When regenerating at idle speed ( n = 800 rpm), due to the lower engine exhaust gas temperature, despite the lower exhaust gas mass flow, the required power of around 30 kW is of a similar size.

Die Sekundärenergieleistungen können bei einer Verringerung des Abgasmassenstroms durch Saugrohrdrosselung und Bypass- Systeme gesenkt werden. Bei dem Bypass-System wird das Fil­ ter während der Regeneration nur mit einem Teilabgasstrom beaufschlagt; der Restabgasstrom muß durch ein zweites Fil­ tersystem geleitet werden. Bei der Regeneration mit gerin­ gen Abgasmassenströmen besteht jedoch die Gefahr der Filter­ zerstörung durch örtliches Überhitzen (Anschmelzungen, ther­ mische Risse) infolge unzureichender Kühlung des Oxidations­ prozesses durch das Abgas.The secondary energy benefits can be reduced of the exhaust gas mass flow through intake pipe throttling and bypass Systems are lowered. In the bypass system, the fil ter during regeneration with only a partial exhaust gas flow acted upon; the residual exhaust gas flow must pass through a second fil system. With regeneration with low However, there is a risk of filters against exhaust gas mass flows destruction due to local overheating (melting, ther mix cracks) due to insufficient cooling of the oxidation process through the exhaust gas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Filterregene­ ration in besonders wirtschaftlicher Weise zu erreichen, und zwar unter Sicherung der normalen Funktion und Lebensdauer des Filters.The invention has for its object the filter rain ration in a particularly economical manner, and while ensuring normal function and lifespan of the filter.

Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der ein­ gangs bezeichneten Art dadurch erreicht, daß in der Leerlauf- bzw. Schubphase des Fahrzeugbetriebes die Lichtmaschine zu­ geschaltet wird, um kinetische Energie des Fahrzeuges in elek­ trische Energie umzuwandeln, und die von der Lichtmaschine erzeugte elektrische Energie dem Partikelfiltersystem als Sekundärenergie zugeführt wird. Die Nutzung der kinetischen Energie im Leerlauf kann mittels einer zuschaltbaren Schwung­ masse bei vom Motor abgekoppelter Lichtmaschine erfolgen.This is according to the invention in a method of a The type described above is achieved in that in the idle or overrun phase of vehicle operation the alternator is switched to kinetic energy of the vehicle in elec convert tric energy, and that from the alternator generated electrical energy to the particulate filter system as Secondary energy is supplied. The use of the kinetic Energy at idle can be activated by means of a switchable swing mass with alternator disconnected from the engine.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Merkmale und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.With regard to further advantageous features and more preferred Embodiments of the invention are based on the subclaims Referred.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.The invention will now be described with reference to the drawings explained.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Motor-Abgasfiltersystem zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Fig. 1 shows schematically an engine exhaust filter system for performing the method according to the invention.

Fig. 2 zeigt im Diagramm den zeitlichen Verlauf der Schub­ phase eines Fahrzeuges im Vergleich mit der Dauer der Zünd­ phase. Fig. 2 shows in the diagram the time course of the overrun phase of a vehicle in comparison with the duration of the ignition phase.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein Dieselmotor 1 mit einem Abgassammelsystem 2 ausgerüstet, das die Abgase über Abgas­ drossel 3 und Abgasfiltersystem 4 in Richtung des Pfeiles 5 abführt. In dem Abgasfiltersystem 4 befinden sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel keramische Wabenfilter als Monolithe 6, jedoch ist die Erfindung nicht auf Filter die­ ser Bauart beschränkt.As is apparent from Fig. 1, a diesel engine 1 is equipped with an exhaust gas collection system 2 , which discharges the exhaust gases via exhaust gas throttle 3 and exhaust gas filter system 4 in the direction of arrow 5 . In the exhaust gas filter system 4 there are ceramic honeycomb filters as monoliths 6 in the exemplary embodiment shown, but the invention is not restricted to filters of this type.

