WO2014048528A1 - Verfahren zum regenerieren eines partikelfilters und anordnung einer abgasanlage an einer verbrennungskraftmaschine eines fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum regenerieren eines partikelfilters und anordnung einer abgasanlage an einer verbrennungskraftmaschine eines fahrzeugs Download PDF

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Alexander Massner
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Definitions

  • the invention relates to a method for regenerating a particulate filter, which exhaust gas of an internal combustion engine of a vehicle is supplied.
  • Temperature of an oxidation catalyst upstream of the particulate filter is increased by enriching exhaust gas from cylinders of the internal combustion engine with fuel during a first time period. During a second period, the enrichment is suppressed. Furthermore, the invention relates to an arrangement of an exhaust system on an internal combustion engine of a vehicle.
  • soot particles accumulated in the particulate filter can be removed continuously at temperatures above about 250 ° C by oxidation with N0 2 and H 2 0 as the oxidant. This effect is also known as CRT (Continuous Regeneration Trap). Since the nitrogen oxides contained in the exhaust usually consist almost exclusively of NO, it is customary to increase the N0 2 proportions by oxidation of this NO at an oxidation catalyst upstream of the particle filter.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • Diesel Particulate Filter is known as the CRT System TM.
  • exhaust gas upstream of the oxidation catalyst is enriched with unburned fuel.
  • the formation of NO 2 on the oxidation catalyst is optionally suppressed. This is because the oxidation catalyst is passivated by adsorption of hydrocarbons with respect to its N0 2 formation activity. In other words, the presence of fuel inhibits the formation of NO 2 on the oxidation catalyst.
  • WO 2006/041 402 A1 describes a so-called fragmented injection of fuel into the exhaust gas of an internal combustion engine, in which a frequency of 0.01 Hz to 0.5 Hz, ie every 100 s to every 2 s, an introduction of fuel in exhaust gas takes place, the duration of the injection is 1 s to 10 s. This is at a higher frequency over a shorter period of time introduced the fuel. So it is injected, for example, only over 1 s, if the injection should take place every 2 s. If, however, an injection is made every 100 seconds, the injection takes place over 10 seconds.
  • the fuel can be injected directly into the internal combustion engine or introduced downstream of the internal combustion engine by means of a metering device in the exhaust system.
  • Combustion engine may come to functional impairments.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method and an arrangement of the type mentioned which or which is particularly reliable.
  • a temperature of an oxidation catalytic converter arranged upstream of the particulate filter is increased by enriching exhaust gas from cylinders of the internal combustion engine with fuel during a first period of time and oxidizing it at least partially in the oxidation catalytic converter, during which the enrichment is prevented for a second period of time ,
  • exhaust gas of at least one first cylinder of the internal combustion engine is recirculated to a supply air tract of the internal combustion engine, during which exhaust gas of only a second cylinder is enriched, the exhaust gas of which is fed to the oxidation catalytic converter, without recirculation.
  • exhaust gas is enriched only in one or more second cylinders whose exhaust gas is not recycled.
  • a fuel enrichment of exhaust gas in one or more first cylinders is generally prevented from being recirculated.
  • the fuel enrichment of the exhaust gas can take place by means of a separate fuel injection valve, which is preferably arranged close to the outlet of the second cylinder or cylinders, in particular in an exhaust manifold of the internal combustion engine.
  • the enrichment is preferably carried out by means of a motor fuel post-injection into the combustion chamber of a respective second cylinder such that unburned and / or partially combusted fuel is expelled from the second cylinder, which then constitutes the fuel.
  • Exhaust gas with unburned and / or partially combusted fuel can lead to an undesirable so-called Versottung the Zu Kunststoff Consumers when this exhaust gas is recycled.
  • This is avoided in the present case, since the enrichment of exhaust gas is carried out only in the at least one second cylinder, the exhaust gas can not pass or at most negligible extent in an exhaust gas recirculation line, via which exhaust gas of the at least one first cylinder in the supply air tract of the internal combustion engine is traceable ,
  • a luftzuf ad arranged in the air intake or intercooler intercooler with unburned fuel can be a particularly simple way to ensure a reliable operation of the internal combustion engine.
  • a greater or lesser number of alternating, directly successive first time periods with exhaust gas enrichment or fuel post-injection into at least one second cylinder and second time periods without exhaust gas enrichment or fuel post-injection are provided , Due to the pulsed fuel enrichment of the exhaust gas, or by only phasing a post-injection into the at least one second cylinder, a particularly high N0 2 formation on the oxidation catalyst and a particularly high
  • Oxidation rate of soot deposited in the particulate filter by N0 2 and H 2 0 reach.
  • the CRT effect is therefore particularly strong. This is partly due to the fact that in fuel enrichment of the exhaust gas, ie during the first period, the
  • Oxidation catalyst is brought to a temperature which allows the highest possible activity of the same with respect to an oxidation of NO contained in the exhaust gas to N0 2 , which can then take place unhindered in the second period.
  • the downstream particle filter is heated by heat transfer.
  • an exhaust gas temperature downstream of the oxidation catalyst of more than 330 ° C and thus a particle filter temperature of more than 330 ° C can be set.
  • an exhaust gas temperature of 480 ° C As far as possible downstream of the oxidation catalyst is not exceeded in order to keep the effort as low as possible.
  • the pulsed exhaust gas enrichment with fuel in particular by internal engine fuel post-injection, in which phases or first periods with fuel
  • Alternating exhaust gas enrichment with phases or second time periods without exhaust gas enrichment leads to an effective, passive soot oxidation of the particulate filter, ie to an effective passive regeneration thereof.
  • the oxidation catalytic converter, the exhaust gas and the particle filter downstream of the oxidation catalytic converter are heated as a result of the exothermic oxidation of unburnt and / or partially combusted fuel in the oxidation catalytic converter.
  • phases without exhaust gas enrichment or post-injection takes place a formation of N0 2 and a soot oxidation by the CRT effect.
  • the oxidation catalyst and the particulate filter cool only slightly due to their heat capacity.
  • the temperature to be regenerated for the particulate filter can thus be lowered significantly by oxidation with oxygen in comparison to an active regeneration with thermal Rußabbrand. This is accompanied by a reduction in the thermal load of the oxidation catalyst and the particulate filter, which may be, in particular, a coated, ie catalytically active particulate filter.
  • SCR Selective Catalytic Reduction, selective catalytic reduction
  • ammonia slip catalyst an ammonia slip catalyst.
  • a total cleaning of all engine components or components of the exhaust system is achieved by intermittent exposure to fuel-enriched exhaust gas.
  • a lowering of the light-off temperature of the oxidation catalyst is achieved.
  • the temporal separation of the heating that is, the enrichment of exhaust gas or the post-injection of fuel during the first period, of the passive regeneration during the second period brings a particularly good passive Rußabbrandrate with it.
  • the enrichment of the exhaust gas with fuel during the first period preferably takes place via an internal engine post-injection, which is in a range from about 60 ° CA to about 170 ° CA, particularly preferably in a range from 90 ° CA to 150 ° CA after top dead center in FIG Working cycle of at least one second cylinder is made.
  • the fuel then consists predominantly of short- to medium-chain hydrocarbons, carbon monoxide and hydrogen. Usually takes place during the first period after each torque-effective main injection at least one such Nacheinspritzung.
  • a hotter in operation second cylinder is applied with more fuel than a less hot in operation second cylinder during the first period.
  • a higher post-injection fuel quantity per duty cycle is provided for the hotter second cylinder than for the less hot second cylinder.
  • the oxidation catalyst in which it is brought to its light-off, at least one exhaust valve of at least one cylinder is closed before an exhaust stroke of the respective cylinder is completed.
  • the light-off temperature of a catalyst is also referred to as a light-off temperature and usually means the temperature at which about 50% of the exhaust gas constituents to be treated are reacted.
  • the closing timing of the exhaust valve is advanced so far that the exhaust valve closes before the completion of the exhaust stroke or exhaust stroke, there is an intermediate compression of the exhaust gas in the cylinder.
  • this intermediate compression compression work is performed, which leads to an increase in the temperature of the exhaust gas.
  • the oxidation catalyst can be brought to its light-off temperature in a particularly low-effort manner. It is particularly preferred if an advanced adjustment of the closing time of the at least one exhaust valve is made in all cylinders of the internal combustion engine.
  • phaser that is a variable camshaft adjustment.
  • the phase divider thus ensures that the at least one exhaust valve opens earlier and closes earlier.
  • a fuel Nacheinspritzmenge which is introduced during the first time period in the at least one second cylinder of the internal combustion engine can be increased, while parallel an advance of the closing time of the at least one exhaust valve, in particular Compared to the pure Aufflower ceremoniess of the oxidation catalyst, is reduced.
  • the exhaust valve still opens comparatively early, only a small amount of fuel can be introduced via the post-injection into the second cylinder.
  • the further the displacement of the closing timing of the exhaust valve is retarded toward early the greater the amount of fuel introduced into the cylinder by post-injection can be.
  • wall wetting with fuel is largely avoided.
  • an enrichment of the exhaust gas takes place only when the oxidation catalyst is brought to its light-off temperature. This ensures that the oxidation catalyst can convert the fuel into the exhaust gas, which is then introduced during the first period of time, and thus can be brought to a temperature suitable for providing N0 2 .
  • provision can be made in particular for exhaust gas enrichment or fuel post-injection not to be activated until a specific threshold value or trigger value of the temperature of the oxidation catalytic converter has reached, for example, about 230.degree.
  • fuel is preferably introduced into the at least one second cylinder by internal engine post-injection when the temperature of the oxidation catalytic converter is between 250.degree. C. and 320.degree. This depends on the
  • the fuel enrichment of the exhaust gas during the first time period is generally carried out preferably in a temperature range of the oxidation catalyst of 250 ° C to 450 ° C. This ensures that the oxidation catalyst has indeed reached its light-off temperature, but the temperature remains within a range in which thermal damage to the oxidation catalyst can be largely avoided.
  • Exhaust constituents are preferably oxidized by means of noble metals of the oxidation catalyst, the noble metals being present in a content of 170 g / m 3 to 700 g / m 3 , in particular in a content of about 350 g / m 3 , based on a volume of the oxidation catalyst.
  • Noble metal loadings of oxidation catalysts are also reported in g / ft 3 ; in this unit, the aforesaid sizes correspond to values of 5 g / ft 3 to 20 g / ft 3 and preferably 10 g / ft 3 .
  • Such noble metal loadings are comparatively low over typical values which range from about 40 g / ft 3 to 70 g / ft 3 .
  • the precious metals may in particular comprise platinum and / or palladium.
  • the first period of time itself is preferably of the order of magnitude of 1 s to 300 s, in particular of 3 s to 30 s.
  • the duration of the second period during which enrichment with fuel or spraying of fuel into a second cylinder can be in the range of 0.5 s to 200 s, in particular in a range of 10 s to 60 s.
  • This second period or Nacheinspritzpause is variable, and their duration is also independent of the duration of the first period. It is therefore not necessarily accompanied by a shortening or lengthening of the first period, a shortening or lengthening of the second period of time. With the durations of the time periods described here, a particularly extensive passive regeneration of the particle filter can be achieved by means of the CRT effect.
  • a duration of the first period of time is set as a function of a temperature in the exhaust system of the internal combustion engine.
  • the temperature can be measured in particular downstream of the oxidation catalyst.
