DE3619397A1 - Verfahren zum regenerieren eines russfilters und dieselmotor mit russabbrennfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines im Abgasstrang eines Dieselmotors angeordneten Rußfilters durch Abbrennen des Rußes bei erhöhtem Abgasgegendruck, sowie einen Dieselmotor zum Durchführen des Verfahrens.

Es ist bekannt, bei Dieselmotoren Maßnahmen nicht nur zur NO_x-, sondern auch zur Rußminderung des Abgases zu ergrei­ fen, um den ständig wachsenden Anforderungen an die Schad­ stoffreduzierung der Autoabgase gerecht zu werden.

Mit Hilfe einer bekannten Abgasrückführung, bei der ein Teil des Abgases in den Verbrennungsraum zurückgeführt wird, um so eine NO_x-Abnahme zu erreichen, läßt sich auch ein Teil des Abgasrußes in den Verbrennungsprozeß zurück­ führen und durch Verbrennen verringern. Der Rußanteil des rückgeführten Abgases darf jedoch nicht zu hoch sein, da sonst der Motor zu schnell verschleißt. Außerdem steigen mit zunehmender Abgasrückführung die CO- und die HC-Emis­ sionen unerwünscht an. Dem Anreichern des rückgeführten Abgases mit Ruß, z.B. durch Ausnutzen des Strömungsver­ haltens von Gas und des größeren Gewichts der Rußpartikel, sind somit Grenzen gesetzt.

Ein Abscheiden und Sammeln des Rußes wäre eine einfache und preiswerte Methode zum Entrußen des Abgases, muß jedoch wegen der großen anfallenden Rußmenge und eines demzufolge notwendig werdenden geräumigen, sperrigen Sammelbehälters sowie der Notwendigkeit des häufigen Entleerens entfallen.

Preiswert und ausreichend wirkungsvoll sind im Abgasstrang hinter einem Dieselmotor angeordnete mechanische Filter aus Keramik oder Metallgespinst, die auch katalytisch beschich­ tet sein können. Diese Filter regenerieren sich selbsttä­ tig, sobald das Abgas die Rußzündtemperatur von ca. 400°C erreicht hat und verbrennt. Eine solch hohe Temperatur besitzt das Abgas jedoch nur bei hohen Leistungen und hohen Drehzahlen. Im mittleren Last- und Drehzahlbereich, also bei einem vorwiegend im Stadtverkehr benutzten Fahrzeug, und vor allem bei kaltem Motor und im untersten Drehzahl- und Lastbereich erreicht das Abgas diese Zündtemperatur bei weitem nicht. Der Rußausstoß ist gerade bei den vorgenann­ ten Bedingungen besonders hoch, so daß sich der Filter schnell mit Ruß zusetzt und unter Umständen verstopft. Ein zu dicker Rußbelag im Filter erhöht den Kraftstoffver­ brauch, denn er bewirkt einen ständig überhöhten Abgasgegen­ druck. Bei verstopftem Filter wäre der Abgasgegendruck, d.h. der Druck, der auf dem Auslaßventil des Vergasers liegt, so hoch, daß der Motor versagen würde.

Aus der DE-OS 34 08 057 ist ein Verfahren zum Zünden des Filterrußes eines Dieselmotors bekannt, bei dem auch bei mittlerer Last die Abbrenn- bzw. Regenerationsbedingung, d.h. die Zündtemperatur des Rußes erreicht wird, indem die Abgastemperatur durch Erhöhen der Motorlast vorzugsweise mittels einer Motorbremse erhöht wird. Eine Drosselklappe hinter dem Filter wird abhängig von der Abgasdruckdifferenz über dem Filter gesteuert. Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß bei niedrigen Drehzahlen und/oder kaltem Mo­ tor die Abbrennbedingung für den Filterruß nicht erreicht wird, weil der tatsächliche Filterbelag insbesondere bei niedriger Drehzahl nicht genau ermittelt wird. Bei diesem Verfahren besteht die Gefahr, daß ein beim Kaltstart voller Filter verstopft, da gerade beim Anlassen eines kalten Mo­ tors besonders viel Ruß anfällt und die Zündtemperatur des Rußes nicht schnell genug erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Dieselmotor zu schaffen, bei dem in allen Last­ bereichen ein Regenerieren des Filters, also ein Abbrennen des Rußes, bei Bedarf, d.h. bei Erreichen eines bestimmten unerwünschten Filterbelags gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der Abgasgegendruck mit Hilfe eines abhängig von dem aus der Abgasdruckdifferenz und der Motordrehzahl ermittelten Fil­ terbelag schließenden bzw. öffnenden Ventils erhöht und begrenzt wird.

Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, daß der Filterbelag nicht allein aus der Abgasdruckdifferenz über dem Filter ermittelt werden kann, da der Strömungswi­ derstand des Filters, der ein Maß für den Filterbelag darstellt, wesentlich auch von der Geschwindigkeit des den Filter durchströmenden Gases abhängt. Ein mit niedriger Geschwindigkeit den mit einem bestimmten Rußbelag ver­ schmutzten Filter durchströmendes Abgas erzeugt eine gerin­ gere Druckdifferenz über dem Filter als ein denselben Fil­ ter mit hoher Geschwindigkeit durchströmendes Abgas; wird die Abgasdruckdifferenz als Maßstab für den Filterbelag genommen, liegt bei niedriger Gasgeschwindigkeit, d.h. bei niedriger Motordrehzahl, ein zu geringer Wert vor. Liegt dieser Wert unter der Ansprechschwelle einer die Abgastempe­ ratur künstlich erhöhenden Vorrichtung, bleibt die Abgastem­ peratur unbeeinflußt und damit unterhalb der Zündtempera­ tur, so daß ein kritisch verschmutzter Filter nicht regene­ riert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß auch im untersten Lastbereich bei einem definierten Filterbelag ein Abbrennen des Rußes gewährlei­ stet ist und nicht nur ein Verstopfen des Filters, sondern ein aufgrund zu starken Filterbelags erhöhter Kraftstoff­ verbrauch verhindert wird.

Um das Ventil lastabhängig steuern zu können, kann neben der Motordrehzahl auch die Motorleistung als Eingangsgröße des Steuergeräts dienen. Wenn das Ventil zusätzlich abhän­ gig von der Motortemperatur geschlossen bzw. geöffnet wird, kann sich ein kalter Motor bei geschlossenem Ventil schnel­ ler erwärmen und damit gleichzeitig die Abgastemperatur schneller erhöhen.

Wenn das Ventil mit einer definierten, permanent anstehen­ den Kraft geschlossen gehalten und der Abgasgegendruck durch Öffnen des Ventils abgebaut wird, kann es einem defi­ nierten, experimentell bestimmten, eine für den Rußabbrand ausreichende Abgastemperatur erzeugenden Abgasgegendruck standhalten und bei Überschreiten dieses Wertes öffnen und das heiße Abgas zum Filter strömen lassen und somit den Abgasgegendruck abbauen. Die das Ventil schließende Kraft läßt sich vorzugsweise mit einer Feder aufbringen. Konstruk­ tiv günstig läßt sich das Ventil pneumatisch öffnen.

Um den Filter vor zu hohen Verbrennungstemperaturen zu schützen, kann dem Abgas beim Abbrennen des Rußes Sekundär­ luft zugeführt werden.

Das vorbeschriebene Verfahren läßt sich vorzugsweise bei einem Dieselmotor mit einem Rußabbrennfilter und einem Druckdifferenzmesser im Abgasstrang realisieren, wobei im Abgasstrang vor dem Filter ein von einem Steuergerät gesteu­ ertes, mit einer permanenten Schließkraft beaufschlagtes Ventil angeordnet sein kann. Vorteilhaft kann das Steuerge­ rät mit einem den Druckdifferenzmesser aufweisenden Abgas­ druckdifferenz-Überwacher sowie einem Motordrehzahlgeber und/oder einem Motorleistungsmesser verbunden sein.

Die das Ventil schließende Kraft läßt sich vorzugsweise mit einer in einem Ventilfederraum angeordneten Feder aufbrin­ gen, der mit einer vom Steuergerät betätigten Unterdruck­ pumpe verbunden ist; die Unterdruckpumpe erzeugt einen für das Zusammendrücken der Feder ausreichenden Unterdruck.

Ein schnelleres Erwärmen sowohl des Motors als auch des Abgases läßt sich mit einem mit dem Steuergerät zusammen­ wirkenden Motortemperatur-Überwacher verwirklichen.

