DE69208301T2

DE69208301T2 - Gerät zum Abscheiden und zum Entfernen von Partikeln für einen Dieselmotor

Info

Publication number: DE69208301T2
Application number: DE69208301T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Inagaki; Akikazu Kojima; Shinji Miyoshi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2012-08-08
Also published as: DE69208301D1; US5305602A; JP3116439B2; EP0528289A1; JPH0544443A; EP0528289B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gerät bzw. eine Einrichtung in der Abgasanlage einer Dieselmaschine zum Auffangen bzw. Abscheiden und Entfernen von im Abgas enthaltenen Partikeln.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Abgase von Dieselmaschinen enthalten im allgemeinen aus Kohlenstoff bestehende Partikel und dergleichen. In diesem Zusammenhang gibt es strenge Bestimmungen zur Entfernung dieser Partikel, bevor die Abgase in die Atmosphäre abgegeben werden. Zur Entfernung der Partikel wurde von einem Filter aus keramischem Material Gebrauch gemacht, das beispielsweise eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von sich in axialer Richtung erstreckenden Zellen mit stromauf und stromab angeordneten Enden, die jeweils im Wechsel geöffnet und geschlossen sind, aufweist. Die Zellen haben jeweils poröse Wände. Das in Zellen mit stromaufseitigen offenen Enden und stromabseitigen geschlossenen Enden befindliche Gas strömt zu den Zellen mit einem geschlossenen stromaufseitigen Ende und einem offenen stromabseitigen Ende. Die im Abgas enthaltenen Partikel werden auf diese Weise durch die porösen Wände abgeschieden. Die porösen Wände werden jedoch bei einer längeren Nutzungsdauer des Filters verstopft. Dies führt zu einem vergrößerten Druckverlust zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filters. Zur Erneuerung und Erholung des Filters ist ein Heizgerät innerhalb des Gehäuses der Filtereinrichtung vorgesehen. Das Heizgerät wird mit Energie versorgt, wenn eine Erneuerungs- bzw. Erholungsphase erforderlich ist und verursacht eine Veraschung und damit eine Entfernung der den Filter verstopfenden Partikel.
Während des Veraschungsprozesses ist die Temperatur im mittleren Bereich des Filters wesentlich höher als im äußeren Randbereich. Zur Verhinderung einer thermischen Beschädigung des Filters darf die Temperatur des Filters eine obere Grenztemperatur von etwa 900º C nicht überschreiten. In diesem Falle ist die Temperatur des Filters im äußeren Randbereich meist bei etwa 500º C, die jedoch im allgemeinen zum vollständigen Veraschen der die Verstopfung bewirkenden Partikel nicht ausreicht. Somit verbleiben im Ergebnis im äußeren Randbereich des Filters Partikel, die nicht verascht werden, wodurch die effektive Fläche (Wirkungsfläche) des Filters vermindert wird. Diese Verminderung in der Wirkungsfläche des Filters vergrößert die Geschwindigkeit des Gases zur Verwendung im nachfolgenden Veraschungsprozeß, so daß die Geschwindigkeit zu groß wird und ein optimaler Veraschungsprozeß nicht erreicht werden kann. Dies vergrößert wiederum die Menge an Partikeln, die nicht verascht werden kann. Somit ergibt sich, daß die Menge der nicht entfernten Partikel umso größer wird, je mehr Veraschungsprozesse durchgeführt werden.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Aufbau eines Geräts zum Abscheiden und zum Entfernen von Partikeln bereitzustellen (siehe Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4; vergleiche mit EP-A-383 187).
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den in den Patentansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
Durch Steuerung der strömenden Luftmenge können optimale Veraschungsbedingungen für die im Filter abgeschiedenen Partikel aufrecht erhalten werden, was wichtig ist zur Erzielung idealer Abscheidungsbedingungen für die Partikel, auch wenn der Veraschungsprozeß eine große Anzahl von Malen durchgeführt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt schematisch eine bekannte Abscheidevorrichtung,
Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines Teils der bekannten Abscheidevorrichtung,
Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Verbrennungstemperatur der Parikel während des jeweiligen Veraschungsprozesses und der abgelaufenen Zeit nach Beginn des Veraschungsprozesses,
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Veraschungsprozesse und einem Veraschungsverhältnis η und dem Stand der Technik,
Fig. 5 zeigt eine Längsschnittansicht einer Abscheidevorrichtung nach Vollendung eines Veraschungsprozesses,
Fig. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Luftgeschwindigkeit bei einem Veraschungsprozeß und einem Veraschungsverhältnis η,
Fig. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis a der verbleibenden Partikel und einem Wert der Druckdifferenz ΔP über dem Filter in Richtung der Abgasströmung,
Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis a der verbleibenden Partikel und der Luftströmungsmenge für einen Veraschungsprozeß,