  • Period fuel fuel in the at least one second cylinder are introduced as in already comparatively hot oxidation catalyst.
  • a duration of the second time period can be set as a function of the temperature.
  • a comparatively cold oxidation catalyst if it is heated only slightly above its light-off temperature, no or only a very short post-injection break is advantageous, while with a comparatively hot oxidation catalyst a correspondingly long post-injection interval can be provided.
  • the temperature downstream of the oxidation catalyst in a temperature window of 300 ° C to 350 ° C, the temperature downstream of the oxidation catalyst can be provided no or at most a very short Nacheinspritzpause.
  • Power stroke is namely favorable when the temperature is already high.
  • the high temperature is maintained in a simple manner, and yet wall wetting of the at least one second cylinder with fuel is still largely prevented due to the short duration.
  • Exhaust gas recirculation rate can be influenced namely the raw nitrogen oxide emissions in such a way that at low exhaust gas recirculation rate a particularly high
  • Raw emission of nitrogen oxides is present. Increasing the raw emissions of NO x during the second period of time is advantageous here, since in the second period of time particularly large amounts of N0 2 can be formed.
  • the change in the exhaust gas recirculation rate can be made in particular by changing an opening angle of an exhaust gas recirculation valve and / or by changing a duration of the opening of the valve. It is thus particularly well that the N0 2 offer can be adjusted as needed.
  • the exhaust gas recirculation valve can also be completely closed, so that no exhaust gas is recirculated, if a comparatively strong fuel enrichment of the exhaust gas is made or a large fuel Nacheinspritzmenge is introduced during the first period in the at least one second cylinder.
  • the exhaust gas recirculation line and the supply air tract are particularly safe from sooting.
  • the oxygen concentration in the exhaust gas is raised and the particle emission is lowered.
  • the N0 2 concentration upstream of the particulate filter can also be increased. This improves the passive soot oxidation rate.
  • a main fuel injection into the cylinders may be made earlier than during the first time period. While the main injection usually takes place in a range from 5 ° CA before top dead center to 12 ° CA after top dead center, the main injection is then shifted in the direction of early. This also causes an increase in the NO x concentration in the exhaust gas and a reduction in the particle emission of the
  • a boost pressure of the supply air supplied to the cylinders is increased during the second time period to the
  • the boost pressure can be increased, in particular, by activating a wastegate of an exhaust gas turbocharger and / or by varying the turbine geometry of the exhaust gas turbocharger
  • Oxidation catalyst and the particulate filter also contribute to the fact that a particularly extensive passive regeneration of the particulate filter can be achieved.
  • an exhaust system to an internal combustion engine of a vehicle is a particulate filter exhaust system exhaust the
  • the particle filter is preceded by an oxidation catalyst whose temperature can be raised by oxidation of fuel.
  • An enrichment of exhaust gas with fuel during a first period of time can be effected by means of a control device, wherein the enrichment can be prevented by means of the control device during a second period of time.
  • at least one first cylinder of the internal combustion engine is connected via an exhaust gas recirculation line to a supply air tract of the internal combustion engine, and at least one second cylinder of the internal combustion engine is fluidically coupled with the oxidation catalyst waiving an exhaust gas recirculation.
  • the control device is designed to effect the enrichment during at least one second cylinder of the internal combustion engine during the first period of time.
  • Such an arrangement is particularly reliable, since a fuel enrichment of the exhaust gas only in those (second) cylinders, for example by
  • Fig. 1 shows an arrangement of an exhaust system to an internal combustion engine of a
  • Fig. 2 shows curves illustrating the pulsed post-injection of fuel, the associated heating of an oxidation catalyst of the exhaust system and the changes in the content of NO 2 in the exhaust gas associated with the pulsed post-injection;
  • 3 is a graph illustrating the timing of a drive current and a needle opening when performing post injections
  • Fig. 4 shows a further graph in which the full drive current is applied over a shorter period of time than in the graph of FIG. 3;
  • Fig. 5 is a graph of FIG. 4, in which, however, additionally a
  • FIG. 6 shows a graph according to FIG. 5, in which the duration is shortened during which the amplitude-reduced drive current is applied;
  • FIG. 7 shows the increase in the post-injection interval between periods during which post-injections are made, as a function of the temperature of the oxidation catalytic converter
  • FIG. 1 shows an arrangement 10 of an exhaust system 12 on an internal combustion engine 14 of a vehicle, in particular of a commercial vehicle, preferably designed as a diesel engine.
  • the internal combustion engine 14 has four cylinders 16, 18, 20, 22.
  • a group of present two first cylinders 16, 18 is fluidly coupled via an exhaust pipe 24 to a turbine 26 of an exhaust gas turbocharger.
  • an exhaust gas recirculation line 28 branches off.
  • the exhaust gas recirculation line 28 is designed as a high-pressure exhaust gas recirculation line, but in addition, a low-pressure exhaust gas recirculation may also be provided.
  • the quantity of exhaust gas recirculated to a supply air tract (not shown) of the internal combustion engine 14 can be adjusted via an exhaust gas recirculation valve 30 shown only schematically.
  • the two further, second cylinders 20, 22 of the internal combustion engine 14 are fluidically coupled to the turbine 26 via a further exhaust pipe 32. From this second exhaust pipe 32, however, no exhaust gas recirculation line branches off. Exhaust gas emitted by the second cylinders 20, 22 can therefore not, or at most, reach the negligible proportion in the exhaust gas recirculation line 28 and reach the inlet side of the internal combustion engine 14.
  • the exhaust pipes 24 and 32 may be components of a two-part exhaust manifold.
  • the exhaust system 12 includes a downstream of the turbine 26 arranged
  • Oxidation catalyst 34 in particular Dieseloxidationskatalysator, which a
  • Particle filter 36 in particular diesel particulate filter, is connected downstream.
  • the particle filter 36 may be, in particular, an oxidation-catalyzed coating
  • a post-injection of fuel may include a plurality, in particular up to 5, individual post-injection events within a working cycle of a cylinder 20, 22. The following is a simplified discussion of a post-injection.
  • the passive regeneration of the particulate filter 36 with soot oxidation with N0 2 preferably proceeds in a temperature range above about 300 ° C, ie in a temperature range in which a thermal aging of the oxidation catalyst 34 is limited to a relatively low level. Ideal and most preferred is a temperature of about 450 ° C.
  • FIG. 2 shows a section of a plurality of alternating and immediately consecutive periods of time in which post-injection takes place and is prevented.
  • a first phase or period 38 post-injections are made to the engine 14 to increase the temperature of the oxidation catalyst 34.
  • a subsequent second phase or second period 40 no post-injection is made, thus preventing the execution of post-injection.
  • the post-injections are in the present case so pulsed or clocked so that the first time period 38 alternate with post-injections and the second time period 40 without post-injections.
  • the post-injection of the fuel 42 thus takes place exclusively in the two second cylinders 20, 22 and not in the two first cylinders 16, 18, the exhaust gas is recycled to a more or less large proportion in the supply air tract or can be returned.
  • an admission of the exhaust gas recirculation line 28, a (not shown) exhaust gas recirculation cooler and the Zu Kunststoff Consumers is avoided with nacheingespritztem, so unburned fuel.
  • the post-injection is preferably carried out in the range of 60 ° CA to 70 ° CA after top dead center in the working cycle of the two second cylinders 20, 22. Particularly preferred is a range from 90 ° CA to 150 ° CA after top dead center.
  • an amount of 0 mg to 60 mg of fuel 42 per cylinder 20, 22 and liter displacement of the respective cylinder 20, 22 can be set freely.
  • an intended control device 50 ensures that during the first time period 38 in the present two first cylinders 16, 18 no fuel nacheinge- is injected while only exhaust of the two second cylinders 20, 22 on the
  • Post injection is enriched with unburned hydrocarbons.
  • bars 54 illustrate the quantity of fuel 42 which is introduced into the two second cylinders 20, 22 during the first time period 38 via the internal engine post-injection.
  • a second curve 56 in FIG. 2 illustrates the ratio of NO 2 to NO x downstream of the oxidation catalyst 34 as a result of this intermittent or pulsed operation, that is, loading the two second cylinders 20, 22 with the post-injected fuel 42 and the second time period 40 thereafter During which mainly the passive regeneration of the particulate filter 36 takes place.
  • the heating phase ie during the first time period 38, there is therefore virtually no NO 2 in the exhaust gas.
  • much N0 2 is formed when no fuel is nacheingespritzt during the second period 40 in the second cylinder 20, 22 of the engine 14.
  • the second time period 40 ie in the regeneration mode, a comparatively large amount of NO 2 is thus available in the exhaust gas.
  • Another curve 58 illustrates the temperature of the exhaust gas downstream of the oxidation catalyst 34. This fluctuates according to the exposure of the exhaust gas with fuel in the heating mode, so during the first period 38 is higher than in the subsequent regeneration phase or second period 40. Due to the comparatively high Heat capacity of the oxidation catalyst 34, however, these fluctuations in temperature are damped. Even more attenuated is the temporally delayed onset of the fluctuation of the temperature on the outlet side of the
  • Particulate filter 36 which is illustrated in Fig. 2 by a further curve 60.
  • Fig. 3 shows in detail how during the first time period 38, a respective solenoid valve or piezo valve is driven to inject the fuel 42 in the two second cylinders 20, 22 in a single post-injection.
  • ⁇ - ⁇ denotes a time-dependent metering window of a single post-injection process per working cycle of the second cylinder 20, 22, wherein the duration of this metering window Ti can be in particular 0.2 ms to 20 ms.
  • this period however, several, typically up to four individual post-injections can be made.
  • T 2 corresponds to the first period of time 38, ie a period of time, over which at each power stroke into a respective second cylinder 20, 22 fuel 42nd nacheingespritzt is. This period of time is on the order of 1 s to 300 s.
  • a post-injection pause corresponds to the second period 40, and according to FIG. 3 it results from the difference between T 3 -T 2 , where T 3 is the period from the beginning of a first post-injection to the second End of the post-injection break is.
  • a curve 62 indicates in FIG. 3 a drive current I v , which causes the opening of the injection valve, and raises a valve needle of the injection valve and thus causes a release of a valve opening for the post-injection of fuel.
  • a value of the drive current I v is indicated on a left ordinate 65 of the graph in FIG. 3.
  • FIG. 3 illustrates a further time span 64, which indicates the time between two power strokes of the second cylinders 20, 22, ie the time between two time windows ⁇ . This period of time 64 is correspondingly short at high speed of the internal combustion engine 14.
  • the respective injection valve is subjected to a comparatively large drive current I v and this over a comparatively long time
  • the duration of the respective drive current l v shortened, so it is the time window ⁇ smaller and the period 64 larger. Although this also a needle opening H of 100% is achieved, but only for a short time. Thus, a smaller amount of fuel 42 is nacheingespritzt in the two second cylinders 20, 22.
  • the needle opening H of less than 100% is achieved by acting on the injection valve with a drive current I v of an amplitude 68 as in FIG. 4, but with a shortened drive duration, ie with a shortened time window ⁇ .
  • Actuating current is applied and / or by reducing the amplitude 68 of the drive current l v thus does not open the injector needle completely. This is due to the ballistic properties of the needle of the injection valve. This results in a reduced post-injection quantity.
