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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwaltung des
Betriebs eines Auspuffsystems eines Verbrennungsmotors, von dem
Typ, der einen Partikelfilter und gesteuerte Mittel zur Unterstützung der
Regeneration des Filters aufweist.
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Die
die Umweltverschmutzung und den Verbrauch der insbesondere Straßenfahrzeuge
ausstattenden Verbrennungsmotoren betreffenden Normen werden in
allen Industrieländern
immer härter.
Die Automobilindustrie sucht nach technischen Lösungen, um diesen Verpflichtungen
nachzukommen, ohne die Betriebsleistungen der Motoren zu beeinträchtigen
oder ihre Herstellungskosten zu erhöhen.
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Unter
den bekannten Systemen, um die von den Verbrennungsmotoren und insbesondere
den Dieselmotoren emittierten Rußpartikel zu entfernen, können die
Partikelfilter erwähnt
werden, die in die Auspuffleitungen der Motoren eingefügt sind.
Diese Filter sind geeignet, um die in den Abgasen enthaltenen Rußpartikel
einzuschließen.
Gesteuerte Regenerationsvorrichtungen ermöglichen es, die in den Filtern
eingeschlossenen Partikel periodisch zu verbrennen und deren Verstopfung
zu verhindern.
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Die
Rußpartikel
brennen nämlich
bei Temperaturen in der Größenordnung
von 550 bis 600°C. Diese
Temperaturen werden von den Abgasen eines Dieselfahrzeugmotors selten
erreicht. Zum Beispiel liegt im Stadtverkehr die Temperatur der
Abgase im Allgemeinen zwischen 150 und 250°C. Es ist also notwendig, über geeignete
Mittel zu verfügen,
um die Temperatur der Gase zu erhöhen, wenn man einen solchen
Partikelfilter regenerieren möchte.
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Es
wurden verschiedene Systeme vorgeschlagen. Heizsysteme mittels eines
elektrischen Widerstands, insbesondere Heizgitter, erlauben es,
die Temperatur der Abgase auf einen ausreichenden Wert zu bringen,
um die Verbrennung der Partikel im Filter hervorzurufen.
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Andere
Systeme schlagen vor, die Temperatur der Abgase durch Einspritzen
einer zusätzlichen Menge
von Kraftstoff in mindestens einen der Brennräume in Form einer Nacheinspritzung
zu erhöhen. Nachdem
die für
den klassischen Betrieb des Motors notwendige Kraftstoffmenge eingespritzt
wurde, wird eine zusätzliche
Kraftstoffmenge in einem zweiten Schritt eingespritzt. Ein Teil
dieser zusätzlichen
Kraftstoffmenge entzündet
sich unter Erzeugung einer Erhöhung
der Temperatur der Abgase, der Rest wird in ein Teiloxidationsprodukt
wie Kohlenmonoxid CO und die Kohlenwasserstoffe HC umgewandelt.
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Das
Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe können sich ebenfalls an der
Erhöhung
der Temperatur der Abgase beteiligen, indem sie durch exotherme
Reaktionen vor ihrer Ankunft im Partikelfilter reagieren. Die exothermen
Reaktionen werden bei der Durchquerung eines Oxidationskatalysators erhalten,
der vor dem Partikelfilter angeordnet ist. Um den für die Verbrennung
der Rußpartikel
notwendigen energetischen Aufwand zu minimieren, ist es außerdem ebenfalls
bekannt, die Verbrennungstemperatur der Ruße zu senken, indem geeignete
Katalysatoren verwendet werden. So ist es bekannt, dem Kraftstoff
einen Zusatzstoff hinzuzufügen,
wie zum Beispiel eine metallorganische Verbindung. Der Zusatzstoff
findet sich in den Rußpartikeln
wieder, was es ihm ermöglicht,
bei der Verbrennung der Rußpartikel
die Aufgabe eines Katalysators zu übernehmen und die Zündtemperatur
dieser letzteren zu senken.