Fig. 9 zeigt das Gerät bzw. die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 zeigt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Veraschungsprozesse und einem Veraschungsverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11 ist ein Ablaufdiagramm zur Erzielung einer Veraschung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erzielung einer Veraschung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Veraschungsprozesse und der Einstellung einer Luftmenge für den Veraschungsprozeß gemäß dem in Fig. 12 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 14 ist ein Ablaufdiagramm zur Erzielung einer Veraschung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Das durch die vorliegende Erfindung gelöste Problem wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 eine Dieselmaschine. Ein Abgasrohr 12 ist mit der Maschine 10 zum Aufnehmen des Abgases verbunden. Ein Gerät 14 zum Entfernen von im Abgas enthaltenen Parikeln ist im Abgasrohr 12 angeordnet. Das Gerät bzw. die Einrichtung 14 umfaßt ein Filter 20 zum Abscheiden der im Abgas enthaltenen Partikel, ein in der Nähe des stromaufseitigen Endes des Filters 20 angeordnetes Heizgerät 21 zur Veraschung der im Filter 20 festgehaltenen Partikel, einen Detektor 22 zur Erfassung einer Druckdifferenz über dem Filter 20 in Richtung der Strömung des Abgases durch den Filter 20, und einen Bypassdurchgang 23, der normalerweise geschlossen ist und zum Umgehen des Filters 20 geöffnet wird, wenn der Filter 20 einem Veraschungsvorgang unterworfen wird.
Gemäß Fig. 2 besteht der Filter aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Cordierit, mit einer Wabenstruktur. Er umfaßt eine Vielzahl von Zellen 27, die jeweils durch poröse Wände 25 voneinander getrennt sind, wobei sich die Zellen 27 in Längsachsenrichtung des Filters 20 erstrecken. Von den jeweils benachbarten, sich axial erstreckenden Zellen weisen Zellen 27a ein stromaufseitiges geöffnetes Ende und ein stromabseitiges geschlossenes Ende auf, während Zellen 27b ein stromaufseitiges geschlossenes Ende und ein stromabseitiges offenes Ende aufweisen. Das Abgas wird in die Zellen 27a mit einem stromaufseitig geöffneten Ende eingeleitet, strömt radial durch die porösen Unterteilungswände 25 in die jeweils benachbarten Zellen 27b, und tritt über die stromab geöffneten Enden der Zellen 27b aus dem Filter aus. Beim Durchströmen des Abgases in radialer Richtung durch die porösen Unterteilungswände 25 werden die Partikel auf den porösen Wänden 25 abgeschieden.
Da sich die Partikel auf den porösen Wänden 25 ansammeln, wird der Filter 20 durch diese Partikel verstopft und eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filters 20 wird vergrößert, wodurch die Ausgangsleistung der Maschine 10 vermindert wird. Zur Verminderung dieses Problems ist ein Sensor 22 zur Erfassung der Druckdifferenz ΔP zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filters 20 vorgesehen. Der Zeitpunkt für eine Veraschung im Filter wird bestimmt, wenn die Druckdifferenz größer als ein vorbestimmter Wert ist. Sodann wird das Heizgerät 21 zur Einleitung eines Veraschungsvorgangs mit Energie versorgt. Dabei ist anzumerken, daß ein Ventil 23a während des Veraschungsprozesses geöffnet ist, so daß das von der Maschine 10 kommende Abgas durch den Bypassdurchgang 23 strömt und somit der Filter 20 umgangen wird.
Bezüglich dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau zeigt die Kennlinie A der Fig. 3 die Beziehung zwischen der abgelaufenen Zeit während eines Veraschungsprozesses des Filters 20 und der Verbrennungstemperatur in einem mittleren Bereich des Filters 20, und Kennlinie B zeigt einen vergleichbaren Zusammenhang bezüglich eines äußeren Randbereichs des Filters 20. Wie leicht erkennbar ist, besteht eine große Differenz ΔT1 in der Verbrennungstemperatur zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Randbereich. Die niedrige, durch Kennlinie B veranschaulichte Temperatur im äußeren Randbereich des Filters 20 wird durch die Tatsache verursacht, daß Wärme im äußeren Randbereich des Filters 20 über das Gehäuse 30 nach außen verlorengeht. Im Gegensatz dazu wird im mittleren Bereich A des Filters 20 die Verbrennungswärme ohne Verluste aufrecht erhalten. Es ist dabei bekannt, daß die zwischen dem mittleren Bereich A und dem äußeren Randbereich B auftretende Temperaturdifferenz ΔT1 in einigen Fällen etwa 400º C annehmen kann. Wie dem Fachmann ferner bekannt ist, darf die Temperatur im mittleren Bereich A des Filters 20 nicht höher als etwa 900º C sein. In diesen Fällen ist die Temperatur im äußeren Randbereich meist bei etwa 500º C, wodurch manchmal die im Filter 20 festgehaltenen Partikel im äußeren Randbereich nur unvollständig verascht werden, wodurch im Ergebnis die Menge an veraschten Partikeln nach wiederholter Durchführung eines Veraschungsprozesses vermindert wird. Fig. 4 zeigt im Hinblick auf die bekannte Anordnung eine Beziehung zwischen der Anzahl der Veraschungszyklen und einem Veraschungsverhältnis η der Menge der veraschten Partikel zur Menge der im Filter 20 vor einem Veraschungsvorgang enthaltenen Partikel. Es ist erkennbar, daß das Veraschungsverhältnis η infolge der Tatsache, daß die nicht veraschte Menge an im äußeren Randbereich des Filters 20 festgehaltenen Partikeln zunimmt, je größer die Anzahl der Veraschungsvorgänge ist.
