DE102019106539B4 - Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors - Google Patents

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors, wobei der Ottomotor Zylinder aufweist, wobei die Kraftstoffzufuhr zu mindestens einem Zylinder abschaltbar und zuschaltbar ist, mit folgenden Verfahrensschritten:- Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu dem Zylinder des Ottomotors, sodass der Brennraum des abgeschalteten Zylinders mit Sauerstoff geflutet wird, wobei der Brennraum des zugeschalteten, gemischverbrennenden Zylinders eine Lastpunktverschiebung erfährt,- Variation des Einspritzzeitpunkts des zugeschalteten Zylinders, sodass der Verbrennungsvorgang betreffend den zugeschalteten Zylinder in den Abgastrakt des Ottomotors verschoben wird, wobei der Ottomotor mehrere Zylinderbänke aufweist, wobei die Zylinder mindestens einer Zylinderbank der Zylinderbänke gemeinsam abgeschaltet oder gemeinsam zugeschaltet werden, wobei mindestens zwei Zylinderbänke zyklisch geschaltet werden, derart, dass eine zugeschaltete Zylinderbank abgeschaltet und eine abgeschaltete Zylinderbank zugeschaltet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors.
  • Ottomotoren werden üblicherweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ von ungefähr 1 betrieben. Beträgt λ = 1, reagieren alle Brennstoffmoleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff, sodass weder Sauerstoff oder unverbrannter Kraftstoff übrigbleibt. Bei einem Wert λ > 1 ist ein Luftüberschuss vorhanden, womit der Ottomotor mit magerem Gemisch betrieben wird. Insbesondere wenn der λ-Wert 1 ist, somit sich ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis ergibt, und auch bei geringem Luftüberschuss ist aufgrund des Verbrennungsprozesses kein Sauerstoff vorhanden, um den Partikelfilter des Abgasnachbehandlungssystems des Ottomotors zu regenerieren. Für die Regeneration von Otto-Partikelfiltern wird eine relativ hohe Abgastemperatur benötigt, insbesondere eine Aktivierungsenergie bei ungefähr 650 °C und ein erhöhter Anteil von Sauerstoff benötigt, der mit dem Ruß des Partikelfilters reagieren kann.
  • Zwecks Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors ist es bekannt, einen oder mehrere Zylinder des Ottomotors abzuschalten. Unter einem solchen Abschalten wird eine Unterbrechung bzw. weitgehende Reduzierung der Kraftstoffzufuhr zum Zylinder verstanden, bei Deaktivierung einer dem Zylinder zugeordneten Zündung.
  • Aus der DE 10 2016 124 546 A1 ist es im Zusammenhang mit der Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors bekannt, Abgasklappen anzusteuern.
  • Aus der DE 10 2014 016 700 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines ottomotorischen Partikelfilters bekannt, das den Verfahrensschritt der Deaktivierung einer Zündung wenigstens eines Zylinders des Ottomotors unter Verminderung der Zufuhr von Kraftstoff in den betreffenden Zylinder aufweist. Insbesondere erfolgt die Verminderung der Zufuhr des Kraftstoffs in den betreffenden Zylinder durch Abschalten des Einspritzens.
  • Auch aus der DE 10 2012 022 153 A1 ist es bekannt, zwecks Regenerierung von Partikelfiltern von Ottomotoren einzelne Zylinder abzuschalten.
  • Aus der DE 10 2005 027 650 A1 ist es bei einem Verbrennungsmotor, der zwei Zylinderbänke aufweist, bekannt, die Zylinderbänke unterschiedlich zu betreiben, um einen Regenerationsbetrieb eines NOx- oder Partikelfilters zu ermöglichen. Hierbei kann eine Zylinderbank abgeschaltet werden.
