DE4113005A1 - Brennkraftmaschine, insbesondere diesel-brennkraftmaschine mit einem in einer abgasleitung angeordneten abgasfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbe­ sondere Diesel-Brennkraftmaschine mit einem in einer Abgaslei­ tung angeordneten Abgasfilter gemäß den weiteren im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE-OS 25 19 609 bekannt. Die hierbei in der Bypaßleitung ange­ ordnete Meßeinrichtung erfaßt den Druck der Abgase in den stromauf und stromab des Abgasfilters liegenden Abschnitten der Abgasleitung als Differenzdruck, der als Meßsignal einer Steu­ ereinheit zugeführt wird, von der mit Erreichen eines vorgege­ benen Differenzdruckes die Regeneration des Abgasfilters ein­ geleitet wird.

Von Nachteil ist hierbei, daß die Meßeinrichtung lediglich zur Einleitung der Regeneration des Abgasfilters eingesetzt wird.

Desweiteren ist aus der DE-OS 32 35 953 eine Diesel-Brenn­ kraftmaschine mit einem Abgasfilter in der Abgasleitung, sowie einer Bypaßleitung zur Umleitung von Abgas am Abgasfilter vor­ bei bekannt, wobei die Bypaßleitung durch ein Bypaßventil ge­ steuert wird. Außerdem besitzt diese Diesel-Brennkraftmaschine noch eine Abgasrückführung mit einem Abgasrückführventil. Das Bypaßventil und das Abgasrückführventil werden hierbei so gesteuert, daß diese im Teillastbetrieb offen und im Vollast­ betrieb geschlossen sind. Eine Steuerung der Abgasrückführmenge in Abhängigkeit vom Beladungszustand des Abgasfilters ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die gattungsgemäße Meßeinrichtung derart weiter zu entwickeln, daß einerseits in den Betriebsbereichen mit Abgasrückführung eine den Betriebs­ bedingungen der Brennkraftmaschine möglichst extakt angepaßte Abgasrückführrate eingehalten werden kann und andererseits noch ein Betrieb der Brennkraftmaschine auch bei einem ganz oder überwiegend verstopften Abgasfilter sicher gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Diese Meßeinrichtung ist so ausgebildet, daß sie bis zur Er­ reichung eines einstellbaren oberen Differenzdruckes als Druckmeßeinrichtung arbeitet. Für diese Funktion kann der dem Differenzdruck ausgesetzte Kolben dieser Meßeinrichtung von einer äußerst geringen Abgasmenge umströmt werden, wobei diese Umströmung abhängig ist vom Einbau eines Abgasturboladers stromauf oder stromab des Abgasfilters in der Abgasleitung. Die den Kolben umströmende Abgasmenge ist jedoch so gering, daß sie in bezug auf die Funktion des Abgasfilters bzw. die damit er­ zielbare Reinigung der Abgase von Rußpartikeln vernachlässigbar klein ist. Die dem jeweiligen Differenzdruck proportionale Lage des dem Differenzdruck ausgesetzten Kolbens innerhalb des Ge­ häuses läßt sich über eine mit dem Kolben direkt verbundene Stange durch einen Wegmesser unmittelbar erfassen. Der so er­ faßte Differenzdruck wird zur Regelung des zur Verbrennung rückzuführenden Abtgasmengenstromes als u. a. eine Steuergröße eingesetzt. Weitere motorbetriebsabhängige Steuergrößen können als Überlagerungsgrößen zur Regelung des rückzuführenden Ab­ gasmengenstromes mit herangezogen werden. Eine korrekte Rege­ lung der rückzuführenden Abgasmenge ist für die Erzielung nie­ driger schädlicher Abgasemissionen von großer Sedeutung. Eine Abgasrückführung dient insbesondere dazu, eine Emission von Stickoxiden niedrig zu halten. Der rückzuführende Abgasstrom wird zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses aus verschiede­ nen hier im einzelnen nicht zu erläuternder Gründe grundsätz­ lich stromauf des Abgasfilters abgezogen. Sei einem Dieselmo­ tor handelt es sich bei dem Abgasfilter insbesondere um einen Rußabbrennfilter. In einem solchen Filter wird der Ruß in der Regel diskontinuierlich abgebrannt, wobei dieses Abbrennen al­ lein durch die Temperatur und Konsistenz der Abgase oder auch durch Fremdbeeinflussung bewirkt werden kann.

