DE3904352A1 - Verfahren zur regeneration eines in der abgasleitung einer dieselbrennkraftmaschine angeordneten russpartikelfilters - Google Patents

Verfahren zur regeneration eines in der abgasleitung einer dieselbrennkraftmaschine angeordneten russpartikelfilters

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regene­ ration eines in der Abgasleitung einer Dieselbrennkraft­ maschine angeordneten Rußpartikelfilters gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
Bei einem gattungsgemäßen, aus der EP-A 1 17 534 bekannten Verfahren, wird im Falle eines beladenen Rußpartikelfil­ ters jeweils immer kurze Zeit nach dem Start der Brenn­ kraftmaschine der Abbrennvorgang eingeleitet, wodurch ver­ hindert werden soll, daß die Brennkraftmaschine während einer Rußfilterregenerationsphase abgestellt wird und es damit zu einer thermischen Überbelastung des Rußfilter­ körpers kommt. Dadurch, daß die Regeneration immer schon kurze Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine erfolgt, liegen während der Regenerationsphase nur relativ niedere Abgastemperaturen vor, so daß, um überhaupt eine vollstän­ dige Regeneration des des Rußpartikelfilters gewährleisten zu können, dem Brenner eine relativ große Kraftstoffmenge zugeführt werden muß. Kommt es nun während eines längeren Betriebs der Brennkraftmaschine zu einem Zusetzen des Ruß­ partikelfilters, so wird automatisch bei Erreichen eines vorgegebenen Abgasgegendruckes der Abbrennvorgang einge­ leitet. Wird dieser Grenzabgasgegendruck nun zufällig ge­ rade im Leerlauf der Brennkraftmaschine erreicht, so setzt die Regenerationsphase wiederum genau dann ein, wenn die Abgastemperatur gering ist. Dies bedeutet, daß auch in diesem Fall ein erhöhter Bedarf an Kraftstoff zur Filter­ regeneration erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschrie­ benen Art aufzuzeigen, mit welchem der Kraftstoffbedarf zur Regeneration des Rußpartikelfilters auf einem Minimum zu halten, gleichzeitig aber ein Stillstand der Brenn­ kraftmaschine infolge eines unzulässig stark beladenen Rußpartikelfilters ausgeschlossen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor, wenn nach einer gewissen Betriebsdauer t B der Brennkraftmaschine ein bestimmter Zusetzungsgrad des Rußpartikelfilters erreicht ist, den Brenner sozusagen in eine "Brennbereitschaft" zu überführen. "Brennbereitschaft" bedeutet, der Brenner kann bei Vorliegen der für eine Regeneration erforderlichen Betriebsbedingungen gezündet werden. Ist der Brenner nicht in Brennbereitschaft, so ist ein Zünden des Brenners ge­ nerell nicht möglich. Die Einleitung des Abbrennvorganges selbst erfolgt jedoch erst, wenn innerhalb eines vorgege­ benen Zeitintervalles t z ein vorgegebener Schwellwert T A, S für die Abgastemperatur für eine bestimmte Zeitspanne t i ununterbrochen überschritten wird. Es wird damit ermög­ licht, daß der Abbrennvorgang nicht einfach nach einer festen Zeitspanne, sondern erst dann eingeleitet wird, wenn die optimalen Bedingungen für eine Filterregeneration vorliegen. Diese optimalen Bedingungen sind nämlich dann gegeben, wenn über einen längeren Zeitraum relativ hohe Abgastemperaturen und damit auch eine relativ hohe Tempe­ ratur des Rußfilterkörpers vorliegen.
Damit aber dennoch ein Stillstand der Brennkraftmaschine aufgrund dessen, daß der Schwellwert nicht lange genug ununterbrochen überschritten werden kann, ausgeschlossen ist, wird mit fortschreitender Zeitdauer der Schwellwert T A, S kontinuierlich verringert, so daß ein Abbrennvorgang auf jeden Fall eingeleitet wird. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren sieht ferner vor, den Abbrennvorgang nach einer bestimmten Zeitdauer t ab, die in Abhängigkeit der Abgastem­ peratur und des Restsauerstoffgehalts im Abgas ermittelt wird, wieder zu beenden. Über den Restsauerstoffgehalt im Abgas und über die Abgastemperaturen selbst läßt sich der Zeitpunkt, ab dem der Rußfilter freigebrannt ist, bestimmen, so daß die Kraftstoffzufuhr für den Brenner genau zum rich­ tigen Zeitpunkt unterbrochen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet also, daß die für eine Regenerationsphase für den Brenner erforderliche Kraftstoffmenge minimal ist.