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Der
Einsatz dieser verschiedenen Systeme zur Unterstützung der Regeneration wird
von einem elektronischen Steuersystem gesteuert, das in Abhängigkeit
von einer gewissen Anzahl von Parametern, und insbesondere der Beladung
des Partikelfilters, den Moment der Regeneration bestimmt.
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So
offenbart die Druckschrift
FR
2 774 421 ein System zur Verwaltung des Betriebs eines
Partikelfilters, der einem Dieselmotor zugeordnet ist, und beschreibt
den Einsatz der Mittel zur Unterstützung der Regeneration, der
ausgelöst
wird, wenn die Rußmasse
im Filter über
einem Schwellwert liegt. Diese Rußmasse wird ausgehend von der
Messung des Druckverlusts an den Anschlüssen des Partikelfilters und
den Betriebsbedingungen des Motors bestimmt.
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Die
Kenntnis der eingeschlossenen Rußmasse ist ein wichtiger Datenwert
für die
Steuerung der Mittel zur Unterstützung
der Regeneration. Wenn der Rußpegel
zu gering ist, ist es sehr schwierig, ihn zu verbrennen, und wenn
die Rußmasse
zu groß ist, kann
die stark exotherme Verbrennung des Rußes den Filter zerstören.
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Die
Druckschrift
FR 2 802 972 schlägt vor, die
Dauer des Einsatzes der Mittel zur Unterstützung der Regeneration zu minimieren,
um ihren Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch zu begrenzen, indem
der Einsatz der Mittel zur Unterstützung der Regeneration gemäß vorbestimmten
Kriterien ausgelöst
wird, wie die Beladung des Filters mit Partikeln. Die Betriebsparameter
der Mittel zur Unterstützung
der Regeneration, wie die Dauer oder die Intensität, werden gemäß dem Ablauf
der Regeneration des Filters eingestellt. Der Beginn der Verbrennung
kann ausgehend von der Schätzung
oder der Messung der vom Filter freigesetzten Energie bestimmt werden.
Der Beginn der Verbrennung kann ebenfalls ausgehend von einer Schätzung der
Temperatur der Gase am Ausgang des Filters bestimmt werden, indem
die Hypothese aufgestellt wird, dass es keine Verbrennung im Filter
gibt, und indem diese geschätzte
Temperatur mit der gemessenen realen Temperatur verglichen wird.
Das Löschen
kann in ähnlicher
Weise bestimmt werden. Der Temperaturanstieg der Abgase für den Beginn
der Verbrennung der Partikel kann durch eine einfache Steuerung
der Einspritzdüsen durchgeführt werden,
indem zum Beispiel in der Expansionsphase eine zusätzliche
Kraftstoffmenge eingespritzt wird, und dies während einer gegebenen Anzahl
von Zyklen des Motors. Ein solches Verfahren ist zufriedenstellend.
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Es
hat sich aber die Notwendigkeit herausgestellt, die Stabilität der Verbrennung
im Verbrennungsmotor aufrechtzuerhalten und eine relativ feine Steuerung
der Temperatur des Partikelfilters durchzuführen. Der Temperaturbereich,
in dem die Regeneration eines katalytischen Partikelfilters gesteuert werden
muss, ist relativ schmal, in der Größenordnung von 80°C. Unterhalb
dieses Bereichs kann die Verbrennung nicht stattfinden, und darüber hinaus besteht
die Gefahr der Beschädigung
der katalytischen Elemente des Partikelfilters. Außerdem variiert die
Brenngeschwindigkeit der Ruße
stark innerhalb des Bereichs. Es hat sich also als notwendig herausgestellt,
die Temperatur des Partikelfilters mit einer Präzision in der Größenordnung
von mehr oder weniger 20°C
zu steuern, wobei im Fall eines Turbomotors eine maximale Temperatur
vor der Turbine beachtet wird. Für
den gleichen Betriebspunkt des Motors, der von der Drehzahl und
der Last bestimmt wird, können
Größen wie
der Auspuffgegendruck, die Lufttemperatur an der Ansaugseite oder
Herstellungsstreuungen des Motors für die gleiche Einstellung der
Einspritzparameter zu Streuungen in der Größenordnung von mehr oder weniger
80°C vor dem
Filter führen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Regeneration eines
Partikelfilters vom klassischen oder vom katalytischen Typ unter
Beachtung des notwendigen Temperaturbereichs zu erlauben, und dies möglichst unabhängig von
den Parametern, die die Temperatur beeinflussen können.
