DE10105075A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Rußabbrandes in einem Dieselmotor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Rußabbrandes in einem Dieselmotor

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Rußabbrandes in einem Dieselmotor, bei dem zum Einleiten des Rußabbrandes die Temperatur der in den Rußfilter eintretenden Motorabgase mindestens auf das Reaktionsniveau der additivfreien Abgase mit dem abgelagerten Ruß angehoben wird, bis die Rußoberfläche genügend aufgeheizt ist. Zur Zündung der Rußverbrennung wird die Abgastemperatur gegebenenfalls zugunsten eines ausreichenden Sauerstoffanteils reduziert. Während des folgenden Rußabbrandes ist der Massenstrom des Sauerstoffs in den Abgasen des Motors unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Brennrate begrenzbar.

Description

Bei einem Common Rail-Dieselmotor (CR DI) sind trotz hohem Brenn­ stoff-Druck und feiner Brennstoff-Zerstäubung sowie einem nachgeschalteten Oxy­ dationskatalysator im Leerlauf und Teillastbetrieb des Motors die Abgastemperatu­ ren zu niedrig, um den Rußausstoß des Motors in akzeptablen Grenzen zu halten. Deshalb ist dem Oxydationskatalysator ein Rußfilter nachgeschaltet, der den größ­ ten Teil des entstehenden Rußes zurückhält. Wenn sich zu viel Ruß ansammelt, steigt der Durchflusswiderstand für die Abgase des Motors. Der angesammelte Ruß im Filter muss nunmehr abgebrannt werden. Hierzu existiert eine Vorrichtung zum Messen des Beladungszustands des Rußfilters und eine Motorsteuerung zur be­ darfsgerechten Verbrennung des Rußes. Die Motorsteuerung aktiviert im Bedarfs­ fall die Nacheinspritzung von Brennstoff in die Brennkammer und gleichzeitig die Beimengung eines Additivs zum Brennstoff.
Die Nacheinspritzung von Brennstoff dient zur Anhebung der Abgastemperatur in der Brennkammer und zur Brennstoffanreicherung im Abgas, um zusätzliche Verbrennung im nachgeschalteten Oxydationskatalysator und die weitere Temperaturerhöhung der Abgase zu bewirken. Die Abgase beheizen den abgelagerten Ruß, und weil durch die vorangegangene Additivbeimengung zum Brennstoff die Zündtemperatur des Rußes gesunken ist, reagiert die überschüssige Luft im Abgas mit dem erhitzten Ruß, der Rußabbrand im beladenen Filter beginnt.
Wenn die Messvorrichtung den Leerzustand des Filters anzeigt, schaltet die Steuerung sofort auf normalen Motorbetrieb.
Das Ergebnis ist die nahezu vollständige Verbrennung des Rußes im Filter. Menge und Größe der den Filter verlassenden Rußpartikel im Abgas sind nahe an der Nachweisgrenze.
Probleme
Die Kosten und der Platzbedarf der Additivanlage samt Leitungsverlegung sind sehr hoch. Das zusätzliche Tanken von Additiv ist für den Fahrer unangenehm und erfordert eine aufwendige weitverzweigte Logistik.
Dieses Verfahren der Filterregenerierung ist technisch auf Dieselmotoren mit Common Rail-Einspritzverfahren begrenzt. Wegen seiner hohen Kosten ist der breitgefächerte Einsatz bei Fahrzeugen der mittleren und unteren Preisklassen ge­ fährdet.
Bei Motoren mit anderen Verfahren der Brennstoffeinspritzung sind keine kommerziell einsetzbaren Maßnahmen für eine vergleichbare hohe Reduzierung des Rußes bekannt.
Generell zeigen alle modernen Dieselmotoren sehr schlechte Leistung der Kabinenheizung.
Aufgabe
Leicht regenerierbare Rußfilter sollen bei allen Fahrzeugen mit Dieselmoto­ ren kurzfristig und kostengünstig realisierbar werden, insbesondere bei bereits in Entwicklung und Serienfertigung befindlichen Motorbaureihen.
Bei Regenerierungsbedarf soll die Zündung der Rußverbrennung möglichst schnell erfolgen, und danach ist ein ausreichender Luftanteil in den dem Filter zu­ fließenden Abgasen zu sichern. Unkontrollierte Abbrände sind zu vermeiden.
Der niedrige Brennstoffverbrauch und das gute Fahrverhalten moderner Dieselmotoren sollen erhalten bzw. ausgebaut und die Kabinenheizung soll verbes­ sert werden.
Lösung
Zur Einleitung des Rußabbrandes wird die Temperatur der in den Filter ein­ tretenden Motorabgase mindestens auf das Reaktionsniveau der additivfreien Ab­ gase mit dem abgelagerten Ruß angehoben, bis die Rußoberfläche genügend auf­ geheizt ist. Zur Zündung der Rußverbrennung wird die Abgastemperatur gegebe­ nenfalls zugunsten eines ausreichenden Sauerstoffanteils reduziert. Während des folgenden Rußabbrandes ist der Massenstrom des Sauerstoffs in den Abgasen des Motors unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Brennrate begrenzbar.
Bei Motoren mit Nacheinspritzung oder Späteinspritzung von Brennstoff und zusätzlicher Verbrennung von überschüssigem Brennstoff in einem nachge­ schalteten Oxydationskatalysator wird die Abgastemperatur durch die Erhitzung der Brennluft des Motors vor Beginn der Kolbenverdichtung erhöht oder durch die Drosselung der Abgase.
Bei Motoren ohne Nacheinspritzung oder Späteinspritzung von Brennstoff wird die Brennluft des Motors vor Beginn der Kolbenverdichtung erhitzt und die Abgase werden gedrosselt.
Wahlweise werden die Abgastemperaturen durch Zylinderabschaltung, zylinderselektive Abgasrückführung und Luftmengenreduzierung erhöht.
Brennlufterhitzung durch sequentielle Lufteinbringung, z. B. durch Wärmeladung mit einem Lufttaktventil (LTV), hat den Vorteil, dass Abgastempe­ ratur und Luftdurchsatz schnell und unabhängig voneinander gesteuert werden kön­ nen.
Zur Erzielung maximaler Abgastemperaturen während der Aufheizphase des Luftfilters kann das Brennstoff/Luft-Verhältnis im Motor bis in den Rußbereich angehoben werden, wobei der Motor durch z. B. Wärmeladung und Abgasdrosse­ lung entsprechend belastet wird.
Die Abgasdrosselung kann auch zur Verbesserung der Kabinenheizung angesteuert werden und Wärme im Abgas kann stromab vom Rußfilter durch Wär­ metausch mit dem Kühlmittel des Motors entzogen und der Kabinenheizung zuge­ führt werden.
Zeichnung
Die Zeichnung veranschaulicht in schematischer Weise die Steuerung des Rußabbrandes eines Rußfilters in einem Dieselmotor.
Stromauf des Dieselmotors (Motor) ist eine Drosselklappe angeordnet. Zwi­ schen der Drosselklappe und jedem Zylinder des Motors ist ein Lufttaktventil (LTV) angeordnet, das eine Wärmeladung (Impulsaufladung) ermöglicht, wie sie in älteren Veröffentlichungen der Anmelderin (z. B. DE 41 41 482) beschrieben wird.
Stromab des Motors ist ein Oxydationskatalysator, ein Rußfilter, eine Abgasdrossel und ein Schalldämpfer angeordnet. Die Zeichnung erwähnt ferner mögliche Maßnahmen zum Erhöhen der Temperatur der in den Rußfilter eintreten­ den Abgase (sowie die zugehörigen Abgastemperaturen).