Das Zuführen von Sekundärluft zum Rußfilter läßt sich mit einer über Steuerleitungen mit dem Abgasdruckdifferenz-Über­ wacher und/oder dem Steuergerät verbundenen Sekundärluft­ pumpe erreichen. Die Zufuhr von Sekundärluft kann aber auch von einem mit der Pumpe verbundenen Filtertemperatur-Über­ wacher gesteuert werden. Die Pumpe würde nicht nur den bei einer Verbrennung erhöhten Sauerstoffbedarf liefern, son­ dern auch den Filter kühlen. Vorzugsweise sollte die Sekun­ därluftpumpe in Verbindung mit einer Verzögerungsschaltung betätigt werden, damit sie erst nach dem Zünden des Rußes Luft zuführt.

Bei einem aufgeladenen Dieselmotor empfiehlt es sich, eine Membrandose mit einem mit der Unterdruckpumpe zusammenwir­ kenden Druckwandler zu verbinden. Damit kann erreicht wer­ den, daß sich die mit der Abgasgegendruckerhöhung zwangs­ läufig verbundene Beeinträchtigung des Motorwirkungsgrades nicht durch ein Verlangsamen des Fahrzeugs bemerkbar macht.

Die in den Betätigungsmechanismus zwischen dem Gaspedal und der Regelungseinrichtung einer Einspritzpumpe befindliche Membrandose läßt sich so anordnen, daß entsprechend der Abgasgegendruckerhöhung die wirksame Gestängelänge des Gas­ pedals verändert wird.

Vorteilhaft kann im Luftansaugstrang des Motors eine mit dem Druckwandler verbundene Saugdrossel angeordnet sein; es kann dann mit Hilfe der vom Druckwandler gesteuerten Dros­ sel in den Luftansaugstrom des Motors eingegriffen werden, um das Aufheizen des Abgases dadurch zu beschleunigen, daß die in den Motorverbrennungsraum eingebrachte Energie auf eine kleinere Gasmasse verteilt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Dieselmotors mit einem vor einem Rußfilter angeordneten Ventil;

Fig. 2 den Dieselmotor gemäß Fig. 1 mit einer Sekundär­ luftpumpe;

Fig. 3 den Dieselmotor gemäß Fig. 1 mit einem Lader;

Fig. 4 den Dieselmotor gemäß Fig. 1 mit einer Saugdros­ sel; und

Fig. 5 den Ladermotor gemäß Fig. 3 mit einer Membrandose im Einspritzstrang.

Ein Ventil 1 ist in einem Abgasstrang 2 zwischen einem Motor 3 und einem Rußfilter 4 angeordnet. Ein Ventilteller 5 des Ventils ist über einen Stößel 6 mit einer Membrane 7 verbunden, die zusammen mit einem Gehäuse 11 einen Ventil­ federraum 8 mit einem Ein- bzw. Auslaß 9 verschließt. Auf die Membrane 7 und somit auch auf den Ventilteller 5 wirkt eine Feder 12. Der Auslaß des Raumes 8 ist mit einer Unterdruckpumpe 10 verbunden. Ein Druckwandler 13 ist so­ wohl mit der Unterdruckpumpe 10 als auch mit dem Ausgang eines Steuergeräts 14 verbunden, mit dessen Eingängen ein Druckdifferenzüberwacher 15 und ein Temperaturüberwacher 16 verbunden sind. Weitere Eingänge des Steuergeräts 14 sind - wie durch Pfeile angedeutet - mit einem Drehzahlgeber 24 und einem Leistungsmesser 25 verbunden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Saugmotor ist eine Sekundär­ luftpumpe 17 mit einem weiteren Schaltkontakt des Druckdif­ ferenzüberwachers 15 verbunden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten, durch einen Lader 23 aufgeladenen Motor betätigt ein anderer Schaltkontakt des Druckdifferenzüberwachers 15 ein Schieberventil 18 so, daß eine von einem Luftfilter kommende Leitung 19 mit dem Abgas­ strang 2 verbunden ist.

Der in Fig. 4 dargestellte Saugmotor weist zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Elementen eine in einem von ei­ nem Luftfilter kommenden Strang angeordnete, mit dem Druck­ wandler 13 verbundene Saugdrossel 21 auf.

