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Die
vorliegende Erfindung betrifft auf allgemeine Weise die Regulierung
einer Regenerationsphase eines Partikelfilters durch Verbrennung
der Partikel, die sich im Filter angesammelt haben, wobei der Filter
auf einer Auspuffleitung eines Verbrennungsmotors, insbesondere
eines Dieselmotors, angebracht und mit einer Oxidationskatalysatorvorrichtung
verbunden ist, die ebenfalls auf der Auspuffleitung oberhalb des
Partikelfilters angebracht ist.
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Verbrennungsmotoren
und vor allem Dieselmotoren geben Schadstoffpartikel an die Atmosphäre ab, deren
Menge verringert werden sollte. Diese Partikel, die aus Russ bestehen,
der bei einer unvollständigen
Verbrennung im Motor gebildet wird, können durch den Einbau eines
Partikelfilters in die Abgasleitung unterhalb der Verbrennungskammern
des Motors in den Abgasen eingefangen werden. Ein solcher Filter
ist so konzipiert, dass er die Partikel zurückhalten kann, die sich in
den Abgasen befinden, die den Filter passieren. Mit der Nutzung
des Motors sammeln sich die Partikel nach und nach im Filter an und
bringen schließlich
einen großen
Gegendruck auf den Auspuff des Motors mit sich, was dessen Leistung
beträchtlich
verringert.
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Um
die Leistung des Motors wieder herzustellen, ist eine Regeneration
des Filters durch Verbrennung der Partikel, die sich angesammelt
haben, bekannt. Dieser Verbrennungsvorgang wird durch die Erhöhung der
inneren Temperatur des Partikelfilters ermöglicht. Um dies zu erreichen
erfolgt im Allgemeinen eine verzögerte
Einspritzung des Kraftstoffs in die Verbrennungskammern des Motors.
Vor allem kann Kraftstoff direkt nach dem oberen Totpunkt während der
Expansionsphase eingespritzt werden, was eine Erhöhung der
Temperatur der Abgase bewirkt. Es ist ebenfalls möglich eine
oder mehrere spätere, das
heißt
deutlich nach dem oberen Totpunkt, Einspritzungen vorzusehen. Der
so eingespritzte Kraftstoff verbrennt nicht in der Verbrennungskammer
des Motors sondern in der Katalysatorvorrichtung, die ebenfalls
in der Auspuffleitung vorgesehen ist, wodurch die Temperatur des
Gases, das dann den Partikelfilter passiert, erhöht wird.
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Der
Partikelfilter ist nämlich
im Allgemeinen mit einer Katalysatorvorrichtung verbunden, die oberhalb
des Filters angebracht ist, um die Schadstoffemissionen zu verringern.
Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenoxid, die aus
den verzögerten
Einspritzungen und den späten
Einspritzungen in die Verbrennungskammern stammen, oxidieren in
der Katalysatorvorrichtung, wobei sie die Temperatur der Gase erhöhen, die
dann den Partikelfilter passieren.
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Die
Regeneration des Partikelfilters kann in regelmäßigen Abständen im Laufe der Regenerationsphasen
erfolgen, sobald die Partikelmenge im Filter zu groß wird.
Die Regenerationsphasen erfolgen während der Motor arbeitet, ohne
dass der Fahrer des Fahrzeugs dies wahrnimmt.
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Es
ist notwendig, die Kraftstoffeinspritzungsmodalitäten während der
Regenerationsphasen präzise
zu regulieren, um zu vermeiden, dass die Verbrennung der Partikel
unkontrolliert erfolgt und eine übermäßige Temperaturerhöhung der
Abgase mit sich bringt, was zu einer Beschädigung des Partikelfilters
führen
könnte.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE
100 33 159 (DAIMLER) oder die japanische Patentanmeldung
JP 2003/65035 (TOYOTA) beschreiben Regulierungssysteme, die einen
Temperatursensor verwenden, der in der Lage ist, die Temperatur
oberhalb des Partikelfilters zu messen. Die Regulierung der Einspritzung
erfolgt in diesen bekannten Vorrichtungen, indem die Menge und/oder
die Verzögerung
der Kraftstoffeinspritzungen in den Motor modifiziert werden, so
dass die Eingangstemperatur des Partikelfilters so nahe wie möglich an
einer bestimmten Solltemperatur gehalten wird. Diese Solltemperatur
ist ausreichend hoch, um die Regeneration des Partikelfilters zu
erlauben und bleibt dennoch bleibt hinreichend niedrig, damit der
Filter nicht beschädigt
werden kann. Auf diese Weise zielt die Regulierung darauf ab, die
Risiken einer unkontrollierten Reaktion während der Regenerationsphasen
des Filters zu vermeiden.
