DE60312319T2

DE60312319T2 - Verfahren zur regenerierung eines teilchenfilters und fahrzeug, in dem solch ein verfahren verwendet wird

Info

Publication number: DE60312319T2
Application number: DE60312319T
Authority: DE
Inventors: Per Persson
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: EP1502013B1; EP1502013A1; BR0309834B1; US20050172617A1; SE0201410L; WO2003095808A1; CN100404807C; US7331172B2; CN1666014A; JP2005532495A; ATE356284T1; SE522146C2; BR0309834A; JP4343102B2; SE0201410D0; AU2003230482A1; DE60312319D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf ein Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters, der in einem Abgaskanal angebracht und an einem Verbrennungsmotor befestigt ist, sowie auf ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Bei dem Verbrennungsvorgang in Dieselmotoren werden außer Wasserdampf, Stickstoffoxiden und Kohlendioxid auch Rußpartikel gebildet. Um den Ausstoß von Rußpartikeln zu verringern, kann in dem Abgaskanal ein Partikelabscheider angeordnet sein. Dabei werden die Rußpartikel in dem Partikelabscheider abgefangen, wodurch die Abgase gereinigt werden. Beispielsweise wird in der EP 341 832 ein System beschrieben, das einen Filter enthält, in dem die Rußpartikel abgefangen werden. Die Rußpartikel werden dann in einer Umgebung von Stickstoffdioxiden verascht. Das Stickstoffdioxid wird aus dem in den Abgasen vorhandenen Stickstoffmonoxid in einem Oxidationskatalysator gebildet, der stromaufwärts von dem Filter angeordnet ist. Ein Problem bei dem in der EP 341 832 beschriebenen System ist, dass die Leistungsfähigkeit zur Umwandlung von Rußpartikeln in Kohlendioxid unter Arbeitsbedingungen bei niedrigen Abgastemperaturen gering ist, was bedeutet, dass die Regenerierung des Partikelfilters zu viel Zeit beansprucht oder dort, wo sie angewendet werden kann, nicht ausreicht, was dazu führt, dass der Filter fortschreitend verstopft wird, was in der Folge zu einem Druckabfall führt. Dies heißt wiederum, dass der Filter oft gewartet werden muss.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters mit einem hohen Maß an Umwandlung zur Verfügung zu stellen. Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren liefert eine Einspritzeinheit, die an dem Verbrennungsmotor angeordnet ist, Kraftstoff an ein in dem Verbrennungsmotor angeordneten Abgassystem, und zwar an einem zeitlichen Betriebspunkt, an dem der Verbrennungsmotor in einem Betriebsmodus arbeitet, der einer Motorbremsung entspricht, wobei die Temperatur der genannten Gasmischung in dem Abgaskanal steigt. Eine Katalysatoreinheit, die in dem Abgaskanal in thermischer Verbindung mit dem Partikelfilter angeordnet ist, wird dem zugeführten Kraftstoff ausgesetzt, der oxidiert wird mit dem Ergebnis, das der Rußpartikelfilter auf eine solche Temperatur erhitzt wird, dass die Rußpartikel durch Reaktion mit dem Sauerstoff, der in den Abgasen vorhanden ist, in Kohlendioxid umgewandelt werden. Die Einspritzeinheit kann aus einer getrennten Einheit bestehen, die eine in dem Abgaskanal angeordnete Düse aufweist oder aus dem vorhandenen Einspritzsystem des Verbrennungsmotors.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass die Temperatur der Abgase beim Abbremsen des Motors höher ist als während des normalen Betriebes. Es kann zum Beispiel festgestellt werden, dass die Abgastemperatur stromabwärts von einer Abgastemperatur und bei geringer Last ungefähr 200° C beträgt, bei einer mittleren Last ungefähr 300° C und bei einer hohen Last 400° C. Die Temperatur stromabwärts von der Turbine kann während der Abbremsung des Motors in diesen Fällen bis zu ungefähr 500° C betragen, was davon abhängt, mit welcher Auswirkung sie beim Abbremsen des Motors absorbiert wird. Damit bei der Oxidation von Kohlenstoffpartikeln eine Umsetzung von C + O₂ → CO₂ stattfindet, ist indessen eine Umgebungstemperatur von ungefähr 600° C erforderlich. Diese Temperatur wird mittels einer Injektion von Kraftstoff in eine oder mehrere Verbrennungskammern erreicht, wobei der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer hindurch und in einem nicht benutzten Zustand in den Abgaskanal strömt. Alternativ kann der Kraftstoff durch eine separat angeordnete Einspritzeinheit direkt in das Abgassystem eingespritzt werden. Der Kraftstoff wird dann durch den Kontakt mit dem Oxidationskatalysator oxidiert, der stromaufwärts von dem Filter angeordnet ist, wodurch die Reaktionsenergie, die sich entwickelt hat, den Filter bis auf eine Entzündungstemperatur für die Oxidation der Kohlenstoffpartikel bei der Umsetzung von C + O₂ → CO₂ aufheizt.