Die vom Erfinder ergriffenen Maßnahmen zur Beseitigung des vorstehend genannten Problems gemäß dem Stand der Technik wird nachstehend erläutert. Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung, wie die verbleibenden Partikel im Filter 20 nach Vollendung eines Veraschungsvorgangs angeordnet sind. Wie aus Fig. 5 erkennbar ist, belegen die nicht veraschten Partikel den äußeren Randbereich 50 des Filters 20, in welchem die Temperatur während des Veraschungsprozesses niedrig war. In der Nähe des stromabseitigen Endes des Filters 20 nimmt die Schichtdicke der ablagerten Partikel zu. Im Ergebnis beträgt die wirksame Fläche des Filters 20 nach einer wiederholten Durchführung des Veraschungsprozesses A1, die kleiner ist als der ursprüngliche Durchmesser A0. Somit tritt eine Verminderung in der wirksamen Fläche auf, die der Differenz A0 - A1 entspricht und die den Strömungswiderstand der Luft während des Veraschungsprozesses vergrößert, wodurch sich die Menge von nicht veraschten Partikeln vergrößert. Wird ein konstanter Wert des Volumens Q der Verbrennungsluft während eines Veraschungsvorgangs angenommen, dann vergrößert eine Verminderung der effektiven Wirkungsfläche von A1 zu A0 die Geschwindigkeit der Luft auf den üblichen Wert, multipliziert mit A0/A1. Diese Vergrößerung raubt dem Heizgerät weitere Wärme oder die Wärme der Verbrennung der Partikel, was wiederum zu einer Vergrößerung der Menge an unverbrannten Partikeln führt.
Fig. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der Verbrennungsluft V des Veraschungsprozesses mit dem Veraschungsverhältnis η. Wie in Fig. 6 erkennbar ist, ist das Veraschungsverhältnis η in hohem Maße von der Geschwindigkeit V der Verbrennungsluft während des Veraschungsprozesses beeinflußt. Während der Vergrößerung der Geschwindigkeit V von dem Wert V1 vergrößert sich das Veraschungsverhältnis η, erreicht einen Maximalwert η1 bei dem Wert V2 der Luftströmungsgeschwindigkeit und fällt sodann ab. Beispielsweise nimmt bei einer Gasgeschwindigkeit V3 das Veraschungsverhältnis η den verminderten Wert von η2 an. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Gerät ist die Luftgeschwindigkeit zur Erzielung eines maximalen Verhältnisses η1 bei einer wirksamen Fläche von A0 auf den Wert V2 festgelegt. Die Ausbildung der nicht veraschten Fläche 50 verursacht jedoch eine Vergrößerung der Luftgeschwindigkeit auf den Wert V3 infolge der Verminderung der Strömungsfläche von A0 auf A1. Der Wert V3 ist gleich dem Wert V2 multipliziert mit dem Luftströmungsvolumen Q/Strömungsfläche A1 nach dem Veraschungsprozeß, wodurch das Veraschungsverhältnis η auf den Wert η2 vermindert wird. Dies führt zu einer Vergrößerung der nicht veraschten Fläche und verursacht ferner eine Vergrößerung der Luftgeschwindigkeit. Dies bedeutet, daß die nicht veraschte Fläche 50, die die wirksame Strömungsfläche weiter vermindert, umso größer wird, je öfter der Veraschungsprozeß wiederholt wird. Die wiederholte Durchführung dieses Prozesses wird somit schließlich zu einer vollständigen Verstopfung des Filters führen, wodurch der Abgasdruck bzw. Staudruck ansteigt.
Die Erfinder haben daher erkannt, daß die für eine Veraschung gewünschte Luftmenge von der Menge der verbliebenen nicht veraschten Partikel im Filter 20 im äußeren Randbereich 50 nach Vollendung eines Veraschungszyklusses abhängt. D. h. je mehr Partikel im äußeren Randbereich verbleiben, desto kleiner wird die wirksame Fläche A des Filters 20, die zum Abscheiden der Partikel im folgenden Veraschungszyklus verwendet wird. Der Wert der wirksamen Fläche unmittelbar nach einem vorhergehenden Veraschungsprozeß kann aus der Druckdifferenz ΔP über dem Filter in Strömungsrichtung des Abgases geschätzt werden. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird der Druckabfall ΔP zu Beginn des nächsten Veraschungszyklusses umso größer, je größer das Verhältnis A an verbleibenden Partikeln (das Verhältnis der Fläche A1 des Teils des Filters ohne Partikel zur ursprünglichen Fläche A0) ist. Dabei ermöglicht der Druckverlust ΔT das Abschätzen der wirksamen Fläche unmittelbar nach Vollendung des vorhergehenden Veraschungszyklusses. Je kleiner die effektive Fläche wird, desto kleiner ist die Luftmenge Q zur Erzielung des idealen Veraschungsverhältnisses. Insbesondere zeigen die Fig. 7 und 8 die gewünschten Werte der Luftmenge Q zur Erzielung des maximalen Veraschungsverhältnisses η1 gemäß Fig. 6.