DE102017218307A1 - Dieselmotor mit Dieselpartikelfilter und Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors - Google Patents

Dieselmotor mit Dieselpartikelfilter und Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors Download PDF

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Abstract

Es werden ein Dieselmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors beschrieben. Der Dieselmotor besitzt im Abgasstrang einen Dieselpartikelfilter. Stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters sind NO- und/oder NOx-Sensoren im Abgasstrang angeordnet, um die durch den CRT-Effekt im Dieselpartikelfilter reduzierte Partikelmenge zu bestimmen. Bei dem Verfahren werden die entsprechenden NO- und/oder NO2-Konzenrationen stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters gemessen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit einem Abgasstrang und einem im Abgasstrang angeordneten Dieselpartikelfilter.
  • Ein Dieselpartikelfilter (DPF), auch als Dieselrußpartikelfilter (DRPF), Rußpartikelfilter (RPF) oder Partikelfilter bezeichnet, ist eine Einrichtung zur Reduzierung der im Abgas von Dieselmotoren vorhandenen Partikel. Die Funktionsweise von derartigen Dieselpartikelfiltern ist bekannt.
  • Derartige Filter müssen in bestimmten Abständen regeneriert werden. Hierfür sind diverse Regenerationsverfahren bekannt. Bei einem Verfahren handelt es sich dabei um eine katalytisch unterstützte Regeneration. Hierbei ist der Filter ähnlich einem Oxidationskatalysator katalytisch beschichtet. Dabei erfolgt bei der passiven Regeneration bei genügend hohen Temperaturen und NO2-Konzentrationen eine permanente Umwandlung des Rußes zu CO2 und Stickstoffmonoxid (NO). Dieser Vorgang geschieht in einem Temperaturbereich von 350-500 °C und läuft ohne besondere Maßnahmen nach dem Prinzip der „kontinuierlich regenerierenden (Partikel-)Falle“ (Continuously Regeneration Trap (CRT)) ab. Hierzu wandelt ein vorgeschalteter Oxidationskatalysator bzw. die katalytisch wirkende Filterbeschichtung das in den Abgasen vorhandene Stickstoffmonoxid (NO) zusammen mit dem Restsauerstoff (O2) in Stickstoffdioxid (NO2) um. Dieses Stickstoffdioxid ermöglicht anschließend eine kontinuierliche Verbrennung des im Partikelfilter angesammelten Rußes zu Kohlendioxid (CO2) und Stickstoffmonoxid (NO).
  • Bei diesem Regenerationsverfahren wird daher Stickstoffdioxid (NO2) zur kontinuierlichen Rußpartikelregeneration in einem Dieselpartikelfilter benutzt, und zwar bereits bei niedrigeren Dieselpartikelfiltertemperaturen (über den CRT-Effekt). Die Temperatur im Dieselpartikelfilter und die NO2-Konzentration vor dem Dieselpartikelfilter stellen somit wichtige Faktoren für die Regenerationseffizienz des Filters dar. Eine genaue Bestimmung des CRT-Effektes ist daher für die Regenerationseffizienz von großer Bedeutung, um die entsprechende Regenerationsfrequenz zu verringern und damit den Ausstoß von CO2 zu reduzieren. Ferner ist die genaue Bestimmung des CRT-Effektes von Bedeutung, um eine Alterung des Dieselpartikelfilters hinauszuzögern.
  • Es ist bekannt, die entsprechende Regenerationsstrategie auf Basis des Rußansammlungspegels im Dieselpartikelfilter festzulegen. Dieser wird in Abhängigkeit von der Rohemission des Rußes, der CRT-Effizienz und der Trap-Effizienz des Dieselpartikelfilters modelliert. Bei realen Fahrbedingungen ist es jedoch sehr schwierig, die CRT-Effizienz genau zu ermitteln, da in Abhängigkeit von den Temperatur- und Alterungskonditionen sehr starke Schwankungen der entsprechenden NOx-Anteile auftreten können. Diese Abhängigkeit besteht auch von den entsprechenden Betriebsbedingungen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dieselmotor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem der CRT-Effekt des Dieselpartikelfilters besonders genau erfasst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Dieselmotor der angegebenen Art dadurch gelöst, dass stromauf des Dieselpartikelfilters im Abgasstrang ein NO-Sensor und stromab des Dieselpartikelfilters im Abgasstrang ein NO-Sensor angeordnet sind.
  • Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösungsvariante der vorstehend genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Dieselmotor mit einem Abgasstrang und einem im Abgasstrang angeordneten Dieselpartikelfilter vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass stromauf des Dieselpartikelfilters im Abgasstrom ein NO2-Sensor und stromab des Dieselpartikelfilters im Abgasstrom ein NO2-Sensor angeordnet sind.