EP 1174612 bezieht sich auf ein Nachbehandlungssystem für die Abgase eines Motors, bei dem während der Abbremsung des Motors und während einer Regenerierungsphase überschüssiger Kraftstoff zu dem Abgaskanal geführt wird, um eine übermäßige Abkühlung des Systems zu vermeiden, um so einen Partikelfilter zu reinigen. In EP 1174612 erzeugt das Abbremsen des Motors Abgase mit einer niedrigen Temperatur und vermeidet so, das eine Regenerierung stattfindet.
Als Motorbremsung können alle Systeme eingesetzt werden, bei denen der Verbrennungsmotor eine Kompression auf eine Gasmischung ausübt, die durch den Abgaskanal strömt ohne eine entsprechende Expansionsarbeit, die von der eingesetzten Gasmischung ausgegangen ist. Beispiele derartiger Systeme werden in SE 466 320 , SE 470 363 , SE 502 614 , SE 502 914 und SE 512 484 beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kraftstoff durch Düsen zugeführt, die an den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors angeordnet sind. In diesem Fall wird, wie oben festgestellt wurde, der Kraftstoff dann zugeführt, wenn eine Steuereinheit von einem Betriebsmodus ausgeht, bei dem die Abbremsung des Motors aktiviert wurde und in einem derartigen Zustand, bei dem der Brennstoff die Möglichkeit hat durch die Verbrennungskammer in den Abgaskanal zu gelangen und zwar in einem unverbrauchten oder nur teilweise verbrauchten Zustand. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kraftstoff in einer verzögerten Stellung des Kurbelwinkels bezogen auf eine normale Einspritzung, d.h. während des Expansionshubes oder später zugeführt wird. Diese verzögerte Kurbelwinkelstellung entspricht 90° nach dem oberen Totpunkt, wenn ein Abgasdruckregler eingesetzt wird und 30° nach dem oberen Totpunkt, wenn eine Abgasbremse eingesetzt wird, wie sie in SE 466 320 beschrieben wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Fahrzeug, in dem dieses Verfahren eingesetzt wird.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das einen Motor aufweist, der mit einem Partikelfilter ausgerüstet ist, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens regeneriert wird;
2 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, der mit einem Partikelfilter und einer Vorrichtung zur Ausführung einer Motorbremsung ausgerüstet ist;
3 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, der mit einem Partikelfilter und einer Einrichtung zur Ausführung einer Motorbremsung ausgerüstet ist und einen Regler für den Druck des Abgases zur variablen Einstellung des Motorbremseffekts aufweist;
4 eine schematische Darstellung eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens und eines einstellbaren Abgasventils zur Ausführung einer Motorbremsung;
5 eine schematische Darstellung der Volumenströmung der Menge an eingespritztem Kraftstoff während des normalen Arbeitens und während der Motorbremsung bei der Regenerierung;
6 eine Darstellung in Form einer Matrix zur Bestimmung der Kraftstoffmenge, die während des normalen Arbeitens eingespritzt wird;
6a eine Darstellung in Form einer Matrix zur Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge und der Stellung des Kurbelwinkels zur Einspritzung während der Motorbremsung zur Regenerierung des Partikelfilters;
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regenerierung eines Partikelfilters, bei dem bei der Motorbremsung der Kraftstoff spät eingespritzt wird;
8 eine schematische Darstellung eines Steuerungsalgorithmus zur Regenerierung eines Partikelfilters; und
9 eine schematische Darstellung des Umwandlungsgrades von Stickstoffoxid zu Stickstoffdioxid als Funktion der Temperatur und somit des Wirkungsgrades der Umwandlung von Rußpartikeln in der Stickstoffdioxidumgebung als Funktion der Abgastemperatur.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Fahrzeug 1, das mit einem Verbrennungsmotor 2 ausgerüstet ist und mit einem an dem Verbrennungsmotor 2 befestigten Getriebe 3 ausgerüstet ist. Das Getriebe 3 weist eine nach außen gehende Antriebswelle 4 auf, die über eine Gelenkwelle 5 wenigstens ein Paar von Antriebsrädern 6 antreibt. Das Fahrzeug 1 ist in üblicher Weise um einen Rahmen 7 aufgebaut, der von den genannten Antriebsräder 6 und vorzugsweise von einem Satz lenkbarer Räder 8 getragen wird. Das Fahrzeug weist vorzugsweise eine Kabine 9 auf.
Der Verbrennungsmotor 2 ist in üblicher Weise mit einem Abgassystem 10 ausgerüstet, das eine an den Auslässen des Verbrennungsmotors befestigte Abgasrohrverzweigung 10 aufweist. In dem Abgassystem 10 ist vorzugsweise eine Turbine 12 angeordnet, die vorzugsweise in einem Turboaggregat enthalten ist und somit mechanisch an einem Kompressor befestigt ist, der auf der Einlassseite des Verbrennungsmotors angeordnet ist (nicht dargestellt) oder alternativ in einem Gesamtsystem mechanisch zu der Antriebswelle des Verbrennungsmotors zurückgeführt ist.