  • Such a reduced amount of post-injected fuel 42 is particularly provided when the oxidation catalyst 34 has reached a comparatively high temperature. Then, although the temperature of the oxidation catalyst 34 is particularly largely maintained, however, there is no undesirable wetting of the walls of the second cylinder 20, 22 with the nacheingespritzten fuel 42nd
  • the duration of the post injection interval T 3 -T 2 is indicated on an abscissa 70, and the temperature on the outlet side of the oxidation catalyst 34 is shown on an ordinate 72.
  • the post injection interval is prolonged or the period 40 at least in a temperature range near a target temperature of about 450 ° C disproportionately when the
  • Oxidation catalyst 34 is adjusted depending on Aufflower patient no or only a very short Nacheinspritzpause, while comparatively hot oxidation catalyst 34, a longer second period 40 is present.
  • an opening angle of an ordinate 76 and an opening duration of the exhaust gas recirculation valve 30 are indicated on an abscissa 78. Accordingly, by a small opening angle and a short opening duration, as illustrated by a curve 80, a comparatively low exhaust gas recirculation rate can be achieved. This increases the NO x raw emissions of the
  • a phase splitter is preferably used in the present case.
  • an opening timing 82 and a closing timing 84 of an exhaust valve (see Fig. 9) of the respective second cylinders 20, 22 are shifted toward early. It can be provided an early shift of up to about 60 ° KW.
  • a closing timing 92 of the exhaust valve is reached before the exhaust stroke of the respective cylinder 20, 22 is completed.
  • the oxidation catalyst 34 can bring particularly easy and little effort to its light-off.
  • the phase adjuster acts on all cylinders 16, 18, 20, 22 of the internal combustion engine 14 in the same way.
  • the opening time 82 and the closing time 84 of the exhaust valve are preferably not shifted, or only slightly, in the direction of early, when post-injections take place.
  • post-injections are made at all and in particular with a larger amount of fuel 42 only when the early-shifted opening time 98 and the early-shifted closing time 92 are again shifted in the direction of normal.
  • an overlap may be provided such that an increasing amount of fuel 42 is injected by means of the post-injection, while the early-shifted times are again increasingly shifted toward the normal opening time 82 and the normal closing time 84 , Thus, the wetting of the cylinder wall with fuel 42 introduced during post-injection is minimized.
  • a curve 102 is associated with an advance V plotted on a left ordinate 106 of the opening and closing timings 82, 92 of a respective exhaust valve.
  • the advance V 100%, corresponding to approximately 60 ° CA, is reduced with increasing temperature ⁇ up to the normal operating setting. In particular, it is increasingly greatly reduced in the area of the light-off temperature -ö A.
  • the oxidation catalyst 34 can convert unburned or partially burned fuel components, which is why further heating can be effected with the aid of the above-described post-injection of fuel into at least one of the second cylinders 20, 22.
  • a shown in Fig. 10 as a curve 104, and on the ordinate 108 worn total after-injection NE m per cycle is therefore set so that they ⁇ starting at the light-off temperature with increasing ⁇
  • Soot oxidation in the particle filter 36 allows and therefore largely avoids thermal particle filter regeneration by oxygen induced Rußabbrand. Daimler AG

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (36), welchem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Fahrzeugs zugeführt wird. Eine Temperatur eines dem Partikelfilter (36) vorgeschalteten Oxidationskatalysators (34) wird erhöht, indem während einer ersten Zeitspanne (38) Abgas von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine (14) mit Brennstoff angereichert wird und dieser im Oxidationskatalysator (34) wenigstens teilweise oxidiert wird. Während einer zweiten Zeitspanne (40) wird die Anreicherung unterbunden. Hierbei wird während der ersten Zeitspanne (38) Abgas wenigstens eines ersten Zylinders (16, 18) der Verbrennungskraftmaschine (14) in einen Zulufttrakt der Verbrennungskraftmaschine (14) rückgeführt, wobei während der ersten Zeitspanne (38) Abgas lediglich eines zweiten Zylinders (20, 22) angereichert wird, dessen Abgas unter Verzicht auf ein Rückführen dem Oxidationskatalysator (34) zugeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung (10) einer Abgasanlage (12) an einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Fahrzeugs.

Description

Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters und Anordnung einer Abgasanlage an einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters, welchem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs zugeführt wird. Eine
Temperatur eines dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysators wird erhöht, indem während einer ersten Zeitspanne Abgas von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine mit Brennstoff angereichert wird. Während einer zweiten Zeitspanne wird die Anreicherung unterbunden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung einer Abgasanlage an einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs.
In der Fahrzeugtechnik ist es üblich, Rußpartikel aus dem Abgas von Dieselmotoren mittels eines Dieselpartikelfilters herauszufiltern. Hierbei ist man bestrebt, eine übermäßige Ansammlung von herausgefilterten Partikeln im Partikelfilter zu vermeiden. Im Partikelfilter angesammelte Rußpartikel können bei Temperaturen oberhalb von etwa 250° C kontinuierlich durch Oxidation mit N02 und H20 als Oxidationsmittel entfernt werden. Dieser Effekt ist auch als CRT-Effekt bekannt (CRT = Continuous Regeneration Trap, Filter mit kontinuierlicher Regeneration). Da die im Abgas enthaltenen Stickoxide üblicherweise fast ausschließlich aus NO bestehen, ist es üblich, die N02-Anteile durch Oxidation dieses NO an einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysator zu erhöhen. Das entsprechende System aus Dieseloxidationskatalysator (DOC) und
Dieselpartikelfilter (DPF) ist als CRT-System™ bekannt.
Die Bildung von N02 am Oxidationskatalysator wird durch hohe Anteile von Edelmetallen wie beispielsweise Platin und Platingruppenmetallen verbessert, wobei dies mit entsprechenden Kosten verbunden und deshalb nachteilig ist. Reicht die durch den CRT- Effekt bewirkte Rußentfernungsrate nicht aus, so wird der Partikelfilter aktiv regeneriert, indem der Ruß thermisch abgebrannt wird, und zwar mittels des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs. Dieses thermische Regenerieren erfordert jedoch deutlich höhere Temperaturen von über 500° C. Derartige Temperaturen können durch innermotorische oder außermotorische Maßnahmen bereitgestellt werden, nämlich durch eine
Anreicherung von Abgas mit Brennstoff, insbesondere in Form von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff mittels einer motorischen Kraftstoff-Nacheinspritzung oder durch eine Sekundäreinspritzung von Kraftstoff ins Abgas stromabwärts der
Verbrennungskraftmaschine und eine nachfolgende exotherme Oxidation dieses Kraftstoffes in einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysator und/oder im Partikelfilter selbst.
Der mit dem thermischen Regenerieren einhergehende Aufwand ist jedoch ebenfalls nicht wünschenswert. Zudem führen die hohen Temperaturen zu einer verstärkten thermischen Alterung des mit Edelmetallen beschichteten Oxidationskatalysators. Dies führt zu einem erhöhten Bedarf an Edelmetall und damit ebenfalls zu erhöhten Kosten. Die exakte Temperatur für die CRT-Regeneration, welche bei etwa 250° C einsetzt, sowie für die sauerstoffbasierte Regeneration des Partikelfilters hängt neben der Abgaszusammensetzung stark von der Rußeigenschaft und damit von der Rußaktivität ab.
Auch um den Oxidationskatalysator auf eine zum Bereitstellen einer vergleichsweise großen Menge an N02 geeignete Temperatur zu bringen, wird Abgas stromauf des Oxidationskatalysators mit unverbranntem Kraftstoff angereichert. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass die Bildung von N02 am Oxidationskatalysator gegebenenfalls unterdrückt wird. Dies liegt daran, dass der Oxidationskatalysator durch Adsorption von Kohlenwasserstoffen bezüglich seiner Bildungsaktivität von N02 passiviert wird. Mit anderen Worten inhibiert das Vorhandensein von Kraftstoff die Bildung von N02 am Oxidationskatalysator.
Um dem zu begegnen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, lediglich phasenweise Kraftstoff in das Abgas einzubringen, um die Temperatur des Oxidationskatalysators zu erhöhen. Bei erhöhter Temperatur des Oxidationskatalysators wird dieser dann mit Abgas beaufschlagt, welches nicht mit unverbranntem Kraftstoff angereichert wurde, so dass eine Inhibierung des Oxidationskatalysators vermieden ist und am Oxidationskatalysator die Bildung von N02 stattfinden kann.
So beschreibt die WO 2006/041 402 A1 eine dort so genannte fragmentierte Einspritzung von Kraftstoff in das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, bei welcher mit einer Frequenz von 0,01 Hz bis 0,5 Hz, also alle 100 s bis alle 2 s, ein Einbringen von Kraftstoff in Abgas erfolgt, wobei die Dauer der Einspritzung 1 s bis 10 s beträgt. Hierbei wird bei einer höheren Frequenz über eine kürzere Zeitdauer hinweg der Kraftstoff eingebracht. Es wird also beispielsweise lediglich über 1 s hinweg eingespritzt, wenn die Einspritzung alle 2 s erfolgen soll. Wird hingegen alle 100 s eine Einspritzung vorgenommen, so erfolgt das Einspritzen über 10 s hinweg. Der Kraftstoff kann hierbei in die Verbrennungskraftmaschine direkt eingespritzt oder stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Dosiergeräts in die Abgasanlage eingebracht werden.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass es beim Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine zu Funktionsbeeinträchtigungen kommen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bzw. welche besonders funktionssicher ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den
abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters wird eine Temperatur eines dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysators erhöht, indem während einer ersten Zeitspanne Abgas von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine mit Brennstoff angereichert wird und dieser im Oxidationskatalysator wenigstens teilweise oxidiert wird, wobei während einer zweiten Zeitspanne die Anreicherung unterbunden wird. Erfindungsgemäß wird während der ersten Zeitspanne Abgas wenigstens eines ersten Zylinders der Verbrennungskraftmaschine in einen Zulufttrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt, wobei während der ersten Zeitspanne Abgas lediglich eines zweiten Zylinders angereichert wird, dessen Abgas unter Verzicht auf ein Rückführen dem Oxidationskatalysator zugeführt wird. Mit anderen Worten wird Abgas lediglich bei einem oder mehreren zweiten Zylindern angereichert, deren Abgas nicht rückgeführt wird. Oder anders ausgedrückt unterbleibt generell eine Brennstoff-Anreicherung von Abgas bei einem oder mehreren ersten Zylindern deren Abgas rückgeführt wird. Die Brennstoff- Anreicherung des Abgases kann mittels eines separaten Kraftstoffeinspritzventils erfolgen, welches vorzugsweise nahe am Auslass des oder der zweiten Zylinder, insbesondere in einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Vorzugsweise erfolgt die Anreicherung jedoch mittels einer motorischen Kraftstoff- Nacheinspritzung in den Brennraum eines jeweiligen zweiten Zylinders derart, dass unverbrannter und/oder teilverbrannter Kraftstoff aus dem zweiten Zylinder ausgestoßen wird, der dann den Brennstoff darstellt.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer Brennstoffanreicherung des
Abgases mit unverbranntem und/oder teilverbranntem Kraftstoff zu einer unerwünschten so genannten Versottung des Zulufttrakts kommen kann, wenn dieses Abgas rückgeführt wird. Dies wird vorliegend vermieden, da die eine Anreicherung von Abgas lediglich bei dem wenigstens einen zweiten Zylinder vorgenommen wird, dessen Abgas nicht oder allenfalls in vernachlässigbarem Ausmaß in eine Abgasrückführungsleitung gelangen kann, über welche Abgas des wenigstens einen ersten Zylinders in den Zulufttrakt der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist. Durch die Vermeidung eines Beaufschlagens des Zulufttrakts und insbesondere eines in dem Zulufttrakt oder Ansaug luftpf ad angeordneten Ladeluftkühlers mit unverbranntem Kraftstoff lässt sich auf besonders einfache Weise ein funktionssicherer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sicherstellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufheizung eines Partikelfilters sind je nach Aufheizbedarf eine mehr oder weniger große Anzahl von sich abwechselnden, direkt aufeinander folgenden ersten Zeitspannen mit Abgasanreicherung bzw. Kraftstoff- Nacheinspritzung in wenigstens einen zweiten Zylinder und zweiten Zeitspannen ohne Abgasanreicherung bzw. Kraftstoff-Nacheinspritzung vorgesehen. Durch die gepulste Brennstoff-Anreicherung des Abgases, bzw. durch das lediglich phasenweise Durchführen einer Nacheinspritzung in den wenigstens einen zweiten Zylinder, lässt sich eine besonders hohe N02-Bildung am Oxidationskatalysator und ein besonders hohe
Oxidationsrate von im Partikelfilter abgelagertem Ruß durch N02 und H20 erreichen. Der CRT-Effekt ist also besonders stark ausgebildet. Dies liegt unter anderem daran, dass bei Brennstoff-Anreicherung des Abgases, also während der ersten Zeitspanne, der
Oxidationskatalysator auf eine Temperatur gebracht wird, welche eine möglichst hohe Aktivität desselben in Bezug auf eine Oxidation von im Abgas enthaltenem NO zu N02 ermöglicht, die dann in der zweiten Zeitspanne auch ungehindert erfolgen kann.