Der in Fig. 5 dargestellte Ladermotor besitzt neben den in Fig. 1 dargestellten Elementen eine mit dem Druckwandler 13 verbundene Membrandose 22 zur Regelung einer nicht gezeich­ neten Einspritzpumpe.

Das erfindungsgemäße Regenerieren des Rußfilters eines Die­ selmotors wird auf die folgende Weise durchgeführt:
Bei rußfreiem Filter 4 erzeugt die Unterdruckpumpe 10 im Raum 8 des Ventils 1 einen Unterdruck, der die Feder 12 zusammenpreßt und das Ventil 1 geöffnet hält. Sobald die vom beispielsweise aus vor und hinter dem Filter angeordne­ ten Drucksensoren und Schaltelementen bestehenden Druckdif­ ferenzüberwacher 15 gemessene Abgasdruckdifferenz einen vor­ gegebenen Wert übersteigt, legt der Druckdifferenzüber­ wacher 15 ein Signal an einen Eingang des Steuergeräts 14, indem ein mit den Drucksensoren zusammenwirkender Schalter schließt und eine von einer Autobatterie kommende Spannung als Eingangssignal anlegt. Mit Hilfe der Drehzahlinforma­ tion ermittelt das Steuergerät 14 den Strömungswiderstand des Filters 4 und damit den empirisch ermittelten Rußbelag des Filters 4 und veranlaßt, falls der Widerstand einen bestimmten Wert überschreitet, daß die Tätigkeit der Unter­ druckpumpe 10 unterbrochen bzw. unwirksam gemacht wird. Im Raum 8 stellt sich dann der Umgebungsdruck ein, die Feder kann wirksam werden und das Ventil 1 schließen.

Bei geschlossenem Ventil 1 staut sich das Abgas im Abgas­ strang 2 vor dem Ventil 1 so lange, bis der Abgasgegendruck den Federdruck überwindet und das Ventil 1 öffnet. Dieser Druck ist so bemessen, daß die mit der Druckerhöhung verbun­ dene Temperaturerhöhung des Gases ausreicht, um den Ruß im Filter zu zünden.

Mit zunehmender Brenndauer des Rußes und damit abnehmendem Filterbelag sinkt die Druckdifferenz; sobald ein vorbestimm­ ter Wert unterschritten ist, schaltet das Steuergerät 14 die Unterdruckpumpe 10 ein, die aufgrund des sich im Ventil­ federraum 8 daraufhin wieder einstellenden Unterdrucks das Zusammendrücken der Feder 12 und damit das Öffnen des Ventils 1 bewirkt. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Motortemperatur einen vorbestimmten Wert überschritten hat. Bei kaltem Motor, wenn also die Motortemperatur unter dem vorbestimmten Wert liegt, schließt nach dem Anlassen des Motors ein zur Temperaturüberwachung 16 gehörender Kontakt, so daß am Steuergerät 14 ein ebenfalls von der Batterie ge­ speistes Signal anliegt und das Steuergerät 14 veranlaßt, die Unterdruckpumpe 10 auszuschalten, die Feder 12 wirksam werden zu lassen und somit das Ventil 1 zu schließen. Diese Maßnahme bewirkt ein schnelleres Warmlaufen des Motors und ein beschleunigtes Aufheizen des Abgases. Sobald der Abgas­ druck die Ventilschließkraft der Feder 12 überwindet, ist das Ventil offen und das heiße Abgas kann den Filter 4 durchströmen und den evtl. vorhandenen Ruß im Filter abbren­ nen.

Damit der Filter 4 nicht durch eine zu hohe Brenntemperatur beschädigt wird, schaltet sich vorzugsweise kurz nach dem Zünden des Rußes die Sekundärluftpumpe 17 ein und kühlt den Filter mittels von außen angesaugter Luft. Zum gegebenen­ falls verzögerten Einschalten der Zusatzluft bietet sich neben den in Fig. 2 und 3 dargestellten Schaltungsmöglich­ keiten für die Sekundärluftzufuhr weiterhin auch die vom Filtertemperatur-Überwacher 26 gesteuerte Sekundärluftzu­ fuhr an.

Die in Fig. 4 dargestellte, im Luftansaugstrang angeordnete Saugdrossel 21 dient dazu, im unteren Teillastbereich schneller eine erhöhte Abgastemperatur herbeizuführen.