Der Verbrennungsmotor besteht aus einem Dieselmotor was bedeutet, dass während des Verbrennungsprozesses Rußpartikel gebildet werden. Das Abgassystem ist deswegen mit einem Partikelfilter 13 ausgerüstet, der in dem Abgassystem 10 angeordnet ist. In thermischer Verbindung mit dem Partikelfilter ist ein Oxidationskatalysator 14 angeordnet. Die thermische Verbindung bedeutet, dass die in dem Oxidationskatalysator stattfindende Reaktion in der Lage ist, den Partikelfilter aufzuheizen. Zu diesem Zweck ist der Oxidationskatalysator gewöhnlich stromaufwärts und in enger Nachbarschaft zu dem Partikelfilter angeordnet; es ist aber auch möglich, den Partikelfilter und den Oxidationskatalysator auf einer gemeinsamen Tragkonstruktion zu vereinigen, wo das Katalysatormaterial auf dem Filterkörper verteilt wird.
Der Oxidationskatalysator und der Partikelfilter können vorzugsweise so geformt sein, wie dies in EP 341 832 oder EP 835 684 beschrieben wird. In dem Partikelfilter 13 werden Rußpartikel gefangen. In dem Oxidationskatalysator findet eine kontinuierliche Überführung von Stickstoffmonoxiden NO zu Stickstoffdioxiden NO₂ statt. Eine kontinuierliche Oxidation der Rußpartikel findet dann in der Stickstoffdioxidumgebung statt, wobei die Rußpartikel zu Kohlenstoffdioxid während irgendeines, einiger oder aller der Umsetzungen NO₂ + C → NO + CO, NO₂ + C → ½N₂ + CO₂ oder 2NO₂ + C → 2NO + CO₂. Wegen des relativ geringen Gehalts an NO_x und insbesondere an NO₂ sind diese Prozesse indessen zu langsam, um den Filter bei niedrigen Temperaturen und/oder bei geringer Motorbelastung zu regenerieren. Sogar eine gestörte Wirkungsweise der NO₂-Bildung, die zum Beispiel durch eine Schwefelvergiftung gestört ist, kann zu einer behinderten Rußverbrennung führen.
2 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Verbrennungsmotors 2, der erfindungsgemäß für die Regenerierung eines Partikelfilters ausgestaltet ist. Der Verbrennungsmotor ist in üblicher Weise an einem Getriebe 3 befestigt. Der Verbrennungsmotor 2 weist ein Einlassgehäuse 15 auf, das sowohl mit den Einlässen (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors als auch mit dem Einlasskanal 16 verbunden ist. Der Einlasskanal 16 weist vorzugsweise einen Kompressor 17 auf, der vorzugsweise mit einer Turbine 12 verbunden ist, die in einem Turboaggregat vorhanden ist. Dort, wo dies anwendbar ist, kann ein Kühler 18 für aufgeladene Luft in dem Einlasskanal angeordnet sein.
Der Verbrennungsmotor 2 weist außerdem eine Abgaseinrichtung 10 auf, die an den Auslässen (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors befestigt sind. Die Abgaseinrichtung enthält eine Abgasrohrverzweigung 11 und stromabwärts von der Verzweigung 11 eine Abgasturbine 12. Außerdem sind ein Partikelfilter 13 und ein Oxidationskatalysator in dem Abgaskanal 10 angeordnet. In dem gezeigten Beispiel einer Ausführungsform ist der Oxidationskatalysator 14 getrennt und stromaufwärts von dem Partikelfilter 13 angeordnet. Bei einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, den Oxidationskatalysator und den Partikelfilter auf der gleichen Tragkonstruktion anzuordnen.
In dem Beispiel der gezeigten Ausführungsform besteht der Verbrennungsmotor aus einem Sechszylindermotor mit gerader Anordnung und enthält sechs zylindrische Verbrennungs kammern 19a–19f. Die Verbrennungskammern werden in üblicher Weise mit Brennstoff beliefert. In dem Beispiel der gezeigten Ausführungsform wird von einer mechanisch gesteuerten Kraftstoff-Einspritzung aus gemeinsamer Druckleitung Gebrauch gemacht, bei der eine Kraftstoffleitung 20 mittels einer Pumpe 21 unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu den Ventilen 21a–21f liefert, die durch eine Steuereinheit 22 gesteuert und dabei geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Steuereinheit 22 weist die übliche Ausführung auf und ist so ausgebildet, dass sie die Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge bei einer bestimmten Stellung des Kurbelwinkels ausführt, zum Beispiel durch Steuerung der Stellung des Kurbelwinkels, wenn die entsprechenden Ventile 21a–21f geöffnet werden und durch Steuerung der Einspritzzeit für jedes Ventil. Die Erfindung kann bei Verbrennungsmotoren mit einer anderen Art von Kraftstoffzuführung angewandt werden, zum Beispiel wenn einheitliche Injektoren eingesetzt werden.