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 9 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Dieselmaschine ein Abgasrohr 100 auf, in welchem eine Partikelabscheideeinrichtung 112 angeordnet ist. Die Partikelabscheideeinrichtung 112 weist ein zylindrisches Gehäuse 114 mit Eingangs- und Ausgangsenden 116 und 117 auf, die in Richtung nach außen spitz zulaufen. Ein Filter 120 ist im Gehäuse 114 vorgesehen. Der Filter hat einen Außendurchmesser von etwa 140 mm und eine Länge von etwa 130 mm, wodurch ein Volumen von etwa 2 Litern gebildet wird. Innerhalb des Gehäuses 114 stromab des Filters 120 ist ein Heizgerät 122 angeordnet. Mit einer Öffnung in den inneren Raum des Gehäuses 114 an einer Stelle stromab des Filters 120 ist ein zweites Lufteinleitungsrohr 134 angeordnet, dessen außenseitiges Ende mit einer Luftpumpe 136 verbunden ist zum erzwungenen Einleiten von Sekundärluft in den Raum innerhalb des Gehäuses 114. An dem Eingangsende 116 des Gehäuses 114 ist eine erste Ventileinrichtung 140 vorgesehen, die aus einem Ventilgehäuse 142 zur Bildung eines ersten Ventilsitzes 142-1 und eines zweiten Ventilsitzes 142-2, sowie aus einem im Gehäuse 142 angeordneten Ventilteil 144 besteht. Mit dem innerhalb des Ventilgehäuses 142 befindlichen Raum ist ein Ausströmrohr 150 verbunden. Der Ventilteil 144 ist innerhalb des Ventilgehäuses 142 an einer Stelle stromauf des Ausströmrohrs 150 angeordnet zur selektiven Steuerung der Abgasströmung in das Ventilgehäuse 142. Der Ventilteil 144 ist vom Pendeltürtyp und in der Lage, sich um einen Drehpunkt 152 zwischen zwei Lagen zu drehen. In der ersten Lage ist der erste Ventilsitz 142-1 zum Abgasrohr 100 bezüglich des Filters 122 geschlossen, so daß das im Abgasrohr 100 befindliche Abgas in das Bypassrohr 160 zur Umgehung der Partikelabscheideeinrichtung 112 eingeleitet wird. Die Sekundärluft von der Luftpumpe 136 wird somit über den Filter 122 zum Abgasausströmrohr 150 eingeleitet zur Verhinderung, daß das Sekundärgas zur Verbrennung der im Filter 122 gehaltenen Partikel mit dem Abgas im Abgasrohr 100 gemischt wird. Die zweite Lage ist eine geöffnete Lage, in welcher der Ventilteil 144 in Uhrzeigerrichtung gemäß Fig. 9 um die Achse 152 zum Schließen des zweiten Ventilsitzes 142-2 gedreht wird, wodurch das Abgasausströmrohr 150 durch den Ventilteil 144 geschlossen wird, so daß dem Abgas aus dem Abgasrohr 100 der vollständige Eintritt in den Filter 122 ermöglicht wird.
Das Bypassrohr 160 ist an seinem stromabseitigen Ende mit einem Abgasrohr an einer Stelle stromab des Gehäuses 114 der Partikelabscheideeinrichtung 112 verbunden. Eine zweite Ventileinrichtung 170 besteht aus einem Gehäuse 172 mit einem ersten Ventiisitz 172-1 und einem zweiten Ventilsitz 172-2 sowie mit einem Ventilteil 174 zur Drehung um einen Stift 176. Der Ventilteil 174 der zweiten Ventileinrichtung 170 ist zwischen einer ersten Lage, in welcher die erste Öffnung 172-1 zum Filter 120 der Abscheideeinrichtung 114 vollständig geschlossen ist, so daß das im Bypassrohr 160 befindliche Abgas unter Umgehung der Abscheideeinrichtung 112 dem Abgasrohr 180 zugeführt wird, und einer zweiten Lage bewegbar, in welcher der Ventilteil 174 um den Stift 176 im Gegenuhrzeigersinn gemäß Fig. 9 zum Schließen des zweiten Ventilsitzes 172-2 gedreht wird, so daß das Bypassrohr 160 vollständig geschlossen und das Abgas vom Filter 120 der Abscheideeinrichtung 112 dem Abgasrohr 180 zugeführt wird.
Ein Druckdifferenzsensor 182 umfaßt eine erste Druckeinleitungsöffnung 182-1, die über einen Druckerfassungskanal mit dem Raum innerhalb des Gehäuses 116 der Abscheideeinrichtung 112 stromauf des Filters 120 verbunden ist, und eine zweite Eingangsöffnung 182-2, die über einen Druckerfassungskanal 185 mit dem Raum innerhalb des Gehäuses 116 der Partikelabscheideeinrichtung 112 stromab des Filters 120 verbunden ist.
Eine Steuerungsschaltung 190, wie beispielsweise ein Mikrocomputer, ist mit dem Druckdifferenzsensor 182 verbunden. Ein Signal zur Angabe einer Differenz im Druck zwischen dem Raum im Gehäuse 116 stromauf des Filters 120 und dem Raum im Gehäuse stromab des Filters 120 wird zugeführt. In Abhängigkeit von dieser Differenz bestimmt die Steuerungsschaltung 190 eine zeitliche Steuerung zum Beginnen des Veraschungsvorgangs des Filters 120, wie nachstehend noch beschrieben wird.
Ein erstes Betätigungsglied 192, wie beispielsweise ein rotierender Motor, ist mit der Welle 152 des Ventilteils 154 der ersten Ventileinrichtung 140 zur Betätigung der ersten Ventileinrichtung 142 vorgesehen. Ein zweites Betätigungsglied 194, ebenfalls beispielsweise ein drehender Motor, ist mit der Drehwelle 176 des Ventilteils 174 der zweiten Ventileinrichtung 170 zur Betätigung der zweiten Ventileinrichtung 170 vorgesehen. Eine Steuerungsschaltung dient der Betätigung der Sekundärluftpumpe 136 zur Steuerung des Vorgangs der Einleitung von Sekundärluft. Der Mikrocomputer 190 ist ferner mit diesen Betätigungsgliedern und Steuerungseinrichtungen 192, 194 und 196 verbunden. Steuerungssignale zur Betätigung der Betätigungsglieder 192 und 194 und der Steuerungseinheit 196 werden