Eine zusätzliche Kraftstoffeinsparung ist dadurch noch zu erzielen, wenn, in dem Fall, daß über einen längeren Zeit­ raum so hohe Abgastemperaturen vorliegen, daß die Regene­ ration des Rußpartikelfilters von selbst ablaufen kann (höhere Lastbereiche), die aktuelle Betriebsdauer wieder auf Null rückgesetzt wird, d. h. also wenn die Zeit bis zur Überführung des Brenners in die sogenannte "Brennbe­ reitschaft" wieder von vorne zu laufen beginnt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführ­ rungsbeispieles aufgezeigt.
Im einzelnen zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und
Fig. 2 in einem Flußdiagramm die Funktionsweise der in Fig. 1 mit 10 bezeichneten elektroni­ schen Steuereinheit.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Dieselbrennkraftmaschine, in deren Abgasleitung 2 ein Rußpartikelfilter 3 angeordnet ist. An dem Rußpartikelfilter 3 ist ein Brenner 4 vorge­ sehen, wobei Rußpartikelfilter 3 und Brenner 4 eine Bau­ einheit bilden. Im Falle einer erwünschten Regeneration des Rußpartikelfilters 3 wird dem Brenner 4 über die Lei­ tung 5 und die Pumpe 6 der zum Abbrennen erforderliche Kraftstoff zugeführt. Über die Leitung 7 und die Pumpe 8, welche von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, wird dem den Brenner passierenden Abgas zur Unterstützung des Abbrennvorgangs zusätzliche Frischluft beigemischt. Strom­ ab des Rußpartikelfilters 3 ist in der Abgasleitung 2 fer­ ner noch ein Schalldämpfer 9 vorgesehen.
Eine elektronische Steuereinheit 10 erzeugt in Abhängig­ keit eines Lastsignals (Luftmengenmesser 11 in der Ansaug­ leitung 12), eines Drehzahlsignals (Drehzahlsensor 13), eines Abgastemperatursignals (Sensor 14) stromauf der Bau­ einheit Brenner-Rußpartikelfilter und eines Abgastempera­ tursignals (Sensor 15) stromab der Baueinheit zwei Stell­ wertsignale, von denen das erste eine Einrichtung 16 am Brenner 4 zur Zündung des Kraftstoffes und das zweite die Kraftstoffpumpe 6 gemäß dem in Fig. 2 dargestellten und nachfolgend beschriebenen Flußdiagramm ansteuert.
Unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 wird im Block 17 ein erster Zeitgeber rückgesetzt (t 1=0) und gleichzeitig gestartet. Ist eine vorgegebene Betriebsdauer t B erreicht (Verzweigungsblock 18), so wird der Brenner 4 in eine sogenannte "Brennbereitschaft" (B.b.) versetzt (Ausgabeblock 19), dies bedeutet, daß der Brenner 4 ab diesem Zeitpunkt gezündet werden kann. Ist der Brenner 4 noch nicht in "Brennbereitschaft", so ist dessen Zündung unter keinen Umständen möglich. Sollte während der Phase bis zum Erreichen der Betriebsdauer t B die Abgastemperatur T A vor dem Filter (Sensor 14) einen Wert T SR, oberhalb welchem eine Regeneration des Filters 3 ohne den Brenner 4 von selbst ablaufen kann, für einen vorgegebenen Zeitraum überschreiten, so wird die aktuelle Betriebsdauer d.h. also der erste Zeitgeber t 1 wieder rückgesetzt. Die Steue­ rung verzweigt somit in diesem Fall nach der Abfrage im Verzweigungsblock 20 wieder zum Ausgangspunkt 21, wonach der erste Zeitgeber erneut rückgesetzt und gestartet wird, (Block 17). Im Anschluß an das Überführen des Brenners 4 in "Brennbereitschaft" (Block 19) wird in Block 22 ein zweiter Zeitgeber t 2 rückgesetzt und gleichzeitig gestar­ tet. Sollte nun innerhalb eines vorgegebenen Zeitinter­ valls t z für die Dauer einer vorgegebenen Zeitspanne t i die Abgastemperatur T A vor dem Filter 3 (Sensor 14) ober­ halb eines von der elektronischen Steuereinheit 10 ermit­ telten Schwellwertes T A, S liegen, so erfolgt eine Zündung des Brenners 4 durch eine entsprechende Ansteuerung der am Brenner 4 angeordneten Zündeinrichtung 16 über die Steu­ erleitung 23 (siehe Fig. 1). Sollte während dieser Zeit­ spanne t i der aktuelle Wert für die Abgastemperatur T A einmal unter den Grenzwert T A, S fallen, so wird der Schwell­ wert T A, S im Block 28 um ein vorgegebenes T A, S geringfügig verringert und für den Fall, daß das Zeitintervall t z noch nicht abgelaufen ist erneut überprüft, ob während der Zeitspanne t i die Abgastemperatur T A über dem jetzt neuen Schwellwert T A, S liegt oder nicht.
