DE3608370A1 - Verfahren zur regeneration von filtersystemen fuer die abgase von fahrzeug-brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regenera­ tion von Filtersystemen für die Abgase von Fahrzeug-Brenn­ kraftmaschinen durch Oxidation abgelagerter Partikeln mit Hilfe elektrischer Sekundärenergie.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Verbrennungskraft­ maschinen mit möglichst schadstoffarmen Abgasen werden bei Dieselmotoren zur Reduzierung der Partikelemission Nachbe­ handlungssysteme für das Abgas eingesetzt. Diese bestehen im wesentlichen aus Filtersystemen, die die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikeln führen zu einer Erhöhung des Strö­ mungswiderstandes im Abgassystem, wodurch sich der Abgas­ gegendruck für den Motor erhöht. Mit zunehmender Partikel­ masse führt dies in Abhängigkeit von Last (Drehmoment) und Drehzahl zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und im Ex­ tremfall zum Stillstand des Motors. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, kontinuierlich oder intermittierend die im Filter abgelagerten Partikeln zu beseitigen, und zwar im allgemeinen durch Oxidation der Partikeln.

Als Filtersysteme zur Sammlung der Partikeln mit intermit­ tierender Rußverbrennung haben sich u.a. keramische Waben­ filter mit und ohne katalytische Beschichtung bewährt.

Die Oxidation der im Filter angesammelten Partikeln setzt bei Temperaturen oberhalb 500 Grad C ein. Durch den Einsatz katalytischer Filterbeschichtungen kann die erforderliche Temperatur um bis zu 100 Grad C gesenkt werden.

Derartig hohe Temperaturen werden von Dieselmotoren jedoch nur im oberen Lastbereich erreicht. Eine ausreichend häufi­ ge Filterregeneration im Fahrbetrieb ist daher nicht sicher­ gestellt. Durch den Einsatz von Sekundärenergie kann die Ab­ gastemperatur soweit erhöht werden, daß eine zur Filterre­ generation ausreichende Abgastemperatur erreicht wird. Die notwendigen Heizleistungen sind allerdings aufgrund des großen Abgasmassenstroms sehr hoch (etwa 40 kW für einen Saugmotor mit 10 Liter Hubraum). Bei Regeneration im Leer­ lauf (n = 800 U/min) liegen infolge der geringeren Motorab­ gastemperatur trotz des geringeren Abgasmassenstroms die er­ forderlichen Leistungen mit etwa 30 kW in ähnlicher Größen­ ordnung.

Die Sekundärenergieleistungen können bei einer Verringerung des Abgasmassenstroms durch Saugrohrdrosselung und Bypass- Systeme gesenkt werden. Bei dem Bypass-System wird das Fil­ ter während der Regeneration nur mit einem Teilabgasstrom beaufschlagt; der Restabgasstrom muß durch ein zweites Fil­ tersystem geleitet werden. Bei der Regeneration mit gerin­ gen Abgasmassenströmen besteht jedoch die Gefahr der Filter­ zerstörung durch örtliches Überhitzen (Anschmelzungen, ther­ mische Risse) infolge unzureichender Kühlung des Oxidations­ prozesses durch das Abgas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Filterregene­ ration in besonders wirtschaftlicher Weise zu erreichen, und zwar unter Sicherung der normalen Funktion und Lebensdauer des Filters.

Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der ein­ gangs bezeichneten Art dadurch erreicht, daß in der Leerlauf- bzw. Schubphase des Fahrzeugbetriebes die Lichtmaschine zu­ geschaltet wird, um kinetische Energie des Fahrzeuges in elek­ trische Energie umzuwandeln, und die von der Lichtmaschine erzeugte elektrische Energie dem Partikelfiltersystem als Sekundärenergie zugeführt wird. Die Nutzung der kinetischen Energie im Leerlauf kann mittels einer zuschaltbaren Schwung­ masse bei vom Motor abgekoppelter Lichtmaschine erfolgen.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Merkmale und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Motor-Abgasfiltersystem zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt im Diagramm den zeitlichen Verlauf der Schub­ phase eines Fahrzeuges im Vergleich mit der Dauer der Zünd­ phase.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein Dieselmotor 1 mit einem Abgassammelsystem 2 ausgerüstet, das die Abgase über Abgas­ drossel 3 und Abgasfiltersystem 4 in Richtung des Pfeiles 5 abführt. In dem Abgasfiltersystem 4 befinden sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel keramische Wabenfilter als Monolithe 6, jedoch ist die Erfindung nicht auf Filter die­ ser Bauart beschränkt.

Auf der Zuströmseite der Wabenfilter 6 sind beispielsweise mäanderförmig angeordnete Heizelemente 7 zur Zuführung von Sekundärenergie angeordnet.