  • In der DE 10 2009 012 336 B3 ist ein Verfahren zum Aufheizen einer Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Verbrennungsmotors beschrieben. Hierbei werden, zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts und des Kraftstoffgehalts im Abgas während eines Gaswechsels, in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors Öffnungszeiten eines Einlassventils und eines Auslassventils so eingestellt, dass diese sich überschneiden und dass durch ein positives Druckgefälle zwischen einem Saugrohr und einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors während der Überschneidungsphase Frischgas aus dem Zylinder in den Abgastrakt zugeführt wird.
  • Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters bei einem Verbrennungsmotor unter dem Aspekt der Modifizierung der Ventilüberschneidung sind ferner aus der EP 1 549 836 B1 und der US 8 464 514 B2 bekannt.
  • In der DE 102 40 913 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der Kolbenbauart mit Kraftstoffdirekteinspritzung, wobei der Verbrennungsmotor mit einem Partikelfilter ausgerüstet ist, beschrieben. Hierbei erfolgt bei gefülltem Partikelfilter und Teillast des Motors Wärmeladung durch spätes Einlass-Öffnen und es erfolgt zunächst eine hohe Kraftstoffzugabe bei spätem Einspritzbeginn. Bei Erreichen der Abbrandtemperatur im Partikelfilter wird die Kraftstoffzugabe reduziert. Der Einspritzbeginn wird in Abhängigkeit vom Fortschritt des Abbrands bzw. der Regeneration des Partikelfilters allmählich an den normalen Fahrbetrieb angepasst. Erst dann erfolgt die Abschaltung der Wärmeladung, wenn der komplette Abbrand erfolgt ist oder wenn die Betriebssituation ein Abbrechen des Abbrands erzwingt.
  • Weiterhin sind aus der DE 10 2018 107 769 A1 und der DE 10 2014 017 160 A1 ein Verfahren für die Regeneration eines Otto-Partikel-Filters eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei das Verfahren einen Aufheizbetrieb zum Aufheizen des Otto-Partikel-Filters auf eine Temperaturschwelle vorsieht. Ferner sieht das Verfahren ein Umschalten wenigstens eines Zylinders des Verbrennungsmotors von einer Kraftstoffzufuhr zu einer Luftzufuhr vor, wobei wenigstens ein Zylinder in Kraftstoffzufuhr weiterbetrieben wird. Auch erfolgt eine Variation des Einspritzzeitpunkts des zugeschalteten Zylinders. Die DE 10 2018 107 769 A1 ist ein Dokument gemäß § 3 (2) PatG.
  • Ferner ist aus der DE 10 2017 219 594 A1 ein Verfahren zur Regeneration eines Rußpartikelfilters bekannt, wobei das Verfahren ein Abschalten eines Zylinders eines Verbrennungsmotors vorsieht, wobei über diesen abgeschalteten Zylinder eine Frischluftzufuhr in den Rußpartikelfilter erfolgt. Die DE 10 2017 219 594 A1 ist ein Dokument gemäß § 3 (2) PatG.
  • Die DE 10 2011 056 657 A1 betrifft ein Verfahren zum Verhindern von Schäden an einem Benzinpartikel bei einem Fahrzeug mit Zylinderabschaltung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum besonders effizienten Regenerieren eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors anzugeben.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren.
  • Der bei diesem Verfahren Verwendung findende Ottomotor weist Zylinder auf, wobei die Kraftstoffzufuhr zu mindestens einem der Zylinder abschaltbar und zuschaltbar ist.
  • Das Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters weist folgende Verfahrensschritte auf:
    • - Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu dem Zylinder des Ottomotors, sodass der Brennraum des abgeschalteten Zylinders mit Sauerstoff geflutet wird, wobei der Brennraum des zugeschalteten, gemischverbrennenden Zylinders eine Lastpunktverschiebung erfährt,
    • - Variation des Einspritzzeitpunkts des zugeschalteten Zylinders, sodass der Verbrennungsvorgang betreffend den zugeschalteten Zylinder in den Abgastrakt des Ottomotors verschoben wird.