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Das
Verfahren zur Verwaltung der Regeneration eines Partikelfilters,
der zur Ausstattung eines Verbrennungsmotors gehört, weist gemäß einem
Aspekt der Erfindung die Anwendung einer ersten Kraftstoffeinspritzung
und einer Hauptkraftstoffeinspritzung auf, wobei eine Kraftstoffmenge
zwischen der ersten Einspritzung und der Haupteinspritzung verteilt
wird, die die Aufrechterhaltung des Solldrehmoments gewährleistet,
indem die Kraftstoffmenge der ersten Einspritzung verändert wird,
um die Drehmomentänderung
zu kompensieren, die von der Veränderung
der Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung bewirkt wird, in Abhängigkeit
von der Brenntemperatur der Partikel des Partikelfilters oder der
Temperatur stromaufwärts
vor einer Turbine.
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Bei
konstanten Betriebsbedingungen erlaubt es die Verteilung einer Kraftstoffmenge
zwischen der ersten Einspritzung und der Haupteinspritzung, die Temperatur
der in den Partikelfilter eintretenden Abgase zu erhöhen oder
zu verringern. Die Veränderung
der Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung hat einen ausschlaggebenden
Einfluss auf die Temperaturänderung,
während
die Veränderung
der Kraftstoffmenge der ersten Einspritzung einen ausschlaggebenden
Einfluss auf die Kompensation der Drehmomentänderung hat, die durch die Änderung
der Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung verursacht wird. Man kann
so ein konstantes Drehmoment beibehalten, was es ermöglicht,
eine Regeneration des Partikelfilters durchzuführen, ohne dass der Fahrer eine
Veränderung
der Betriebsbedingungen seines Fahrzeugs bemerkt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die Temperatur der Gase stromaufwärts vor
dem Partikelfilter und stromaufwärts
vor der Turbine gemessen.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Temperatur der Gase stromaufwärts vor
dem Partikelfilter geschätzt.
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Vorteilhafterweise
wird die Haupteinspritzung um einen Winkel φ ungleich Null bezüglich des oberen
Totpunkts eines entsprechenden Kolbens verzögert.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung weist die erste Einspritzung zwei Einspritzphasen auf.
Eine Einspritzphase kann vor dem oberen Totpunkt eines entsprechenden
Kolbens, und eine andere Einspritzphase nach dem oberen Totpunkt
des gleichen Kolbens stattfinden. Eine Einspritzphase kann direkt
nach dem oberen Totpunkt eines entsprechenden Kolbens stattfinden.
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Die
Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung wird erhöht, während die Kraftstoffmenge der
zweiten Phase der ersten Einspritzung verringert wird, um die Ausgangstemperatur
der Abgase zu erhöhen
und die Verbrennung der Partikel des Partikelfilters bei konstantem
Drehmoment zu beginnen oder aufrechtzuerhalten. Umgekehrt kann man
die Kraftstoffmenge der zweiten Phase der ersten Einspritzung erhöhen und
die Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung verringern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Veränderungen
der Kraftstoffmenge der ersten Einspritzung und diejenige der Haupteinspritzung
unterschiedlich, aber miteinander verbunden, zum Beispiel durch
ein Modell, das durch eine Softwarefunktion hergestellt wird, die
die Aufrechterhaltung des Solldrehmoments gewährleistet, indem sie sich auf
den jeder Einspritzung eigenen Verbrennungswirkungsgrad stützt. Wenn
man zum Beispiel einer Erhöhung
der Temperatur im Partikelfilter entgegenwirken möchte, verringert
man die Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung um eine Menge Qp, und man erhöht die Menge der zweiten Phase der
ersten Einspritzung um eine Menge Q1 < Qp,
die berechnet wird, um das Drehmoment konstant zu halten.