  • Die hier verwendeten Begriffe „NO“ bedeuten Stickstoffmonoxid, „NO2“ Stickstoffdioxid und „NOx“ Stickstoffmonoxid plus Stickstoffdioxid. „CRT“ bedeutet „Continuously Regeneration Trap“, d.h. Prinzip der kontinuierlich regenerierenden Partikelfalle. „DPF“ bedeutet Dieselpartikelfilter. Später werden auch die Begriffe „DOC“ (Dieseloxidationskatalysator) und „SCR“ (selektive katalytische Reduktion) sowie „SCR-Katalysator“ (ein mit dem SCR-Verfahren arbeitender Katalysator) verwendet.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch entsprechende Verfahren gelöst. So betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der einen Abgasstrang und einen im Abgasstrang angeordneten Dieselpartikelfilter aufweist. Bei einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Lösung umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte:
    • - Messen der NO-Konzentration im Abgasstrang stromauf des Dieselpartikelfilters;
    • - Messen der NO-Konzentration im Abgasstrang stromab des Dieselpartikelfilters; und
    • - Benutzen der erhaltenen Signale zum Bilden der Differenz zwischen der NO-Konzentration stromab und stromauf des Dieselpartikelfilters zur Bestimmung der durch den CRT-Effekt reduzierten Partikelmenge.
  • Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lösung der genannten Aufgabe umfasst die folgenden Schritte:
    • - Messen der NO2-Konzentration im Abgasstrang stromauf des Dieselpartikelfilters;
    • - Messen der NO2-Konzentration im Abgasstrang stromab des Dieselpartikelfilters; und
    • - Benutzen der erhaltenen Signale zum Bilden der Differenz zwischen der NO2-Konzentration stromab und stromauf des Dieselpartikelfilters zur Bestimmung der durch den CRT-Effekt reduzierten Partikelmenge.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch die Anordnung von entsprechenden NO- und/oder NO2-Sensoren und die Durchführung von entsprechenden NO- und/oder NO2-Konzentrationsmessungen mit diesen Sensoren stromauf und stromab eines Dieselpartikelfilters die CRT-Effizienz des Dieselpartikelfilters zu ermitteln. Ferner sollen die ermittelten Effizienzwerte für die Steuerung der aktiven Regeneration des Dieselpartikelfilters eingesetzt werden. Hierbei wird wie folgt vorgegangen:
  • Bei der ersten Variante, wenn ein NO-Sensor stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters verwendet wird, wird der Anstieg von NO stromab des Dieselpartikelfilters, nämlich die Differenz zwischen dem NO-Signal stromab des Dieselpartikelfilters und stromauf des Dieselpartikelfilters, ermittelt. Dieser Wert wird benutzt, um festzustellen, wie viele Partikel (Rußpartikel) durch den CRT-Effekt reduziert wurden.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind hierbei im Abgasstrang stromauf des Dieselpartikelfilters sowohl ein NO-Sensor als auch ein NO2-Sensor angeordnet. Hiermit kann das NO2/NOx-Verhältnis stromab des Dieselpartikelfilters wie folgt ermittelt werden: NO2_a/NOx_a = 1 - NO_a/ (NO_b + NO2_b), wobei bedeuten:
    • NO2_a, NO_a = NO2- oder NO-Konzentration stromab des Dieselpartikelfilters
    • NO2_b, NO_b = NO2- oder NO-Konzentration stromauf des Dieselpartikelfilters
  • Bei der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Lösung, bei der ein NO2-Sensor stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters benutzt wird, kann der Abfall von NO2 stromab des Dieselpartikelfilters, d.h. die Differenz zwischen dem NO2-Signal stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters, benutzt werden, um zu bestimmen, wie viele Partikel (Rußpartikel) durch den CRT-Effekt reduziert wurden. Auch hierbei kann wie bei der vorstehend beschriebenen Variante, bei der sowohl ein NO2-Sensor als auch ein NO-Sensor stromauf des Dieselpartikelfilters angeordnet sind, das NO2/NOx-Verhältnis stromab des Dieselpartikelfilters wie folgt ermittelt werden: NO2_a/NOx_a = NO2_a/ (NO_b + NO2_b)
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist stromab des Dieselpartikelfilters im Abgasstrang ein SCR-Katalysator angeordnet, wobei stromauf des SCR-Katalysators ein NO-Sensor und ein NO2-Sensor angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform kann das NO2/NOx-Verhältnis stromab des Dieselpartikelfilters ermittelt werden, das dann für die Steuerung der korrekten SCR-Harnstoffdosierung benutzt wird.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform ist stromauf des Dieselpartikelfilters im Abgasstrang ein Dieseloxidationskatalysator angeordnet, wobei stromauf des Dieseloxidationskatalysators ein NOx-Sensor und stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters entweder ein NO-Sensor oder ein NO2-Sensor angeordnet sind.