  • Ist ein Zylinder abgeschaltet, müssen verbleibende brennende Zylinder in einem höheren Betriebspunkt betrieben werden, da dieser den Verlust des abgeschalteten Zylinders kompensieren muss. Der zugeschaltete Zylinder erfährt somit eine Lastpunktverschiebung. Dem Partikelfilter wird somit ein Abgas zugeführt, das ausreichend Sauerstoff mit sich führt, aufgrund des Umstandes, dass in dem abgeschalteten Zylinder keine Verbrennung stattfindet. Andererseits wird aus dem zugeschalteten Zylinder und über das diesem nachgeschaltete Abgassystem Abgas erhöhter Temperatur ausgegeben, das den Partikelfilter aufheizt. Damit steht die notwendige Aktivierungsenergie am Partikelfilter zur Verfügung und es kann, durch den zusätzlichen Sauerstoff im Partikelfilter, dort abgelagerter Ruß oxidieren.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass stromabwärts des Partikelfilters mindestens eine Abgasklappe zum Regeln des Durchflusses von Abgas durch den Partikelfilter angeordnet ist. Durch die Ansteuerung der stromabwärts des Partikelfilters angeordneten Abgasklappe kann der Durchfluss von Abgas durch den Partikelfilter gedrosselt werden, mit der Konsequenz einer weitgehend homogenen Erwärmung des Partikelfilters über dessen gesamte Struktur.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Partikelfilter durch relatives Verstellen zueinander von Nocken von Nockenwellen für ein Einlassventil und ein Auslassventil des zugeschalteten Zylinders auf eine kleine Überschneidungsrate aufgeheizt wird, in Verbindung mit einem späteren Zündzeitpunkt. Das Reduzieren der Überschneidungsrate stabilisiert den Brennvorgang und es heizt der späte Zündzeitpunkt den Partikelfilter auf.
  • Die Variation des Einspritzzeitpunkts des zugeschalteten Zylinders, sodass der Verbrennungsvorgang betreffend den zugeschalteten Zylinder in den Abgastrakt des Ottomotors verschoben wird, kann auch für einen späten Zündzeitpunkt gelten.
  • Es ist vorgesehen, dass Zylinder zyklisch geschaltet werden, derart, dass ein zugeschalteter Zylinder abgeschaltet und ein abgeschalteter Zylinder zugeschaltet wird. Diese zyklische Schaltung der Zylinder hat den Vorteil, dass während des Regenerationsvorgangs ein Zylinder des Verbrennungsmotors nicht über eine relativ lange Zeitspanne abgeschaltet ist und damit dieser Bereich des Verbrennungsmotors nebst stromabwärtigem Abgasstrang auskühlt.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass die zyklische Schaltung der Zylinder zeitgleich erfolgt. Beim Abschalten des einen Zylinders wird somit zeitgleich der andere Zylinder zugeschaltet. Es wird somit nicht der abgeschaltete Zylinder zugeschaltet und erst nach einer gewissen Zeit der andere Zylinder abgeschaltet. Durch dieses zeitgleiche zyklische Schalten ist eine im Wesentlichen gleiche Beaufschlagung des Abgassystems und damit des Partikelfilters gewährleistet.
  • Der Ottomotor ist derart gestaltet, dass dieser mehrere Zylinderbänke, insbesondere zwei Zylinderbänke, aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass die Zylinder mindestens einer der Zylinderbänke gemeinsam abgeschaltet oder gemeinsam zugeschaltet werden. Die Modifikation des Verbrennungsmotors unter dem Aspekt der Regeneration des Partikelfilters bezieht sich somit nicht auf einzelne Zylinder, sondern auf Zylinderbänke, denen Zylinder zugeordnet sind.
  • Insbesondere erfolgt das Aufheizen des Partikelfilters durch relatives Verstellen der Nockenwellen für die Einlassventile und die Auslassventile der zugeschalteten Zylinderbank auf eine kleine Überschneidungsrate. Es ist vorgesehen, dass mindestens zwei Zylinderbänke zyklisch geschaltet werden, derart, dass eine zugeschaltete Zylinderbank abgeschaltet und eine abgeschaltete Zylinderbank zugeschaltet wird. Auch in diesem Fall erfolgt vorzugsweise die zyklische Schaltung der Zylinderbänke zeitgleich.