Der Verbrennungsmotor 2 weist auch Organe 23 auf, die eine Motorbremswirkung ausüben. Der Begriff „Motorbremswirkung" bedeutet, dass der Verbrennungsmotor Kompressionsarbeit auf eine Gasmischung ausübt, die während des Kompressionshubes oder während des Auspuffhubes durch den Abgaskanal strömt ohne eine entsprechende Ausdehnungsarbeit zu leisten, die durch die Gasmischung während des Expansionshubes oder des Einlasshubes ausgeübt worden ist.
Die Motorbremswirkung kann auf beliebige Art erreicht werden, die dem auf diesem Fachgebiet tätigen durchschnittlichen Fachmann bekannt ist, zum Beispiel wie dies in irgendeiner der SE 466 320 , SE 470 363 , SE 502 614 , SE 502 914 und der SE 512 484 beschrieben wurde. Die Erfindung funktioniert am besten, wenn die Motorbremswirkung die Temperatur des Abgases in dem Oxidationskatalysator auf mindestens 250° C erhöht, vorzugsweise auf wenigstens 450° C. Wenn in dem Abgaskanal eine Turbine angeordnet ist, dann sollte die Abgastemperatur stromabwärts von der Turbine bei der Einspritzung von Kraftstoff wenigstens bei 250° C, vorzugsweise wenigstens bei 450° C liegen.
Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 2 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, wird der Kraftstoff direkt in den Abgaskanal 10 eingeführt und zwar über eine separate Einspritzeinheit 21g, die an dem Abgaskanal angebracht ist. Die Einspritzeinheit 21g weist eine Düse auf, die in dem Abgaskanal endet.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das in 2 beschriebene Organ 23 zur Erzeugung einer Motorbremswirkung einen Regler für den Druck des Abgases aufweist. Die meisten Einzelheiten entsprechen der Ausführungsform, die in Verbindung mit 2 beschrieben wurde. Im Folgenden werden deshalb nur nicht schon beschriebene Einzelheiten beschrieben.
Der Verbrennungsmotor 2 weist eine schematisch dargestellt Kompressionsbremseinrichtung 24 auf, die in dem genannten Organ 23 zur Motorbremsung enthalten ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wird von einer Kompressionsbremseinrichtung 24 Gebrauch gemacht, die von einer in dem Patentdokument SE 466 320 beschriebenen Art ist, die auch schon in Verbindung mit 4 beschrieben wurde. Diese Kompressionsbremseinrichtung 24 ermöglicht es den Zylindern des Motors während des späteren Teils des Einlasshubes und während des späteren Teils des Kompressionshubes mit der Abgasrohrverzweigung des Motors verbunden zu werden, um so die Motorbremswirkung zu erhöhen.
Zusätzlich endet der Auslass 25 der Abgasturbine 12 in einem Regler für den Abgasdruck, dem allgemein das Bezugszeichen 26 gegeben wurde, der von bekannter Art sein kann und ein Drosselklappengehäuse 27 aufweist, das eine Drosselklappe (nicht dargestellt) und eine pneumatische Steuereinrichtung 28 enthält, die mit der Drosselklappe verbunden ist, die über ein Steuerventil 29 mit einer Quelle für Druckluft in Verbindung steht, zum Beispiel mit einem Drucktank des Motorbremssystems. Mittels dieser Steuereinrichtung kann die Drosselklappe zwischen einer vollständig geöffneten und einer aktiven Stellung eingestellt werden, wo ein bestimmter Druck des Abgases durch das Zusammenwirken der Drosselklappe mit dem durchströmenden Gas festgelegt ist.
Die Steuereinheit 22, die vorzugsweise aus einem Mikroprozessor besteht, liefert Ausgangssignale für das Anschalten bzw. Abschalten der Kompressionsbremseinrichtung 24 und für die Einstellung der Regelklappe 26 für den Abgasdruck; sie hängt von Motor- und Fahrzeugdaten ab, die in die Steuereinheit von Sensoren eingegeben werden, die für sich bekannt sind, zum Beispiel von einem Geschwindigkeitsmesser 30. Wie in 2 gezeigt wurde, besteht die Eingabe in die Steuereinheit aus Signalen, die den Ladedruck darstellen, ebenso die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors und die Umgebungstemperatur als Motordaten, sowie Sig nale, die die ein-/ausgeschaltete ABS, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Stellung des Kupplungspedals, die Stellung des Gaspedals, die ein-/ausgeschaltete Fahrtsteuerung und die Größe der Verzögerung als Fahrzeugdaten wiedergeben.
Für die Beschreibung der Funktion der einstellbaren Höhe der Motorbremsung wird auf die SE 502 614 Bezug genommen.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Regler für den Abgasdruck durch eine Abgasturbine ersetzt werden, die eine einstellbare Turbinengeometrie aufweist, um den Abgasgegendruck zu steuern.