Claims (14)

1. Verfahren zum Steuern des Rußabbrandes in einem Dieselmotor mit ei­ nem nachgeschalteten Rußfilter, einer Messeinrichtung zum Erkennen des Bela­ dungszustandes des Rußfilters sowie einer Steuereinrichtung zum Steuern der Ab­ gastemperatur bei Teillast des Motors, wobei der Rußabbrand eingeleitet wird, so­ bald der Beladungszustand des Rußfilters eine in der Motorsteuerung vorgegebene Schwelle überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung des Rußab­ brandes die Temperatur der in den Rußfilter eintretenden Abgase mindestens auf das Reaktionsniveau der additivfreien Abgase mit dem abgelagerten Ruß angehoben und zumindest bis zum Beginn des Rußabbrandes auf dem angehobenen Niveau gehalten wird, bis die Rußoberfläche genügend aufgeheizt ist, dass zur Zündung der Rußverbrennung die Abgastemperatur gegebenenfalls zugunsten eines ausreichen­ den Sauerstoffanteils reduziert wird, und dass während des folgenden Rußabbrandes der Massenstrom des Sauerstoffs in den Abgasen des Motors unter Berücksichti­ gung der maximal zulässigen Brennrate begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung maximaler Abgastemperaturen während der Aufheizphase des Luftfilters das Brennstoff/Luft-Verhältnis im Motor bis in den Rußbereich angehoben wird, wobei der Motor durch z. B. Wärmeladung und/oder Abgasdrosselung entsprechend be­ lastet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei der Einleitung und Aufrechter­ haltung des Rußabbrandes Brennstoff in die Brennkammer nacheingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig die Abgase gedrosselt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung und Aufrechterhaltung des Rußabbrandes die Brennluft vor Beginn der Kolbenver­ dichtung erhitzt wird und gleichzeitig die Abgase gedrosselt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft im Brennraum durch sequentielle Lufteinbringung und/oder Wärmeladung mit Lufttaktventil erhitzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft im Brennraum durch sequentielle Lufteinbringung und/oder Wärmeladung mit vari­ ablem Einlassventil erhitzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Erhöhung der Abgastemperatur die Wärmeladung mit verkürzter Einlass­ dauer durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftein­ lass im unteren Totpunkt geöffnet wird, aber die Einströmung abgebrochen wird, bevor eine Strömungsumkehr erfolgt, indem bei Verwendung eines vollvariablen Einlassventils die Öffnungsdauer des Einlassventils verkürzt wird oder bei Verwen­ dung eines zusätzlichen Lufttaktventils die Öffnungsphase des Lufttaktventils ge­ genüber der Öffnungsphase des Einlaßventils so verschoben wird, dass das Luft­ taktventil seine Öffnungsphase erst kurz bevor das Einlassventil fast geschlossen ist, beginnt.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft vor ihrem Eintritt in den Brennraum erhitzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenn­ luft im Brennraum elektrisch erhitzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Abgase stromab vom Rußfilter gedrosselt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Abgastemperatur zusätzlich oder alternativ durch Zylinderab­ schaltung und/oder zylinderselektive Abgasrückführung und/oder Luftmengenredu­ zierung erhöht wird.
13. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorherge­ henden Ansprüche.
14. Dieselmotor mit einer Vorrichtung nach Anspruch 13.
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