DE3890556C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen von Partikeln aus Abgasen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere ein solche bei der die im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Partikel mittels einer elektrischen Heizvorrichtung entzündet werden, um die Partikel abzubrennen.

Das von einem Dieselmotor ausgestoßene Abgas wird durch eine Auffangvorrichtung geleitet, die in einer Abgasleitung des Motors angeordnet ist. Ruß und andere in dem Abgas enthaltene Partikel werden durch ein Auffangmaterial in der Form einer porösen keramischen Substanz, die in der Auffangvorrichtung untergebracht ist, gesammelt. Die Partikel sammeln sich in der Auffangvorrichtung an, mit dem Ergebnis eines erhöhten Widerstandes in der Auffangvorrichtung und einem Abfall der Motorleistung. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ansammlung der Partikel ein gewisses Maß erreicht hat, wird es daher erforderlich, die Partikel abzubrennen, wodurch die Auffangvorrichtung regeneriert wird. Zum Zwecke der Regeneration der Auffangvorrichtung ist angrenzend an das in Strömungsrichtung obere Ende des Auffangmateriales eine elektrische Heizvorrichtung angeordnet. Die Heizvorrichtung erhöht die Temperatur des Abgases auf einen Wert, der ausreicht, die Partikel zu entzünden, die dann durch das Abgas hoher Temperatur verbrannt werden.

Bei dieser oben beschriebenen, bekannten Art der Regeneration der Auffangvorrichtung ist für die elektrische Heizvorrichtung ein extrem hohes Leistungsvermögen erforderlich, wenn die Temperatur der gesamten Abgasmenge erhöht werden soll. Es ist daher üblich, während des Vorganges der Regeneration einen Teil des Abgases umzuleiten, um die Menge des in die Auffangvorrichtung strömenden Abgases zu verringern.

Wenn die Temperatur des in die Auffangvorrichtung strömenden Abgases jedoch niedrig ist (zum Beispiel etwa 150°C), beginnt die Entzündung und das Verbrennen der Partikel aufgrund der relativ großen thermischen Kapazität der Auffangvorrichtung nicht sofort. Die Zeit für das Zuliefern von Strom zu der elektrischen Heizvorrichtung ist daher entsprechend lang, mit dem Ergebnis, daß die Batterie vollständig erschöpft werden kann. Des weiteren unterliegt die Auffangvorrichtung einer erheblichen thermischen Spannung, die zu Schäden führen kann, da die Auffangvorrichtung selbst dem Abgas ausgesetzt ist, dessen Temperatur durch die elektrische Heizvorrichtung erhöht wurde.

Wie beschrieben gibt es also eine Reihe von Nachteilen, und es besteht ein Bedarf an Verbesserungen, mit denen diese Nachteile vermieden werden können.

Vorrichtungen zum Entfernen von im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Partikeln sind aus der gattungsbildenden US-PS 45 58 565 sowie der US-PS 44 85 622 bekannt, bei denen eine elektrische Heizvorrichtung eingeschaltet wird, wenn ein bestimmter Verstopfungsgrad des Filters erreicht wird. Dabei wird der zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Abgastemperatur keine Beachtung geschenkt. Insbesondere ist es möglich, daß kurz nach Anlassen des Motors der Grenzwert als überschritten festgestellt wird und dementsprechend die Heizvorrichtung angeschaltet wird. Da dabei das Abgas und die gesamte Filtervorrichtung noch nicht die Betriebstemperatur erreicht haben, ist eine hohe elektrische Heizleistung erforderlich, was zu einer unerwünschten Belastung des elektrischen Bordnetzes und insbesondere der Bordbatterie eines Fahrzeugs führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, die bei der Rußentfernung eine übermäßige Belastung des elektrischen Netzes vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird vorteilhafterweise bewirkt, daß die elektrische Heizvorrichtung erst dann eingeschaltet wird, wenn das Abgas und damit auch das Filterelement eine vorgegebene Temperatur, die normalerweise etwa der Betriebstemperatur entspricht, erreicht hat. Dadurch ist sichergestellt, daß stets nur die geringsmögliche Heizleistung elektrisch zugeführt wird und die zur Verfügung stehende Heizleistung des Motors bei dem Entrußungsvorgang optimal ausgenutzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaues einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm für den Ablauf der Steuerung, nachdem die Regeneration der die Partikel sammelnden Auffangvorrichtung begonnen hat;

Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm für den Ablauf der Steuerung während der Regeneration und bei der Beendigung der Regeneration der Auffangvorrichtung.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist eine Auffangvorrichtung 2 zum Auffangen von Partikeln in einer Abgasleitung eines Dieselmotors (nicht gezeigt) angeordnet. Es ist eine die Auffangvorrichtung 2 umgehende Umleitung 3 vorgesehen. In der Umleitung 3 ist ein Drosselventil 4 angeordnet. Dieses Drosselventil 4 wird mittels eines elektromagnetischen Ventils 5 und eines Luftzylinders 6 geöffnet und geschlossen. In der Auffangvorrichtung 2 befindet sich ein Partikel-Auffangmaterial 7. In Strömungsrichtung oberhalb der Auffangvorrichtung 2 ist eine elektrische Heizvorrichtung 8 angebracht, um das Abgas auf eine Temperatur zu bringen, die ausreicht, die Partikel zu entzünden.

Mit der elektrischen Heizvorrichtung 8 ist ein Drehstromgenerator 9 verbunden. Dieser Drehstromgenerator 9 kann eine Spannung von 24 V oder eine Spannung von mehr als 24 V liefern, um die Temperatur des Abgases schnell anzuheben und damit die Partikel schnell zu entzünden.

An der in Strömungsrichtung oberen Seite der Auffangvorrichtung 2 ist ein Temperatursensor 10 zum Messen der Temperatur des in die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases angeordnet.

In Strömungsrichtung oberhalb und unterhalb des Partikel-Auffangmateriales 7 sind in der Auffangvorrichtung 2 Drucksensoren 11a und 11b angebracht.

Die Temperaturinformationen aus dem Temperatursensor 10 und die Druckverlustinformationen aus den Drucksensoren 11a und 11b werden als Eingangssignale an einen Rechner (ECU) 12 gegeben, der eine Steuervorrichtung darstellt.

Unter der Steuerung des Rechners 12 wird aus einer Batterie 13 des Fahrzeugs, die eine Energiequelle (in einem 12-V-System) für die elektrischen Einrichtungen des Fahrzeugs wie die Scheinwerfer und Rückleuchten ist, ein Feldstrom a an den Drehstromgenerator 9 geführt. Der von dem Drehstromgenerator 9 erzeugte Strom wird zu der elektrischen Heizvorrichtung 8 geliefert. Der Rechner 12 gibt auch ein Signal b an das elektromagnetische Ventil 5, um über den Luftzylinder 6 die Öffnungs- und Schließbewegungen des Drosselventiles 4 zu steuern. Der Rechner 12 kann somit durch Steuerung des Drosselventiles 4 den Durchfluß des während der Regeneration der Auffangvorrichtung 2 durch die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases regulieren. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Drehstromgenerator für das Fahrzeug (im 12-V-System).

Wenn eine Regeneration der Auffangvorrichtung 2 begonnen werden soll, arbeitet der Rechner 12 wie unten mit Bezug auf das Flußdiagramm der Fig. 2 beschrieben. Im Normalzustand strömt die gesamte Abgasmenge durch die Auffangvorrichtung 2, da das Drosselventil 4 in der Umleitung 3 geschlossen ist. Die in dem Abgas enthaltenen Partikel werden durch das Auffangmaterial 7 aufgefangen, und das gereinigte Abgas wird in die Atmosphäre abgegeben.

Die Partikel sammeln sich in der Auffangvorrichtung 2 mit der Zeit an, das Ausmaß der Ansammlung der Partikel wird durch die Drucksensoren 11a und 11b festgestellt.

Auf der Basis der von den Drucksensoren 11a und 11b erhaltenen Informationen bestimmt der Rechner 12 den Zeitpunkt zum Starten eines Regenerationsmodus (Schritt S₁) und initiiert den Regenerationsvorgang. Zu diesem Zeitpunkt stellt der Rechner 12 auf der Basis der von dem Temperatursensor 10 gelieferten Temperaturinformationen fest, ob die Temperatur T des in die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases höher als eine vorgegebene Temperatur T₀ ist oder nicht (Schritt S₂).