Grundsätzlich handelt es sich bei einem gattungsgemäßen Abgas­ filter in der Regel um einen solchen, in dem aus dem Abgas ab­ zutrennende Partikel, wie beispielsweise Ruß, temporär ange­ sammelt und anschließend insbesondere durch Verbrennung ent­ fernt werden. Erfolgt das Entfernen in dem Abgasfilter ange­ sammelter Partikel nicht rechtzeitig oder nicht in dem den je­ weiligen Betriebsbedingungen des Motors entsprechend erforder­ lichen Umfang, kann sich der Durchflußwiderstand des Abgasfil­ ters soweit erhöhen, da8 der Motorbetrieb gestört oder im Ex­ tremfall der Motor ganz zu einem Stillstand kommen kann.

Eine Verstopfung des Abgasfilters kann beispielsweise auch durch in dem Abgasfilter vorhandenes bei tiefen Außentempera­ turen gefrorenes Kondensat erfolgen. In einem solchen Fall wird ein Starten des Motors durch eine solche Abgasfilter­ verstopfung verhindert.

Sei einer ungewollten Verstopfung des Abgasfilters bzw. auch bei einem unerwünscht temporär hohen Druckverlust in dem Ab­ gasfilter soll das Abgas automatisch über einen Sypass an dem Abgasfilter vorbeiströmen können.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist nun so eingerichtet, daß bei Überschreiten eines vorgebbaren Druckverlustes an dem Abgasfilter der in dem den Druckabfall in dem Abgasfilter be­ stimmenden Meßgerät fließende mengenmäßig an sich vernachläs­ sigbar kleine Abgas-Bypass-Strom sich schlagartig vergrößert und zwar in einem solchen Maße, daß praktisch das gesamte Abgas zeitweise im Bypass zu dem Abgasfilter strömen kann. Hat das Meßgerät eine solche Funktion angenommen, hat es für diesen Zustand seine Funktion als Druckdifferenzmeßeinrichtung verloren. Der mit dem der Druckdifferenz ausgesetzten Kolben der Meßeinrichtung verbundene Wegmesser erkennt die Umfunk­ tionierung des Meßgerätes in eine Abgas-Bypass-Leitung und kann in einem solchen Fall die Abgasrückführung vollständig unterbinden. Eine solche Unterbindung der Abgasrückführung ist bei einem erhöhten Durchflußwiderstand eines insbesondere Rußabbrennfilters eines Dieselmotors in vielen Fällen er­ wünscht, um bereits im Zustand eines sich erhöhenden Durchflußwiderstandes einem weiteren Ansteigen durch Abstellen der Abgasrückführung vorzubeugen. Durch eine Abgasrückführung wird nämlich der Sauerstoffgehalt im Abgas verringert, wodurch ein Abbrennen von in dem Abgasfilter vorhandenem Ruß zusätz­ lich erschwert wird, mit der Folge, daß durch den geringeren Sauerstoffanteil das Abbrennverhalten immer schlechter wird mit der Folge, daß sich das Filter dann bei andauernd un­ günstigen Betriebsverhältnissen ganz zusetzen kann.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Druckdiffe­ renz-Meßeinrichtung mit der in diese integrierten Bypass-Funk­ tion sind Gegenstand der Ansprüche 3 und 4.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Dieselmotors mit einem Rußabbrennfilter in der Abgasleitung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Meßeinrichtung zur Bestim­ mung des Druckabfalles innerhalb eines Rußabbrenn­ filters.

Die über eine Ansaugleitung 1 von einem Dieselmotor 2 angesaugte Luft verläßt den Motor als Abgas über die Abgasleitung 3. In der Abgasleitung 3 passiert das Abgas vor Eintritt in die Atmosphäre ein als Rußabbrennfilter ausgebildetes Abgasfilter 4.

Zur Verbesserung der Abgasemissionen ist eine Abgasrückführung über eine Leitung 5 vorgesehen. Über diese Leitung 5 strömt gesteuert über ein Abgasrückführventil 6 Abgas aus dem Bereich stromauf des Abgasfilters durch die Ansaugleitung 1 zurück zur Motorverbrennung.