  • Bei dieser Ausführungsform kann die Bestimmung der Rußpartikelreduzierung durch den CRT-Effekt in entsprechender Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden, bei der ein NO- und/oder ein NO2-Sensor stromauf und ein NO2-Sensor oder ein NO-Sensor stromab des Dieselpartikelfilters angeordnet sind. Lediglich zur Bestimmung des NO2/NOX-Verhältnisses wird die gemessene gesamte NOx-Konzentration stromauf des Dieseloxidationskatalysators verwendet. Mit dieser Konfiguration kann zusätzlich die Umwandlungseffizienz des Dieseloxidationskatalysators aus der NO- oder NO2-Messung stromauf des Dieselpartikelfilters im Vergleich zu NOx stromauf des Dieseloxidationskatalysators für die Beschickungsgasdiagnose des Dieseloxidationskatalysators benutzt werden.
  • Das NO2/NOx-Verhältnis stromauf des SCR-Katalysators kann auch für das aktive Temperaturmanagement des Dieselpartikelfilters und/oder Dieseloxidationskatalysators verwendet werden. Wenn das NO2/NOx-Verhältnis zu hoch ist (d.h. über 50 %), dann sollte die Temperatur des Dieseloxidationskatalysators reduziert werden, beispielsweise durch Reduktion von EGR (Abgasrückführung) oder über eine Verschiebung des Verbrennungsmittelpunktes in Richtung einer hohen Verbrennungseffizienz. Wenn das NO2/NOx-Verhältnis zu niedrig ist (d.h. unter 20 % liegt), dann sollte die Temperatur des Dieseloxidationskatalysators erhöht werden, beispielsweise über eine Erhöhung von EGR oder über eine Verzögerung des Verbrennungsmittelpunktes in Richtung einer geringeren Verbrennungseffizienz.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind im Abgasstrang in Strömungsrichtung hintereinander ein Dieseloxidationskatalysator, ein Dieselpartikelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet, wobei im Abgasstrang stromauf des Dieseloxidationskatalysators sowie zwischen dem Dieseloxidationskatalysator und dem Dieselpartikelfilter und zwischen dem Dieselpartikelfilter und dem SCR-Katalysator jeweils ein NO-Sensor und ein NO2-Sensor angeordnet sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Abgasstranges eines Dieselmotors;
    • 2 eine entsprechende Darstellung wie 1 einer zweiten Ausführungsform; und
    • 3 eine entsprechende Darstellung wie 1 einer dritten Ausführungsform.
  • Wie man 1 entnehmen kann, wird das Abgas eines Dieselmotors über einen Abgasstrang 1 in der Figur von links nach rechts geführt. Das Abgas passiert dabei einen Dieselpartikelfilter 2, der in geeigneter und bekannter Weise ausgebildet ist. Stromauf des Dieselpartikelfilters 2 befinden sich im Abgasstrang ein NO-Sensor 3 sowie ein NO2-Sensor 4. Stromab des Dieselpartikelfilters 2 befindet sich im Abgasstrang ein weiterer NO2-Sensor 5.
  • Mithilfe der beiden NO2-Sensoren 4 und 5 wird die Abnahme von NO2 im Abgas nach dem Passieren des Dieselpartikelfilters (Differenz zwischen dem NO2-Signal stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters) gemessen, um festzustellen, welche Partikelmenge (Rußmenge) durch den CRT-Effekt reduziert wurde. Darüber hinaus wird das NO2/NOx-Verhältnis stromab des Dieselpartikelfilters errechnet.
  • Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform befinden sich stromauf des Dieselpartikelfilters 2 ein NO-Sensor 3 und ein NO2-Sensor 4, während stromab des Dieselpartikelfilters 2 ein NO-Sensor 6 im Abgasstrang angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird der Anstieg von NO stromab des Dieselpartikelfilters (die Differenz zwischen dem NO-Signal stromab und stromauf des Dieselpartikelfilters) gemessen und dazu benutzt, um festzustellen, welche Partikelmenge durch den CRT-Effekt reduziert wurde. Ferner wird das NO2/NOx-Verhältnis stromab des Dieselpartikelfilters rechnerisch ermittelt.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der stromauf des Dieselpartikelfilters 2 ein Dieseloxidationskatalysator 7 im Abgasstrang 1 angeordnet ist. Hierbei ist stromauf des Dieseloxidationskatalysators 7 ein NOx-Sensor 8 im Abgasstrang 1 vorgesehen. Stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters 2 befindet sich entweder ein NO-Sensor oder NO2-Sensor 9, 10.