Auf der Zuströmseite der Wabenfilter 6 sind beispielsweise mäanderförmig angeordnete Heizelemente 7 zur Zuführung von Sekundärenergie angeordnet.On the inflow side of the honeycomb filter 6 , for example, heating elements 7 are arranged in a meandering manner for supplying secondary energy.

Lichtmaschine 8 des Motors 1 ist über Leitung 9 mit einem Heizverteiler 10 verbunden, der den Heizelementen 7 der ein­ zelnen Regenerierungsbereiche der Wabenfilter 6 über Leitun­ gen 11 Sekundärenergie selektiv zuführt. Auch steht Einspritz­ anlage 12 über Leitung 13 mit einer Steuereinheit 14 in Ver­ bindung, die ihrerseits über Leitung 15 den Heizverteiler 10 steuert. An Leitung 9 ist über Leitung 16 Batterie 17 an­ geschlossen.Alternator 8 of the engine 1 is connected via line 9 to a heating distributor 10 , which selectively supplies the heating elements 7 of the individual regeneration areas of the honeycomb filter 6 via lines 11 to secondary energy. Also stands injection system 12 via connection line 13 to a control unit 14 in United States, which in turn controls the Heat exchanger 10 via line 15 °. On line 9 , battery 17 is closed via line 16 .

Die von der Lichtmaschine 8 während der Schubphase für die elektrische Widerstandsheizung erzeugte Leistung dient als Bremsleistung für das Fahrzeug. Geht das Fahrzeug in die Schub­ phase über, so wird über die Nullstellung der Regelstange der Einspritzanlage 12 des Motors 1 ein Signal zur Steuereinheit 14 gegeben. Die Steuereinheit 14 schließt den Stromkreis für die Regenerationsheizung über Heizverteiler 10 und sorgt für die Zufuhr der erfoderlichen Sekundärenergie.The power generated by the alternator 8 for the electrical resistance heating during the overrun phase serves as braking power for the vehicle. If the vehicle goes into the overrun phase, a signal is sent to the control unit 14 via the zero position of the control rod of the injection system 12 of the engine 1 . The control unit 14 closes the circuit for the regeneration heating via the heat distributor 10 and ensures the supply of the required secondary energy.

Die Heizelemente 7 zur Regeneration sind in den Filtern 6 untergebracht. Zur Verminderung der Wärmeabfuhr bei der Rußoxidation während der Schubphase durch das Abgas kann die Abgasdrossel 3 zur gleichzeitigen Unterstützung der Fahr­ zeugbremsung mit eingeschaltet werden.The heating elements 7 for regeneration are accommodated in the filters 6 . To reduce the heat dissipation during soot oxidation during the overrun phase by the exhaust gas, the exhaust gas throttle 3 can be switched on for simultaneous support of the vehicle braking.

Wenn die Zündphase länger als die Schubphase ist, so kann die notwendige Leistung für die Heizelemente 7 aus der zusätz­ lich vorhandenen Batterie 17 entnommen werden. Diese zusätz­ liche Batterie 17 kann in Schubphasen, in denen keine Rege­ neration erforderlich ist, aufgeladen werden.If the ignition phase is longer than the overrun phase, the power required for the heating elements 7 can be taken from the additional battery 17 . This additional battery 17 can be charged in overrun phases in which no regeneration is required.

Fig. 2 zeigt einen Geschwindigkeits-Zeitverlauf, in dem die Schubphase und die Zündphase für die Rußregeneration darge­ stellt sind. Es ist erkennbar, daß die zeitliche Dauer 18 der Zündphase einen höheren Betrag hat als die Dauer 19 der Schubphase, jedenfalls im Regelfall bei Fahrt auf ebener Bahn. Hierdurch ergibt sich das Erfordernis, daß in Fällen dieser Art zusätzlich zu der Brems- bzw. Schubenergie wei­ tere Energie zuzuführen ist. Fig. 2 shows a speed-time curve in which the overrun phase and the ignition phase for the soot regeneration are Darge. It can be seen that the duration 18 of the ignition phase has a higher amount than the duration 19 of the overrun phase, at least as a rule when driving on a level track. This results in the requirement that, in cases of this type, additional energy is to be supplied in addition to the braking or pushing energy.