In vorteilhafter Weise wird hierbei durch Wärmeübertragung auch der nachgeschaltete Partikelfilter aufgeheizt. Beim Aufheizen des Oxidationskatalysators durch die gepulste Abgasanreicherung mit Brennstoff insbesondere mittels innermotorischer Nacheinspritzung kann insbesondere eine Abgastemperatur stromabwärts des Oxidationskatalysators von mehr als 330° C und damit eine Partikelfiltertemperatur von ebenfalls mehr als 330° C eingestellt werden. Typischerweise wird jedoch eine Abgastemperatur von 480° C stromabwärts des Oxidationskatalysators möglichst nicht überschritten, um den Aufwand so niedrig wie möglich zu halten.
Die gepulste Abgasanreicherung mit Brennstoff insbesondere durch innermotorische Kraftstoff-Nacheinspritzung, bei welcher sich Phasen oder erste Zeitspannen mit
Abgasanreicherung mit Phasen oder zweiten Zeitspannen ohne Abgasanreicherung abwechseln, führt zu einer effektiven, passiven Rußoxidation des Partikelfilters, also zu einem effektiven passiven Regenerieren desselben.
In den ersten Zeitspannen mit Abgasanreicherung bzw. Kraftstoff-Nacheinspritzung werden der Oxidationskatalysator, das Abgas und der dem Oxidationskatalysator nachgeschaltete Partikelfilter in Folge der exothermen Oxidation von unverbranntem und/oder teilverbranntem Kraftstoff im Oxidationskatalysator aufgeheizt. In Phasen ohne Abgasanreicherung bzw. Nacheinspritzung erfolgen eine Bildung von N02 und eine Rußoxidation durch den CRT-Effekt. Hierbei kühlen sich der Oxidationskatalysator und der Partikelfilter aufgrund ihrer Wärmekapazität nur wenig ab. Die zum Regenerieren des Partikelfilters vorzusehende Temperatur lässt sich also im Vergleich zu einer aktiven Regeneration mit thermischem Rußabbrand durch Oxidation mit Sauerstoff erheblich absenken. Damit geht eine Verringerung der thermischen Belastung des Oxidationskatalysators und des Partikelfilters einher, bei welchem es sich insbesondere um einen beschichteten, also katalytisch aktiven Partikelfilter handeln kann.
Dies geht mit entsprechend geringeren thermischen Alterungsanforderungen an die in der Abgasanlage verbauten Katalysatoren, also etwa den Oxidationskatalysator und den Partikelfilter sowie gegebenenfalls einen SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) oder einen Ammoniak-Schlupf-Katalysator einher. Dies ermöglicht es insbesondere, eine Edelmetallbeladung des Oxidationskatalysators und/oder des Partikelfilters deutlich zu reduzieren. Der SCR-Katalysator und/oder der Ammoniak-Schlupf-Katalysator, welcher aus dem SCR gegebenenfalls austretenden Ammoniak oxidiert, können entsprechend klein dimensioniert werden. Des Weiteren können besonders kostengünstige Materialien für den SCR-Katalysator verwendet werden.
In der zweiten Zeitspanne, in welcher das Abgas frei von unverbranntem Kraftstoff und demgegenüber vergleichsweise sauerstoffreich ist, erfolgt eine Reinigung der Katalysatoroberfläche des Oxidationskatalysators von absorbierten und inhibierenden Kraftstoff- molekülen. Es vergrößern sich dadurch die Verfügbarkeit und die katalytisch wirksame Oberfläche des Oxidationskatalysators.
So wird insgesamt eine Reinigung aller otorkomponenten oder Komponenten der Abgasanlage durch intermittierende Beaufschlagung mit an Brennstoff angereichertem Abgas erreicht. Durch die Reinigung und Entgiftung des Oxidationskatalysators wird auch eine Absenkung der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators erreicht. Des Weiteren bringt die zeitliche Trennung des Aufheizens, also des Anreicherns von Abgas bzw. des Nacheinspritzens von Kraftstoff während der ersten Zeitspanne, von der passiven Regeneration während der zweiten Zeitspanne eine besonders gute passive Rußabbrandrate mit sich.
Die Abgas-Anreicherung mit Brennstoff während der ersten Zeitspanne erfolgt bevorzugt über eine innermotorische Nacheinspritzung, welche in einem Bereich von etwa 60° KW bis etwa 170° KW, besonders bevorzugt in einem Bereich von 90° KW bis 150° KW nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt des wenigstens einen zweiten Zylinders vorgenommen wird. So ergibt sich ein allenfalls vernachlässigbarer Einfluss der Nacheinspritzung auf das von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Drehmoment. Es wird dann im Wesentlichen unverbrannter, gegebenenfalls aber gecrackter Kraftstoff aus den zweiten Zylindern ausgeschoben. Der Brennstoff besteht dann überwiegend aus kurz- bis mittel- kettigen Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Üblicherweise erfolgt während der ersten Zeitspanne nach jeder drehmomentwirksamen Haupteinspritzung mindestens eine solche Nacheinspritzung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird während der ersten Zeitspanne ein im Betrieb heißerer zweiter Zylinder mit mehr Kraftstoff beaufschlagt als ein im Betrieb weniger heißer zweiter Zylinder. Insbesondere ist für den heißeren zweiten Zylinder eine höhere Kraftstoff-Nacheinspritzmenge je Arbeitszyklus vorgesehen als für den weniger heißen zweiten Zylinder. Weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise zwei zweite Zylinder auf, also zwei Zylinder, deren Abgas nicht rückgeführt wird, so ist im Betrieb derjenige zweite Zylinder heißer, welcher zu beiden Seiten hin einem weiteren Zylinder benachbart ist. Der äußere Zylinder, welcher hingegen lediglich zu einer Seite hin an einen benachbarten zweiten Zylinder angrenzt, ist hingegen tendenziell weniger heiß. Dies liegt daran, dass von diesem äußeren Zylinder konvektiv und/oder über Wärmestrahlung mehr Wärme abgeführt wird als von dem innen liegenden und damit heißeren zweiten Zylinder. In dem heißeren zweiten Zylinder wird jedoch nacheingespritzter Kraft- Stoff besser aufbereitet oder gecrackt, so dass der Kraftstoff anschließend in einer zum Aufheizen des Oxidationskatalysators geeigneteren Form im Abgas vorliegt.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn in einem Aufheizbetrieb des Oxidationskatalysators, in welchem dieser auf seine Anspringtemperatur gebracht wird, wenigstens ein Auslassventil wenigstens eines Zylinders geschlossen wird, bevor ein Ausstoßtakt des jeweiligen Zylinders beendet ist. Die Anspringtemperatur eines Katalysators wird auch als Light-Off-Temperatur bezeichnet und meint üblicherweise diejenige Temperatur, ab welcher ca. 50 % der zu behandelnden Abgasbestandteile umgesetzt werden. Durch das vergleichsweise frühe Schließen des wenigstens einen Auslassventils lässt sich der Oxidationskatalysator besonders rasch und auf eine Kraftstoff sparende Weise auf die Anspringtemperatur aufheizen. Wenn nämlich der Schließzeitpunkt des Auslassventils so weit nach vorne verschoben wird, dass das Auslassventil vor Beendigung des Ausstoßtakts oder Ausschiebetakts schließt, so kommt es zu einer Zwischenkompression des Abgases im Zylinder. Bei dieser Zwischenkompression wird Kompressionsarbeit verrichtet, welche zu einer Erhöhung der Temperatur des Abgases führt. So lässt sich auf besonders aufwandsarme Art und Weise der Oxidationskatalysator auf seine Anspringtemperatur bringen. Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Frühverstellung des Schließzeitpunkts des wenigstens einen Auslassventils bei allen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine vorgenommen wird.
Dies kann insbesondere mittels eines sogenannten Phasenstellers, also einer variablen Nockenwellenverstellung, erfolgen. Der Phasensteiler sorgt also dafür, dass das wenigstens eine Auslassventil früher öffnet und früher schließt.
Wenn jedoch einhergehend mit dem frühen Schließen des Auslassventils dieses auch vergleichsweise früh geöffnet wird, so sinkt während des Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders der Druck im Brennraum. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Nacheinspritzung erfolgt, besteht die Gefahr einer Benetzung der Zylinderwand mit Kraftstoff.