Die Abgasrückführmenge soll u. a. nach dem Fördergefälle zwischen Saug- und Abgasleitung geregelt werden, wobei dieses Fördergefälle bestimmte Motorbetriebsverhältnisse wiederspie­ geln soll. Tatsächlich repräsentativ durch jenes Druckgefälle können die hierdurch wiederzugebenen Betriebsbedingungen al­ lerdings nur dann sein, wenn der Druckverlust in dem Abgasfil­ ter entweder konstant ist, oder sich ausschließlich motorbe­ triebsabhängig verändert. Motorbetriebsunabhängige Verände­ rungen des Abgasfilter-Durchflußwiderstandes würden dagegen zu einer Verfälschung der u. a. nach dem Fördergefälle geregelten Abgasrückführmenge führen. Da solche motorbetriebsunabhängigen Durchflußwiderstandsänderungen des Abgasfilters insbesondere bei einem diskontinuierlich abbrennenden Rußabbrennfilter un­ vermeidbar sind, muß das jeweilige Fördergefälle unter Ver­ knüpfung mit dem jeweiligen von dem entsprechenden Sollwert abweichenden Ist-Druckverlust in dem Abgasfilter entsprechend korrigiert werden. Zu diesem Zweck wird über eine Meß­ einrichtung 7 die Druckdifferenz zwischen stromauf und stromab des Abgasfilters gemessen. Die in dieser Meßeinrichtung 7 ermittelte Druckdifferenz wird zusammen mit anderen Steuer­ größen dem Abgasrückführventil 6 zu dessen Betätigung aufge­ geben. Die Meßeinrichtung 7 befindet sich in einer Bypass- Leitung 8 zu dem Abgasfilter 4.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Meßeinrichtung 7 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt.

Der Raum 9 steht mit der Abgasleitung 3 stromauf des Abgasfil­ ters 4 in Verbindung, während der Raum 10 der Meßeinrichtung 7 den Zustand stromab des Abgasfilters wiedergibt. Die Räume 9 und 10 sind bis auf einen kleinen Ringspalt 11 über einen längsverschieblichen Kolben 12 voneinander getrennt. Der Kol­ ben 12 ist in einem mittigen Lager 13 durch eine fest mit die­ sem Kolben 12 verbundene Kolbenstange 14 geführt. Die Kolben­ stange 14 ist mit einem Wegmesser 15 verbunden. Diesem Weg­ messer 15 kann der Druckabfall am Abgasfilter 4 entnommen und zusammen mit anderen Steuergrößen dem Stellmotor des Abgas­ rückführventiles 6 zugeführt werden.

Der Ringspalt 11 ist bezüglich seines Querschnittes so gering gewählt, daß der hierüber fließende Bypaß-Abgasstrom im Ver­ gleich zu dem durch das Abgasfilter 4 strömenden Hauptabgas­ strom absolut vernachlässigbar ist. Durch die Vernachlässig­ barkeit des durch die Meßeinrichtung 7 fließenden Abgas-By­ passstromes liegt zwischen den Räumen 9 und 10 der Meßeinrich­ tung 7 die gleiche Druckdifferenz wie zwischen Eingang und Ausgang des Abgasfilters vor. Der in dem Raum 9 anstehende Druck stromauf des Abgasfilters übt wegen seines höheren Wer­ tes gegenüber dem Druck stromab des Abgasfilters eine den Kol­ ben 12 in Richtung des Raumes 10 verdrängende Kraft aus. Durch diesen Kraftüberschuss wird der Kolben 12 gegen den Druck ei­ ner Feder 16 in Richtung auf den Wegmesser 15 verschoben, wo­ bei dieser Verschiebeweg von dem Wegmesser 15 aufgenommen und als Druckänderung bzw. als Druckabfall des Abgasfilters 4 aus­ gegeben werden kann.

Die beschriebene Meßeinrichtung liefert das notwendige Signal, um die Auswirkungen des variablen Druckabfalles über dem Ab­ gasfilter auf den Motorbetrieb und die Abgasmaßnahmen kompen­ sieren zu können. Außer von dem Druckabfall an dem Abgasfilter hängt das die Abgasrückführung steuernde Fördergefälle nur noch von dem Druckaufbau der übrigen Abgasanlage und dem gege­ benenfalls gezielt, beispielsweise durch eine Drosselung, er­ zeugten Saugrohrdruck vor den Motorbrennkammern ab. Diese Drücke sind aber im Gegensatz zum Druckabfall an dem Abgasfil­ ter nur abhängig vom Betriebsverhalten des Motors und damit bei Kenntnis desselben vorhersagbar. Damit genügt die Kenntnis des Druckabfalls an dem Abgasfilter in Verbindung mit der Kenntnis des Motorbetriebspunktes zur Vorhersage des für die Abgasrückführung maßgebenden Druckgefälles.