Damit sich der durch das Erhöhen des Abgasgegendrucks zwangsläufig verschlechterte Motorwirkungsgrad nicht durch ein Nachlassen der Geschwindigkeit bemerkbar macht und der Fahrer nicht gezwungen wird, zum Beibehalten der Geschwin­ digkeit mehr Gas zu geben, ist die Membrandose 22 so geschaltet, daß automatisch bei geschlossenem Ventil mehr Kraftstoff eingespritzt wird.

Es könnte neben dem Ventil 1 auch eine genau definierte, nicht dargestellte Öffnung angebracht werden, die ein An­ lassen des Motors bei geschlossenem Ventil ermöglichen wür­ de. Diese Öffnung müßte so bemessen sein, daß trotz ge­ schlossenem Ventil beim Anlassen nur ein geringer Abgasge­ gendruck entsteht, jedoch die erwünschte Abgasgegendrucker­ höhung zum Erreichen der Abbrennbedingung bei geschlossenem Ventil nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

Das Erhöhen des Abgasgegendrucks bewirkt in einem Neben­ effekt eine verbesserte innere, durch das Überschneiden der Ventilspiele für Auslaß- und Einlaßventil im Zylinder statt­ findende Abgasrückführung, so daß möglicherweise eine motor­ externe Abgasrückführung entfallen kann. Sollte jedoch die innere Abgasrückführung nicht ausreichen, um insbesondere die NO_X-Werte ausreichend zu reduzieren, empfiehlt sich ein motorexternes Rückführen des Abgases hinter dem Rußfilter, da das vom Ruß nahezu befreite Abgas den Motor geringer belasten würde als beispielsweise dem Abgasstrang vor dem Filter entnommenes und in den Motor zurückgeführtes Abgas.

Claims (15)

1. Verfahren zum Regenerieren eines im Abgasstrang eines Dieselmotors angeordneten Rußfilters durch Abbrennen des Rußes bei erhöhtem Abgasgegendruck, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abgasgegendruck mit Hilfe eines ab­ hängig von dem aus der Abgasdruckdifferenz und der Motordrehzahl ermittelten Filterbelag schließenden bzw. öffnenden Ventils erhöht und begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil abhängig von der Motorleistung geschlossen bzw. geöffnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ventil abhängig von der Motortemperatur geschlossen bzw. geöffnet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil mit einer definierten, permanent anstehenden Kraft geschlossen gehalten und der Abgasgegendruck durch Öffnen des Ven­ tils abgebaut wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil gegen die Kraft einer Feder geöffnet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil pneumatisch geöffnet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgas beim Ab­ brennen des Rußes Sekundärluft zugeführt wird.

8. Dieselmotor zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Rußab­ brennfilter und einem Druckdifferenzmesser im Abgas­ strang, gekennzeichnet durch ein im Abgasstrang (2) vor dem Filter (4) angeordnetes, von einem Steuergerät (14) gesteuertes, mit einer permanenten Schließkraft beaufschlagtes Ventil (1).

9. Dieselmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (14) mit einem den Druckdifferenz­ messer aufweisenden Abgasdruckdifferenzüberwacher (15) sowie einem Motordrehzahlgeber (24) und/oder einem Mo­ torleistungsmesser (25) verbunden ist.

10. Dieselmotor nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine mit einem eine Feder (12) aufnehmenden Ventilfederraum (8) verbundene, vom Steuergerät (14) betätigte Unterdruckpumpe (10).

11. Dieselmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen mit dem Steuergerät (14) zusammenwirkenden Motortemperaturüberwacher (16).

12. Dieselmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckdifferenz­ überwacher (15) und/oder das Steuergerät (14) über Steuerleitungen mit einer Sekundärluftpumpe (17) ver­ bunden sind.

13. Dieselmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filtertempe­ raturüberwacher (26) mit der Sekundärluftpumpe (17) verbunden ist.

14. Dieselmotor, insbesondere Ladermotor, nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch eine im Einspritzstrang angeordnete, mit einem Druck­ wandler (13) verbundene Membrandose (22).

15. Dieselmotor, insbesondere Saugmotor, nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch eine im Luftansaugstrang des Motors (8) mit dem Druck­ wandler (13) verbundene Saugdrossel (21).