Dies liegt daran, dass bei verringertem Druck im Brennraum der Kraftstoff strahl während der Nacheinspritzung eine besonders große Reichweite hat. Eine Benetzung der Zylinderwand kann wiederum zu einer unerwünschten Verdünnung des Motorschmieröls führen. Um dies zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass beim Vornehmen von Nacheinspritzungen keine Verschiebung der Steuerzeiten des Auslassventils in Richtung früh erfolgt und umgekehrt der Schließ- bzw. Öffnungszeitpunkt des Auslassventils lediglich dann in Richtung früh verschoben wird, wenn (noch) keine Nacheinspritzung vorgenommen wird. Bevorzugt wird jedoch ein gleitender Übergang zwischen dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit nach früh verschobener Steuerzeit des Auslassventils und dem Betrieb vorgesehen, in welchem Nacheinspritzungen vorgenommen werden. So kann beispielsweise insbesondere im Bereich der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators mit zunehmender Temperatur eine Kraftstoff-Nacheinspritzmenge, welche während der ersten Zeitspanne in den wenigstens einen zweiten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, erhöht werden, während parallel eine Frühverstellung des Schließzeitpunkts des wenigstens einen Auslassventils, insbesondere im Vergleich zum reinen Aufheizbetriebs des Oxidationskatalysators, vermindert wird. So kann zu Beginn, wenn das Auslassventil noch vergleichsweise früh öffnet, nur eine geringe Menge an Kraftstoff über die Nacheinspritzung in den zweiten Zylinder eingebracht werden. Je weiter das Verschieben des Schließ- bzw. Öffnungszeitpunkts des Auslassventils in Richtung früh zurückgenommen wird, desto größer kann dann die Menge an in den Zylinder per Nacheinspritzung eingebrachtem Kraftstoff sein. So wird eine Wand- benetzung mit Kraftstoff besonders weitgehend vermieden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Anreicherung des Abgases erst dann erfolgt, wenn der Oxidationskatalysator auf seine Anspringtemperatur gebracht ist. So wird sichergestellt, dass der Oxidationskatalysator besonders weitgehend den dann anschließend während der ersten Zeitspanne in das Abgas eingebrachten Brennstoff umsetzen und so auf eine zum Bereitstellen von N02 geeignete Temperatur gebracht werden kann. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Abgasanreicherung bzw. Kraftstoff-Nacheinspritzungen erst dann aktiviert werden, wenn ein bestimmter Schwellenwert oder Triggerwert der Temperatur des Oxidationskatalysators von beispielsweise etwa 230 °C erreicht ist.
Bevorzugt wird während der ersten Zeitspanne durch innermotorische Nacheinspritzung Kraftstoff in den wenigstens einen zweiten Zylinder eingebracht, wenn die Temperatur des Oxidationskatalysators zwischen 250 °C und 320 °C liegt. Dies hängt ab vom
Massenfluss des Abgasstroms und der verwendeten Oxidationskatalysator-Technologie.
Die Brennstoffanreicherung des Abgases während der ersten Zeitspanne erfolgt generell bevorzugt in einem Temperaturbereich des Oxidationskatalysators von 250 °C bis 450 °C. Somit ist sichergestellt, dass der Oxidationskatalysator zwar seine Anspringtemperatur erreicht hat, jedoch die Temperatur in einem Bereich bleibt, bei welcher sich thermische Schädigungen des Oxidationskatalysators besonders weitgehend vermeiden lassen. Bevorzugt werden mittels Edelmetallen des Oxidationskatalysators Abgasbestandteile oxidiert, wobei die Edelmetalle bezogen auf ein Volumen des Oxidationskatalysators in einem Gehalt von 170 g/m3 bis 700 g/m3, insbesondere in einem Gehalt von etwa 350 g/m3, in diesem vorliegen. Edelmetallbeladungen von Oxidationskatalysatoren werden auch in g/ft3 angegeben; in dieser Einheit entsprechen die zuvor genannten Größen Werten von 5 g/ft3 bis 20 g/ft3 bzw. bevorzugt von 10 g/ft3. Derartige Edelmetallbeladungen sind vergleichsweise niedrig gegenüber typischen Werten, welche im Bereich von etwa 40 g/ft3 bis 70 g/ft3 liegen. Die Edelmetalle können insbesondere Platin und/oder Palladium umfassen.
Selbst mit einer solchen im Vergleich zu üblichen Werten geringen Edelmetallbeladung des Oxidationskatalysators lässt sich vorliegend eine signifikante Oxidations-Aktivität von NO zu N02 erreichen. Dies liegt einerseits daran, dass aufgrund der pulsierenden Abgas- Anreicherung eine besonders hohe Aktivität des Oxidationskatalysators erzielbar ist. Andererseits ist aufgrund der besonders schonenden Aufheizung des Oxidationskatalysators eine geringere thermische Alterung desselben gegeben, weswegen weniger Edelmetall für einen alterungsbedingten Aktivitätsrückgang vorgehalten werden muss und deswegen eine verringerte Edelmetallbeladung ausreichend ist. Mit einem Oxidations- katalysator, welcher den vorliegend beschriebenen vergleichsweise niedrigen Edelmetallgehalt aufweist, lässt sich eine signifikante Rußumsatzrate auf Basis der CRT-Reaktion bereits ab einer Temperatur von mehr als ca. 230° C erreichen.
Für das Aufheizen des Oxidationskatalysators hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn während der ersten Zeitspanne in einem jeweiligen Arbeitstakt des wenigstens einen zweiten Zylinders über eine Dauer von 0,2 ms bis 20 ms hinweg eine Mehrzahl von Kraftstoff-Nacheinspritzungen in den wenigstens einen zweiten Zylinder vorgenommen werden. Hierbei können insbesondere bei einer vergleichsweise langen Dauer von 20 ms bis zu 5 Kraftstoff-Nacheinspritzungen je Arbeitstakt erfolgen. Insbesondere können über eine Dauer von 0,2 ms bis 3 ms hinweg im Arbeitstakt eine oder mehrere Einspritzungen vorgenommen werden. Diese Dauer von beispielsweise 0,2 ms bis 3 ms stellt also das drehzahlabhängige zeitliche Dosierfenster pro Arbeitstakt oder Arbeitsspiel des jeweiligen zweiten Zylinders dar.
Die erste Zeitspanne selber, also die Zeitspanne, in welcher überhaupt eine Abgasanreicherung erfolgt bzw. Nacheinspritzungen vorgenommen werden, liegt bevorzugt in einer Größenordnung von 1 s bis 300 s, insbesondere von 3 s bis 30 s. Die Dauer der zweiten Zeitspanne, während welcher das Anreichern mit Brennstoff bzw. Nachein- spritzen von Kraftstoff in einen zweiten Zylinder unterbunden wird, kann im Bereich von 0,5 s bis 200 s liegen, insbesondere in einem Bereich von 10 s bis 60 s. Diese zweite Zeitspanne oder Nacheinspritzpause ist hierbei variabel, und ihre Dauer ist auch unabhängig von der Dauer der ersten Zeitspanne. Es geht also mit einem Verkürzen oder Verlängern der ersten Zeitspanne nicht zwangsläufig eine Verkürzung oder Verlängerung der zweiten Zeitspanne einher. Mit den vorliegend beschriebenen Dauern der Zeitspannen lässt sich ein besonders weitgehendes passives Regenerieren des Partikelfilters mittels des CRT-Effekts erreichen.
Bevorzugt wird eine Dauer der ersten Zeitspanne in Abhängigkeit von einer Temperatur im Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine eingestellt. Die Temperatur kann hierbei insbesondere stromabwärts des Oxidationskatalysators gemessen werden. So kann bei vergleichsweise kaltem Oxidationskatalysator über eine längere erste
Zeitspanne hinweg Kraftstoff in den wenigstens einen zweiten Zylinder eingebracht werden als bei schon vergleichsweise heißem Oxidationskatalysator.
In analoger Weise kann eine Dauer der zweiten Zeitspanne in Abhängigkeit von der Temperatur eingestellt werden. So ist bei vergleichsweise kaltem Oxidationskatalysator, wenn dieser lediglich geringfügig über seine Anspringtemperatur aufgeheizt ist, keine oder nur eine sehr kurze Nacheinspritzpause vorteilhaft, während bei bereits vergleichsweise heißem Oxidationskatalysator eine entsprechend lange Nacheinspritzpause vorgesehen sein kann. Insbesondere kann in einem Temperaturfenster von 300° C bis 350° C der Temperatur stromabwärts des Oxidationskatalysators keine oder allenfalls eine sehr kurze Nacheinspritzpause vorgesehen sein.
Des Weiteren kann eine Dauer, über welche je Arbeitstakt einzelne Kraftstoff-Nacheinspritzungen in den wenigstens einen zweiten Zylinder vorgenommen werden, in
Abhängigkeit von der Temperatur eingestellt werden. Eine kurze solche Dauer je
Arbeitstakt ist nämlich dann günstig, wenn die Temperatur bereits hoch ist. So wird nämlich die hohe Temperatur auf einfache Weise aufrechterhalten, und dennoch ist aufgrund der kurzen Dauer eine Wandbenetzung des wenigstens einen zweiten Zylinders mit Kraftstoff besonders weitgehend unterbunden. Demgegenüber kann zum vergleichsweise starken Anheben der Temperatur des Oxidationskatalysators eine längere Dauer je Arbeitstakt vorgesehen sein, über welche hinweg in den wenigstens einen zweiten Zylinders wenigstens eine Nacheinspritzung vorgenommen wird. Dadurch ergeben sich große Einspritzmengen, welche zu einer entsprechend raschen Anhebung der
Temperatur führen. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn während der zweiten Zeitspanne weniger Abgas rückgeführt wird als während der ersten Zeitspanne. Durch eine geringere
Abgasrückführungsrate lassen sich nämlich die Stickoxid-Rohemissionen beeinflussen und zwar derart, dass bei niedriger Abgasrückführungsrate eine besonders hohe
Rohemission an Stickoxiden vorliegt. Das Erhöhen der Rohemissionen an NOx während der zweiten Zeitspanne ist hier vorteilhaft, da so in der zweiten Zeitspanne auch besonders viel N02 gebildet werden kann. Die Veränderung der Abgasrückführungsrate kann insbesondere durch Verändern eines Öffnungswinkels eines Abgasrückführungsventils und/oder durch Verändern einer Dauer der Öffnung des Ventils vorgenommen werden. Es kann so besonders gut das N02-Angebot bedarfsabhängig eingestellt werden.
Vorteilhaft ist es im Hinblick auf die Rohemissionen weiterhin, wenn mit steigender Temperatur im Brennraum des Zylinders eine größere Abgasrückführungsrate eingestellt wird.
Das Abgasrückführungsventil kann auch vollständig geschlossen werden, so dass gar kein Abgas rückgeführt wird, wenn eine vergleichsweise starke Brennstoff-Anreicherung des Abgases vorgenommen wird bzw. eine große Kraftstoff-Nacheinspritzmenge während der ersten Zeitspanne in den wenigstens einen zweiten Zylinder eingebracht wird. So sind besonders sicher die Abgasrückführleitung und der Zulufttrakt vor einer Versottung geschützt.
Durch Schließen des Abgasrückführungsventils wird auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas angehoben und die Partikelemission gesenkt. Durch das Bereitstellen von mehr Sauerstoff im Abgas kann auch die N02-Konzentration stromaufwärts des Partikelfilters angehoben werden. Dies verbessert die passive Rußoxidationsrate.
Zusätzlich oder alternativ kann während der zweiten Zeitspanne eine Kraftstoff-Haupteinspritzung in die Zylinder früher vorgenommen werden als während der ersten Zeitspanne. Während die Haupteinspritzung üblicherweise in einem Bereich von 5° KW vor dem oberen Totpunkt bis 12° KW nach dem oberen Totpunkt erfolgt, wird dann also die Haupteinspritzung in Richtung früh verschoben. Auch dies bewirkt eine Anhebung der NOx-Konzentration im Abgas und eine Absenkung der Partikelemission der
Verbrennungskraftmaschine. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird während der zweiten Zeitspanne ein Ladedruck der den Zylindern zugeführten Zuluft erhöht, um die
Rohemissionen an Stickoxiden zu vergrößern. Bei einem hohen Ladedruck ergeben sich nämlich ein hohes Luftverhältnis λ und eine hohe Konzentration an Stickoxiden. Das Erhöhen des Ladedrucks kann insbesondere durch Ansteuern eines Wastegates eines Abgasturboladers erfolgen und/oder durch Variieren der Turbinengeometrie des
Abgasturboladers.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn während der ersten Zeitspanne der Kraftstoff mit umso höherem Druck in den wenigstens einen zweiten Zylinder der
Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird, je größer die Menge an in den wenigstens einen zweiten Zylinder eingespritztem Kraftstoff ist. Bei hohem Einspritzdruck oder Raildruck kann nämlich zum Erzielen derselben Einspritzmenge die Einspritzdauer verkürzt werden. Je höher der Einspritzdruck ist, desto kleiner sind auch die Kraftstofftröpfchen und desto besser ist die Aufbereitung der Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs in eine für die Oxidation im Oxidationskatalysator geeignete Form. Wenn also mit steigender Menge an innermotorisch nacheingespritztem Kraftstoff der Einspritzdruck erhöht wird, so ist dies für die Aufbereitung dieser größeren Menge an Kraftstoff günstig.