Im einzelnen sieht dies wie folgt aus: Im Verzweigungs­ block 24 wird überprüft, ob das Zeitintervall t z bereits abgelaufen bzw. überschritten ist (zweiter Zeitgeber). Wenn nicht, wird im Block 25 ein dritter Zeitgeber rück­ gesetzt (t 3=0) und gleichzeitig gestartet. Während der Zeitspanne t i , also solange t 3 noch kleiner als t i ist (Verzweigungsblock 26), wird im Verzweigungsblock 27 lau­ fend überprüft, ob die Abgastemperatur T A stromauf der Baueinheit Brenner-Filter (Sensor 14) oberhalb des vorge­ gebenen Schwellwerts T A, S liegt. Liegt er innerhalb der Zeitspanne t i auch nur einmal unter dem Wert T A, S , so wird im Operationsblock 28 der Schwellwert um T A, S verringert, woran im Anschluß, für den Fall, daß t z noch nicht über­ schritten ist, eine erneute Überprüfung in der Blockein­ heit 29 erfolgt. Sollte die Zeitspanne t i abgelaufen sein (t 3 t i ), die Abgastemperatur T A währenddessen jedoch kein einziges Mal unterhalb den Schwellwert T A, S gefallen sein, so erfolgt eine Verzweigung zum Punkt 30, woran im Anschluß die Zündung des Brenners 4 erfolgt. Das perma­ nente Verringern des Schwellwertes T A, S in Block 28 führt dazu, daß die Wahrscheinlichkeit, daß die Abfrage in Block 26 zur Verzweigung zu Punkt 30 und damit zur Zündung des Brenners 4 (Ausgabeblock 31) führt, mit fortlaufender Zeit t 2 immer größer wird. sollte dennoch eine Verzweigung vom Block 26 zum Punkt 30 innerhalb von t z nicht zustande kom­ men, weil während jeder Zeitspanne t i die Abfrage im Block 27 mindestens einmal ergibt, daß der Schwellwert T A, S unterschritten ist, dann erfolgt vom Block 24 aus eine direkte Verzweigung zur Ansteuerung des Brenners 4 bzw. seiner Zündeinrichtung 16 (Ausgabeblock 31). Eine Zündung des Brenners 4 ist damit auf jeden Fall gewährleistet.
Unmittelbar nach der Zündung des Brenners 4 erfolgt im Block 32 die Ermittlung der Zeitdauer t ab, für welche der Brenner 4 eingeschaltet bleiben muß. Die Zeitdauer t ab wird dabei in Abhängigkeit von der Abgastemperatur T A stromauf (Sensor 14) und der Abgastemperatur T A, n stromab des Rußpartikelfilters 3 (Sensor 15), in Abhängigkeit des Restsauerstoffgehaltes m RO2 im Abgas und in Abhängigkeit der Rußpartikelfilterbeladung bestimmt. Der Anteil des im Abgas noch vorhandenen Restsauerstoffes, welcher an der Oxidation der Rußpartikel überhaupt teilnimmt, hängt von der Temperatur T A des Abgases ab. Je höher diese Abgas­ temperatur T A ist, desto größer ist auch der Anteil des Restsauerstoffes, welcher zur Oxidation der Rußpartikel zur Verfügung steht. Aus einem in der elektronischen Steuereinheit 10 abgelegten Kennfeld wird je nach Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 der zugehörige Restsauer­ stoffgehalt m RO2 im Abgas ausgelesen. Diesem Restsauerstoff­ gehalt, der aktuellen Temperatur des Abgases und dem jewei­ ligen Zusetzungsgrad des Rußpartikelfilters wird nun aus einem weiteren experimentell ermittelten Kennfeld die zuge­ hörige Abbrenndauer t ab zugeordnet. Nach der Ermittlung der Abbrenndauer t ab wird im Block 33 ein vierter Zeitge­ ber rückgesetzt (t 4 = 0) und gleichzeitig gestartet. Wäh­ rend dieser Abbrenndauer t ab (Verzweigungsblock 34) erfolgt nun fortwährend eine Regelung der dem Brenner 4 zugeführten Kraftstoffmenge m Kr derart, daß die Abgastempe­ ratur T A, n stromab des Filters 4 einen vorgegebenen Grenz­ wert T A, ng nicht überschreiten kann (Ausgabeblock 35). Damit ist gewährleistet, daß der Rußfilterkörper nicht infolge zu hoher Reaktionstemperaturen Schaden nimmt. Ist die Abbrenndauer abgelaufen (t 4 t ab), wird der Brenner 4 wieder abgeschaltet (Ausgabeblock 36) und zwar so, daß, um ein erneutes Abbrennen des Rußpartikelfilters 3 überhaupt wieder zu ermöglichen, er erst wieder in "Brennbereit­ schaft" versetzt werden muß. Die Steuerung verzweigt daher zum Punkt 21 zurück, woran im Anschluß der erste Zeitgeber (t 1) für die Betriebsdauer t B wieder rückgesetzt wird und ein erneuter Durchlauf beginnt.