Es ist zweckmäßig, ein Abgasfilter mit Wabenstruktur in meh­ rere Regenerationsbereiche aufzuteilen. Bei einem Filter­ system, das aus mehreren Monolithen besteht, kann jeder Mono­ lith in einen oder mehrere Regenerationsbereiche aufgeteilt sein. Die Regenerationsbereiche des Filters werden mit elek­ trischen Widerstandsheizelementen ausgerüstet, wie sie z.B. aus US-PS 43 73 330 bekannt sind.It is advisable to use an exhaust filter with a honeycomb structure divide regeneration areas. With a filter system, which consists of several monoliths, each mono lith divided into one or more regeneration areas be. The regeneration areas of the filter are elec trical resistance heating elements, as e.g. are known from US-PS 43 73 330.

Die Höhe der zur Regeneration notwendigen elektrischen Leistung ist abhängig von der Größe des Regenerationsbe­ reiches und des den Regenerationsbereich durchströmenden Abgasmassenstroms. Erfindungsgemäß wird die Größe des Rege­ nerationsbereiches so gewählt, daß zur Regeneration des Be­ reiches die Leistung der Fahrzeuglichtmaschine während der Schubphase, eventuell in Verbindung mit einer Abgasdrossel (Motorbremse), und im Leerlauf ausreichend ist.The amount of electrical necessary for regeneration Performance depends on the size of the regeneration area rich and that flowing through the regeneration area Exhaust mass flow. According to the size of the rain nerationsbereiches chosen so that for the regeneration of the Be rich the performance of the vehicle alternator during the Thrust phase, possibly in connection with an exhaust throttle  (Engine brake), and is sufficient when idling.

Geht das Fahrzeug in die Schubphase über, so wird über die Nullstellung der Regelstange der Einspritzanlage 12 des Mo­ tors ein Signal zur Steuerung der Regeneration gegeben und der Stromkreis für die Heizung eines Regenerationsbereiches geschlossen. Die notwendige Dauer der Zündphase beträgt et­ wa 30 s. Nach dieser Zeit wird der Stromkreis wieder ge­ öffnet.If the vehicle goes into the overrun phase, a signal for controlling the regeneration is given via the zero position of the control rod of the injection system 12 of the engine and the circuit for heating a regeneration area is closed. The necessary duration of the ignition phase is approximately 30 s. After this time the circuit is opened again.

Die zur Regeneration erforderliche Leistung wird von der Fahrzeuglichtmaschine geliefert. Während der Schubphase des Fahrzeuges wirkt die Lichtmaschine als zusätzliche Bremsein­ richtung, und die elektrische Leistung wird aus der kine­ tischen Energie des Fahrzeuges erzeugt.The power required for regeneration is provided by the Vehicle alternator delivered. During the overrun phase of the The vehicle's alternator acts as an additional brake direction, and the electrical power comes from the kine table energy generated by the vehicle.

Im gewählten Beispiel ist, wie aus Fig. 2 zu ersehen, die Schubphase des Fahrzeuges im Stadtverkehr mit etwa 15 s kürzer als die notwendige Zündphase. Daher muß die Leistung, die nicht aus der kinetischen Energie des Fahrzeuges erzeug­ bar ist, mit dem Fahrzeugmotor erzeugt werden. Die Ausnutzung der kinetischen Energie des Fahrzeuges zur Regeneration des Dieselpartikelfilters bietet gegenüber bisherigen Systemen den Vorteil eines geringeren Kraftstoffmehrverbrauches.In the example selected, as can be seen from FIG. 2, the overrun phase of the vehicle in city traffic is shorter than the necessary ignition phase with about 15 s. Therefore, the power that cannot be generated from the kinetic energy of the vehicle can be generated with the vehicle engine. The utilization of the kinetic energy of the vehicle for the regeneration of the diesel particle filter offers the advantage of lower additional fuel consumption compared to previous systems.