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Die
französische
Patentanmeldung 2 804 168 (PSA) beschreibt einen Partikelfilter,
der mit einer Katalysatorvorrichtung verbunden ist und mehrere Temperatursensoren
enthält.
Die Regulierung während
der Regenerationsphase erfolgt im Wesentlichen unter Berücksichtigung
der direkt unterhalb der Katalysatorvorrichtung gemessenen Temperatur, um
das Überschreiten
der Sicherheitsschwelle zu vermeiden, hinter der der Katalysator
beschädigt sein
könnte.
Dieses Dokument sagt nichts über
den Schutz des Partikelfilters selbst aus.
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Die
französische
Patentanmeldung 2 802 972 (RENAULT) gleicht den vorgenannten bezüglich der
Regulierung im Hinblick auf einen Schutz des Partikelfilters. In
dieser Patentanmeldung wird im Wesentlichen eine Vorrichtung beschrieben,
die es ermöglicht,
den Regenerationsprozess mit einer Temperatur- und Druckmessung
unterhalb des Partikelfilters zu aktivieren.
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Aus
allen diesen vorausgehenden Dokumenten wird ersichtlich, dass der
Temperatureintrag oberhalb des Partikelfilters kontrolliert wird,
indem einzig eine Regulierung der Kraftstoffeinspritzung in den
Motor in Abhängigkeit
von der oberhalb des Partikelfilters gemessenen Temperatur vorgesehen
ist.
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Eine
solche Regulierung ist jedoch nicht völlig zufrieden stellend. Sie
erlaubt es nämlich
nicht, die Kohlenwasserstoff-, Kohlenoxid- oder Lufteinträge zu berücksichtigen,
die in den Abgasen während
der Regenerationsphasen vorhanden sind. Aber diese Bestandteile
oxidieren während
sie die Katalysatorvorrichtung mit hoher Temperatur passieren, wobei sie
Wärme abgeben.
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Alle
diese Elemente sind an der Temperaturerhöhung der Abgase beteiligt,
die dann den Partikelfilter passieren und folglich eine Beschädigung des
Filters mit sich bringen können,
ohne dass eine Regulierungsvorrichtung bekannter Art, die einzig das
Signal der Temperaturmessung oberhalb des Filters empfängt, Zeit
hätte,
zu agieren.
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Die
vorliegende Erfindung hat ein Regulierungssystem und ein Regulierungsverfahren
für die Regenerationsphasen
eines Partikelfilters zur Aufgabe, die es erlauben, alle Parameter
zu berücksichtigen,
die imstande sind, die Temperatur der Gase zu erhöhen, die
den Filter während
der Regenerationsphase passieren.
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Die
vorliegende Erfindung hat vor allem ein Regulierungssystem zur Aufgabe,
das die Wirkung der Kohlenwasserstoff-, Kohlenoxid-, Sauerstoff-
und Russeinträge
sowie die innere Luftdurchflussmenge in der Katalysatorvorrichtung
berücksichtigt.
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Die
vorliegende Erfindung hat außerdem
ein solches System zur Aufgabe, bei dem zur Regulierung der Wärmeeintrag
berücksichtigt
wird, der aus allen Verbrennungs- und/oder Oxidationsreaktionen resultiert,
die in der Katalysatorvorrichtung während der Regenerationsphase
ablaufen.