Eine hohe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Substrates des
Oxidationskatalysators und des Partikelfilters tragen ebenfalls dazu bei, dass eine besonders weitgehende passive Regeneration des Partikelfilters erreichbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung einer Abgasanlage an einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs ist einem Partikelfilter der Abgasanlage Abgas der
Verbrennungskraftmaschine zuführbar. Dem Partikelfilter ist ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, dessen Temperatur durch Oxidation von Brennstoff anhebbar ist. Mittels einer Steuereinrichtung ist eine Anreicherung von Abgas mit Brennstoff während einer ersten Zeitspanne bewirkbar, wobei mittels der Steuerungseinrichtung während einer zweiten Zeitspanne die Anreicherung unterbindbar ist. Hierbei ist wenigstens ein erster Zylinder der Verbrennungskraftmaschine über eine Abgasrückführleitung mit einem Zulufttrakt der Verbrennungskraftmaschine verbunden, und wenigstens ein zweiter Zylinder der Verbrennungskraftmaschine ist unter Verzicht auf eine Abgasrückführung mit dem Oxidationskatalysator fluidisch gekoppelt. Des Weiteren ist die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt, während der ersten Zeitspanne die Anreicherung lediglich bei wenigstens einem zweiten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zu bewirken. Eine solche Anordnung ist besonders funktionssicher, da eine Brennstoffanreicherung des Abgases lediglich bei denjenigen (zweiten) Zylindern beispielsweise durch
innermotorische Nacheinspritzung erfolgt, deren Abgas nicht rückgeführt wird. So ist eine Beaufschlagung der Abgasrückführleitung und des Zulufttrakts mit Kraftstoff besonders weitgehend unterbunden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Anordnung und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in
Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung einer Abgasanlage an einem Verbrennungsmotor eines
Fahrzeugs, wobei lediglich in zwei Zylinder des Verbrennungsmotors Kraftstoff nacheingespritzt wird, aus welchen kein Abgas rückgeführt wird;
Fig. 2 Kurven, welche das gepulste Nacheinspritzen von Kraftstoff, das damit verbundene Aufheizen eines Oxidationskatalysators der Abgasanlage und die mit dem gepulste Nacheinspritzen einhergehenden Veränderungen des Gehalts an N02 im Abgas veranschaulichen;
Fig. 3 einen Graphen, welcher den zeitlichen Verlauf eines Ansteuerstroms und einer Nadelöffnung bei der Durchführung von Nacheinspritzungen veranschaulicht;
Fig. 4 einen weiteren Graphen, bei welcher der volle Ansteuerstrom über eine kürzere Zeitdauer aufgebracht wird als bei dem Graphen gemäß Fig. 3; Fig. 5 einen Graphen gemäß Fig. 4, bei welchem jedoch zusätzlich eine
Amplitude des Ansteuerstroms gegenüber dem Graphen gemäß Fig. 4 verringert ist;
Fig. 6 einen Graphen gemäß Fig. 5, bei welchem die Dauer verkürzt ist, während welcher der in der Amplitude verringerte Ansteuerstrom aufgebracht wird;
Fig. 7 das Vergrößern der Nacheinspritzpause zwischen Zeitspannen, während welchen Nacheinspritzungen vorgenommen werden, in Abhängigkeit von der Temperatur des Oxidationskatalysators;
Fig. 8 das Verändern eines Öffnungswinkels und einer Öffnungsdauer eines
Abgasrückführungsventils;
Fig. 9 das Verschieben eines Öffnungszeitpunkts und eines Schließzeitpunkts, eines Auslassventils eines der Zylinder des Verbrennungsmotors, sowie die mit diesem Verschieben einhergehende Veränderung des Drucks im Brennraum; und
Fig. 10 einen Graphen zur Veranschaulichung der Vorgehensweise bei einer
Frühverstellung von Auslassventil-Steuerzeiten in Verbindung mit einer Einstellung von Nacheinspritzmengen.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 einer Abgasanlage 12 an einem vorzugsweise als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 14 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs. Der Verbrennungsmotor 14 weist vorliegend vier Zylinder 16, 18, 20, 22 auf. Eine Gruppe von vorliegend zwei ersten Zylindern 16, 18 ist über eine Abgasleitung 24 mit einer Turbine 26 eines Abgasturboladers fluidisch gekoppelt. Von der Abgasleitung 24, in welche das Abgas der beiden ersten Zylinder 16, 18 gelangt, zweigt eine Abgas- rückführleitung 28 ab. Die Abgasrückführleitung 28 ist vorliegend als Hochdruck-Abgas- rückführleitung ausgebildet, es kann jedoch zusätzlich auch eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen sein. Über ein lediglich schematisch gezeigtes Abgasrückführungsventil 30 kann die Menge an in einen (nicht gezeigten) Zulufttrakt des Verbrennungsmotors 14 rückgeführtem Abgas eingestellt werden. Die beiden weiteren, zweiten Zylinder 20, 22 des Verbrennungsmotors 14 sind über eine weitere Abgasleitung 32 fluidisch mit der Turbine 26 gekoppelt. Von dieser zweiten Abgasleitung 32 zweigt jedoch keine Abgasrückführleitung ab. Von den zweiten Zylindern 20, 22 abgegebenes Abgas kann daher nicht oder allenfalls zu einem vernachlässigbaren Anteil in die Abgasrückführleitung 28 gelangen und zur Einlassseite des Verbrennungsmotors 14 gelangen. Die Abgasleitungen 24 und 32 können Bestandteile eines zweiteilig ausgebildeten Abgaskrümmers sein.
Die Abgasanlage 12 umfasst einen stromabwärts der Turbine 26 angeordneten
Oxidationskatalysator 34, insbesondere Dieseloxidationskatalysator, welchem ein
Partikelfilter 36, insbesondere Dieselpartikelfilter, nachgeschaltet ist. Bei dem Partikelfilter 36 kann es sich insbesondere um einen oxidationskatalytisch beschichteten
Partikelfilter handeln.
Vorliegend wird mit Hilfe einer innermotorische Kraftstoff-Nacheinspritzung eine
Temperaturanhebung des Oxidationskatalysators 34 erreicht, damit dieser besonders effizient im Abgas vorliegendes NO zu N02 oxidieren kann. Anschließend wird während einer variabel vorgebbaren Zeitspanne die innermotorische Nacheinspritzung unterbunden, so dass durch das am Oxidationskatalysator 34 gebildete N02 und durch H20 Rußpartikel oxidiert werden können, welche sich am Partikelfilter 36 angesammelt haben. Dabei kann eine Kraftstoff-Nacheinspritzung mehrere, insbesondere bis zu 5 einzelne Nacheinspritzvorgänge innerhalb eines Arbeitstaktes eines Zylinders 20, 22 beinhalten. Nachfolgend wird vereinfachend von einer Nacheinspritzung gesprochen.
Die passive Regeneration des Partikelfilters 36 mit Rußoxidation mit N02 läuft bevorzugt in einem Temperaturbereich oberhalb von etwa 300° C ab, also in einem Temperaturbereich, in welchem eine thermische Alterung des Oxidationskatalysators 34 auf ein vergleichsweise geringes Maß begrenzt ist. Ideal und besonders bevorzugt ist eine Temperatur von etwa 450 °C.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt einer Mehrzahl von sich abwechselnden und unmittelbar aufeinander folgenden Zeitspannen dargestellt, in welchen eine Nacheinspritzung erfolgt und unterbunden ist. In einer ersten Phase oder Zeitspanne 38 werden Nacheinspritzungen in den Verbrennungsmotor 14 vorgenommen, um die Temperatur des Oxidationskatalysators 34 zu erhöhen. In einer anschließenden zweiten Phase oder zweiten Zeitspanne 40 wird keine Nacheinspritzung vorgenommen, die Durchführung von Nacheinspritzungen also unterbunden. Die Nacheinspritzungen erfolgen vorliegend also gepulst oder getaktet, sodass sich die erste Zeitspanne 38 mit Nacheinspritzungen und die zweite Zeitspanne 40 ohne Nacheinspritzungen abwechseln.
Vorliegend wird jedoch lediglich in die zweiten Zylinder 20, 22 eine Nacheinspritzung von Kraftstoff 42 vorgenommen (vgl. Fig. 1 ), deren Abgas nicht rückgeführt wird, welche also an die zweite Abgasleitung 32 angeschlossen sind. In den beiden ersten Zylindern 16, 18 des Verbrennungsmotors 14 findet demgegenüber keine Nacheinspritzung statt, sie werden also nicht während der ersten Zeitspanne 38 mit nacheingespritztem Kraftstoff beaufschlagt.
Die Nacheinspritzung des Kraftstoffs 42 erfolgt also ausschließlich in die beiden zweiten Zylinder 20, 22 und nicht in die beiden ersten Zylinder 16, 18, deren Abgas zu einem mehr oder weniger großen Anteil in den Zulufttrakt rückgeführt wird bzw. rückgeführt werden kann. Dadurch wird eine Beaufschlagung der Abgasrückführleitung 28, eines (nicht gezeigten) Abgasrückführungskühlers sowie des Zulufttrakts mit nacheingespritztem, also unverbranntem Kraftstoff vermieden.
Die Nacheinspritzung erfolgt bevorzugt im Bereich von 60 °KW bis 70 °KW nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt der beiden zweiten Zylinder 20, 22. Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 90 °KW bis 150 °KW nach dem oberen Totpunkt. Je einzelner Nacheinspritzung und je nach Temperatur des Oxidationskatalysators 34 kann eine Menge von 0 mg bis 60 mg Kraftstoff 42 pro Zylinder 20, 22 und Liter Hubraum des jeweiligen Zylinders 20, 22 frei eingestellt werden.
Stromabwärts des Partikelfilters 36 kann in der Abgasanlage 12 ein SCR-Katalysator 44 vorgesehen sein, welchem ein (optionaler) Katalysator zum Oxidieren von Ammoniak, also ein sogenannter Ammoniak-Schlupf-Katalysator 46, nachgeschaltet sein kann. Wenn ein SCR-Katalysator 44 vorgesehen ist, so erfolgt stromaufwärts desselben über ein Dosiergerät 48 eine Zudosierung von einer Reduktionsmittellösung zur selektiven Stickoxidreduktion, vorzugsweise einer wässrigen Harnstofflösung, aus welcher sich im heißen Abgas Ammoniak bildet. Dieser wird dann im SCR-Katalysator 44 (SCR =
Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
Vorzugsweise sorgt ein vorgesehenes Steuergerät 50 dafür, dass während der ersten Zeitspanne 38 in die vorliegend zwei ersten Zylinder 16, 18 kein Kraftstoff nacheinge- spritzt wird, während lediglich Abgas der beiden zweiten Zylinder 20, 22 über die
Nacheinspritzung mit unverbrannte Kohlenwasserstoffen angereichert wird.