Ist ein Bereich des Filters freigebrannt, so wird mit einer der nächsten Schubphasen der im Regenerationszyklus nächstfolgende Regenerationsbereich des Filters gezündet. Der zeitliche Abstand zwischen den Regenerationen der ein­ zelnen Bereiche sollte annähernd konstant sein. Die gesamte Zyklusdauer wird vorzugsweise so gewählt, daß während der Beladungszeiten der einzelnen Bereiche jeweils zur Rußzün­ dung ausreichende Mindestbeladungsmassen in den entsprechen­ den Regenerationsbereichen vorhanden sind.If an area of the filter is burnt free, use one of the next overrun phases in the regeneration cycle next regeneration area of the filter ignited. The time interval between the regenerations of the one individual areas should be approximately constant. The whole Cycle time is preferably chosen so that during the Loading times of the individual areas for soot ignition sufficient minimum masses in the the regeneration areas are available.

Durch das in nahezu konstantem zeitlichen Abstand erfolgende Abbrennen der einzelnen Bereiche wird dem Filter eine über den Bereichen inhomogene Beladung aufgezwungen. Der Bereich, welcher als nächster zur Regeneration ansteht, ist derjenige, in dem die im Vergleich zu anderen Bereichen höchste Bela­ dung und dadurch folgend die geringste Strömungsgeschwindig­ keit herrscht. Dadurch kann insbesondere bei geringen Dreh­ zahlen auf Strömungsleitvorrichtungen zur Reduzierung des Abgasmassenstroms, wie sie z.B. aus DE-OS 32 04 176 bekannt sind, verzichtet werden.Because of the almost constant time interval Burning off the individual areas will give the filter an over imposed on the areas of inhomogeneous loading. The area,  the next one to be regenerated is the one in which the highest Bela in comparison to other areas and consequently the lowest flow rate prevails. This can especially at low rotation pay on flow control devices to reduce the Exhaust gas mass flow, as e.g. known from DE-OS 32 04 176 are to be waived.

Geringere Abgasmassenströme während der Regeneration eines Partikelfilters können infolge zu geringer Kühlung des Ver­ brennungsprozesses zum Schmelzen oder Reißen des Filterma­ terials führen. Dies wird bei dem beschriebenen System mit inhomogener Beladung und sequentiellem Zünden des jeweils am höchsten beladenen Bereiches dadurch vermieden, daß wäh­ rend der Regeneration der Abgasmassenstrom in diesem Be­ reich bedingt durch eine hier abnehmende Partikelmasse an­ steigt, wodurch die Kühlung über dem Verbrennungsprozeß zu­ nimmt. Die zunehmende Kühlung führt neben der erhöhten Wär­ meabfuhr auch zu einer Verminderung der maximalen Reaktions­ rate, wodurch die Spitzen der Reaktionsumsetzung und somit die Temperaturspitzen weiter gesenkt werden.Lower exhaust gas mass flows during the regeneration of a Particle filter can be due to insufficient cooling of the Ver combustion process for melting or tearing the filter material lead terials. This is the case with the system described inhomogeneous loading and sequential ignition of each at the highest loaded area avoided by that rend the regeneration of the exhaust gas mass flow in this Be rich due to a decreasing particle mass here increases, causing the cooling over the combustion process to increase takes. The increasing cooling leads to the increased heat dissipation also reduces the maximum reaction rate, causing the peaks of reaction implementation and thus the temperature peaks are further reduced.

Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise, partielle Filterregenerationen mit geringen Leistungen durchzuführen, so daß mit Hilfe der Lichtmaschine des Fahrzeuges die Brems­ energie im Schubbetrieb von Standfahrzeugen zur Filterrege­ neration genutzt werden kann.The invention advantageously enables partial Perform filter regenerations with low power, so that with the help of the alternator of the vehicle the brake energy in overrun mode of stationary vehicles for filter rain generation can be used.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Ab­ gase von Fahrzeug-Brennkraftmaschinen durch Oxidation abge­ lagerter Partikeln mit Hilfe elektrischer Sekundärenergie, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Leerlauf- bzw. Schubphase des Fahrzeugbetriebes die Lichtmaschine zugeschaltet wird, um kine­ tische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umzuwan­ deln, und die von der Lichtmaschine erzeugte elektrische Ener­ gie dem Partikelfiltersystem als Sekundärenergie zugeführt wird.1. A method for the regeneration of filter systems for the gases from vehicle internal combustion engines by oxidation of deposited particles with the aid of electrical secondary energy, characterized in that the alternator is switched on in the idle or overrun phase of vehicle operation in order to kinetic energy of the vehicle to convert into electrical energy, and the electrical energy generated by the alternator is supplied to the particle filter system as secondary energy. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung der Lichtmaschine selbsttätig dann erfolgt, wenn die Regelstange oder sonstige die Leistung der Brennkraftma­ schine steuernde Teile in die Leerlauf- bzw. Nullstellung ver­ setzt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the The alternator is activated automatically when the control rod or other the performance of the internal combustion engine parts that control the machine to the idle or zero position be set. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung der Lichtmaschine selbsttätig dann erfolgt, wenn die Abgasdrossel der Motorbremseinrichtung in die Stellung des Bremsbetriebes versetzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the alternator is switched on automatically if the exhaust throttle of the engine brake device is in the position the braking operation is offset. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtmaschine für den Zeitraum zwischen der Beendigung der Leerlauf- bzw. Schubphase und dem Einsatz der selbsttragenden Filterregeneration weiterhin zur Leistungsab­ gabe durch Motorkraft betätigt wird. 4. The method according to any one of claims 1-3, characterized records that the alternator for the period between the End of the idle or overrun phase and the use of the self-supporting filter regeneration continues to reduce performance is operated by motor power.   5. Einrichtung zur Ausübung des Regenerationsverfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Partikelfiltersystem in nacheinander zu regenerierende Be­ reiche aufgeteilt ist, deren Größe der Leistung der Licht­ maschine angepaßt ist.5. Establishment to exercise the regeneration process after one of claims 1-4, characterized in that the Particulate filter system in successively regenerated Be is divided richly, the size of the power of the light machine is adjusted. 6. Einrichtung zur Ausübung des Regenerationsverfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine zusätz­ liche, von der Lichtmaschine während nicht zur Filterregene­ ration genutzter Leerlauf- bzw. Schubphasen geladene Batterie zur Lieferung der Sekundärenergie für die Regeneration nach Beendigung des zur Regeneration genutzten Leerlauf- bzw. Schubbetriebes.6. Establishment for exercising the regeneration process after one of claims 1-4, characterized by an additional from the alternator while not to the filter rain used idle or overrun phases charged battery to supply secondary energy for regeneration Termination of the idling or regeneration Push operation. 7. Einrichtung zur Ausübung der Verfahren nach einem der An­ sprüche 1-4 oder nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Abgabe eines Signals zur Einleitung des Regenerationsvorganges mit Hilfe von Sekun­ därenergie, wenn während eines vorgegebenen Zeitraums keine Leerlauf- bzw. Schubphase eingetreten ist.7. Institution for the exercise of the procedures according to one of the sayings 1-4 or according to claim 5 or 6, characterized by a control device for emitting a signal for Initiation of the regeneration process with the help of Sekun intestinal energy if none during a given period Idle or overrun phase has occurred.
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