jeweils zugeführt zur Erzielung der gewünschten Wirkungsweise gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nachstehend wird nun die Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Dieselmaschine von beispielsweise 3,4 l wird unter Vollast betrieben, wobei die Maschinendrehzahl bei etwa 1400 U/min. gehalten wird. Während des üblichen Zustands veranlaßt das Betätigungsglied 192 die erste Ventileinrichtung 140, eine Einstellung einzunehmen, in der das Ventil 144 den Ventilsitz 142-1 öffnet und den Ventilsitz 142-2 schließt. Das Betätigungsglied 194 veranlaßt die zweite Ventileinrichtung 170, einen Zustand anzunehmen, in welchem das Ventil 174 den Ventilsitz 172-1 öffnet und den Ventilsitz 172-2 schließt. Im Ergebnis wird nicht nur eine Abgasströmung in das Abgasausströmrohr 150, sondern auch in das Bypassrohr 160 verhindert, und es wird eine Abgasströmung vom Abgasrohr 100 über den Filter 120 der Partikelabscheideeinrichtung 112 zum Abgasrohr 180 bewirkt, wodurch die im Abgas enthaltenen Partikel im Filter 120 abgeschieden werden, wenn das Gas die porösen Wände durchdringt. Der Partikelabscheideprozeß im Filter 120 verursacht eine Vergrößerung des Strömungswiderstands des Abgases, so daß eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem Eingang 116 und dem Ausgang 118 des Filters 120 größer als ein vorbestimmter Wert ΔP1 wird. Wird die Druckdifferenz ΔP höher als der vorbestimmte Wert ΔP1, dann gibt die Steuerungsschaltung 190 ein Signal an das Betätigungsglied 192 ab, worauf das Ventil 144 der ersten Ventileinrichtung 140 den Ventilsitz 142-1 schließt und den Ventilsitz 142-2 öffnet, und gibt ein Signal an das Betätigungsglied 194 ab, worauf das Ventil 174 der zweiten Ventileinrichtung 170 den Ventilsitz 172-1 schließt und den Ventilsitz 172-2 öffnet. Im Ergebnis wird die Abgasströmung vom Abgasrohr 160 zum Abgasrohr 180 über den Filter 120 beendet, und es wird eine Abgasströmung im Bypassrohr 160 gemäß einem Pfeil F bewirkt. Die Steuerungsschaltung 190 gibt ein Signal an die Steuerungseinrichtung 196 ab, worauf die Luftpumpe 136 aktiviert wird, so daß eine Luftströmung über das Rohr 134 in das Gehäuse 114 an einer Stelle stromab des Filters 120 eingeleitet wird. Die Steuerungsschaltung 190 gibt ferner ein Signal an das Heizgerät 122 zur Erzeugung von Wärme ab, die der Zündung und Verbrennung der im Filter 120 gehaltenen Partikel dient. Dabei ist anzumerken, daß die Steuerungsschaltung 196 die Luftströmungsmenge Q der Luftpumpe 136 derart steuert, daß der in Fig. 6 angegebene Wert V2 zur Erzielung eines maximalen Veraschungsverhältnisses η1 erhalten wird. In diesem Beispiel beträgt der Wert V2 90 Liter pro Minute.
Nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer für den Veraschungsprozeß abgelaufen ist, gibt die Steuerungsschaltung 196 ein Signal zum Abschalten der Energiezufuhr zum Heizgerät 122 und zur Pumpe 136 ab, und gibt ferner ein Signal an die Betätigungsglieder 192 und 194 ab, wodurch die erste und zweite Ventileinrichtung 140 und 170 eine Abgasströmung von der Maschine durch den Filter 120 ermöglichen. Dabei ist anzumerken, daß bei diesem Zustand unmittelbar nach Vollendung des ersten Veraschungsprozesses gemäß Fig. 5 im äußeren Randbereich des Filters eine Schicht 50 von verbliebenen, nicht veraschten Partikeln infolge der Tatsache gebildet wird, daß der Wärmeverlust von der äußeren Oberfläche zur Atmosphäre eine Temperaturverminderung der äußeren Schichten des Filters 120 bewirkt, so daß eine Verminderung der effektiven Strömungsfläche vom anfänglichen Wert A0 zum Wert A1 eingetreten ist.
Unmittelbar nach Vollendung des ersten Veraschungsvorgangs eines neuen Filters 120 wird das Heizgerät 122 mit Energie versorgt und die Steuerung der Steuerungsschaltung 196 wird fortgesetzt zur Zuführung derselben Luftmenge Q von 90 Litern pro Minute aus dem Rohr 134, in welchem die erste und zweite Ventileinrichtung 140 und 170 in ihren jeweiligen Lagen zur Durchführung eines Veraschungsvorgangs angeordnet sind. Die Druckverlustdifferenz ΔP wird mittels des Sensors 182 erfaßt, aus welcher das Verhältnis a der verbleibenen Partikel berechnet werden kann gemäß einer Beziehung zwischen der Druckdifferenz ΔP und dem Verhältnis a der nicht verbrannten Partikel, wie in Fig. 7 gezeigt. Aus Fig. 7 ist leicht erkennbar, daß, je höher die Druckdifferenz ΔP ist, desto höher das Verhältnis a der verbliebenen Partikel ist, das einem Verhältnis der Fläche ohne verbliebene Partikel (Durchmesser A1 in Fig. 5) und der anfänglichen Fläche des Filters 120 (Durchmesser A0 in Fig. 5) entspricht. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis a der verbliebenen Partikel und der Luftströmungsmenge zur Erzielung einer Luftgeschwindigkeit V2 für ein maximales Veraschungsverhältnis η1 (Fig. 6). Fig. 9 zeigt, daß die Sekundärluftströmungsmenge von der Luftpumpe 136 umso kleiner ist, je größer das Verhältnis a der verbliebenen Partikel, d. h. je kleiner die Fläche A1 in Fig. 5 ist. Aus diesem Zusammenhang kann die gewünschte Luftmenge Q von Sekundärluft für den nachfolgenden Veraschungsprozeß abgeleitet werden.