Wird an dem Abgasfilter 4 ein vorbestimmbares Druckgefälle überschritten, dann wandelt sich die Funktion der Meßeinrich­ tung in eine solche einer effektiven Bypass-Leitung um. Im Ex­ tremfall, wie beispielsweise bei einem vollständigen Zusetzen des Abgasfilters, kann dann der gesamte Abgasstrom durch die Meßeinrichtung im Bypass an dem Abgasfilter vorbeiströmen. Die Bypass-Funktion der Meßeinrichtung 7 setzt allein dadurch ein, daß sich bei Überschreiten des vorgegebenen oberen Druckgefällewertes an dem Abgasfilter 4 der Ringspalt 11 zu einem Abgasstrom-Bypass-Ringkanal 17 erweitert. Diese Erwei­ terung erfolgt dadurch, daß sich der Kolben 12 unter dem erhöhten Druck innerhalb der Meßeinrichtung 7 in einen Bereich verschiebt, in dem das den Kolben 12 umhüllende Gehäuse den vergrößerten Bypass-Ringkanal 17 bildet.

Die Abgasrückführung kann so gesteuert werden, daß bei einer echten Bypass-Funktion der Meßeinrichtung 7, die über den Weg­ messer 15 erfaßt wird, die Abgasrückführung ganz unterbunden wird. Dies ist insofern vorteilhaft, als bei starker Beladung eines Rußabbrenn-Abgasfilters die Abgasrückführung durch die damit bewirkte Verringerung des Sauerstoffgehalts im Abgas in­ sofern nachteilig ist, als dadurch die Gefahr eines Aufrußens des Rußabbrennfilters bis hin zu einer Blockade desselben noch verstärkt wird. Sobald der Motor durch Erreichen eines anderen Betriebszustandes wieder günstigere Abgastemperaturen und Sau­ erstoffgehalte bereitstellt, die zu einer Regeneration des Rußabbrennfilters führen, kehrt die erfindungsgemäß aufgebaute Meßeinrichtung wieder zu ihrer Meßfunktion zurück.

Durch Kondensatbildung ist bei tiefen Temperaturen ein Zufrie­ ren des Rußabbrennfilters in manchen Fällen nicht völlig aus­ zuschließen. Ohne Bypass führt dies dazu, daß der Motor nicht zu starten ist. Diese Gefahr ist durch die erfindungsgemäße Ausführung der Meßeinrichtung 7 ausgeschlossen. Denn bei einem zu hohen Druckverlust in dem Abgasfilter, gleichgültig welche Ursache dieser Druckverlust hat, schaltet das Meßgerät 7 von seiner Meß- in seine Bypass-Funktion automatisch um. Sobald das Rußabbrennfilter durch die vom Motor erzeugte Wärme bei einem solchen Fall wieder normal arbeiten kann, stellt sich bei dem Meßgerät 7 ganz automatisch wieder dessen Meßfunktion ein.

Die Meßeinrichtung 7 kann durch entsprechende Auslegung des Querschnittes des in der Meßfunktion wirksamen Ringspalt (11)- Querschnittes dafür eingesetzt werden, einen gewissen Prozent­ satz des Abgases gezielt an dem Abgasfilter vorbeizuleiten, um so beispielsweise gezielt einen Wirkungsgrad der Partikelab­ scheidung einzustellen. Dies kann in manchen Fällen notwendig sein, wenn bei einem ansonsten vorteilhaften Werkstoff des Ab­ gasfilters nur extrem hohe Abscheidegrade darstellbar sind. Solche hohen Abscheidegrade bewirken jedoch eine ständige hohe Partikelbeladung, die durch hierdurch bedingte hohe thermische Belastungen durch Regenerationen zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer des Rußabbrennfilters führen kann. Durch eine ge­ zielte Einstellung eines Bypass-Stromes kann die Beladung und damit die Beanspruchung durch die Regenerationen gesenkt und die Lebensdauer des Gesamtsystems dadurch erhöht werden.

Aus dem Stand der Technik sind im Zusammenhang mit Abgasfil­ tern bereits Druckmeßeinrichtungen zur Ermittlung des Druck­ abfalles in dem Abgasfilter bekannt, wie beispielsweise aus der DE-A-25 19 609. Die dortigen Meßgeräte sind jedoch nicht in einen Bypass-Strom eingebaut und können daher nicht in der erfindungsgemäßen Weise als Bypass bei einem verstopften Ab­ gasfilter dienen.

