EP0231828B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrussfilters - Google Patents

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EP0231828B1 EP87100911A EP87100911A EP0231828B1 EP 0231828 B1 EP0231828 B1 EP 0231828B1 EP 87100911 A EP87100911 A EP 87100911A EP 87100911 A EP87100911 A EP 87100911A EP 0231828 B1 EP0231828 B1 EP 0231828B1
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F01N3/0235—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using exhaust gas throttling means
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    • F01N2430/00—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics
    • F01N2430/06—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics by varying fuel-air ratio, e.g. by enriching fuel-air mixture
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the regeneration of a diesel soot filter which is installed in the outlet duct of a diesel engine, the exhaust gas in that section of the outlet duct which contains the diesel soot filter being compressed by controlled throttling of the outlet duct to such an extent that the Regeneration temperature limit is reached or exceeded.
  • Diesel soot filters with a porous wall, in particular made of a monolithic ceramic material, have been developed for filtering the solids, such as soot, contained in the exhaust gas of a diesel engine.
  • the soot separated in the diesel soot filter is ignited and burned in the presence of residual oxygen contained in the exhaust gas. This regenerates the diesel soot filter.
  • the engine When driving around town (e.g. European driving cycle ECE-15) of diesel cars, trucks or buses, the engine is mainly operated in the partial load range.
  • the temperature in the outlet channel remains below the regeneration temperature limit, so that the deposited soot is not burned and the diesel soot filter is not regenerated.
  • a burner has been installed in the outlet channel in front of the soot filter to regenerate the soot filter. Sufficiently high temperatures are reached with a burner; however, the temperatures become so high that the diesel particulate filter can easily be damaged or destroyed. In addition, such burners have to work against the pressure in the outlet channel, which has not yet been satisfactorily resolved.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus which enables a timely and sufficient regeneration of the soot filter without the risk of its premature destruction due to local melting of the filter material.
  • the method according to claim 1 serves to achieve this object.
  • the amount of fuel is preferably reduced in a controlled manner as a function of the pressure in the outlet channel.
  • a device for the regeneration of a diesel soot filter is characterized according to the invention by the features of claim 4.
  • control device comprises a movable wall which can be acted upon by the pressure in the outlet line and which is coupled to a control rod of a fuel injection pump, the movable wall expediently on one side from the pressure in the outlet line and on the other side is acted upon by a prestressed compression spring.
  • the throttling can be controlled manually or automatically depending on the pressure drop in the diesel particulate filter.
  • the throttling can be switched off in both cases by fully pressing the accelerator pedal ("kick-down"), so that the full power of the diesel engine is available if required.
  • the throttle device can instead of one Valve can also be formed by a throttle valve which has a control bore.
  • the exhaust gas is compressed automatically or at selected times in the section of the exhaust duct which contains the diesel soot filter.
  • the temperature and pressure in this section are increased to such an extent that ignition and combustion of the soot or solids in the exhaust gas separated out in the diesel soot filter takes place with certainty.
  • overloading of the soot filter is avoided when the machine is operating at full load with the outlet duct throttled.
  • the invention allows the regeneration of the diesel soot filter to be carried out in time intervals which can be selected as required and which are only a fraction, e.g. 1/100 of the total operating time of the engine. In this way, an impairment of engine operation due to regeneration can be practically eliminated.
  • the regeneration of the diesel soot filter can take place, for example, when the vehicle is idling or when a stationary diesel engine is idling or when the diesel engine is in motion or under load. Dabie makes it possible to provide the full power of the engine for the regeneration of the diesel soot filter even with no load by appropriately dimensioning the Dorssel worn.
  • the exhaust gas temperature that can be achieved in this way exceeds the lower limit of the regeneration temperature range. The lower this lower limit is, the faster the desired regeneration is achieved.
  • an injection pump 12 belongs to a diesel engine 11.
  • a soot filter 10 is switched on in the outlet duct 13 for the exhaust gases of the diesel engine 11.
  • a throttle device 14 is installed in the outlet channel in order to raise the pressure in the outlet channel upstream of the soot filter 10 to a value at which the soot separated in the soot filter 10 ignites and burns.
  • the injection pump 12 is assigned a control device 16 which has a movable wall or membrane 15 which on one side is subjected to the pressure in the outlet channel 13 between the diesel engine 11 and the throttle device 14 and on the other side by a prestressed compression spring 18 with a defined, e.g. progressive spring behavior is applied.
  • the membrane is connected in the middle to a control rod 19, which controls the full load stop in the injection pump 12.
  • an enlargement of the operating range under the torque curve 30 compared to FIG. 2 can also be achieved when the control device 16 is not acted upon by the pressure in the outlet channel 13 but rather when the throttle device 14 takes effect, the metered amount of fuel by a predetermined amount, e.g. a constant amount is reduced.