Nach Bestimmung der Menge an Sekundärluft für den nächsten Veraschungsprozeß nach Vollendung des vorhergehenden Veraschungsprozesses, werden die erste und zweite Ventileinrichtung 140 und 170 in die Normalstellungen gebracht, in welchen der Ventilsitz 142-1 und der Ventilsitz 172-1 zur Einleitung von Abgas in den Filter 120 zur Abscheidung von Partikeln geöffnet sind. Wird die vorbestimmte Druckdifferenz ΔP1 erhalten, dann wird der Veraschungsprozeß eingeleitet, in welchem die Sekundärluftmenge zur Erzielung einer gewünschten Luftgeschwindigkeit V2 für ein maximales Veraschungsverhältnis η1 verwendet wird.
Im Stand der Technik wird demgegenüber die Luftmenge zur Veraschung unverändert auch im zweiten Zyklus oder in späteren Zyklen aufrecht erhalten, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit infolge der Flächen 50 gemäß Fig. 5 vergrößert wird und sich dadurch, wie in Fig. 4 erkennbar, das Veraschungsverhältnis 11 verschlechtert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird beim zweiten oder einem späteren Veraschungsprozeß die Sekundärluftmenge zur Aufrechterhaltung der gewünschten Luftgeschwindigkeit V2 für ein maximales Veraschungsverhältnis η1 verändert. Für den dritten Veraschungsprozeß und die weiteren Veraschungsprozesse wird vor einer Betätigung des Heizgeräts 122 die Pumpe 136 betrieben zur Bereitstellung derselben Luftmenge wie beim ersten Mal, und die Druckdifferenz wird erfaßt zur Erzielung einer optimalen Luftmenge Q für das gewünschte Veraschungsverhältnis η1.
Fig. 10 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen dem Veraschungsverhältnis η und der Anzahl der Veraschungsprozesse. Die Anpassung der Sekundärluft gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Erzielung einer optimalen Luftgeschwindigkeit kann eine Verminderung im Veraschungsverhältnis 1 auch in den Fällen verhindern, in welchen der Prozeß mehr als sieben Mal wiederholt wird.
Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels eines in der Steuerungsschaltung 190 gemäß Fig. 9 gespeicherten Programms zur Erzielung der gewünschten Wirkungsweise. Das in Fig. 11 gezeigte Programm wird jeweils nach einer vorbestimmten Zeitdauer, beispielsweise alle 50 ms, wiederholt. In Schritt 300 wird bestimmt, ob eine Marke F gesetzt ist (1). Die Marke F ist rückgesetzt (0), wenn ein Veraschungsprozeß vollendet ist. Üblicherweise geht das Programm zu Schritt 302 über, wenn bestimmt wird, ob die mittels des Sensor 182 erfaßte Druckdifferenz ΔP größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ΔP1 zur Einleitung eines Veraschungsprozesses ist. Falls bestimmt wird, daß die Bedingung ΔP ≤ ΔP1 erfüllt ist, dann wird bestimmt, daß der Filter 120 noch nicht verstopft ist. In diesem Fall wird das Programm nach Schritt 302 umgangen, in weichem die erste und zweite Ventileinrichtung 140 und 170 derart eingestellt werden, daß Abgas von der Maschine in den Filter 120 eingeleitet wird.
Wird bestimmt, daß ΔP > ΔP1 ist, dann wird entschieden, daß der Filter 120 verstopft ist. Das Programm geht sodann zu Schritt 304 über, in welchem Signale ausgegeben werden zum Schalten der Ventileinrichtungen 140 und 170 in der Weise, daß das Abgas in das Bypassrohr 160 umgeleitet wird, wodurch das Abgas den Filter 120 umgeht. In Schritt 306 wird der Steuerungseinrichtung 196 ein Signal zugeführt, mittels dessen die Luftpumpe 136 für eine Zeitdauer betrieben wird zum Einleiten einer gewünschten Sekundärluftmenge Q (von 90 Litern pro Minute für den ersten Veraschungsvorgang) in die Abscheideeinrichtung 112 über das Rohr 134. In Schritt 307 wird das Heizgerät 122 eingeschaltet und die Marke F wird in Schritt 308 gesetzt (1).
Wird das Programm gemäß Fig. 11 nach Ablaufen einer Zeitdauer von 50 ms erneut durchgeführt, dann wird in Schritt 300 eine positive Bestimmung erreicht, und das Programm geht sodann zu Schritt 301 über, in welchem bestimmt wird, ob eine vorbestimmte Zeitdauer TH zur Betätigung des Heizgeräts 122 abgelaufen ist. Im Falle der Antwort "JA" geht das Programm zu Schritt 309 über zur Versorgung des Heizgeräts 122 mit Energie. Mit anderen Worten, das Heizgerät 122 wird für eine vorbestimmte Zeitdauer TH nach Beginn eines gegenwärtigen Veraschungsprozesses eingeschaltet. Das Programm geht sodann zu Schritt 310, in welchem bestimmt wird, ob die vorbestimmte Zeitdauer TH zur Vervollständigung eines einzelnen Veraschungsprozesses abgelaufen ist. Anfänglich wird hierbei die Antwort "NEIN" in Schritt 312 erhalten, und der Veraschungsprozeß wird fortgesetzt.