Die Betriebsdauer t B und die Zeitdauer t z sind Größen, welche in diesem Ausführungsbeispiel nicht konstant sind, sondern laufend den gefahrenen Betriebszuständen - je nachdem wieviel Ruß zwischenzeitlich angefallen sein müßte - angepaßt werden. Die Filterbeladung selbst wird derart bestimmt, daß zunächst aus einem in der elektronischen Steuereinheit 10 abgelegten Kennfeld permanent in Abhän­ gigkeit von Last, Drehzahl und Abgastemperatur der zuge­ hörige Rußpartikelausstoß ausgelesen wird. Eine zeitliche Integration dieses Rußpartikelausstoßes führt schließlich zur aktuellen Beladung des Rußpartikelfilters. Das last-, drehzahl- und abgastemperaturabhängige Kennfeld zur Be­ stimmung des momentanen Rußpartikelausstoßes wird experi­ mentell auf einem Prüfstand ermittelt.
Die Abbrenndauer t ab wird im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel, wie zuvor beschrieben, in Abhängigkeit mehrerer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine berechnet. Um eine noch höhere Sicherheit dafür zu gewährleisten, daß der Rußpartikelfilter in jedem Fall vollständig abgebrannt wird, ist es ebenso möglich den Abbrennvorgang über den errechneten Wert t ab hinaus noch geringfügig zu verlän­ gern.
Selbstverständlich können die Betriebsdauer t B und das Zeitintervall t Z der Einfachheit halber auch fest vorge­ geben werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regeneration eines in der Abgasleitung einer Dieselbrennkraftmaschine angeordneten Rußpartikel­ filters durch Abbrennen der Rußpartikel mit Hilfe eines Brenners dann, wenn bei beladenem Filter ein vorgegebener Zeitraum seit dem Start der Brennkraftmaschine verstrichen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abbrennvorgang jeweils immer nach Ablauf einer vorgegebenen Betriebsdauer (t B ) der Brennkraftmaschine (1) dann, wenn die Abgastemperatur (T A ) innerhalb ei­ nes vorgegebenen Zeitintervalles (t z ) für die Dauer einer vorgegebenen Zeitspanne (t i ) über einem vorge­ gebenen Schwellwert (T A, S ) liegt, eingeleitet wird, wobei, solange der Abbrennvorgang noch nicht eingelei­ tet ist, der Schwellwert (T A, S), mit fortschreitender Zeit kontinuierlich verringert wird, und
daß der Abbrennvorgang nach Ablauf einer zuvor in Ab­ hängigkeit der Abgastemperatur (T A ), des Restsauerstoff­ gehaltes (m RO2) im Abgas und der Rußpartikelfilterbela­ dung ermittelten Zeitdauer (t ab) beendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr für den Brenner (4) während des Abbrennvorganges derart geregelt wird, daß die Abgastempe­ ratur einen vorgegebenen Grenzwert (T A, ng) nicht über­ schreitet.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kraftstoffzufuhr während des Abbrenn­ vorganges in Abhängigkeit der Abgastemperatur (T A, n ) strom­ ab des Brenners (4) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsdauer (t B ) festgelegt wird durch die aus den gefahrenen Betriebszuständen ermittelte Rußpartikel­ filterbeladung.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (t z ) festgelegt wird durch die aus den gefahrenen Betriebszuständen ermittelte Rußpartikel­ filterbeladung.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Betriebsdauer rückgesetzt wird, wenn die Abgastemperatur (T A ) während eines vorgegebenen Zeitraumes oberhalb dem für eine Selbstreinigung des Rußpartikelfil­ ters (3) erforderlichen Wert (T SR) liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer elektronischen Steuereinheit (10) ein Kenn­ feld abgelegt ist, welches jedem Betriebspunkt der Brenn­ kraftmaschine (1) den zugehörigen Rußpartikelausstoß zu­ ordnet, und daß der aktuelle Beladungszustand des Rußpar­ tikelfilters (3) durch zeitliche Integration des ständig aus dem Kennfeld ermittelten Rußpartikelausstoßes bestimmt wird.
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