Wenn die Temperatur T niedrig ist (zum Beispiel kleiner als 400°C), wird kein Strom zur elektrischen Heizvorrichtung 8 geliefert. Wenn die Temperatur T die vorgegebene Temperatur T₀ (zum Beispiel etwa 400°C) übersteigt, dann erzeugt der Rechner 12 ein Signal, das bewirkt, daß von der Batterie 13 ein Feldstrom a an den Drehstromgenerator 9 geliefert wird. Der von dem Drehstromgenerator 9 erzeugte Strom wird dann zu der elektrischen Heizvorrichtung 8 geleitet (Schritt S₃).

Gleichzeitig gibt der Rechner 12 ein Signal b an das elektromagnetische Ventil 5, um mittels des Luftzylinders 6 das Drosselventil 4 zu öffnen (Schritt S₄), um die Menge des durch die Auffangvorrichtung strömenden Gases zu verringern.

Die Temperatur des durch die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases wird dadurch erhöht, und die Partikel entzünden sich und werden durch das Abgas hoher Temperatur verbrannt, so daß die Auffangvorrichtung 2 wirkungsvoll regeneriert wird.

Der Rechner 12 stellt fest, ob die Zeit t zur Regeneration der Auffangvorrichtung 2 eine vorgegebene Zeitspanne t₀ überschreitet (Schritt S₅).

Wenn der Rechner 12 feststellt, daß t < t₀ ist, wird unter der Steuerung des Rechners 12 die Stromlieferung zur elektrischen Heizvorrichtung 8 unterbrochen (Schritt S₆) und unter der Steuerung des Rechners 12 das Drosselventil 4 geschlossen (Schritt S₇), wodurch die Regeneration der Auffangvorrichtung 2 abgeschlossen wird.

Da die Stromversorgung für die elektrische Heizvorrichtung nur dann eingeschaltet wird, nachdem die Temperatur des in die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases die vorgegebene Abgastemperatur überschritten hat, wird die Fahrzeugbatterie weniger beansprucht und die Energie der Batterie effektiver ausgenutzt.

Während der Regeneration und bis die Regeneration abgeschlossen ist, arbeitet der Rechner 12 wie unten mit Bezug auf das Flußdiagramm der Fig. 3 beschrieben.

Auf der Basis der Information aus den Drucksensoren 11a und 11b stellt der Rechner 12 fest, daß der Zeitpunkt zum Starten der Regeneration erreicht ist (Schritt S₁). Der Rechner 12 erzeugt ein Signal, das bewirkt, daß der Feldstrom a zum Zwecke des Stromerzeugens aus der Batterie 13 an den Drehstromgenerator 9 geliefert wird. Der durch den Drehstromgenerator 9 erzeugte Strom wird an die elektrische Heizvorrichtung 8 geliefert (Schritt S₃). Gleichzeitig gibt der Rechner 12 ein Signal b an das elektromagnetische Ventil 5, um mittels des Luftzylinders 6 das Drosselventil 4 zu öffnen (Schritt S₄). Die Temperatur des durch die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases erhöht sich, und die Partikel entzünden sich und werden durch das Abgas hoher Temperatur verbrannt, so daß die Auffangvorrichtung 2 regeneriert wird.

Der Rechner 12 stellt dann fest, ob die Regenerationszeit t die vorgegebene Zeitspanne t₀ überschreitet oder nicht (Schritt S₅). Wenn der Rechner 12 feststellt, daß t < t₀ ist, wird unter der Steuerung des Rechners 12 die Stromlieferung zu der elektrischen Heizvorrichtung 8 unterbrochen (Schritt S₆).

Auf der Basis der von dem Temperatursensor 10 gelieferten Temperaturinformationen stellt der Rechner 12 fest, ob die Temperatur T₁ des in die Auffangvorrichtung strömenden Abgases höher ist als eine vorgegebene Temperatur T₂ (zum Beispiel etwa 400°C) oder nicht und, wenn der Rechner 12 feststellt, daß T₁ < T₂ ist, gibt der Rechner 12 ein Schließsignal an das elektromagnetische Ventil 5, um das Drosselventil 4 mittels des Luftzylinders 6 zu schließen (Schritt S₇), wodurch die Regeneration der Auffangvorrichtung 2 abgeschlossen wird.

Wenn andererseits der Rechner 12 feststellt, daß die Temperatur T₁ des in die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases die vorgegebene Temperatur T₂ (zum Beispiel etwa 400°C) nicht erreicht, so stellt der Rechner 12 dann fest, ob die Zeitspanne t₁, während der die Abgastemperatur niedriger ist als die Temperatur T₂, eine vorgegebene Zeitspanne t₂ (die Zeitspanne, in der die Auffangvorrichtung 2 allmählich aus ihrem Hochtemperaturzustand abkühlt) übersteigt oder nicht (Schritt S₁₁).