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In
einer Ausführungsform
weist das Regulierungssystem einen Partikelfilter auf, der im Laufe
einer Regenerationsphase durch Verbrennung der Partikel, die sich
in dem Filter angesammelt haben, regeneriert werden kann. Der Filter
ist auf einer Auspuffleitung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines
Dieselmotors, angebracht und mit einer Oxidationskatalysatorvorrichtung
verbunden, die auf der Auspuffleitung oberhalb des Partikelfilters
angebracht ist. Das System umfasst einen Temperatursensor, der auf
der Auspuffleitung zwischen der Katalysatorvorrichtung und dem Partikelfilter
und einer Vorrichtung zur Regulierung der Kraftstoffeinspritzung
in den Motor in Abhängigkeit
vom Abstand zwischen einer vorbestimmten Solltemperatur und der Temperatur
oberhalb des Partikelfilters angebracht ist. Das System umfasst
ferner ein Mittel, um die innere Temperatur der Katalysatorvorrichtung
während der
Regenerationsphase zu bestimmen und ein Mittel, um die Regulierung
der Kraftstoffeinspritzung in den Motor in Abhängigkeit vom Abstand zwischen
einer vorbestimmten Solltemperatur und der inneren Temperatur der
Katalysatorvorrichtung zu modifizieren.
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Die
Regulierung der Einspritzung während der
Regenerationsphasen des Partikelfilters wird also in Abhängigkeit
von der Wirkung modifiziert, die auf die Katalysatorvorrichtung
durch den Eintrag an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, an Kohlenoxid CO
oder auch an Restsauerstoff in den Abgasen ausgeübt wird, deren Menge von der
Luftdurchflussmenge abhängt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Mittel zur Bestimmung der inneren Temperatur der Katalysatorvorrichtung
einen Temperatursensor, der auf der Auspuffleitung oberhalb der
Katalysatorvorrichtung angebracht ist. Dieses Mittel empfängt ebenfalls
das Signal des Temperatursensors, der auf der Auspuffleitung zwischen
der Katalysatorvorrichtung und dem Partikelfilter angebracht ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Mittel zur Bestimmung der inneren Temperatur der Katalysatorvorrichtung
eine Vorrichtung zur Bewertung der Temperatur oberhalb des Katalysators, die
ein Modell der Funktion der Katalysatorvorrichtung in der Regenerationsphase
umfasst. Auch hier empfängt
dieses Mittel zur Bestimmung der inneren Temperatur das Signal des
Temperatursensors, der auf der Auspuffleitung zwischen der Katalysatorvorrichtung
und dem Partikelfilter angebracht ist.
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In
allen Fällen
erfolgt die Regulierung der Einspritzung bevorzugt durch eine Veränderung
der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder durch die Verzögerung der
Einspritzung im Verhältnis
zur Funktion des Motors außerhalb
der Regenerationsphasen des Partikelfilters.
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Ein
solches Regulierungssystem kann vorteilhafterweise in einem Dieselmotor
verwendet werden, der mit einem Turboverdichter und einem Mittel zur
Wiedereinspritzung eines Teils der Abgase in den Einlass ausgestattet
ist.
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Der
Dieselmotor kann eine gemeinsame Hochdruckeinlassrampe oder eine
Direkteinspritzvorrichtung umfassen.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Regulierungsverfahren einer Regenerationsphase eines Partikelfilters
durch Verbrennung der Partikel, die sich im Filter angesammelt haben,
wobei der Filter auf einer Auspuffleitung eines Verbrennungsmotors, insbesondere
eines Dieselmotors, angebracht und mit einer Oxidationskatalysatorvorrichtung
verbunden ist, die auf der Auspuffleitung oberhalb des Partikelfilters
angebracht ist. Während
der Regenerationsphase wird die Kraftstoffeinspritzung in den Motor in
Abhängigkeit
vom Abstand zwischen einer vorbestimmten Solltemperatur und der
Temperatur oberhalb des Partikelfilters reguliert. Zudem wird während der
gesamten Regenerationsphase die Kraftstoffeinspritzung in den Motor
in Abhängigkeit
vom Abstand zwischen einer vorbestimmten Solltemperatur und der
Temperatur oberhalb des Partikelfilters modifiziert.