Lichtmaschine 8 des Motors 1 ist über Leitung 9 mit einem Heizverteiler 10 verbunden, der den Heizelementen 7 der ein­ zelnen Regenerierungsbereiche der Wabenfilter 6 über Leitun­ gen 11 Sekundärenergie selektiv zuführt. Auch steht Einspritz­ anlage 12 über Leitung 13 mit einer Steuereinheit 14 in Ver­ bindung, die ihrerseits über Leitung 15 den Heizverteiler 10 steuert. An Leitung 9 ist über Leitung 16 Batterie 17 an­ geschlossen.

Die von der Lichtmaschine 8 während der Schubphase für die elektrische Widerstandsheizung erzeugte Leistung dient als Bremsleistung für das Fahrzeug. Geht das Fahrzeug in die Schub­ phase über, so wird über die Nullstellung der Regelstange der Einspritzanlage 12 des Motors 1 ein Signal zur Steuereinheit 14 gegeben. Die Steuereinheit 14 schließt den Stromkreis für die Regenerationsheizung über Heizverteiler 10 und sorgt für die Zufuhr der erfoderlichen Sekundärenergie.

Die Heizelemente 7 zur Regeneration sind in den Filtern 6 untergebracht. Zur Verminderung der Wärmeabfuhr bei der Rußoxidation während der Schubphase durch das Abgas kann die Abgasdrossel 3 zur gleichzeitigen Unterstützung der Fahr­ zeugbremsung mit eingeschaltet werden.

Wenn die Zündphase länger als die Schubphase ist, so kann die notwendige Leistung für die Heizelemente 7 aus der zusätz­ lich vorhandenen Batterie 17 entnommen werden. Diese zusätz­ liche Batterie 17 kann in Schubphasen, in denen keine Rege­ neration erforderlich ist, aufgeladen werden.

Fig. 2 zeigt einen Geschwindigkeits-Zeitverlauf, in dem die Schubphase und die Zündphase für die Rußregeneration darge­ stellt sind. Es ist erkennbar, daß die zeitliche Dauer 18 der Zündphase einen höheren Betrag hat als die Dauer 19 der Schubphase, jedenfalls im Regelfall bei Fahrt auf ebener Bahn. Hierdurch ergibt sich das Erfordernis, daß in Fällen dieser Art zusätzlich zu der Brems- bzw. Schubenergie wei­ tere Energie zuzuführen ist.

Es ist zweckmäßig, ein Abgasfilter mit Wabenstruktur in meh­ rere Regenerationsbereiche aufzuteilen. Bei einem Filter­ system, das aus mehreren Monolithen besteht, kann jeder Mono­ lith in einen oder mehrere Regenerationsbereiche aufgeteilt sein. Die Regenerationsbereiche des Filters werden mit elek­ trischen Widerstandsheizelementen ausgerüstet, wie sie z.B. aus US-PS 43 73 330 bekannt sind.

Die Höhe der zur Regeneration notwendigen elektrischen Leistung ist abhängig von der Größe des Regenerationsbe­ reiches und des den Regenerationsbereich durchströmenden Abgasmassenstroms. Erfindungsgemäß wird die Größe des Rege­ nerationsbereiches so gewählt, daß zur Regeneration des Be­ reiches die Leistung der Fahrzeuglichtmaschine während der Schubphase, eventuell in Verbindung mit einer Abgasdrossel (Motorbremse), und im Leerlauf ausreichend ist.

Geht das Fahrzeug in die Schubphase über, so wird über die Nullstellung der Regelstange der Einspritzanlage 12 des Mo­ tors ein Signal zur Steuerung der Regeneration gegeben und der Stromkreis für die Heizung eines Regenerationsbereiches geschlossen. Die notwendige Dauer der Zündphase beträgt et­ wa 30 s. Nach dieser Zeit wird der Stromkreis wieder ge­ öffnet.

Die zur Regeneration erforderliche Leistung wird von der Fahrzeuglichtmaschine geliefert. Während der Schubphase des Fahrzeuges wirkt die Lichtmaschine als zusätzliche Bremsein­ richtung, und die elektrische Leistung wird aus der kine­ tischen Energie des Fahrzeuges erzeugt.

Im gewählten Beispiel ist, wie aus Fig. 2 zu ersehen, die Schubphase des Fahrzeuges im Stadtverkehr mit etwa 15 s kürzer als die notwendige Zündphase. Daher muß die Leistung, die nicht aus der kinetischen Energie des Fahrzeuges erzeug­ bar ist, mit dem Fahrzeugmotor erzeugt werden. Die Ausnutzung der kinetischen Energie des Fahrzeuges zur Regeneration des Dieselpartikelfilters bietet gegenüber bisherigen Systemen den Vorteil eines geringeren Kraftstoffmehrverbrauches.