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Die
Erfindung schlägt
ebenfalls ein System zur Regeneration eines Partikelfilters vor,
der zur Ausstattung eines Verbrennungsmotors gehört. Das System weist ein Mittel
zur Verteilung von Kraftstoff zwischen einer ersten Kraftstoffeinspritzung
und einer Hauptkraftstoffeinspritzung auf, die die Aufrechterhaltung
des Solldrehmoments gewährleistet,
indem die Kraftstoffmenge der ersten Einspritzung verändert wird,
um die Drehmomentänderung
zu kompensieren, die durch die Veränderung der Kraftstoffmenge
der Haupteinspritzung bewirkt wird, in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur
der Partikel des Partikelfilters. Man erhöht die Kraftstoffmenge der
Haupteinspritzung bei gleichzeitiger Verringerung der Kraftstoffmenge
der ersten Einspritzung, um die Ausgangstemperatur der Abgase zu
erhöhen
und die Verbrennung der Partikel des Partikelfilters bei konstantem
Drehmoment zu beginnen oder aufrechtzuerhalten. Vorteilhafterweise
weist das System einen Sensor zur Messung der Temperatur der Gase
stromaufwärts
vor dem Partikelfilter auf. Das System kann ebenfalls eine Schätzfunktion
der Temperatur der Gase stromaufwärts vor dem Partikelfilter
aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist das System mit einer Steuereinheit des Motors
verbunden. Das System kann einen Befehl zur Verteilung von Kraftstoff
zwischen der ersten Einspritzung und der Haupteinspritzung senden.
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Die
Erfindung schlägt
ebenfalls einen Verbrennungsmotor vor, der ein Kraftstoffzulaufsystem, eine
Steuereinheit, die fähig
ist, das Einspritzsystem zu steuern, einen Partikelfilter, der am
Abgasaustritt montiert ist, und ein Regenerationssystem des Partikelfilters
aufweist, das mit einem Mittel zur Verteilung von Kraftstoff zwischen
einer ersten Kraftstoffeinspritzung und einer Hauptkraftstoffeinspritzung
in Abhängigkeit
von der Verbrennungstemperatur der Partikelfilter versehen ist.
Das Regenerationssystem kann mit der Steuereinheit verbunden werden,
um die geeigneten Befehle an es zu senden.
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Die
Erfindung ermöglicht
also eine ausreichend genaue Steuerung der Temperatur im Partikelfilter
mit Aufrechterhaltung des vom Motor gelieferten Drehmoments und
ermöglicht
es also, katalytische Partikelfilter einzusetzen, die besonders
wirkungsvoll sind, aber einen schmalen Verbrennungstemperaturbereich
benötigen.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden anhand der ausführlichen
Beschreibung von einigen Ausführungsformen,
die als nicht einschränkend
zu verstehende Beispiele angegeben und von den beiliegenden Zeichnungen
veranschaulicht werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors, der mit einem Partikelfilter
versehen ist, der das Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung
anwendet;
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2 ein
Diagramm, das die Einspritzphasen zeigt; und
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die 3 und 4 Diagramme,
die verschiedene Typen von Einspritzphasen zeigen.
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In 1 wurden
nur die Elemente dargestellt, die zum Verständnis der Erfindung notwendig sind.
Ein Verbrennungsmotor 1 ist dazu bestimmt, ein Fahrzeug
wie ein Automobil zu bestücken.