In Fig. 2 veranschaulichen in einer ersten Kurve 52 Balken 54 die Menge an Kraftstoff 42, welche über die innermotorische Nacheinspritzung während der ersten Zeitspanne 38 in die beiden zweiten Zylinder 20, 22 eingebracht wird.
Eine zweite Kurve 56 in Fig. 2 veranschaulicht das Verhältnis von N02 zu NOx stromabwärts des Oxidationskatalysators 34 infolge dieses intermittierenden oder gepulsten Betriebs, also des Beaufschlagens der beiden zweiten Zylinder 20, 22 mit dem nacheingespritzten Kraftstoff 42 und der daran anschließenden zweiten Zeitspanne 40, während welcher hauptsächlich das passive Regenerieren des Partikelfilters 36 stattfindet. In der Heizphase, also während der ersten Zeitspanne 38, liegt demnach so gut wie kein N02 im Abgas vor. Viel N02 wird jedoch dann gebildet, wenn während der zweiten Zeitspanne 40 kein Kraftstoff mehr in die zweiten Zylinder 20, 22 des Verbrennungsmotors 14 nacheingespritzt wird. Während der zweiten Zeitspanne 40, also im Regenerationsmodus, steht somit eine vergleichsweise große Menge an N02 im Abgas zur Verfügung.
Eine weitere Kurve 58 veranschaulicht die Temperatur des Abgases stromabwärts des Oxidationskatalysators 34. Diese schwankt entsprechend der Beaufschlagung des Abgases mit Brennstoff im Heizmodus, ist also während der ersten Zeitspanne 38 höher als in der sich daran anschließenden Regenerationsphase oder zweiten Zeitspanne 40. Infolge der vergleichsweise hohen Wärmekapazität des Oxidationskatalysators 34 sind jedoch diese Schwankungen der Temperatur gedämpft. Noch stärker gedämpft ist die zeitlich verzögernd einsetzende Schwankung der Temperatur auslassseitig des
Partikelfilters 36, welche in Fig. 2 durch eine weitere Kurve 60 veranschaulicht ist.
Fig. 3 zeigt detailliert, wie während der ersten Zeitspanne 38 ein jeweiliges Magnetventil oder Piezoventil angesteuert wird, um den Kraftstoff 42 in die beiden zweiten Zylinder 20, 22 in einem einzelnen Nacheinspritzvorgang einzuspritzen. Hierbei bezeichnet Ί-ι ein zeitliches Dosierfenster eines einzelnen Nacheinspritzvorgangs pro Arbeitstakt des zweiten Zylinders 20, 22, wobei die Dauer dieses Dosierfensters Ti insbesondere 0,2 ms bis 20 ms betragen kann. Während dieser Dauer können jedoch auch mehrere, typischerweise bis zu vier einzelne Nacheinspritzungen vorgenommen werden.
In Fig. 3 entspricht T2 der ersten Zeitspanne 38, also einem Zeitraum, über welchen hinweg bei jedem Arbeitstakt in einen jeweiligen zweiten Zylinder 20, 22 Kraftstoff 42 nacheingespritzt wird. Dieser Zeitraum liegt in einer Größenordnung von 1 s bis 300 s Eine Nacheinspritzpause entspricht der zweiten Zeitspanne 40, und sie ergibt sich gemäß Fig. 3 aus der Differenz von T3-T2, wobei T3 der Zeitraum vom Beginn einer ersten Nacheinspritzung bis zum Ende der Nacheinspritzpause ist.
Eine Kurve 62 gibt in Fig. 3 einen Ansteuerstrom lv an, welcher das Öffnen des Einspritzventils bewirkt, und eine Ventilnadel des Einspritzventils anhebt und somit eine Freigabe einer Ventilöffnung zur Nacheinspritzung von Kraftstoff bewirkt. Ein Wert des Ansteuer- stroms lv ist auf einer linken Ordinate 65 des Graphen in Fig. 3 angegeben. Der
Ansteuerstrom lv liegt während des Dosierfensters ΤΊ eines einzelnen Nacheinspritz- vorgangs am Einspritzventil eines jeweiligen zweiten Zylinders 20, 22 an. In Fig. 3 ist eine weitere Zeitspanne 64 veranschaulicht, welche die Zeit zwischen zwei Arbeitstakten der zweiten Zylinder 20, 22 also die Zeit zwischen zwei Zeitfenstern ΤΊ angibt. Diese Zeitspanne 64 ist entsprechend kurz bei hoher Drehzahl des Verbrennungsmotors 14. Bei der Betriebsweise gemäß Fig. 3 wird das jeweilige Einspritzventil mit einem vergleichsweise großen Ansteuerstrom lv beaufschlagt und dies über ein vergleichsweise langes
Zeitfenster T1 hinweg. Entsprechend wird während des Zeitfensters ΤΊ über einen vergleichsweise langen Zeitraum hinweg eine Nadelöffnung oder ein Ventilnadelhub H von 100 % erreicht, was durch eine Kurve 63 veranschaulicht ist, wobei ein Wert der Nadelöffnung H auf einer Ordinate 66 des Graphen in Fig. 3 angegeben ist.
Demgegenüber ist bei einer in dem Graphen gemäß Fig. 4 veranschaulichten Betriebsweise des Verbrennungsmotors 14 die Dauer des jeweiligen Ansteuerstroms lv verkürzt, es ist also das Zeitfenster ΤΊ kleiner und die Zeitspanne 64 größer. Hierbei wird zwar auch eine Nadelöffnung H von 100 % erreicht, jedoch nur noch kurzzeitig. Es wird also eine geringere Menge an Kraftstoff 42 in die beiden zweiten Zylinder 20, 22 nacheingespritzt.
Bei der Betriebsweise des Verbrennungsmotors 14 gemäß Fig. 5 ist hingegen nicht nur das Zeitfenster ΤΊ verkürzt, sondern auch eine Höhe oder Amplitude 68 des Ansteuerstroms lv. Entsprechend wird selbst eine geringere Nadelöffnung H als die Nadelöffnung H von 100 % lediglich während einer sehr kurzen Dauer erreicht.
Bei der Betriebsweise des Verbrennungsmotors 14 gemäß Fig. 6 wird die Nadelöffnung H von weniger als 100 % durch Beaufschlagen des Einspritzventils mit einem Ansteuerstrom lv einer Amplitude 68 wie in Fig. 4 erreicht, jedoch bei verkürzter Ansteuerdauer, also bei verkürztem Zeitfenster ΤΊ. Durch das Verkürzen der Dauer, über welche hinweg das Einspritzventil mit dem
Ansteuerstrom beaufschlagt wird und/oder durch Verringern der Amplitude 68 des Ansteuerstroms lv öffnet also die Einspritzdüsennadel nicht vollständig. Dies liegt an den ballistischen Eigenschaften der Nadel des Einspritzventils. Daraus resultiert eine verringerte Nacheinspritzmenge.
Eine solche verringerte Menge an nacheingespritztem Kraftstoff 42 ist insbesondere dann vorgesehen, wenn der Oxidationskatalysator 34 eine vergleichsweise hohe Temperatur erreicht hat. Dann wird zwar die Temperatur des Oxidationskatalysators 34 besonders weitgehend aufrechterhalten, jedoch kommt es nicht zu einer unerwünschten Benetzung der Wände der zweiten Zylinder 20, 22 mit dem nacheingespritzten Kraftstoff 42.
Innerhalb der ersten Zeitspanne 38 ist eine volle Variabilität des Ansteuerdauer Ti und der Amplitude 68 des Ansteuerstroms lv gegeben, wodurch flexibel und nahezu unabhängig vom Motorbetriebszustand, jedoch unter dessen Berücksichtigung, die Nacheinspritzmenge an einen Heizbedarf für den Oxidationskatalysator 34 bzw. den Partikelfilter 36 angepasst und gleichzeitig ein stark ausgeprägter CRT-Effekt erzielt werden kann.
In einem in Fig. 7 gezeigten Graphen ist auf einer Abszisse 70 die Dauer der Nachein- spritzpause T3-T2 angegeben und auf einer Ordinate 72 die Temperatur auslassseitig des Oxidationskatalysators 34. Entsprechend einer in Fig. 7 gezeigten Kurve 74 verlängert sich die Nacheinspritzpause oder die Zeitspanne 40 zumindest in einem Temperaturbereich nahe einer Zieltemperatur von etwa 450 °C überproportional, wenn die
Temperatur des Oxidationskatalysators 34 ansteigt. Bei weniger stark erwärmtem
Oxidationskatalysator 34 wird je nach Aufheizbedarf keine oder nur eine sehr kurze Nacheinspritzpause eingestellt, während bei vergleichsweise heißem Oxidationskatalysator 34 eine längere zweite Zeitspanne 40 vorliegt.
In einem in Fig. 8 gezeigten Graphen ist auf einer Ordinate 76 ein Öffnungswinkel und auf einer Abszisse 78 eine Öffnungsdauer des Abgasrückführungsventils 30 angegeben. Entsprechend kann durch einen geringen Öffnungswinkel und eine kurze Öffnungsdauer, wie sie durch eine Kurve 80 veranschaulicht sind, eine vergleichsweise niedrige Abgasrückführungsrate erreicht werden. Dies erhöht die NOx-Rohemissionen des
Verbrennungsmotors 14. Um den Oxidationskatalysator 34 auf seine Anspringtemperatur oder Light-Off- Temperatur zu bringen, wird vorliegend bevorzugt ein Phasensteiler eingesetzt. Durch eine solche variable Nockenwellensteuerung werden ein Öffnungszeitpunkt 82 und ein Schließzeitpunkt 84 eines Auslassventils (vgl. Fig. 9) des jeweiligen zweiten Zylinders 20, 22 in Richtung früh verschoben. Es kann eine Frühverschiebung von bis zu etwa 60 °KW vorgesehen sein.
Dies ist in Fig. 9 veranschaulicht, in welcher eine Kurve 86 den Hub eines Auslassventils im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 14 zeigt. Entsprechend schließt das
Auslassventil, wenn ein Einlassventil öffnet, dessen Hub durch eine weitere Kurve 88 veranschaulicht ist. Durch den Phasensteiler werden nun der Öffnungszeitpunkt 82 und der Schließzeitpunkt 84 des Auslassventils in Richtung früh verschoben, wie dies in Fig. 9 durch eine weitere Kurve 90 veranschaulicht ist.
Entsprechend ist ein Schließzeitpunkt 92 des Auslassventils erreicht, bevor der Ausstoßtakt des jeweiligen Zylinders 20, 22 beendet ist. Dadurch ergibt sich im Brennraum des Zylinders 20, 22 eine Zwischenkompression, welche als Maximum 94 oder Peak einer weiteren, den Druck im Brennraum angebenden Kurve 96 in Fig. 9 veranschaulicht ist.
