DE4330830A1 - Vorrichtung zur Beeinflussung des Abbrandes von Ruß auf Rußabbrandfiltern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung des Abbrandes von Ruß auf Rußabbrandfiltern im Abgas­ strom eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere Dieselmotors, insbesondere mit Schubab­ schaltung.

Im Hinblick auf den Schutz der Umwelt werden immer höhere Forderungen an die Schadstofffreiheit von Abgasen von Ver­ brennungsmotoren gestellt. Dementsprechend muß auch der bei Dieselmotoren vergleichsweise starke Partikelausstoß - insbesondere Ruß - vermindert werden. Hierzu wird einerseits versucht, die Konstruktion der Motoren im Hinblick auf einen geringen Partikelausstoß weiterzu­ entwickeln. Diese Entwicklungsarbeiten können sich prak­ tisch nur bei Herstellung neuer Motoren auswirken.

Darüber hinaus wird versucht, den Partikelausstoß durch Nachverbrennung der Partikel zu vermindern. Hierzu ist es grundsätzlich bekannt, im Abgassystem der Motoren soge­ nannte Abbrandfilter anzuordnen, die für die Abgase durch­ lässig, für die Partikel jedoch weitestgehend undurch­ lässig sind. Derartige Filter können beispielsweise aus keramischen oder metallischen Materialien oder syntheti­ schem Garn bestehen und als monolitisches Filter oder Wickelfilter ausgebildet sein. Die vom Filter zurück­ gehaltenen Partikel verbrennen auf dem Filter, soweit die Abgase einen hinreichenden Sauerstoffanteil enthalten und der Filter bzw. die Abgase eine hinreichende Temperatur haben. Die notwendige Mindesttemperatur sowie der notwen­ dige Sauerstoffanteil im Abgas sind unter anderem abhängig von der Größe sowie Oberflächenbeschaffenheit des Filters und dessen Beladung mit Rußpartikeln. Insbesondere durch Beschichtung des Filters mit katalytisch wirksamem Material kann eine Verminderung der Mindesttemperatur erreicht werden, bei der eine größere Abbrandrate bei hinreichendem Sauerstoffgehalt der Abgase erreichbar ist.

Um die für den Abbrand von Ruß notwendigen Betriebsbe­ dingungen am Abbrandfilter einzuhalten bzw. zu erreichen, kann grundsätzlich in die Steuerung des Motors eingegriffen werden. Beispielsweise läßt sich die Zusammensetzung der Abgase sowie deren Temperatur durch Regelung des Mengen­ verhältnisses zwischen Kraftstoff und Luft verändern, d. h. dem Motor wird je nach Bedarf des Rußabbrandfilters ein "fetteres" oder "mageres" Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt.

Auch dieses Konzept läßt sich praktisch nur bei Herstellung neuer Motoren verwirklichen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Konzept aufzuzeigen, welches außer bei der Neuherstellung von Motoren auch für die Nachrüstung herkömmlicher Motoren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei schnellem bzw. abruptem Übergang von Zug- auf Schub­ betrieb während einer Verzögerungszeit der das Abbrand­ filter beaufschlagende Gasstrom drosselbar und/oder dem Motor geringe Kraftstoffmengen - etwa wie beim Leerlauf­ betrieb - zur Verbrennung zuführbar sind.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei richtig dimensioniertem Abgasfilter die Abbrandrate während der meisten Betriebsphasen des Motors hinreichend groß ist, um Rußansammlungen auf dem Filter zu vermeiden. Gleichwohl können unter verhältnismäßig seltenen Betriebsbedingungen größere Rußansammlungen auftreten. Wenn beispielsweise ein bei tiefer Umgebungstemperatur ausgekühlter Motor mit entsprechend kaltem Abgassystem gestartet wird, so werden "normale" Betriebstemperaturen nur nach einer längeren Betriebszeit erreicht werden können. Abgesehen davon, daß herkömmliche Dieselmotoren bei tiefer Temperatur ohnehin relativ viel Ruß erzeugen, kann dieser Ruß zunächst nicht in hinreichender Menge abgebrannt werden, weil das Abbrand­ filter die dafür notwendige Mindesttemperatur noch nicht erreicht hat. Die Rußansammlung auf dem Abbrandfilter ver­ mindert dann dessen Gasdurchlässigkeit, so daß im Abgas­ system auf der Auslaßseite des Motors ein vergrößerter Gegendruck auftritt. Um die damit verbundene Leistungsver­ minderung des Motors auszugleichen, wird diesem vermehrt Kraftstoff zugeführt, im Falle eines Kraftfahrzeuges dadurch, daß das Fahrpedal ("Gaspedal") stärker getreten wird. Da­ durch wird die Abgastemperatur zwar stark erhöht und führt zu einer entsprechenden Erhitzung des Abbrandfilters. Gleich­ wohl können keine größeren Rußmengen abgebrannt werden, weil die Abgase in solchen Betriebsphasen bei herkömm­ lichen Motoren typischerweise sehr "fett" sind, d. h. einen geringen Sauerstoffgehalt bei erhöhtem Anteil unverbrannter Kraftstoffe enthalten. Sollte in dieser Phase - d. h. bei stark erhitztem Abbrandfilter mit größerer Rußbeladung - ein starker Lastwechsel dahingehend auftreten, daß dem weiterlaufenden Motor kein weiterer Kraftstoff zugeführt wird, so wird im Abgas eine plötzliche Erhöhung des Sauer­ stoffanteils mit der Folge auftreten, daß der auf dem Ab­ brandfilter angesammelte Ruß explosionsartig verbrennt und das Abbrandfilter zerstört.