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Die
Erfindung wird durch das Studium einer Ausführungsform verständlicher,
die als in keiner Weise beschränkendes
Beispiel genommen wurde, und durch die angefügten Zeichnungen illustriert,
worin:
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1 die
wichtigsten Einlass- und Auspuffelemente eines Verbrennungsmotors
schematisch darstellt, der mit einem Partikelfilter und einer Katalysatorvorrichtung
in der Auspuffleitung ausgestattet ist; und
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2 schematisch
die wichtigsten Elemente einer Regulierungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
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Wie
in 1 illustriert, umfasst der schematisch dargestellte
Verbrennungsmotor 1 mehrere Verbrennungskammern, wie etwa
die in der Figur illustrierte Verbrennungskammer 2 im oberen
Teil eines Zylinders 3, in dessen Inneren sich ein Kolben 4 bewegt.
Ein Einlassventil 5 erlaubt es, den Einlass durch Öffnen oder
Verschließen
des Einlassrohrs 6, das mit der Verbrennungskammer 2 kommuniziert, zu
steuern. Ein Auspuffventil 7 erlaubt es seinerseits, die
Passage der Abgase, die aus der Verbrennungskammer 2 kommen,
in das Abgasrohr 8 zu Verschließen oder zu öffnen.
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Frische
Luft mit Atmosphärendruck,
deren Strom durch den Pfeil 9 symbolisiert wird, dringt
in ein Rohr 10 ein, in dessen Inneren sich ein Durchflussmesser 11 angebracht
befindet. Der Druck der Luft wird durch einen Verdichter 12 erhöht, der
in dem Rohr 10 angebracht ist. Der Verdichter ist auf einer gemeinsamen
Welle 13 auf einer Turbine 14, hier mit variabler
Geometrie, angebracht, die in der Auspuffröhre 8 angebracht ist.
Die Abgase, die die Turbine 14 passieren, bringen so den
Verdichter 12 dazu, den Druck der Luft zu erhöhen, die
in die Verbrennungskammer 2 durch das Einlassrohr 6 eingelassen
wird.
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In
dem illustrierten Beispiel umfasst der Motor 1 ferner ein
System zur teilweisen Wiedereinspritzung der Abgase in den Einlass
(EGR). Zu diesem Zweck wird ein Ableitungsrohr 15 auf das
Abgasrohr 8 oberhalb der Turbine 14 gesetzt. Ein
Regelventil 16, genannt „EGR-Ventil", steuert die Menge der Abgase, die
so durch das Rohr 17 wieder in das Einlassrohr 6 eingespritzt
werden, nachdem sie auf geeignete Weise in der Mischkammer 18 vermischt
wurden. Ferner wird eine regulierbare Steuerklappe 19 in
dem Rohr für
die verdichtete Luft 10 unterhalb des Verdichters 12 und
oberhalb der Mischkammer 18 angebracht.
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Die
Abgasleitung 20 verbindet so die Turbine 14 mit
der Atmosphäre,
wobei das Austreten der Abgase durch den Pfeil 21 symbolisiert
wird. In der Abgasleitung 20 befinden sich eine Vorrichtung 22 direkt unterhalb
der Turbine 14 und ein Partikelfilter 23 unterhalb
der Katalysatorvorrichtung 22 angebracht. Der Partikelfilter 23 ist
klassischer Art und umfasst zum Beispiel elektrostatische Mittel,
um Russ und Partikel einzufangen, die aus dem Motor 1 kommen und
mit den Abgasen in die Abgasleitung 20 transportiert werden.
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Eine
elektronische Steuereinheit 24 gewährleistet die Funktion des
Motors 1 und empfängt
zu diesem Zweck eine gewisse Anzahl an Informationen. Zu diesem
Zweck sind verschiedene Sensoren in den Rohren platziert und deren
Signale werden auf die elektronische Steuereinheit 24 geleitet.