4 zeigt schematisch eine Verbrennungskammer, die mit einer Kompressionsbremseinrichtung 24 versehen ist. Die Figur zeigt schematisch einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit einer Kompressionsbremseinrichtung. Der Verbrennungsmotor weist einen Motorblock 31 mit einem Zylinder 32 auf, in dem ein Kolben 33 untergebracht ist, der über eine Kolbenstange 34 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden ist. Ein Gegengewicht 36 gleicht in bekannter Weise die Kurbelwelle aus und verringert dabei die in dem Motor vorhandenen Vibrationen. Oberhalb des Kolbens 33 befindet sich in dem Zylinder eine Brennkammer 37, die mit einem Zylinderkopf 38 abgeschlossen ist. In dem Zylinderkopf 38 befindet sich ein Einlassventil 39, das die Verbindung zwischen der Brennkammer 37 und einem Einlasskanal 16 reguliert, der mit einer Einlassöffnung 40 in Verbindung steht. In dem Zylinderkopf 38 ist außerdem ein Abgasventil 41 untergebracht, das die Verbindung zwischen der Brennkammer 37 und einem Abgassystem 10 steuert, das mit einer Abgasöffnung 42 verbunden ist. Für die Steuerung des Abgasventils 41 und des Einlassventils sind in diesem Ausführungsbeispiel Nockenwellen 43 bzw. 44 angeordnet. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Ventile direkt elektronisch gesteuert werden, zum Beispiel durch elektromagnetische Stellglieder.
Um die Motorbremswirkung zu erzielen, ist ein Drosselklappenorgan 45, vorzugsweise in Form einer Drosselklappe in einem Drosselklappengehäuse 27 untergebracht. Das Drosselklappenorgan oder der Choke 45 wird durch die Steuereinheit 22 gesteuert, die auch für ein Einstellorgan 46 eingesetzt wird, das dann, wenn es angesteuert wird, das Verhältnis des Eingriffs zwischen der Nockenwelle 44 und dem Ventilmechanismus für die Steuerung des Abgasventils 41 ändert.
Außerdem ist in 4 schematisch die Stellung des Kolbens 33 und des oberen und unteren Totpunktes 47 und 48 dargestellt. Der Kolben 33 ist, wie dies oben beschrieben wurde, über eine Kolbenstange 34 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden, die in dem Verbrennungsmotor 2 angeordnet ist und ist somit zwischen einem oberen und unteren Totpunkt einstellbar, wobei eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 35 erzeugt wird.
Für eine detailliertere Erklärung, wie der Motorbremseffekt erzeugt wird, wird auf die SE 466 320 verwiesen.
5 zeigt schematisch die Volumenströmung der Menge des eingespritzten Kraftstoffs bei normalen Arbeitsbedingungen und während der Motorbremsung während der Regenerierung. Die Steuerung der Menge des eingespritzten Kraftstoffs und die Winkelstellung der Kurbelwelle während der Einspritzung wird durch die Steuereinheit in einer Weise gesteuert, die dem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist. Ein Beispiel für eine Steuereinheit für Fahrzeuge ist in der SAE J1939/71, 1996 gezeigt. Das Diagramm zeigt die Volumenströmung als Funktion der Stellung des Kurbelwellenwinkels, der mit dem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens als Referenzpunkte angezeigt ist. Entlang der X-Achse sind die vier Hübe des Verbrennungsmotors gezeigt: der Einlasshub zwischen 0° und 180°, der Kompressionshub zwischen 180° und 360°, der Expansionshub zwischen 360° und 540° und der Auspuffhub zwischen 540° und 720°.
Kurve A zeigt die Kraftstoffmenge, in während des Betriebes zugeführt wird, wobei der Motor im normalen Betriebsmodus zur Lieferung eines Drehmoments arbeitet. Der Kraftstoff wird dann in einem Übergang zwischen dem Kompressions- und dem Expansionshub mit einer Dauer zwischen 3–30 Grad des Kurbelwellenwinkels zugeführt.
Die Kurven B₁–B₃ zeigen die Kraftstoffmenge während der Motorbremsung zur Regenerierung eines Partikelfilters, der stromabwärts von einem Oxidationskatalysator in dem Abgaskanal angeordnet ist. Der Kraftstoff wird vorzugsweise während des Expansionshubes oder des Auspuffhubes in einem Intervall zwischen 30° und 90° nach dem oberen Totpunkt zwischen dem Kompressionshub und dem Expansionshub zugeführt. Ein weiteres Intervall bei 0° –360° ist nach dem oberen Totpunkt zwischen dem Kompressionshub und dem Expansionshub möglich, das ist während des Expansionshubes und dem Auspuffhub.
Bei den Ausführungsformen B₁ und B₂ wird der Kraftstoff zwischen 30° und 180° nach dem oberen Totpunkt zwischen dem Kompressionshub und dem Expansionshub zugeführt.