Die Erfindung verwirklicht den allgemeinen Gedanken, einen plötzlichen Anstieg des Sauerstoffanteiles in den Abgasen eines Motors und damit auch eine plötzliche oder gar explosionsartige Steigerung der Abbrandrate zu vermeiden.

Immer wenn die Motorsteuerung von höherer Leistung schlag­ artig auf verschwindende Leistung umgesteuert wird, wird erfindungsgemäß die mögliche Menge des dem Abbrandfilter zugeführten Sauerstoffes vermindert, indem der Luftdurch­ satz durch den Motor eingeschränkt oder durch weiterhin erfolgende Kraftstoffzufuhr zum Motor sowie durch Verbren­ nung dieses Kraftstoffes im Motor die Menge des freien Sauerstoffes gering gehalten wird.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß die notwendigen Maßnahmen auch bei herkömmlichen Motoren mit relativ geringem Aufwand durchführbar sind. Dementsprechend ist eine Nachrüstung ohne weiteres möglich.

Der Luftdurchsatz des Motors kann in einfacher und zweck­ mäßiger Weise dadurch vermindert werden, daß der Zuluft­ strom zum Motor bei einem ausgeprägten Lastwechsel zwischen Zug- und Schubbetrieb - zumindest vorübergehend - gedrosselt wird. Dazu genügen grundsätzlich bekannte Drosselklappen in den Luftzuführleitungen.

Zusätzlich oder alternativ kann gemäß einer weiteren bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, den Abgasstrom in Strömungsrichtung vor dem Abbrandfilter bei einer plötzlichen Umsteuerung von Schub- auf Zugbetrieb zu drosseln. Eine derartige Drosselung des Abgasstromes ist an sich bekannt und dient normalerweise dazu, schwerere Fahrzeuge mit dem Motor abzubremsen (sogenannte Motorbremse). Zur Sicherung des Abbrandfilters genügt es also, eine ge­ gebenenfalls vorhandene Motorbremse - zumindest vorüber­ gehend - nach schlagartiger Umschaltung von Schub- auf Zugbetrieb automatisch einzuschalten.

Soweit ein Motor ventilgesteuert ist und die Ventilsteuerung eine weitgehende Veränderung der Schließzeiten ermöglicht, läßt sich der Luftdurchsatz des Motors auch durch Verände­ rung der Steuerzeiten erreichen. Beispielsweise können die Einlaßventile eines Viertakt-Kolbenmotors während des Saug­ hubes eines Kolbens zumindest teilweise geschlossen gehalten werden; im übrigen können sich die Öffnungszeiten der Aus­ laßventile weitgehend mit den Öffnungszeiten der Einlaß­ ventile überschneiden.

In besonders einfacher und für Zwecke der Nachrüstung herkömmlicher Motoren geeigneter Weise kann gemäß der Erfindung ein Eingriff in die Kraftstoffzufuhr zum Motor vorgesehen sein, derart, daß eine plötzliche Abschaltung der Kraftstoffzufuhr in jedem Falle unterbleibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß ein Steuerorgan, beispielsweise das Fahrpedal eines Kraft­ fahrzeuges, aus einer Stellung für die Zufuhr größerer Kraftstoffmengen nur verzögert in eine Stellung für unterbrochene Kraftstoffzufuhr zurückgehen kann und beispielsweise zunächst vor Erreichen dieser letzteren Stellung während einer gewissen Verzögerungszeit noch in einer Stellung für geringe Kraftzufuhr bleibt. Zu diesem Zweck können einfache Rückstellhemmungen vorge­ sehen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung noch anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt die einzige Figur eine schaltplanartige Darstellung eines Verbrennungsmotors mit erfindungsge­ mäßer Vorrichtung zur Beeinflussung des Abbrandes auf einem Rußabbrandfilter.

Ein Dieselmotor 1 herkömmlicher Bauart besitzt eine einlaßseitige Luftzuführung 2 sowie ein auslaßseitiges Abgassystem 3 mit einem für die Abgase durchlässigen Rußabbrandfilter 4. Über eine Einspritzpumpe 5 wird dem Motor 1 der zum Betrieb notwendige Dieselkraftstoff steuerbar zugeführt.

Die Steuerung der Kraftstoffzufuhr erfolgt in der Regel durch mittelbare Steuerung der Einspritzpumpe 5.

Für das Verständnis der Erfindung kann der Motor 1 als zwischen die Luftzufuhr 2 und das Abgassystem 3 geschal­ tetes Gebläseaggregat betrachtet werden.