Ebenso wie der Schließzeitpunkt 92 ist auch ein Öffnungszeitpunkt 98 des Auslassventils in Richtung früh verschoben. Dies bewirkt, dass der Brennraumdruck absinkt, und zwar vorliegend im Bereich von etwa 140° KW. Zur Veranschaulichung dieses Absinkens des Drucks im Brennraum gibt in Fig. 9 eine weitere Kurve 100 die Druckverhältnisse im Brennraum beim normalen, der Kurve 86 entsprechenden Ansteuern des Auslassventils an.
Durch die mit der Zwischenkompression einhergehende Temperaturerhöhung, welche dadurch zustande kommt, dass das Restgas bei jetzt früher schließendem Auslassventil noch verdichtet wird, lässt sich der Oxidationskatalysator 34 besonders einfach und aufwandsarm auf seine Anspringtemperatur bringen. Vorzugsweise wirkt der Phasen- steller auf alle Zylinder 16, 18, 20, 22 des Verbrennungsmotors 14 in gleicher Weise.
Wenn jedoch bei aufgrund des frühen Öffnens des Auslassventils abgesenktem Druck im Brennraum eine Nacheinspritzung in denselben vorgenommen wird, so kann aufgrund des geringeren Gegendrucks im Zylinder 20, 22 der Kraftstoff strahl mit höherem Impuls und größerem Masseanteil gegen die Zylinderwand spritzen. Dies führt zu einem unerwünschten Eintrag von Kraftstoff ins Motoröl. Vorliegend werden daher bei aktiver Nacheinspritzung der Öffnungszeitpunkt 82 und der Schließzeitpunkt 84 des Auslassventils bevorzugt nicht oder nur wenig in Richtung früh verschoben, wenn Nacheinspritzungen stattfinden. Umgekehrt werden Nacheinspritzungen überhaupt und insbesondere mit größerer Menge an Kraftstoff 42 erst dann vorgenommen, wenn der nach früh verschobene Öffnungszeitpunkt 98 und der nach früh verschobene Schließzeitpunkt 92 wieder in Richtung normal verschoben sind.
Hierbei kann speziell im Bereich der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 34 eine Überlappung derart vorgesehen sein, dass eine zunehmende Menge an Kraftstoff 42 mittels der Nacheinspritzung eingespritzt wird, während die nach früh verschobenen Zeitpunkte wieder zunehmend zu dem normalen Öffnungszeitpunkt 82 und dem normalen Schließzeitpunkt 84 hin verschoben werden. So wird die Benetzung der Zylinderwand mit während einer Nacheinspritzung eingebrachtem Kraftstoff 42 auf ein Minimum begrenzt.
Eine beispielhafte Vorgehensweise ist in Fig. 10 lediglich grob schematisch veranschaulicht. Im Graphen von Fig. 10 ist eine Kurve 102 einer auf einer linken Ordinate 106 abgetragenen Frühverstellung V des Öffnungs- und Schließzeitpunkts 82, 92 eines jeweiligen Auslassventils zugeordnet. Ausgehend von niedrigen Temperaturen ϋ unterhalb der mit ϋΑ bezeichneten Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 34 wird die Frühverstellung V von 100 %, entsprechende etwa 60 °KW, bis auf die Normalbetriebseinstellung mit steigender Temperatur ö verringert. Insbesondere wird sie im Bereich der Anspringtemperatur -öA zunehmend stark verringert. Mit Erreichen der Anspringtemperatur i3A vermag der Oxidationskatalysator 34 unverbrannte bzw. teilverbrannte Kraftstoffbestandteile umzusetzen, weshalb eine weitere Aufheizung mit Hilfe der oben beschriebenen Nacheinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen der zweiten Zylinder 20, 22 bewirkt werden kann. Eine in Fig. 10 als Kurve 104 dargestellte und auf der Ordinate 108 abgetragene Gesamt-Nacheinspritzmenge mNE je Arbeitstakt wird daher so eingestellt, dass sie beginnend bei der Anspringtemperatur θΑ mit zunehmender
Temperatur d zunächst zunehmend rasch ansteigt. Mit abnehmendem Aufheizbedarf und zunehmender Annäherung der Temperatur ϋ des Oxidationskatalysator 34 an die Zieltemperatur von etwa 450 °C nimmt die Gesamt-Nacheinspritzmenge mNE dann wieder ab. So kann auf effektive und Kraftstoff sparende Weise eine Aufheizung des Oxidationskatalysators 34 und somit eine N02-Bildung erzielt werden, welche eine effektive
Rußoxidation im Partikelfilter 36 ermöglicht und daher thermische Partikelfilterregenerationen durch Sauerstoff induzierten Rußabbrand weitgehend vermeidet. Daimler AG
Bezugszeichenliste
10 Anordnung
12 Abgasanlage
14 Verbrennungsmotor
16 Zylinder
18 Zylinder
0 Zylinder
2 Zylinder
4 Abgasleitung
6 Turbine
8 Abgasrückführleitung
0 Abgasrückführungsventil 2 Abgasleitung
4 Oxidationskatalysator
6 Partikelfilter
8 Zeitspanne
0 Zeitspanne
2 Kraftstoff
4 SCR-Katalysator
6 Ammoniak-Schlupf-Katalysator 8 Dosiergerät
0 Steuergerät
2 Kurve
4 Balken
6 Kurve
8 Kurve
0 Kurve
2 Kurve
3 Kurve 64 Zeitspanne
65 Ordinate
66 Ordinate
68 Amplitude
70 Abszisse
72 Ordinate
74 Kurve
76 Ordinate
78 Abszisse
80 Kurve
82 Öffnungszeitpunkt
84 Schließzeitpunkt
86 Kurve
88 Kurve
90 Kurve
92 Schließzeitpunkt
94 Maximum
96 Kurve
98 Öffnungszeitpunkt
100 Kurve
102 Kurve
104 Kurve
106 Ordinate
108 Ordinate

Claims

Daimler AG Patentansprüche
Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (36), welchem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Fahrzeugs zugeführt wird, bei welchem eine Temperatur eines dem Partikelfilter (36) vorgeschalteten Oxidationskatalysators (34) erhöht wird, indem während einer ersten Zeitspanne (38) Abgas von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine (14) mit Brennstoff angereichert wird und dieser im Oxidationskatalysator (34) wenigstens teilweise oxidiert wird, und bei welchem während einer zweiten Zeitspanne (40) die Anreicherung unterbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass
während der ersten Zeitspanne (38) Abgas wenigstens eines ersten Zylinders (16, 18) der Verbrennungskraftmaschine (14) in einen Zulufttrakt der Verbrennungskraftmaschine (14) rückgeführt wird, wobei während der ersten Zeitspanne (38) Abgas lediglich eines zweiten Zylinders (20, 22) angereichert wird, dessen Abgas unter Verzicht auf ein Rückführen dem Oxidationskatalysator (34) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der ersten Zeitspanne (38) ein im Betrieb heißerer zweiter Zylinder (20) mit mehr Kraftstoff (42) beaufschlagt wird als ein im Betrieb weniger heißer zweiter Zylinder (22).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Aufheizbetrieb des Oxidationskatalysators (34), in welchem dieser auf seine Anspringtemperatur gebracht wird, insbesondere mittels einer variablen Nockenwellensteuerung, wenigstens ein Auslassventil wenigstens eines Zylinders (16, 18, 20, 22) geschlossen wird, bevor ein Ausstoßtakt des jeweiligen Zylinders (16, 18, 20, 22) beendet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Frühverstellung des Öffnungszeitpunkts des wenigstens einen
Auslassventils eine Kraftstoff-Nacheinspritzung unterbleibt oder eine Kraftstoff- Nacheinspritzmenge, welche während der ersten Zeitspanne (38) in den wenigstens einen zweiten Zylinder (20, 22) der Verbrennungskraftmaschine (14) eingebracht wird, erhöht wird, während parallel eine Frühverstellung des Öffnungszeitpunkts des wenigstens einen Auslassventils vermindert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Anreicherung des Abgases erst dann erfolgt, wenn der Oxidationskatalysator (34) auf seine Anspringtemperatur gebracht ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels Edelmetallen des Oxidationskatalysators (34) Abgasbestandteile oxidiert werden, wobei die Edelmetalle bezogen auf ein Volumen des Oxidationskatalysators (34) in einem Gehalt von 170 g/m3 bis 700 g/m3, insbesondere in einem Gehalt von etwa 350 g/m3, in diesem vorliegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der ersten, insbesondere eine Dauer von 1 s bis 300 s aufweisenden, Zeitspanne (38) in einem jeweiligen Arbeitstakt des wenigstens einen zweiten Zylinders (20, 22) über eine Dauer (Τ·,) von 0,2 ms bis 20 ms hinweg eine Mehrzahl von Kraftstoff-Nacheinspritzungen in den wenigstens einen zweiten Zylinder (20, 22) vorgenommen werden, wobei das Nacheinspritzen während der zweiten, insbesondere eine Dauer von 0,5 s bis 200 s aufweisenden, Zeitspanne (40) unterbunden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Dauer der ersten Zeitspanne (38) und/oder eine Dauer der zweiten Zeitspanne (40) und/oder eine Dauer (T^, über welche je Arbeitstakt einzelne Kraftstoff- Nacheinspritzungen in den wenigstens einen zweiten Zylinder (20, 22)
vorgenommen werden, in Abhängigkeit von einer, insbesondere stromabwärts des Oxidationskatalysators (34) vorliegenden, Temperatur eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der zweiten Zeitspanne (40) weniger Abgas rückgeführt wird und/oder eine Kraftstoff-Haupteinspritzung in die Zylinder (16, 18, 20, 22) früher vorgenommen wird als während der ersten Zeitspanne (38) und/oder ein Ladedruck der den Zylindern (16, 18, 20, 22) zugeführten Zuluft erhöht wird und/oder während der ersten Zeitspanne (38) der Kraftstoff (42) mit um so höherem Druck in den wenigstens einen zweiten Zylinder (20, 22) der Verbrennungskraftmaschine (14) eingespritzt wird, je größer die Menge an in den wenigstens einen zweiten Zylinder (20, 22) eingespritztem Kraftstoff (42) ist.
10. Anordnung einer Abgasanlage (12) an einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Fahrzeugs, wobei einem Partikelfilter (36) der Abgasanlage (12) Abgas der
Verbrennungskraftmaschine (14) zuführbar ist, und mit einem dem Partikelfilter (36) vorgeschalteten Oxidationskatalysator (34), dessen Temperatur durch Oxidation von Brennstoff anhebbar ist und mittels einer Steuerungseinrichtung (50) eine Anreicherung von Abgas mit Brennstoff während einer ersten Zeitspanne (38) bewirkbar ist, wobei mittels der Steuerungseinrichtung (50) während einer zweiten Zeitspanne (40) die Anreicherung unterbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein erster Zylinder (16, 18) der Verbrennungskraftmaschine (14) über eine Abgasrückführleitung (28) mit einem Zulufttrakt der Verbrennungskraftmaschine (14) verbunden ist, wobei wenigstens ein zweiter Zylinder (20, 22) der Verbrennungskraftmaschine (14) unter Verzicht auf eine Abgasrückführung mit dem Oxidationskatalysator (34) fluidisch gekoppelt ist, wobei die Steuerungseinrichtung (50) dazu ausgelegt ist, während der ersten Zeitspanne (38) die Anreicherung lediglich bei wenigstens einem zweiten Zylinder (20, 22) der Verbrennungskraftmaschine (14) zu bewirken.
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