Bei der Ausführungsform B₃ wird der Kraftstoff bei 270° nach den oberen Totpunkt zugeführt.
6 zeigt ein Beispiel einer als Matrix ausgebildeten Darstellung zur Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Last und der Umdrehungsgeschwindigkeit, wenn der Verbrennungsmotor im normalen Betriebsmodus arbeitet. Die Kontrolleinheit 22 enthält einen Memorybereich (nicht dargestellt), in dem eine Matrix in dieser Form gespeichert ist.
6a zeigt ein Beispiel einer als Matrix ausgebildeten Darstellung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Diese als Matrix ausgebildete Darstellung wird verwendet, wenn der Verbrennungsmotor in die Motorbremsfunktion eingetreten ist und die Regenerierung des Partikelfilters gerade beginnt. Die Steuereinheit 22 enthält einen Speicherbereich (nicht dargestellt), in dem eine Matrix dieser Form gespeichert ist. In einem ersten Lastintervall wird kein Kraftstoff zugeführt, wenn der Motor gebremst wird. Dieses erste Lastintervall entspricht kleinen negativen Werten der Last des Verbrennungsmotors, d.h. wenn die Motorbremsung mit einer kleinen Motorbremswirkung ausgeführt wird, was einer nicht ausreichenden Erhitzung der Abgase entspricht. Bei einer Ausführungsform der Erfindung entspricht dies einer Abgastemperatur von weniger als 250° C. In einem zweiten Lastintervall wird eine kleine Kraftstoffmenge zugeführt, die im Wesentlichen die gleiche Größe aufweist wie diejenige, die während null Last zugeführt wird. In diesem zweiten Lastintervall entsprechen größere negative Werte der Last des Verbrennungsmotors einer Motorbremsung, die bei einer mittleren bis hohen Motorbremswirkung ausgeführt wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung entspricht dies einer Abgastemperatur, die 250° und vorzugsweise 450° übersteigt.
7 zeigt ein Beispiel für einen Ablaufplan, um die Regenerierung eines Partikelfilters zu erreichen, der in thermischer Verbindung zu einem Oxidationskatalysator angeordnet ist. In einem ersten Verfahrensschritt 50 wird bestimmt, ob sich das Fahrzeug im normalen Betrieb oder nicht im normalen Betrieb befindet oder ob es eine Motorbremsung ausführt. Wenn das Fahrzeug im normalen Betrieb ist, dann geht die Steuereinheit 22 von einem ersten Betriebsmodus 60 aus, in dem die Kraftstoffeinspritzung durch eine als Matrix ausgebildete Darstellung entsprechend dem in 6 gezeigten Beispiel gesteuert wird. Wenn eine Motorbremsung ausgeführt wird, dann bestimmt ein zweiter Verfahrensschritt 70, ob der Partikelfilter regeneriert oder nicht regeneriert werden sollte. Wenn keine Regenerierung stattfinden soll, dann geht die Steuereinheit 22 wieder von einem ersten Betriebsmodus 60 aus, bei dem die Kraftstoffeinspritzung durch eine als Matrix ausgebildete Darstellung entsprechend dem in 6 gezeigten Beispiel durchgeführt wird. Wenn eine Motorbremsung ausgeführt wird, dann ist die Menge des eingespritzten Kraftstoffs jeweils 0 mg/Hub. Wenn eine Regenerierung stattfinden soll, dann geht die Steuereinheit von einem zweiten Betriebsmodus 80 aus, bei dem während der Motorbremsung eine Regenerierung stattfindet. In diesem Fall wird der Kraftstoff entsprechend einer als Matrix ausgebildeten Darstellung gemäß dem in 6a gezeigten Beispiel zugeführt.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Steueralgorithmus 100, der von der Steuereinheit 2 des Fahrzeugs angewandt wird. Die Steuereinheit 22 enthält einen üblichen Steueralgorithmus 101 bekannter Art, der dazu dient, einen ersten Betriebsmodus 60 anzunehmen, in dem der Verbrennungsmotor so gesteuert wird, dass er ein Drehmoment abgibt und einen zweiten Betriebsmodus 80, der einer Aktivierung des Motorbremsung entspricht. Zu diesem Zweck weist der übliche Steueralgorithmus 101 aufgenommene Fahrzeugdaten wie zum Beispiel die Geschwindigkeit, den Ladedruck, die Temperatur, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors usw. auf. Die Fahrzeugdaten werden in üblicher Weise sowohl von einem Satz Sensoren als auch von berechneten und geschätzten Werten abgerufen, die auf verfügbaren Informationen beruhen. Das Abrufen der Fahrzeugdaten wird in einem ersten Verfahrensschritt 102 vorgenommen. Außerdem ist in dem üblichen Steueralgorithmus 101 ein Abrufen erwünschter Werte enthalten, die von dem Fahrer abgerufen werden, wie zum Beispiel die Stellung des Gaspedals, das Bremsen, die Anpassung der Bremswirkung des Retarders und/oder der Motorbremse, die Anpassung von einer automatischen Geschwindigkeitsregelung (Reisegeschwindigkeitsregelung) usw.