  • Die Ermittlung der Reduktion der Partikelmenge durch den CRT-Effekt entspricht hierbei der Vorgehensweise der 1 und 2. Nur für die Bestimmung des NO2/NOx-Verhältnisses wird die gemessene gesamte NOx-Konzentration stromauf des Dieseloxidationskatalysators 7 benutzt. Mit dieser Konfiguration kann zusätzlich die DOC-Umwandlungseffizienz aus der NO- oder NO2-Messung stromauf des Dieselpartikelfilters im Vergleich NOx stromauf des Dieseloxidationskatalysators zusätzlich zur DOC-Beschickungsgasdiagnose verwendet werden.

Claims (11)

  1. Dieselmotor mit einem Abgasstrang (1) und einem im Abgasstrang (1) angeordneten Dieselpartikelfilter (2), dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Dieselpartikelfilters (2) im Abgasstrang (1) ein NO-Sensor (3) und stromab des Dieselpartikelfilters (2) im Abgasstrang (1) ein NO-Sensor (6) angeordnet sind.
  2. Dieselmotor mit einem Abgasstrang (1) und einem im Abgasstrang (1) angeordneten Dieselpartikelfilter (2), dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Dieselpartikelfilters (2) im Abgasstrang (1) ein NO2-Sensor (4) und stromab des Dieselpartikelfilters (2) im Abgasstrang (1) ein NO2-Sensor (5) angeordnet sind.
  3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (1) stromauf des Dieselpartikelfilters (2) sowohl ein NO-Sensor (3) als auch ein NO2-Sensor (4) angeordnet ist.
  4. Dieselmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (1) stromab des Dieselpartikelfilters (2) sowohl ein NO-Sensor (6) als auch ein NO2-Sensor (5) angeordnet ist.
  5. Dieselmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Dieselpartikelfilters (2) im Abgasstrang (1) ein SCR-Katalysator angeordnet ist, wobei stromauf des SCR-Katalysators ein NO-Sensor und ein NO2-Sensor angeordnet sind.
  6. Dieselmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Dieselpartikelfilters (2) im Abgasstrang (1) ein Dieseloxidationskatalysator (7) angeordnet ist, wobei stromauf und stromab des Dieseloxidationskatalysators (7) entweder ein NO-Sensor (9) oder ein NO2-Sensor (10) angeordnet ist.
  7. Dieselmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Dieseloxidationskatalysators (7) ein NOx-Sensor (8) im Abgasstrang (1) vorgesehen ist.
  8. Dieselmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (1) in Strömungsrichtung hintereinander ein Dieseloxidationskatalysator (7), ein Dieselpartikelfilter (2) und ein SCR-Katalysator angeordnet sind, wobei im Abgasstrang (1) stromauf des Dieseloxidationskatalysators (7) sowie zwischen dem Dieseloxidationskatalysator (7) und dem Dieselpartikelfilter (2) und zwischen dem Dieselpartikelfilter (2) und dem SCR-Katalysator jeweils ein NO-Sensor (9) und ein NO2-Sensor (10) angeordnet sind.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der einen Abgasstrang (1) und einen im Abgasstrang (1) angeordneten Dieselpartikelfilter (2) aufweist, mit den folgenden Schritten: - Messen der NO-Konzentration im Abgasstrang (1) stromauf des Dieselpartikelfilters (2); - Messen der NO-Konzentration im Abgasstrang (1) stromab des Dieselpartikelfilters (2); und - Benutzen der erhaltenen Signale zum Bilden der Differenz zwischen der NO-Konzentration stromab und stromauf des Dieselpartikelfilters (2) zur Bestimmung der durch den CRT-Effekt reduzierten Partikelmenge.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der einen Abgasstrang (1) und einem im Abgasstrang (1) angeordneten Dieselpartikelfilter (2) aufweist, mit den folgenden Schritten: - Messen der NO2-Konzentration im Abgasstrang (1) stromauf des Dieselpartikelfilters (2); - Messen der NO2-Konzentration im Abgasstrang (1) stromab des Dieselpartikelfilters (2); und - Benutzen der erhaltenen Signale zum Bilden der Differenz zwischen der NO2-Konzentration stromab und stromauf des Dieselpartikelfilters (2) zur Bestimmung der durch den CRT-Effekt reduzierten Partikelmenge.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Konzentration stromauf des Dieselpartikelfilters (2) gemessen und hieraus das NO2/NOx-Verhältnis stromab des Dieselpartikelfilters (2) ermittelt wird.
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