  • Wie beschrieben, besteht bei dem Verfahren zum Regenerieren des Partikelfilters die eine Maßnahme zum Aufheizen des Partikelfilters darin, die Nocken bzw. Nockenwellen zum Steuern von Einlassventil und Auslassventil des zugeschalteten Zylinders auf eine kleine Überschneidungsrate zu verfahren. Das führt somit zu einer Phasenverstellung auf der Einlassseite und der Auslassseite. Hierdurch lässt sich der Zylinderbrennvorgang stabilisieren, sodass eine noch spätere Zündung ermöglicht wird.
  • Das Aufheizen des Partikelfilters wird weiter durch die Variation des Einspritzzeitpunkts des zugeschalteten Zylinders optimiert. Hierdurch wird der Verbrennungsvorgang in den Abgastrakt verschoben.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass nach dem Zünden des Gemischs im zugeschalteten Zylinder eine Nacheinspritzung erfolgt. Insbesondere findet die Hauptverbrennung des Kraftstoffgemischs während des Abgastrakts statt. Dies führt zu einem besonders hohen Aufheizen des Partikelfilters.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass bei einer Bewegung des Kolbens des zugeschalteten Zylinders in Richtung des Auslassventils bei bereits geöffnetem Auslassventil die Nacheinspritzung erfolgt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors, wobei der Ottomotor Zylinder aufweist, wobei die Kraftstoffzufuhr zu mindestens einem Zylinder abschaltbar und zuschaltbar ist, mit folgenden Verfahrensschritten: - Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu dem Zylinder des Ottomotors, sodass der Brennraum des abgeschalteten Zylinders mit Sauerstoff geflutet wird, wobei der Brennraum des zugeschalteten, gemischverbrennenden Zylinders eine Lastpunktverschiebung erfährt, - Variation des Einspritzzeitpunkts des zugeschalteten Zylinders, sodass der Verbrennungsvorgang betreffend den zugeschalteten Zylinder in den Abgastrakt des Ottomotors verschoben wird, wobei der Ottomotor mehrere Zylinderbänke aufweist, wobei die Zylinder mindestens einer Zylinderbank der Zylinderbänke gemeinsam abgeschaltet oder gemeinsam zugeschaltet werden, wobei mindestens zwei Zylinderbänke zyklisch geschaltet werden, derart, dass eine zugeschaltete Zylinderbank abgeschaltet und eine abgeschaltete Zylinderbank zugeschaltet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt: - Aufheizen des Partikelfilters durch relatives Verstellen zueinander von Nocken von Nockenwellen für ein Einlassventil und ein Auslassventil des zugeschalteten Zylinders auf eine kleine Überschneidungsrate, in Verbindung mit einem späteren Zündzeitpunkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei stromabwärts des Partikelfilters mindestens eine Abgasklappe zum Regeln des Durchflusses von Abgas durch den Partikelfilter angeordnet ist, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt: - Ansteuerung der Abgasklappe zur Verbesserung eines homogenen Wärmeeintrags in den Partikelfilter.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abgasklappe derart angesteuert wird, dass der Durchfluss von Abgas durch den Partikelfilter gedrosselt oder entdrosselt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ottomotor zwei Zylinderbänke aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Aufheizen des Partikelfilters durch relatives Verstellen der Nockenwellen für die Einlassventile und die Auslassventile der zugeschalteten Zylinderbank auf eine kleine Überschneidungsrate erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zyklische Schaltung der Zylinderbänke zeitgleich erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei nach dem Zünden des Gemischs im zugeschalteten Zylinder eine Nacheinspritzung erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei einer Bewegung des Kolbens des zugeschalteten Zylinders in Richtung des Auslassventils, bei bereits geöffnetem Auslassventil, die Nacheinspritzung erfolgt.
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