Wenn der Rechner 12 feststellt, daß t₁ < t₂ ist, dann erzeugt der Rechner das Schließsignal zum Schließen der Drosselklappe 4 (Schritt S₇), wodurch die Regeneration der Auffangvorrichtung 2 abgeschlossen ist.

Während der Regeneration und bis die Regeneration abgeschlossen ist, arbeitet der Rechner 12 wie oben beschrieben. Wenn die Temperatur des in die Auffangvorrichtung strömenden Abgases am Ende der Regeneration der Auffangvorrichtung niedriger wird als eine vorgegebene Temperatur für das Ende der Regeneration der Auffangvorrichtung, wird das Drosselventil in der Offenstellung gehalten, bis eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Auch wenn Abgas mit einer niedrigen Temperatur in die Auffangvorrichtung strömt, entstehen somit keine großen thermischen Spannungen, so daß die Auffangvorrichtung vor Schaden geschützt ist.

Es wird nun die praktische Steuerung durch den Rechner 12 beschrieben, wenn das Drosselventil 4 in seinem offenen Zustand ist.

Der herkömmliche Vorgang zur Regeneration der Auffangvorrichtung war derart, daß unter dem Gesichtspunkt der Haltbarkeit der Auffangvorrichtung die Anzahl der Zyklen der Regeneration der Auffangvorrichtung herabgesetzt wurde, während die Menge an Partikeln, die in einem Zyklus verbrannt werden, angehoben wurden. In diesem herkömmlichen Fall neigt die Innentemperatur der Auffangvorrichtung jedoch dazu, aufgrund der großen Wärmemenge (im allgemeinen etwa 8 kcal pro Gramm), die während des Verbrennens der Partikel von diesen erzeugt wird, sehr hoch zu werden. Diese hohe Innentemperatur kann zu der Gefahr führen, daß die Auffangvorrichtung zu schmelzen beginnt. Es war deshalb erforderlich, kontinuierlich und genau die Öffnungs- und Schließbewegungen des Drosselventiles durch Zurückführen der Innentemperatur oder der Temperatur in der Umgebung der Auffangvorrichtung zu regulieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wird die Menge der sich ansammelnden Partikel, die auf einmal zu verbrennen sind, kleiner gewählt als die herkömmliche Menge (etwa 4 Gramm pro Liter Kapazität der Auffangvorrichtung), so daß ein Zusammenschmelzen verhindert wird, und das Drosselventil wird so angesteuert, daß es bis zu einem vorgegebenen Winkel (zum Beispiel 45°) geöffnet wird.

Es sei angenommen, daß die Menge an Partikeln, die sich in der Auffangvorrichtung 2 ansammelt, auf etwa 2 g/l eingestellt wird, was kleiner ist als die herkömmliche Einstellung auf etwa 4 g/l, und es wird nun auf der Basis dieser Annahme die Zunahme ΔT der Temperatur der Auffangvorrichtung 2 aufgrund des Verbrennens von etwa 2 g/l an Partikeln berechnet.

Die Berechnung basiert auf den folgenden Faktoren: Kapazität der Auffangvorrichtung 2 gleich 12,5 l, Menge Gp an angesammelten Partikeln gleich 25 g, erzeugte Wärmemenge Q₀ gleich 8 kcal/g, Gewicht Gt der Auffangvorrichtung 2 gleich 4,7 kg, spezifische Wärme Cp der Auffangvorrichtung 2 gleich 0,25 kcal/°C. Damit ergibt sich die folgende Gleichung:

Damit das Abgas die Partikel entzünden kann, muß die Temperatur des Abgases auf etwa 600°C erhöht werden.

Entsprechend dem Ergebnis der obigen Berechnung erhöht sich die Temperatur des Abgases nur auf etwa 770°C (600°C + 170°C). Die Kühlwirkung des in die Auffangvorrichtung 2 strömenden Abgases ist nicht beeinträchtigt, so daß keine Beschädigung und kein Schmelzen der Auffangvorrichtung 2 auftritt, auch wenn das Drosselventil 4 völlig geöffnet ist und eine sehr kleine Menge an Abgas in die Auffangvorrichtung 2 strömt.