Der Motor 1 kann ein mittels Turbolader aufgeladener Dieselmotor
mit vier Zylindern in Reihe und direkter Kraftstoffeinspritzung
sein. Der Motor 1 weist einen Ansaugtrakt 2, der
seine Versorgung mit Luft gewährleistet,
einen Motorkontroll-Rechner 3,
ein Druckkraftstoffsystem 4 vom Typ Hochdruck mit gemeinsamem
Verteilerrohr, und eine Auspuffleitung 5 auf. Das Einspritzen
des Kraftstoffs in die Zylinder wird von nicht dargestellten elektromagnetischen
Einspritzdüsen
gewährleistet,
die in die Brennräume
münden und
vom Rechner 3 ausgehend vom Druckkraftstoffsystem 4 gesteuert
werden.
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Am
Ausgang des Motors 1 durchqueren die in der Auspuffleitung 5 abgeführten Abgase
einen Partikelfilter 6. Verschiedene Sensoren 7,
wie Druck- und Temperatursensoren,
sind vor und hinter dem Partikelfilter 6 angeordnet und
liefern entsprechende Informationen an den Rechner 3. Ein
Luftdurchflussmesser 8 ist in den Saugtrakt 2 montiert,
um an den Rechner 3 Informationen über die Durchflussmenge der
den Motor speisenden Ansaugluft zu liefern. Es können ebenfalls Druck- und Temperatursensoren 9 vorgesehen
sein. Man kann ebenfalls die Auspuffleitung 5 mit einem
Oxidationskatalysator 10 ausstatten, der die zu verbrennenden
Wasserstoffemissionen HC und Kohlenmonoxidemissionen CO verarbeitet.
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Der
Motor 1 weist ebenfalls einen Abgasrückführkreis 11 auf, der
mit einem Ventil 12 ausgestattet ist, dessen Öffnung vom
Rechner 3 gesteuert wird. So kann man Abgase wieder in
den Saugtrakt 2 einführen.
Der Rechner 3 weist in üblicher
Weise einen Mikroprozessor oder Zentraleinheit, Arbeitsspeicher,
Festspeicher, Analog/Digital-Wandler und verschiedene Eingangs-
und Ausgangsschnittstellen auf.
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Der
Mikroprozessor des Rechners 3 weist elektronische Schaltungen
und die geeigneten Softwareprogramme auf, um die von den verschiedenen Sensoren
kommenden Signale zu verarbeiten, daraus die Zustände des
Motors abzuleiten und die geeigneten Steuersignale insbesondere
für die
verschiedenen gesteuerten Stellelemente wie die Einspritzdüsen zu erzeugen.
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Der
Rechner 3 steuert also den Druck des Kraftstoffs in der
Rampe 4 und die Öffnung
der Einspritzdüsen,
und dies ausgehend von den Informationen, die von den verschiedenen
Sensoren geliefert werden, und insbesondere über die angesaugte Luftmasse,
die Motordrehzahl sowie über
gespeicherte Kalibrierungen, die es ermöglichen, die gewünschten Verbrauchs-
und Betriebsleistungspegel zu erreichen. Die Öffnung der Einspritzdüsen wird
genauer durch den Moment des Beginns der Einspritzung und die Öffnungsdauer
der Einspritzdüsen
definiert, eine Dauer, die für
einen gegebenen Vorratsdruck einer eingespritzten Kraftstoffmenge
und somit einem Gehalt des die Brennräume füllenden Gemischs entspricht.
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Der
Rechner 3 ist ebenfalls geeignet, um die Verwaltung des
Betriebs des Auspuffsystems und insbesondere des Partikelfilters 6 zu
gewährleisten. Insbesondere
leitet der Rechner 3 ausgehend von den insbesondere von
den Drucksensoren 7 gelieferten Informationen den Füllpegel
des Filters ab. Der Rechner 3 löst anschließend in Abhängigkeit vom Rußbeladungswert
des Filters eine Phase der Regeneration gemäß geeigneten Strategien aus.
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Die
Regenerationsphase besteht hauptsächlich darin, die Temperatur
der den Filter 6 durchquerenden Abgase zu erhöhen, um
die Verbrennung der eingeschlossenen Partikel durchzuführen. Die
Erhöhung
der Temperatur wird durch den Einsatz der geeigneten Mittel zur
Unterstützung
der Regeneration begonnen, insbesondere eine Veränderung der Einspritzbedingungen.