Ist ein Bereich des Filters freigebrannt, so wird mit einer der nächsten Schubphasen der im Regenerationszyklus nächstfolgende Regenerationsbereich des Filters gezündet. Der zeitliche Abstand zwischen den Regenerationen der ein­ zelnen Bereiche sollte annähernd konstant sein. Die gesamte Zyklusdauer wird vorzugsweise so gewählt, daß während der Beladungszeiten der einzelnen Bereiche jeweils zur Rußzün­ dung ausreichende Mindestbeladungsmassen in den entsprechen­ den Regenerationsbereichen vorhanden sind.

Durch das in nahezu konstantem zeitlichen Abstand erfolgende Abbrennen der einzelnen Bereiche wird dem Filter eine über den Bereichen inhomogene Beladung aufgezwungen. Der Bereich, welcher als nächster zur Regeneration ansteht, ist derjenige, in dem die im Vergleich zu anderen Bereichen höchste Bela­ dung und dadurch folgend die geringste Strömungsgeschwindig­ keit herrscht. Dadurch kann insbesondere bei geringen Dreh­ zahlen auf Strömungsleitvorrichtungen zur Reduzierung des Abgasmassenstroms, wie sie z.B. aus DE-OS 32 04 176 bekannt sind, verzichtet werden.

Geringere Abgasmassenströme während der Regeneration eines Partikelfilters können infolge zu geringer Kühlung des Ver­ brennungsprozesses zum Schmelzen oder Reißen des Filterma­ terials führen. Dies wird bei dem beschriebenen System mit inhomogener Beladung und sequentiellem Zünden des jeweils am höchsten beladenen Bereiches dadurch vermieden, daß wäh­ rend der Regeneration der Abgasmassenstrom in diesem Be­ reich bedingt durch eine hier abnehmende Partikelmasse an­ steigt, wodurch die Kühlung über dem Verbrennungsprozeß zu­ nimmt. Die zunehmende Kühlung führt neben der erhöhten Wär­ meabfuhr auch zu einer Verminderung der maximalen Reaktions­ rate, wodurch die Spitzen der Reaktionsumsetzung und somit die Temperaturspitzen weiter gesenkt werden.

Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise, partielle Filterregenerationen mit geringen Leistungen durchzuführen, so daß mit Hilfe der Lichtmaschine des Fahrzeuges die Brems­ energie im Schubbetrieb von Standfahrzeugen zur Filterrege­ neration genutzt werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Ab­ gase von Fahrzeug-Brennkraftmaschinen durch Oxidation abge­ lagerter Partikeln mit Hilfe elektrischer Sekundärenergie, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Leerlauf- bzw. Schubphase des Fahrzeugbetriebes die Lichtmaschine zugeschaltet wird, um kine­ tische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umzuwan­ deln, und die von der Lichtmaschine erzeugte elektrische Ener­ gie dem Partikelfiltersystem als Sekundärenergie zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung der Lichtmaschine selbsttätig dann erfolgt, wenn die Regelstange oder sonstige die Leistung der Brennkraftma­ schine steuernde Teile in die Leerlauf- bzw. Nullstellung ver­ setzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung der Lichtmaschine selbsttätig dann erfolgt, wenn die Abgasdrossel der Motorbremseinrichtung in die Stellung des Bremsbetriebes versetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtmaschine für den Zeitraum zwischen der Beendigung der Leerlauf- bzw. Schubphase und dem Einsatz der selbsttragenden Filterregeneration weiterhin zur Leistungsab­ gabe durch Motorkraft betätigt wird.

5. Einrichtung zur Ausübung des Regenerationsverfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Partikelfiltersystem in nacheinander zu regenerierende Be­ reiche aufgeteilt ist, deren Größe der Leistung der Licht­ maschine angepaßt ist.

6. Einrichtung zur Ausübung des Regenerationsverfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine zusätz­ liche, von der Lichtmaschine während nicht zur Filterregene­ ration genutzter Leerlauf- bzw. Schubphasen geladene Batterie zur Lieferung der Sekundärenergie für die Regeneration nach Beendigung des zur Regeneration genutzten Leerlauf- bzw. Schubbetriebes.

7. Einrichtung zur Ausübung der Verfahren nach einem der An­ sprüche 1-4 oder nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Abgabe eines Signals zur Einleitung des Regenerationsvorganges mit Hilfe von Sekun­ därenergie, wenn während eines vorgegebenen Zeitraums keine Leerlauf- bzw. Schubphase eingetreten ist.