Es ist daher nicht erforderlich, die Innentemperatur oder die Temperatur in der Umgebung der Auffangvorrichtung 2 zum Zwecke des Steuerns der Öffnung des Drosselventils 4 zurückzuführen. Es ist nur erforderlich, das Drosselventil in einer Ein-Aus-Steuerung zu betätigen, bis eine vorgegebene Öffnung erreicht ist.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet damit eine Vorrichtung zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas von Dieselmotoren, deren Aufbau einfach ist und die mit hoher Zuverlässigkeit und Haltbarkeit arbeitet. Die Partikel werden unter der Steuerung des Rechners 12 schnell und zuverlässig entzündet und abgebrannt, und die Haltbarkeit der Auffangvorrichtung ist erhöht.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Entfernen von im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Partikeln, mit
einer Auffangvorrichtung (2), die in einer Abgasleitung (1) eines Dieselmotors angeordnet und mit einer elektrischen Heizvorrichtung (8) ausgerüstet ist, so daß die Partikel durch das Abgas, dessen Temperatur beim Vorbeiströmen an der elektrischen Heizvorrichtung erhöht wird, entzündet und verbrannt werden;
einer Umleitung (3), die zur Umgehung der Auffangvorrichtung von der Abgasleitung abzweigt, in der ein Steuerventil (4) zur Steuerung der Menge des in die Umleitung strömenden Abgases angeordnet ist;
einer Einrichtung (11a, 11b) zur Feststellung der Menge an Partikeln, die sich in der Auffangvorrichtung angesammelt haben;
einem Temperatursensor (10), der zum Messen der Temperatur des in die Auffangvorrichtung strömenden Abgases in Strömungsrichtung oberhalb der Auffangvorrichtung angeordnet ist;
einer Steuervorrichtung (12) zum Steuern der Stromversorgung für die elektrische Heizvorrichtung (8) und zum Steuern des Öffnungs- und Schließvorgangs des Steuerventils (4) auf der Basis von Ausgangssignalen aus der Mengenfeststellungseinrichtung und des Temperatursensors, wobei die Steuervorrichtung (12) eine Einrichtung zur Feststellung des Zeitpunkts für die Regeneration des Partikel-Auffangmaterials auf der Basis des Ausgangssignals der Mengenfeststelleinrichtung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine erste mit dem Temperatursensor (10) gekoppelte Temperaturfeststellungseinrichtung vorgesehen ist zur Feststellung, ob die Abgastemperatur höher ist als eine vorgegebene Temperatur oder nicht, so daß, wenn die Regenerationszeitpunkt- Feststellungseinrichtung feststellt, daß der Regenerationszeitpunkt erreicht ist und die erste Temperaturfeststellungseinrichtung feststellt, daß die vorgegebene Temperatur überschritten ist, der erzeugte Strom an die elektrische Heizvorrichtung (8) geliefert und das Steuerventil (4) geöffnet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine erste Zeitfeststellungseinrichtung zur Feststellung aufweist, ob eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder nicht, nachdem der Strom an die elektrische Heizvorrichtung (8) geliefert und nachdem das Steuerventil (4) geöffnet wurde, so daß, wenn die erste Zeitfeststellungseinrichtung feststellt, daß die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, die Stromversorgung zu der elektrischen Heizvorrichtung (8) unterbrochen und das Steuerventil (4) geschlossen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine zweite Temperaturfeststellungseinrichtung zur Feststellung aufweist, ob die Abgastemperatur niedriger als eine vorgegebene Temperatur ist oder nicht, und eine zweite Zeitfeststellungseinrichtung zur Feststellung aufweist, ob der Temperaturzustand, der durch die zweite Temperaturfeststellungseinrichtung als niedriger als die vorgegebene Temperatur festgestellt wurde, über eine vorgegebene Zeitspanne vorgelegen hat, so daß das Steuerventil (4) in seiner Offenstellung gehalten wird, bis die zweite Zeitfeststellungseinrichtung feststellt, daß die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, nachdem der Stromversorgungszustand für die elektrische Heizvorrichtung (8) ausgeschaltet wurde.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (4) während des normalen Betriebs vollständig geschlossen ist, jedoch beim Zuführen von Strom an die elektrische Heizvorrichtung (8) bis zu einer vorbestimmten Öffnung geöffnet wird.