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Selbstverständlich kann
jedes andere Filter-Regenerationssystem
verwendet werden, das durch direktes Heizen des Filters oder der
Ruße arbeitet.
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In 2 ist
der Fall einer normalen Einspritzung dargestellt, die eine Voreinspritzung,
dann eine Periode, während
der keine Einspritzung durchgeführt
wird, und schließlich
eine Haupteinspritzung aufweist, deren Dauer zwei bis dreimal so
lang ist wie die Voreinspritzung, und die sich nahe dem oberen Totpunkt
des Kolbens in dem Zylinder befindet, der normalerweise als der
Nullwinkel der Kurbelwelle referenziert und mit PMH bezeichnet wird.
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In 3 ist
der Fall einer Voreinspritzung mit zwei Einspritzphasen dargestellt,
einer ersten Phase deutlich vor dem oberen Totpunkt, einer zweiten
Phase, die am Totpunkt beginnt, wobei die zwei Einspritzphasen durch
eine Phase des Nicht-Einspritzens getrennt sind. Die Haupteinspritzung
ist verzögert
und beginnt im Winkel φ nach
dem oberen Totpunkt.
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In 4 ist
der Fall dargestellt, in dem man einer Erhöhung der Auspufftemperatur
entgegenwirken möchte.
Die Dauer der ersten Phase der Voreinspritzung wird beibehalten.
Die Dauer der zweiten Phase der Voreinspritzung wird erhöht, und
die Dauer der Haupteinspritzung wird verringert. Unter Berücksichtigung
des konstanten Drucks im gemeinsamen Verteilerrohr der Einspritzung
ist die eingespritzte Kraftstoffmenge im Wesentlichen proportional
zur Dauer der Einspritzung. Man sieht, dass man die Kraftstoffmenge
in der Haupteinspritzung um eine Menge Qp verringert
hat, um die Temperatur am Auspuff des Motors zu reduzieren. Man
hat die Menge der zweiten Phase der Voreinspritzung um eine Menge
Q1 < Qp erhöht,
die berechnet ist, um das vom Motor gelieferte Drehmoment konstant
zu halten.
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Wenn
man dagegen einer Verringerung der Auspufftemperatur entgegenwirken
möchte,
führt man
die Erhöhung
der Kraftstoffmenge in der Haupteinspritzung um eine Menge Qp durch, um die Ausgangstemperatur der Abgase
und somit die Temperatur des Partikelfilters zu erhöhen, und
man verringert die Menge der zweiten Phase der Voreinspritzung um
eine Menge Q1 < Qp, die ebenfalls
berechnet ist, um das Drehmoment konstant zu halten. Das Verhältnis zwischen
den Mengen Qp und Q1 kann
vorab bestimmt und in einer Tabelle gespeichert werden, oder gemäß einer
Softwarefunktion bestimmt werden, die vom Rechner 3 angewendet
wird. Natürlich wird
die Drehzahl des Motors berücksichtigt,
die das Verhältnis
zwischen einem Kurbelwellen-Winkelbereich und einer Zeitdauer und
somit eine eingespritzte Menge variieren lässt.
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Mit
Hilfe der Erfindung wird die Regeneration von Partikelfiltern, selbst
von unterschiedlichen Typen, gewährleistet,
unabhängig
vom Beladungszustand des Partikelfilters, den Umgebungsbedingungen
und den Streuungen des Motors, unter gleichzeitiger Vermeidung der
Zerstörung
des Filters durch eine zu hohe Temperatur. Die Erfindung erlaubt
also eine Erhöhung
der Zuverlässigkeit
der Regeneration und eine Reduzierung der Gefahr der Zerstörung des Filters,
sowie eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Vermeiden
einer zu hohen Temperatur, die durch eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge
erhalten wird.