  • a predetermined amount e.g. a constant amount

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrußfilters, das in den Auslaßkanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei das Abgas in demjenigen Abschnitt des Auslaßkanales, welcher das Dieselrußfilter enthält, durch gesteuertes Drosseln des Auslaßkanals in einem solchen Maße verdichtet wird, das die Regenerierungstemperaturgrenze erreicht oder überschritten wird.
  • Es sind Dieselrußfilter mit poröser Wand insbesondere aus Keramikwerkstoff in Monolithbauweise zur Filtrierung der im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Feststoffe, wie Ruß, entwikkelt worden. Bei Temperaturen zwischen 500°C und 600°C wird der im Dieselrußfilter abgeschiedene Ruß in Anwesenheit von im Abgas enthaltenem Restsauerstoff gezündet und verbrannt. Das Dieselrußfilter wird dadurch regeneriert. Damit diese Regenerierung stattfinden kann, muß eine Temperatur in dem genannten Bereich im Dieselrußfilter herrschen, die oberhalb der unteren Temperaturgrenze des erwähnten Regenierungstemperaturbereiches liegt.
  • Bei Stadtfahrten (z.B. Europa-Fahrzyklus ECE-15) von Diesel-PKW, -LKW oder -Omnibussen wird der Motor überwiegend im Teillastbereich - betrieben. Dabei bleibt die Temperatur im Auslaßkanal unterhalb der Regenerierungstemperaturgrenze, so daß der abgeschiedene Ruß nicht verbrannt und das Dieselrußfilter nicht regeneriert wird.
  • Es ist bekannt, die Regenerierungstemperatur abzusenken, z.B. durch Imprägnieren der porösen Filterwand des Dieselrußfilters mit Metall oder Metalloxiden, welche eine katalytische Wirkung aufweisen, oder durch Zusätze von Metallverbindungen im Kraftstoff (Bleiäthyl, Manganoxyd usw.). Solche Zusätze können aber zu Umweltbelastungen führen.
  • Es ist auch schon bekannt, die Abgastemperatur zu erhöhen, z.B. durch Drosseln der Ansaugluft des Motors. Dies führt jedoch nicht zu der erforderlichen Regenerierungstemperatur. Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, das Dieselrußfilter möglichst nahe am Auslaßventil im Auslaßkanal anzuordnen, weil dort die Temperaturen hoch sind. Diese Lösung führt aber ebenfalls nicht zu genügend hohen Temperaturen im Dieselrußfilter und begegnet im übrigen wegen der beschränkten Platzverhältnisse im Motorraum eines Fahrzeuges Einbauschwierigkeiten.
  • Ferner hat man zur Regenerierung des Rußfilters einen Brenner in den Auslaßkanal vor dem Rußfilter eingebaut. Mit einem Brenner werden zwar ausreichend hohe Temperaturen erreicht; doch werden die Temperaturen hierbei so hoch, daß das Dieselrußfilter leicht beschädigt oder zerstört werden kann. Außerdem müssen solche Brenner entgegen dem Druck im Auslaßkanal arbeiten, was bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde.
  • Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist vorgeschlagen worden, in den Auslaßkanal stromabwärts vom Rußfilter eine den Abströmweg der Abgase absperrende Klappe vorzusehen, die auch abhängig vom Differenzdruck der Drücke im Auslaßkanal stromaufwärts und stromabwärts vom Rußfilter gesteuert werden kann (DE-OS 29 30 969), (JA-OS 57-65 811).
  • Bei Drosselbetrieb wird der Liefergrad der Brennkraftmaschine drastisch reduziert. Folglich wird der Brennkraftmaschine mehr Kraftstoff zugeführt als verbrannt werden kann. Der Kraftstoffüberschuß wird in Ruß umgewandelt, der in einer solchen Menge anfällt, daß das Filter zu stark mit Ruß beladen wird. Versuche des Anmelders haben gezeigt, daß im Rußfilter eine obere Grenztemperatur, die in der Praxis bei 650°C liegen kann, nicht überschritten werden darf. Diese Grenztemperatur verlagert sich zu tieferen Temperaturen, wenn die Rußbeladung des Filters höher wird. Bei Überschreiten der oberen Grenztemperatur kann lokales Schmelzen und damit eine Zerstörung des Filters bedingt durch die Zündung und Verbrennung des abgelagerten Rußes die Folge sein. Dieses Problem läßt sich auch mit dem zuletzt genannten bekannten Verfahren nicht beheben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die eine rechtzeitige und ausreichende Regenerierung des Rußfilters ohne Gefahr von dessen vorzeitiger Zerstörung aufgrund lokalen Schmelzens des Filtermaterials ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren nach Anspruch 1.