Ein Sicherheits-Bypass für den Fall eines verstopften Abgas­ filters ist aus DE-A-19 46 862 bekannt. Dort fehlt jedoch eine Meßeinrichtung für den Druckabfall des Abgasfilters, so daß dort auch keine Integration eines Bypasses mit einer den Druckabfall am Abgasfilter ermittelnden Meßeinrichtung möglich ist.

Eine Einrichtung, mit der bei einer kleinen Druckdifferenz ein kleiner Mengenstrom und bei einer großen Druckdifferenz ein größerer Mengenstrom an einem Heizelement vorbeigeführt werden kann, läßt sich der DE-C-30 26 989 entnehmen. Jene Schrift gibt dem Fachmann jedoch keinen Hinweis darauf, eine solche Einrichtung als Druckmeßeinrichtung zu verwenden und schon gar nicht darauf, eine solche Druckmeßeinrichtung zur Ermittlung des Differenzendruckes bei dem Abgasfilter einer Brennkraftma­ schine einzusetzen. Dies wäre jedoch zunächst einmal eine Grundvoraussetzung dafür, um eine solche Meßeinrichtung dann zusätzlich noch in einer Doppelfunktion als Meßeinrichtung und Bypass-Ventil in dem erfindungsgemäßen Sinne zu verwenden.

Der am Kolben 12 anliegende Druckabfall im Abgasfilter 4 (Dif­ ferenzdruck) wird vom Wegsensor 15 aufgenommen und als Meßsi­ gnal einer Steuereinheit 18 zugeführt. Von der Steuereinheit 18 werden die Meßsignale des Wegsensors 15 unter Berücksichti­ gung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 2 in Steu­ ersignale für den Stellmotor des Abgasrückführventils 6 umge­ setzt und diesem zugeleitet.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine mit einem in einer Abgasleitung angeordneten Abgasfilter, mit einer von der Abgasleitung stromauf des Abgasfilters abge­ zweigten und stromab von diesem mit der Abgasleitung verbun­ denen Bypassleitung, in der eine Meßeinrichtung mit einem von einem Gehäuse umgebenen Steuerkolben vorgesehen ist, der je­ weils eine vom Abgas stromauf des Abgasfilters und eine und vom Abgas stromab des Abgasfilters beaufschlagte Stirnfläche auf­ weist und der vom Differenzdruck aus beiden Abgasdrücken ent­ gegen der Wirkung einer Rückstellfeder im Gehäuse verschiebbar ist, dessen Verschiebeweg als Meßsignal für eine Steuereinheit dient, dadurch gekennzeichnet,
daß eine von der Abgasleitung (3) zur Ansaugleitung (1) füh­ rende Abgasrückführ-Leitung (5) mit einem Abgasrückführ- Steuerventil (6) vorgesehen ist,
daß das Abgasrückführ-Steuerventil (6) von der Steuereinheit (18) aus von einem vom Meßsignal des Steuerkolbens (12) abge­ leiteten Steuersignal zur Steuerung einer vom Differenzdruck abhängigen Abgasrückführmenge beaufschlagt ist,
und daß vom Steuerkolben (12) ab einem vorgegebenen Differenz­ druck ein Bypass-Kanal (17) zur Durchströmung der Bypassleitung (8) mit einem Abgasteilstrom aus dem stromauf des Abgasfilters (4) liegenden Abschnitt der Abgasleitung (3) freigegeben ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Steuerkolben (12) im Gehäuse der Meßeinrichtung (7) ein vom Abgasdruck stromauf des Abgasfilters (4) beaufschlagter erster Raum (9) und ein vom Abgasdruck stromab des Abgasfilters (4) beaufschlagter zweiter Raum (10) abgetrennt ist, der den vom Steuerkolben (12) gesteuerten Bypass-Kanal (17) aufweist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass-Kanal (17) durch eine Erweiterung des zweiten Raumes (10) als ein den Steuerkolben (12) umgebender Ringkanal ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den zweiten Raum ein nabenförmiges Lager (13) zur Füh­ rung einer mit dem Steuerkolben (12) verbundenen Kolbenstange (14) vorsteht.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (12) unter Einschluß eines Ringspaltes (11) im ersten Raum (9) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (12) über die Kolbenstange (14) direkt mit einem den Differenzdruck an dem Abgasfilter (4) proportional erfassenden Wegmesser (15) verbunden ist.