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In 1 wurde
insbesondere ein Drucksensor 25 auf dem Luftzufuhrrohr 10 dargestellt,
der oberhalb der Klappe 19 angebracht ist. Es wurde außerdem ein
Drucksensor 26 dargestellt, der in der Lage ist, den Druck
oberhalb der Turbine 14 zu messen, und ein Temperatursensor 27,
der die Temperatur oberhalb des Turbinenmotors 14 misst.
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Das
Messsignal des Durchflussmessers 11 wird durch die Verbindung 28 auf
einen der Eingänge der
elektronischen Steuereinheit 24 geleitet. Ebenso wird das
Signal, das vom Drucksensor 25 ausgestrahlt wird, durch
die Verbindung 29 auf die elektronische Steuereinheit 24 geleitet.
Die Signale, die von den Sensoren 26 und 27 ausgestrahlt
werden, werden ebenfalls durch die Verbindungen 30 und 31 auf die
Eingänge
der elektronischen Steuereinheit 24 geleitet.
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Die
elektronische Steuereinheit 24 kann insbesondere die Position
des EGR-Ventils 16 durch die Verbindung 32, die
Position der mobilen Klappe 19 durch die Verbindung 33 steuern.
Die elektronische Steuereinheit lenkt außerdem die Kraftstoffeinspritzer 34 durch
die Verbindung 35.
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Zur
Regulierung während
der Regenerationsphase des Partikelfilters 23 umfasst das
System, wie es in 20 illustriert ist,
einen Temperatursensor 36, der in der Auspuffleitung 20 oberhalb
der Katalysatorvorrichtung 22 angebracht ist, und einen Temperatursensor 37,
der in der Abgasleitung 20 unterhalb der Katalysatorvorrichtung 22 angebracht
ist, das heißt,
ebenfalls oberhalb des Partikelfilters 23. Das vom Sensor 36 gemessene
Temperatursignal wird durch die Verbindung 38 auf einen
der Eingänge der
elektronischen Steuereinheit 24 geleitet. Das vom Sensor 37 gemessene
Temperatursignal wird durch die Verbindung 39 auf einen
anderen Eingang der elektronischen Steuereinheit 24 geleitet.
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Die
elektronische Einheit 24 ist in der Lage, aus diesen beiden
Signalen, die von den Sensoren 36 und 37 stammen,
die innere Temperatur der Katalysatorvorrichtung 22 während der
Regenerationsphasen zu bestimmen, zum Beispiel, indem eine Mittelung
durchgeführt
wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann der Sensor 36 durch eine Bewertungsvorrichtung ersetzt werden,
die ein mathematisches Modell der Funktion der Katalysatorvorrichtung 22 in
der Regenerationsphase umfasst und die so in der Lage ist, die innere Temperatur
der Katalysatorvorrichtung 22 in Abhängigkeit von den Daten über die
Elemente, die in die Katalysatorvorrichtung 22 hereinkommen,
zu bestimmen. Das System umfasst also verschiedene Sensoren zur
Messung der Durchflussmengen der verschiedenen Bestandteile, die
durch die Katalysatorvorrichtung hereinkommen, wie etwa Kohlenwasserstoffe,
Kohlenoxid, Sauerstoff, Luft usw.
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2 illustriert
sehr schematisch die wesentlichen Prinzipien, die in der elektronischen
Steuereinheit 24 zur Regulierung der Einspritzung während einer
Regenerationsphase enthalten sind. Auf den Block 40 wird
eine Solltemperatur für
den Partikelfilter 23 geleitet, die zum Beispiel von einem
vorbestimmten Wert stammt, der in der elektronischen Steuereinheit 24 gespeichert
ist. Das entsprechende Signal wird auf einen positiven Eingang eines
Summierers 41 geleitet. Die Temperatur der Abgase, die in
der Auspuffleitung oberhalb des Partikelfilters von dem Sensor 37 gemessen
wird, wird auf den Block 42 geleitet, dessen Ausgang an
den negativen Eingang des Summierers 41 angeschlossen ist.