Ist die vorbestimmte Zeitdauer T seit Beginn des Veraschungsprozesses abgelaufen, dann geht das Programm über die Schritte 312 und 314 zu Schritt 316 über, in welchem die erste und zweite Ventileinrichtung 140 und 170 derart geschaltet werden, daß die Umleitung des Abgases zum Bypassrohr 160 beendet wird und das Abgas zum erneuten Starten eines Partikelabscheidevorgangs in den Filter 120 eingeleitet wird. In Schritt 320 wird die Marke F gelöscht. Die Schritte 312 und 314 dienen der Bestimmung der Luftmenge zur Erzielung eines nachfolgenden Veraschungszyklusses gemäß der vorliegenden Erfindung. In Schritt 312 wird der Druckabfall ΔP gelesen, während dieselbe Luftmenge wie beim ersten Mal eingeleitet wird, und in Schritt 314 wird die Luftströmungsmenge Q zur Erzielung der maximalen Veraschungswirkung berechnet. Dabei wird zuerst das Verhältnis a der verbliebenen Partikel aus der in Fig. 7 angegebenen Kennlinie berechnet, und es wird sodann die dem erhaltenen Verhältnis a entsprechende Luftmenge Q mittels der in Fig. 8 gezeigten Kennlinie berechnet.
Nach Vollendung des ersten Veraschungsprozesses sind die den Filter 120 verstopfenden Partikel entfernt und die gewünschte Partikelentfernungswirkung des Filters 120 ist wieder hergestellt. Der Filter 120 setzt seinen Abscheidevorgang so lange fort, wie die Bedingung ΔP ≤ ΔP1 gemäß Schritt 302 andauert.
Wird erneut die Bedingung ΔP > ΔP1 infolge einer Verstopfung des Filters 120 durch die Partikel erreicht, dann werden erneut die Schritte 304 bis 308 durchgeführt. Fig. 10 zeigt die Anzahl der Veraschungszyklen und das Veraschungsverhältnis η. Wie hieraus erkennbar ist, kann ein Veraschungsverhältnis η größer als 50 % auch nach sieben Veraschungsprozessen infolge der Tatsache erreicht werden, daß die Luftströmungsmenge Q für den Veraschungsprozeß zur Erzielung einer Luftströmungsgeschwindigkeit für ein maximales Veraschungsverhältnis η1 gesteuert wird.
Fig. 12 ist ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels, das hinsichtlich des Werts der Luftströmungsmenge während des zweiten Veraschungszyklusses und der weiteren Veraschungszyklen unterschiedlich zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 ist. Wird im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels die Bedingung ΔP > ΔP1 in Schritt 302 erhalten, dann geht das Programm zu Schritt 304 über zur Ansteuerung der ersten und zweiten Ventileinrichtung 140 und 170, und sodann zu Schritt 400 über, in welchem bestimmt wird, ob es sich hierbei um den ersten Veraschungsprozeß handelt. Handelt es sich um den ersten Prozeß, dann geht das Programm zu Schritt 306 über, der der gleiche wie in Fig. 11 ist, zur Betätigung der Luftpumpe 136 zur Bereitstellung einer Anfangsluftmenge Q von 90 Litern pro Minute. Wurde bestimmt, daß es sich um den zweiten oder einen späteren Prozeß handelt, dann geht das Programm zu einem Schritt 402 über zur Bereitstellung einer Anfangsluftmenge Q von 40 Litern pro Minute. Beim zweiten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 13 gezeigt, ist somit die Luftströmungsmenge beim zweiten Veraschungszyklus festgelegt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit Fig. 5 erläutert, ist die wirksame Fläche nach dem ersten Veraschungsprozeß auf A1 vermindert, was bedeutet, daß das Verhältnis a der verbliebenen Partikel beispielsweise, wie in Fig. 7 veranschaulicht, 60 % beträgt. Sodann wird gemäß Fig. 8 bestimmt, daß die Menge Q von beispielsweise 40 Litern pro Minute geeignet ist zur Erzielung einer Luftströmungsgeschwindigkeit V2 für ein maximales Veraschungsverhältnis η1. Der Wert von Q = 40 wird als ausreichend betrachtet zur Erzielung befriedigender Veraschungsbedingungen während des dritten Zyklusses und der weiteren Zyklen, da der Zustand der Dicke der äußeren nicht veraschten Schicht 50 mit dem wirksamen Durchmesser A1 unmittelbar nach Veraschungszyklen als im wesentlichen unverändert angesehen wird. Dieses zweite Ausführungsbeispiel weist insofern einen Vorteil auf, als der logische Aufbau vereinfacht ist.
Fig. 14 ist ein drittes Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel weist Unterschiede gegenüber dem Ablaufdiagramm in Fig. 11 (erstes Ausführungsbeispiel) darin auf, daß die Schritte 500 und 502 anstelle der Schritte 312 und 314 gemäß Fig. 11 vorgesehen sind. Am Ende des zweiten oder eines späteren Veraschungszyklusses wird in Schritt 500 bestimmt, ob der Druckverlust ΔP über dem Filter in der Luftströmungsrichtung im Filter größer als der niedrigste Grenzwert ΔPi ist. Wird bestimmt, daß die Bedingung ΔP > ΔPi erfüllt ist, dann wird in Schritt 502 auf der Basis der in Fig. 7 und 8 gezeigten Beziehung ähnlich wie in Schritt 312 gemß Fig. 11 die Luftmenge Q berechnet. Dies bedeutet, daß der Druckverlust ΔP über dem Filter in Richtung der Luftströmung ständig kleiner als der vorbestimmte Wert ΔPi gehalten wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist dahingehend vorteilhaft, daß der logische Aufbau vereinfacht ist.
Bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen wird die Zeit zur Einleitung eines Veraschungsprozesses aus der Druckdifferenz über dem Filter in Richtung der Luftströmung bestimmt. Statt dessen kann die Zeit auch aus der Maschinendrehzahl oder einer akkumulierten Laufzeit bestimmt werden.