  • Mit aufgrund der Drosselung zunehmendem Druck im Auslaßkanal wird entsprechend weniger Kraftstoff zugemessen, so daß die Gefahr der übermäßigen Rußbildung bei Vollastbetrieb des Motors vermieden wird. Die Drosselung des Abgasstromes stromaufwärts vom Dieselrußfilter sorgt dafür, daß dieser im Bereich kleineren Druckes und damit geringerer Beanspruchung im Betrieb liegt.
  • Vorzugsweise wird die Kraftstoffmenge gesteuert in Abhängigkeit vom Druck in dem Auslaßkanal reduziert.
  • Eine Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrußfilters kennzeichnet sich erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 4.
  • Bei einer Weiterbildung dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Steuervorrichtung eine vom Druck in der auslaßleitung beaufschlagbaren bewegliche Wand umfaßt, die mit einer Regelstange einer Kraftstoff-Einspritzpumpe gekoppelt ist, wobei die bewegliche Wand zweckmäßig auf der einen Seite vom Druck in der Auslaßleitung und auf der anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder beaufschlagt ist.
  • Die Drosselung kann manuell oder selbsttätig in Abhängigkeit vom Druckverlust im Dieselrußfilter gesteuert sein. Die Drosselung kann in beiden Fällen durch volle Betätigung des Gaspedales ("Kick-down") abgeschaltet werden, so daß bei Bedarf die volle Leistung des Dieselmotors zur Verfügung steht.
  • Die Drosseleinrichtung kann anstatt von einem Ventil auch von einer Drosselklappe gebildet sein, welche eine Steuerbohrung aufweist.
  • Im Betrieb des Dieselmotors wird das Abgas in dem Abschnitt des Auslaßkanales, der das Dieselrußfilter enthält, selbsttätig bzw. zu gewählten Zeitpunkten verdichtet. Dadurch werden in diesem Abschnitt Temperatur und Druck in einem solchen Maß erhöht, daß Zündung und Verbrennung des im Dieselrußfilter abgeschiedenen Rußes bzw. der Feststoffe im Abgas mit Sicherheit erfolgt. Gleichzeitig wird eine Überbeladung des Rußfilters im Vollastbetrieb der Maschine bei gedrosseltem Auslaßkanal vermieden. Somit wird die gewünschte Regenerierung unter allen Betriebsbedingungen des Dieselmotors, d.h. auch im Leerlauf und bei Teillast, stets sichergestellt.
  • Die Erfindung erlaubt es, die Regenerierung des Dieselrußfilters in nach Bedarf wählbaren Zeitabschnitten vorzunehmen, welche nur einen Bruchteil, z.B. 1/100, der gesamten Betriebszeit des Motors ausmachen. Dadurch läßt sich eine Beeinträchtigung des Motorbetriebes durch die Regenerierung praktisch ausschalten.
  • Die Regenerierung des Dieselrußfilters kann beispielsweise im Leerlauf bei stehendem Fahrzeug bzw. im lastfreien Betrieb eines stationären Diesemotors oder während der Fahrt bzw. unter Last des Dieselmotors erfolgen. Dabie ist es möglich, durch entsprechende Dimensionierung der Dorsseleinrichtung die volle Leistung des Motors für die Regenerierung des Dieselrußfilters auch bei Nullast bereitzustellen. Die auf diese Weise erreichbare Abgastemperatur übersteigt die untere Grenze des Regenerierungs-Temperaturbereiches. Je tiefer diese untere Grenze liegt, desto schneller wird die gewünschte Regenerierung erzielt.
  • Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
    • Fig. 2 und 3 in Drehmoment-Drehzahl-Diagrammen einen Vergleich der beim Stand der Technik und bei der Erfindung zur Regenerierung ausnutzbaren Bereiche des Dieselmotor-Kennfeldes.
  • Gemäß Fig. 1 gehört zu einem Dieselmotor 11 eine Einspritzpumpe 12. In den Auslaßkanal 13 für die Abgase des Dieselmotors 11 ist ein Rußfilter 10 eingeschaltet. Stromaufwärts vom Rußfilter 10 ist eine Drosseleinrichtung 14 in den Auslaßkanal eingebaut, um den Druck im Auslaßkanal vor dem Rußfilter 10 auf einen Wert anzuheben, bei welcher sich der im Rußfilter 10 abgeschiedene Ruß entzündet und verbrennt.