Der Summierer 41 erzeugt einen Abstand ∊1 zwischen der Solltemperatur 40 und
der oberhalb des Partikelfilters 23 gemessenen Temperatur 42.
Dieser Abstand ∊1 wird an den Eingang
einer Regulierungsvorrichtung 43 geleitet, die zum Beispiel
eine Art Proportional-Integral-Differential-Regler (PID) sein kann, der
an seinem Ausgang 44 ein Signal auslöst, das an einen positiven
Eingang eines Summierers 45 geleitet wird.
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Das
Signal aus dem Regler 43 wird während der Regenerationsphase
in Übereinstimmung
mit der Erfindung durch folgende Mittel modifiziert. Auf den Block 46 wird
eine Solltemperatur geleitet, die der maximalen Temperatur entspricht,
die in der Katalysatorvorrichtung 22 zulässig ist.
Diese Solltemperatur stammt zum Beispiel von einem vorbestimmten Wert,
der in der elektronischen Steuereinheit 24 gespeichert
ist. Dieser Sollwert aus dem Block 46 wird an einen der
Eingänge
einer Vorrichtung zur Berechnung der inneren Referenztemperatur 47 geleitet, welche
durch die Verbindung 48 an einem zweiten Eingang ebenfalls
die vom Sensor 37 gemessene Temperatur empfängt, das
heißt,
die Temperatur, die in der Auspuffleitung zwischen der Katalysatorvorrichtung 22 und
dem Partikelfilter 23 herrscht. Dieser Temperaturwert stammt
aus dem Block 42.
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Am
Ausgang der Vorrichtung zur Berechnung der inneren Temperatur 47 erscheint
ein Signal auf der Verbindung 49, das der inneren Temperatur der
Katalysatorvorrichtung 22 entspricht. Dieses Signal wird
auf einen negativen Eingang eines Summierers 50 geleitet.
Der Summierer 50 empfängt
ebenfalls auf einem positiven Eingang einen Sollwert, der auf den
Block 51 geleitet wird, und der der maximal für die Katalysatorvorrichtung 22 zulässigen Temperatur
entspricht. Diese Solltemperatur ist zum Beispiel ein vorbestimmter
Wert, der in der elektronischen Steuereinheit 24 gespeichert
ist.
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Der
Summierer 50 erzeugt einen Abstand ∊2 zwischen
der Solltemperatur 51 und der inneren Temperatur der Katalysatorvorrichtung 22.
Dieser Abstand ∊2 wird auf einen
Vergleicher 51 geleitet, der bestimmt, ob der Abstand ∊2 positiv oder negativ ist. Wenn der Abstand ∊2 negativ ist, das heißt, wenn die innere Temperatur
des Katalysators, wie durch die Berechnungsvorrichtung 47 bestimmt, über der
maximal im Katalysator zulässigen
Temperatur liegt, die aus dem Block 51 kommt, wird ein
Signal auf der Verbindung 52 am Ausgang des Vergleichers 51 ausgelöst. Dieses
Signal wird an den Eingang eines Reglers 53 geleitet, der
in der Lage ist, auf seinem Ausgang 54 ein Signal auszustrahlen,
das an einen negativen Eingang des Summierers 45 geleitet
wird. Daraus ergeben sich am Ausgang 55 der Regulierungsvorrichtung
eine Veränderung
der einspritzten Mengen und der Einspritzungsverzögerungen
im Verhältnis
zum Signal, das vom Regler 43 ausgestrahlt wird.
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So
wird die Regulierung der Einspritzung modifiziert, indem die innere
Temperatur der Katalysatorvorrichtung 22 berücksichtigt
wird.
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Dank
der vorliegenden Erfindung wird es möglich, den Partikelfilter wirksam
zu schützen,
wobei die Beschädigungsrisiken
vermieden werden, die auf eine übermäßige Temperatur
während
der Regenerationsphasen zurückzuführen sind,
zum Beispiel aufgrund unkontrollierter Oxidationsreaktionen im Inneren
der Katalysatorvorrichtung, die mit dem Partikelfilter verbunden
ist.