Claims

1. Gerät zum Entfernen von Partikeln im Abgas einer Dieselmaschine, mit

einem in einer Abgasleitung (100) angeordneten Filter (120) zum Empfangen des Abgases der Dieselmaschine, wobei der Filter im Abgas enthaltene Partikel abscheidet,

einer Heizeinrichtung (122), die zur Bildung von Wärme im Filter in der Nähe des Filters angeordnet ist,

einer Luftzuführeinrichtung (134, 136) zum Zuführen von Luft in den Filter zur Veraschung der Partikel, und

einer Steuerungseinrichtung (190) zur Steuerung einer Luftströmungsmenge zur Erzielung einer gewünschten Veraschung der im Filter abgeschiedenen Partikel,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuerungseinrichtung (190) eine Erfassungseinrichtung (182) zur Erfassung einer Menge von zurückgebliebenen unverbrannten Partikeln nach einem Veraschungsprozeß, und eine Luftströmungsmengen- Steuerungseinrichtung (190, 196) aufweist, die in Abhängigkeit von der erfaßten Menge an zurückgebliebenen unverbrannten Partikeln die Luftströmungsmenge zur Verwendung in einem nachfolgenden Veraschungsprozeß steuert.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmungsmengen-Steuerungseinrichtung (190) eine Einrichtung (190) zur Erfassung der Anzahl der Wiederholungen des Veraschungsprozesses und eine Einrichtung (196) aufweist zur Veränderung der Luftströmungsmenge in Abhängigkeit von der Anzahl der Wiederholungen des Veraschungsprozesses.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge für den zweiten oder einen späteren Veraschungszyklus auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird.

4. Gerät zur Reinigung von im Abgas einer Dieselmaschine enthaltenen Partikeln, mit

einem in einer Abgasleitung (100) angeordneten Filter (120) zum Empfangen von Abgas der Dieselmaschine, wobei der Filter die im Abgas enthaltenen Partikel abscheidet,

einer Heizeinrichtung (122), die zur Erzeugung von Wärme im Filter in der Nähe des Filters angeordnet ist, einer Luftzuführeinrichtung (134, 136) zum Zuführen von Luft in den Filter zur Veraschung der Partikel, und

einer Steuerungseinrichtung (190) zur Steuerung der Strömungsluftmenge zur Erzielung einer gewünschten Veraschung der im Filter abgeschiedenen Partikel,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuerungseinrichtung (190) eine Wirkungsflächen- Erfassungseinrichtung (182) aufweist zur Erfassung des Werts der wirksamen Fläche des Filters vor Beginn einer Abscheidung von Partikeln durch den Filter, und

eine Bestimmungseinrichtung (190) vorgesehen ist zur Bestimmung der in den Filter eingeleiteten Luftmenge im nachfolgenden Veraschungsprozeß in Abhängigkeit vom erfaßten Wert der Wirkungsfläche.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungsflächen-Erfassungseinrichtung (182) eine Druckdifferenz-Erfassungseinrichtung (190) aufweist zur Erfassung einer Druckdifferenz (ΔP) über dem Filter (120) entlang der Richtung der Abgasströmung.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungseinrichtung (190) eine Kennlinie zur Speicherung von Daten der Luftströmungsgeschwindigkeit in Bezug auf Werten der Wirkungsfläche aufweist zur Erzielung einer gewünschten Luftgeschwindigkeit über dem Filter (120) in Strömungsrichtung des Abgases, und eine Kennlinienberechnungseinrichtung (190) aufweist zum Erhalten einer gewünschten Luftmenge aus dem erfaßten Wert der Wirkungsfläche.

7. Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

ein mit der Abgasleitung (100) verbundenes Bypassrohr (160) zum Umgehen des Filters (120),

eine Ventileinrichtung (140, 170) zum Umschalten zwischen einem ersten Zustand, in welchem das Abgas durch den Filter ohne Durchlaufen der Bypassleitung geleitet wird, und einem zweiten Zustand, in welchem das Abgas durch das Bypassrohr ohne Durchlaufen des Filters geleitet wird, wobei die Ventileinrichtung normalerweise im ersten Zustand eingestellt ist zur Abscheidung der im Abgas enthaltenen Partikel,

eine Verstopfungszustand-Erfassungseinrichtung (190) zur Erfassung eines Verstopfungszustands des Filters, durch welchen ein Veraschungsprozeß des Filters erforderlich ist, und

eine Einrichtung (190, 192, 194) zum Beginnen des Veraschungsprozesses in Abhängigkeit von der Erfassung des Verstopfungszustands des Filters durch Betätigung der Ventileinrichtung zum Umschalten in den zweiten Zustand zum Umgehen des Filters, durch Betätigen der Heizeinrichtung (122), und durch Betätigen der Luftzuführeinrichtung (136) in Abhängigkeit vom Wert der zum Ende des vorhergehenden Veraschungsprozesses vor Beginn einer neuen Abscheidung bestimmten wirksamen Strömungsfläche und der in den Filter einzuleitenden Luftmenge für den nachfolgenden Veraschungsprozeß.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (122) stromab des Filters (120) angeordnet ist, und daß die Luftzuführeinrichtung (134, 136) eine Lufteinleitungseinrichtung (134) umfaßt, die zur stromab liegenden Seite des Filters geöffnet ist.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstopfungszustand-Erfassungseinrichtung (182, 190) eine Erfassungseinrichtung (182) zur Erfassung einer Druckdifferenz (ΔP) über dem Filter in der Strömungsrichtung des Abgases, und eine Bestimmungseinrichtung (190) aufweist zur Bestimmung, ob die erfaßte Druckdifferenz höher als ein vorbestimmter Wert (ΔPi) zur Bestimmung des Erfordernisses eines Veraschungsprozesses ist oder nicht.

10. Gerät nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite Erfassungseinrichtung (190) zur Erfassung einer Druckdifferenz über dem Filter (120) in der Strömungsrichtung des Abgases nach Vollendung eines Veraschungszyklusses, und eine Einrichtung (190) umfaßt zum Erlauben der Bestimmung der Strömungsluftmenge durch die Bestimmungseinrichtung, wenn der Wert der durch die zweite Erfassungseinrichtung erfaßten Druckdifferenz größer als ein vorbestimmter Wert ist.