  • Der Einspritzpumpe 12 ist eine Steuervorrichtung 16 zugeordnet, welche eine bewegliche Wand bzw. Membran 15 aufweist, die auf ihrer einen Seite vom Druck im Auslaßkanal 13 zwischen Dieselmotor 11 und Drosseleinrichtung 14 und auf ihrer anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder 18 mit einem definierten, z.B. progressiven Federverhalten beaufschlagt ist. Die Membran ist mittig mit einer Regelstange 19 verbunden, welche den Vollastanschlag in der Einspritzpumpe 12 regelt. Erhöht sich aufgrund einer Drosselung mittels der Drosseleinrichtung 14 der Druck im' Auslaßkanal 13, so erhöht sich auch der Druck in einer Zweigleitung 17 und damit in der Kammer der Steuereinrichtung 16 oberhalb der Membran 15, so daß diese gegen die Kraft der Feder 18 zusammen mit der Regelstange 19 nach außen bewegt wird und die von der Einspritzpumpe 12 zugemessene Kraftstoffmenge reduziert.
  • Die Fig. 2 und 3 zeigen den Kurvenverlauf 30 des Drehmomentes Md über der Drehzahl n. Am Punkt 34 der Drehmomentkurve 30 ist die Nenndrehzahl erreicht. Die Kurven 31 und 32 zeigen in Fig. 2 am Stand der Technik und in Fig. 3 bei der Erfindung die Betriebsbereichsgrenzen unter der Drehmomentkurve 30 innerhalb deren eine Drosselung mittels der Drosseleinrichtung ohne Gefahr der Zerstörung des Rußfilters 10 möglich ist.
  • Es ist ersichtlich, daß im Bereich von Teillast und Vollast insbesondere bei größer werdenden Drehzahlen eine Regenerierung durch Drosselung des Abgases nicht möglich ist, während sie gemäß dem schraffierten Bereich unter der Kurve 30 nach Fig. 3 aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme auch bei hohen Drehzahlen im Teillast- und Vollastbereich möglich ist. Dies beruht darauf, daß die Kraftstoffzufuhr in diesem Betriebsbereich erfindungsgemäß abgesenkt und damit die Rußbildung durch überschüssigen Kraftstoff aufgrund des bei der Dorsselung verminderten Liefergrades ausgeschlossen ist.
  • Im Gegensatz zur Darstellung gemäß Fig. 1 läßt isch eine Vergrößerung des Betriebsbereiches unter der Drehmomentkurve 30 im Vergleich zu Fig. 2 auch dann erreichen, wenn die Steuereinrichtung 16 nicht vom Druck im Auslaßkanal 13 beaufschlagt ist sondern jeweils bei wirksam werdender Drosseleinrichtung 14 die zugemessene Kraftstoffmenge um einen vorgegebenen Betrag, z.B. einen konstanten Betrag, reduziert ist. Optimale Verhältnisse ergeben sich jedoch bei Beaufschlagung der Membran 15 der Steuereinrichtung 16 mit dem Druck im Auslaßkanal 13 über die Rückführleitung 17 gemäß Fig. 1.
  • Es ist auch denkbar, die Drosseleinrichtung unabhängig vom Druck im Auslaßkanal 13 zu steuern, und zwar zu gewünschten Zeiten oder bei bestimmten Betriebszuständen des Dieselmotors, um wahlweise eine bestimmte Drosselwirkung zu erzielen, beispielswiese auf Knopfdruck des Fahrers hin. Auch ist denkbar, die Drosseleinrichtung 14 abhängig vom Differenzdruck vor und hinter der Drosselstelle zu steuern.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regenerierung eines Dieselrußfilters, das in den Auslaßkanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei das Abgas in demjenigen Abschnitt des Auslaßkanales, welcher das Dieselrußfilter (10) enthält, durch gesteuertes Drosseln des Auslaßkanals in einem solchen Maße verdichtet wird, daß die Regenerierungstemperaturgrenze erreicht oder überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung stromaufwärts von dem Dieselrußfilter (10) vorgenommen wird und daß während der Drosselung die dem Dieselmotor zugemessene Kraftstoffmenge reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmenge abhängig vom Druck an einer Stelle stromaufwärts vom Dieselrußfilter reduziert wird.
3. Verfharen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung selbsttätig in Abhängigkeit vom Druck an einer Stelle des Auslaßkanals (13) stromaufwärts des Dieselrußfilters (10) vorgenommen wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (14) stromaufwärts vom Dieselrußfilter (10) in den Auslaßkanal (13) eingebaut ist und daß eine Steuereinrichtung (16) zum Vermindern der dem Motor zugemessenen Kraftstoffmenge im Betrieb der Drosseleinrichtung (14) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) eine vom Druck in der Auslaßleitung (13) beaufschlagbare bewegliche Wand (15) umfaßt, die mit einer Regelstange (19) einer Kraftstoff-Einspritzpumpe (12) gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand (15) auf der einen Seite vom Druck in der Auslaßleitung (13) und auf der anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder (18) beaufschlagt ist.
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