Das Abrufen der angeforderten Werte wird in einem zweiten Verfahrensschritt 103 durchgeführt. Aus den abgerufenen und angeforderten Werten und den abgerufenen Fahrzeugdaten wird in einem ersten Durchführungsschritt 104 bestimmt, ob der Verbrennungsmotor oder ob er nicht in seinem ersten oder zweiten Betriebsmodus arbeiten soll. Im Falle des ersten Betriebsmodus 60, was der Erzeugung eines Antriebdrehmoments entspricht, wird gemäß bekannten Algorithmen eine Berechnung der Dauer und des Zeitpunktes für die Zuführung von Kraftstoff in einem dritten Verfahrensschritt 105 vorgenommen. Wenn von dem zweiten Betriebsmodus 80 ausgegangen wurde, dann setzt der Steueralgorithmus in einem zweiten Durchführungsschritt 106 einen der Modi Regenerierung oder Nicht-Regenerierung voraus. Eine Regenerierung wird dann durchgeführt, wenn ein Eingangssignal zu dem Durchführungsschritt 106 anzeigt, dass die Regenerierung ausgeführt werden muss. Das Eingangssignal wird von dem Unterverfahren 107 des Steueralgorithmus 100 erhalten, wo eine fortlaufende Berechnung des Rußgehaltes stattfindet. Die Berechnung des Rußgehalts wird mittels einer Integration oder Summierung der Hinzufügung von Ruß durchgeführt, die sich aus jeder Verbrennung von Kraftstoff in den Brennkammern unter Berücksichtigung einer Verringerung der Rußmenge ergibt, die durch ein mit Stickstoffdioxid durchgeführtes Verfahren und über eine beschleunigte Regenerierung in einer Umgebung von Sauerstoff gemäß der Erfindung erzielt wurde. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Berechnung der Rußmenge S mittels der folgenden Gleichung ausgeführt.
Dabei ist ai ein Rußbildungsfaktor für die Verbrennung i mit dem Volumen des Kraftstoffs Vi. Der Rußbildungsfaktor ist dem durchschnittlichen Fachmann empirisch bekannt und hängt von dem Lastpunkt in dem Verbrennungsprozess ab. b(T) ist ein Faktor für die Verbrennung von Rußpartikeln in einer Umgebung von Stickstoffdioxid. Der Faktor b ist in hohem Maße von der Temperatur T der Abgase in dem Oxidationskatalysator abhängig. Das qualitative Erscheinungsbild von b(T) ist dem durchschnittlichen Fachmann bekannt und ist aus dem Diagramm der 9 ersichtlich.
c ist ein Faktor für die oben beschriebene und von Sauerstoff unterstützte Umwandlung von Rußpartikeln. Die Eigenschaft von c ist dem durchschnittlichen Fachmann bekannt. Die von Sauerstoff unterstützte Umwandlung findet nur bei Abgastemperaturen von über 600° C statt. Innerhalb dieses Bereichs ist der Faktor c im Wesentlichen dem Anteil an Sauerstoff in den Abgasen und der Konzentration von Ruß in dem Filter proportional. Δtj ist die Dauer der beschleunigten Regenerierung. Die Gleichung ist nur für positive Werte von S gültig. Wenn S kleiner als 0 ist, dann erhält S den Wert 0.
In einem folgenden Verfahrensschritt 108 wird festgelegt, ob die Rußmenge S einen Schwellenwert S ≥ Smax überschreitet. Wenn die Rußmenge diesen Schwellenwert überschreitet, dann findet die beschleunigte Regenerierung beim Abbremsen des Motors durch die Zuführung von Kraftstoff statt, was in einem vierten Verfahrensschritt 109 durchgeführt wird. Die Kraftstoffmenge wird entweder mittels einer getrennt angeordneten Einspritzeinheit zugeführt, die in dem Abgaskanal endet oder mittels einer Zuführung über die normale Einspritzeinheit des Verbrennungsmotors. Die Motorbremsung wird in einem fünften Verfahrensschritt 110 in üblicher Weise erreicht, wie dies oben beschrieben wurde.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche beliebig verändert werden.