Der Sauerstoffgehalt der Abgase in Strömungsrichtung vor dem Rußabbrandfilter 4 ist einerseits von der Drehzahl des Motors 1 und dementsprechend von dessen "Gebläse­ leistung" abhängig, andererseits wird der Sauerstoffge­ halt auch von der Menge des im Motor verbrannten Kraft­ stoffes beeinflußt.

Erfindungsgemäß sind Maßnahmen vorgesehen, durch die ein für das Abbrandfilter 4 gefährlich schneller Anstieg des Sauerstoffgehaltes der Abgase und eine damit einhergehende explosionsartige Verbrennung von eventuell auf dem Abbrand­ filter vorhandenen Rußansammlungen vermieden wird.

Solche gefährlichen Betriebsphasen für den Abbrandfilter können ohne die nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Maßnahmen auftreten, wenn der Motor 1 von einer Betriebs­ phase mit hoher Leistung und entsprechend erhöhter Dreh­ zahl auf verschwindende Leistung umgesteuert wird, die Drehzahl des Motors 1 und damit die von ihm dem Abgas­ system 3 zugeführten Luftmengen noch groß bleiben. Da in solchen Betriebsphasen bei Motoren mit sogenannter Schub­ abschaltung die Kraftstoffzufuhr zum Motor 1 unterbrochen wird, kann der Sauerstoffanteil der Luft im Motor nicht durch Verbrennungsprozesse vermindert werden. Dement­ sprechend wird dann dem Abgassystem 3 Luft mit hohem Sauerstoffanteil zugeführt.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, in solchen Betriebs­ phasen die zum Abbrandfilter 4 gelangenden Sauerstoffmengen zu vermindern.

Dies kann dadurch erfolgen, daß in der Luftzufuhr 2 eine Drossel 7 wirksam wird.

Statt dessen ist es auch möglich, den Abgasstrom zum Rußab­ brandfilter 4 mittels einer Drossel 8 zu verringern.

Eine weitere Alternative besteht darin, die Gebläse­ leistung des Motors 1 durch Veränderung der Schließzeiten der Einlaß- und/oder Auslaßventile zu verringern.

Schließlich kann auch der Sauerstoffanteil der Abgase dadurch vermindert werden, daß im Motor noch eine Mindest­ menge von Kraftstoff verbrannt wird, welcher den Motor 1 durch entsprechende Steuerung der Einspritzpumpe 5 (bzw. der Einspritzventile) zugeführt wird.

Alle genannten Maßnahmen können auch in grundsätzlich be­ liebiger Kombination eingesetzt werden.

Die Drosseln 7 und 8 können als grundsätzlich bekannte Drosselklappen ausgebildet sein, die im Luftzufuhrweg 2 bzw. auslaßseitig des Motors im Abgassystem 3 anzuordnen sind.

Durch die Erfindung bzw. die vorangehend aufgezeigten Maßnahmen wird insbesondere der für das Abbrandfilter kritische schnelle bzw. abrupte Übergang zwischen Zug- und Schubbetrieb gut beherrschbar. Da bei längerem Zugbetrieb, insbesondere mit hoher Leistung, das Abbrandfilter sehr heiß werden kann, gleichwohl aber Rußansammlungen aufzutreten vermögen, weil die Abgase bei Zugbetrieb mit hoher Leistung relativ wenig unge­ bundenen Sauerstoff mitführen, könnte bei einem plötz­ lichen Übergang zu Schubbetrieb ein explosionsartiger Rußabbrand erfolgen, wenn mit dem Übergang auf Schub­ betrieb ein plötzlicher Anstieg der Menge des unge­ bundenen Sauerstoffes im Abgas verbunden wäre. Indem nun die Erfindung einen plötzlichen Anstieg der Menge des ungebundenen Sauerstoffes im Abgas verhindert und nur einen verzögerten Anstieg der Sauerstoffmengen zuläßt, wird die Abbrandgeschwindigkeit eventueller Rußansammlungen immer unterhalb einer kritischen Grenze gehalten.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Beeinflussung des Abbrandes von Ruß auf Rußabbrandfiltern im Abgasstrom eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere Dieselmotors, insbesondere mit Schubabschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß bei schnellem bzw. abruptem Übergang von Zug- auf Schubbetrieb während einer Verzögerungszeit der das Rußabbrandfilter (4) beaufschlagende Gasstrom drossel­ bar und/oder dem Motor (1) geringe Kraftstoffmengen - etwa wie beim Leerlaufbetrieb - zur Verbrennung zuführbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftzufuhrweg (2) zum Verbrennungsmotor (1) eine Drossel (7) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg zum Rußabbrandfilter (4) eine Drossel (8) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdurchsatz des als Viertakt-Kolben­ maschine ausgebildeten Motors (1) durch Veränderung der Steuerzeiten einlaß- und/oder auslaßseitiger Ventile verminderbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerung der Kraftstoffzufuhr zum Motor eine Rückstellhemmung angeordnet ist, welche eine vollständige Sperrung der Kraft­ stoffzufuhr nur mit Verzögerung zuläßt.