Claims

Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters (13), welcher in thermischer Verbindung mit einer Katalysatoreinheit (14) in einem Verbrennungsmotor (2) angeschlossenen Abgaskanal (10) vorgesehen ist, wobei der Verbrennungsmotor (2) vorgesehen ist, um einen ersten Betriebsmodus (60), in welchem ein Antriebsdrehmoment erzeugt wird, und einen zweiten Betriebsmodus (80) anzunehmen, welcher eine Motorbremsung bildet, wobei der Verbrennungsmotor (2) eine Verdichtungsarbeit einem Gasgemisch zuführt, welches durch den Verbrennungsmotor (2) und den Abgaskanal (10) strömt, ohne dass eine entsprechende Ausdehnungsarbeit aus dem Gasgemisch ausgestoßen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte ausgeführt werden: – eine Steuereinheit (22) bestimmt, dass der Verbrennungsmotor (2) im zweiten Betriebsmodus (80) betrieben wird, welcher der Motorbremsung entspricht, wobei die Temperatur des Gasgemisches im Abgaskanal ansteigt, – eine Einspritzeinheit (21a–21f, 21g) führt dem Abgaskanal (10) während dem zweiten Betriebsmodus (80) Kraftstoff zu, wobei die Katalysatoreinheit (14) dem Kraftstoff ausgesetzt ist, welcher oxidiert wird, wobei der Partikelfilter auf solch eine Temperatur erhitzt wird, dass die Russpartikel bei Reaktion mit Sauerstoff, welcher im Gasgemisch enthalten ist, zu Kohlendioxid umgewandelt werden.
Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff durch eine am Verbrennungsmotor (2) vorgesehene Einspritzeinheit (21a–21f) zugeführt wird, welche einer Brennkammer (37) im Verbrennungsmotor (2) Kraftstoff zu solch einem Zeitpunkt zuführt, dass zugelassen wird, dass der Kraftstoff durch die Brennkammer (37) in den Auspuffkanal (10) in einem unverbrauchten oder nur teilweise verbrauchten Zustand geht, wobei der verbrauchte oder nur teilweise verbrauchte Kraftstoff oxidiert wird wenn er mit der Katalysatoreinheit (14) in Berührung kommt, wodurch der Russpartikelfilter (13) auf solch eine Temperatur erhitzt wird, dass die Russpartikel durch Reaktion mit in den Abgasen enthaltenem Sauerstoff zu Kohlendioxid umgewandelt werden.
Verfahren zur Regenerierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff während dem Arbeitshub des Verbrennungsmotors oder während dem Auslasshub desselben zugeführt wird.
Verfahren zur Regenerierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff über eine am Abgaskanal vorgesehene Einspritzeinheit (21g) direkt in den Abgaskanal (10) zugeführt wird.
Verfahren zur Regenerierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Kraftstoff in den Fällen zugeführt wird, in welchen die Abgastemperatur am Partikelfilter mittels des Motorbremseffekts mindestens 250° C, vorzugsweise mindestens 450° C beträgt.
Fahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasanlage (10), welche an den Verbrennungsmotor (2) und einen Partikelfilter (13) in thermischer Verbindung mit einem Katalysator (14) in der Auspuffanlage angeschlossen ist, wobei der Verbrennungsmotor (2) mit Organen zur Motorbremsung (23) ausgestattet ist, mittels welchen der Verbrennungsmotor (2) vorgesehen ist, um eine Verdichtungsarbeit einem Gasgemisch zuzuführen, welches durch den Verbrennungsmotor (2) und den Abgaskanal (10) strömt, ohne dass eine entsprechende Ausdehnungsarbeit aus dem Gasgemisch ausgestoßen wurde, wobei eine Steuereinheit (22) am Verbrennungsmotor (2) vorgesehen ist, welcher vorgesehen ist, um einen ersten Betriebmodus (60), in welchem der Verbrennungsmotor ein Antriebsdrehmoment abgibt, und einen zweiten Betriebsmodus (80) anzunehmen, welcher die Motorbremsung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Fahrzeug (1) vorgesehne Einspritzanlage (20, 21) vorgesehen ist, um bei Bedarf der Regenerierung des Russpartikelfilters (13) Kraftstoff zum Abgaskanal (10) während dem zweiten Betriebsmodus (80) zuzuführen, mittels welchem die Katalysatoreinheit (14) Kraftstoff ausgesetzt ist, welcher oxidiert wird, wodurch der Russpartikelfilter (13) auf solch eine Temperatur erhitzt wird, dass die Russparti kel durch Reaktion mit Sauerstoff, welcher in den Abgasen enthalten ist, zu Kohlendioxid umgewandelt werden.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzanlage (20, 21) aus einer Einspritzanlage (20, 21) besteht, welche am Motor mit Innenverbrennung zur Zuführung von Kraftstoff zu den Brennkammern (37) angeschlossen ist, welche im Motor (2) mit Innenverbrennung vorgesehen sind, wobei die Einspritzanlage angeordnet ist, um den Kraftstoff den Brennkammern (37) in solch einem Zustand zuzuführen, dass zugelassen wird, dass der Kraftstoff durch die Brennkammer (37) in den Abgaskanal (10) in einem unverbrauchten oder nur teilweise verbrauchten Zustand geht.
Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzanlage angeordnet ist, um Kraftstoff während dem Arbeitshub oder dem Auslasshub des Verbrennungsmotors zuzuführen.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Einspritzeinheit (21g) aufweist, welche am Abgaskanal vorgesehen ist und vorgesehen ist, um den Kraftstoff direkt dem Abgaskanal (10) zuzuführen.