DE102019108016B4 - Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) in einer Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend folgende Schritte:- Regenerieren des Partikelfilters (30) oder des Vier-Wege-Katalysators (32) in einem ungefeuerten Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10), in welcher kein Kraftstoff in einem Brennraum (12, 14, 16, 18) des Verbrennungsmotors (10) verbrannt wird,- Oxidation von im Partikelfilter (30) oder im Vier-Wege-Katalysator (32) zurückgehaltenen Rußpartikeln in dem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10),- Ermitteln einer Bauteiltemperatur (TPF, TFWC) des Partikelfilters (30) oder des Vier-Wege-Katalysators (32),- Vergleichen der ermittelten Bauteiltemperatur (TPF, TFWC) mit einer kritischen Bauteilgrenztemperatur (Tkrit),- Betreiben des Verbrennungsmotors (10) in einem teilgefeuerten Betrieb, wenn die kritische Bauteilgrenztemperatur (Tkrit) überschritten wird oder ein Gradient des Temperaturanstiegs der Bauteiltemperatur (TPF, TFWC) ein Überschreiten der kritischen Bauteilgrenztemperatur (Tkrit) nahelegt, wobei mindestens ein Brennraum (12, 14, 16, 18) weiterhin ungefeuert betrieben wird,- Oxidation der im Partikelfilter (30) oder im Vier-Wege-Katalysator (32) zurückgehaltenen Rußpartikel in dem teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors (10), wobei ein überstöchiometrisches Abgas-Luft-Verhältnis (λEG> 1) eingestellt wird, welches einen weiteren Temperaturanstieg im Partikelfilter (30) oder im Vier-Wege-Katalysator (32) verhindert oder begrenzt, wobei- eine Leerlaufdrehzahl in dem teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors (10) angehoben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Ottomotor und einem in der Abgasanlage des Ottomotors angeordneten Partikelfilter zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Ferner kann eine Regeneration des Partikelfilters in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt werden. In der Phase der Schubabschaltung wird die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors deaktiviert und der Verbrennungsmotor pumpt Frischluft und somit Sauerstoff in die Abgasanlage. Hat der Partikelfilter zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur von mehr als 500°C, werden die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel durch den Sauerstoff oxidiert. Dies wird als passive Regeneration des Partikelfilters bezeichnet.
  • In der Phase der passiven Regeneration steht der Bauteilschutz im Vordergrund. Dabei ist zwingend darauf zu achten, dass eine Bauteilgrenztemperatur für den Partikelfilter nicht überschritten wird, um eine thermische Schädigung des Partikelfilters zu vermeiden. Infolge des hohen Sauerstoffgehalts in der Frischluft reagiert der im Partikelfilter zurückgehaltene Ruß exotherm mit dem Sauerstoff und es kommt zu einem exponentiellen Temperaturanstieg im Partikelfilter. Die Bauteilgrenztemperatur kann in diesem Fall dadurch eingehalten werden, dass die Schubabschaltung deaktiviert wird und wieder Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Dabei erfolgt ein stöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors, sodass das Abgas keinen Restsauerstoff zur Oxidation der Rußpartikel enthält. Diese Maßnahme zum Bauteilschutz führt jedoch zu einem Mehrverbrauch und gegebenenfalls zu einer Einschränkung des Fahrkomforts.
  • Aus der DE 102 40 913 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einem in der Abgasanlage des Dieselmotors angeordneten Partikelfilter bekannt, bei welchem zum Erreichen der Abbrandtemperatur der auf dem Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel der Einspritzbeginn in Abhängigkeit vom Fortschritt der Regeneration allmählich an den normalen Fahrbetrieb angepasst wird und erst dann eine Abschaltung einer Wärmeladung erfolgt, wenn der Partikelfilter vollständig regeneriert ist.
  • Aus der DE 10 2012 022 153 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in der Abgasanlage eines Ottomotors bekannt, bei welchem eine Drosselvorrichtung im Ansaugtrakt geöffnet wird, um den für die Regeneration des Partikelfilters notwendigen Sauerstoff bereitzustellen. Alternativ ist vorgesehen, dass das Verbrennungsluftverhältnis in Richtung mager verstellt wird, um den zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Sauerstoff bereitzustellen.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 10 2017 206 162 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung eines Dieselmotors mit einer Mehrzahl von Zylindern und einem in der Abgasanlage des Dieselmotors angeordneten Speicherkatalysator bekannt. Um die Emissionen von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden, zu vermindern, ist vorgesehen, dass die Steuereinheit überprüft, ob eine Regeneration des Speicherkatalysators notwendig ist und eine Katalysatortemperatur im Bereich des Speicherkatalysators ermittelt. Dabei wird die ermittelte Temperatur mit einer Schwellentemperatur verglichen und bei Unterschreiten der Schwellentemperatur ein Teil der Zylinder abgeschaltet und danach die Regeneration des Speicherkatalysators eingeleitet.
  • Die DE 10 2015 108 224 A1 offenbart ein Abgasnachhandlungssystem für einen Ottomotor mit einem Partikelfilter, wobei eine Regeneration des Partikelfilters im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors vorgeschlagen wird. Dabei wird über eine Abgasklappe die zurückgeführte Abgasmenge über die Niederdruck-Abgasrückführung geregelt, um den Sauerstoffgehalt im Abgas in einer Schubphase des Verbrennungsmotors zu steuern.
  • Aus der DE 10 2013 220 881 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Partikelfilters einer Abgasnachbehandlungsanlage während einer Regeneration des Partikelfilters bekannt, welcher in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Messen der Temperatur des Partikelfilters, Erfassen eines Beladungszustandes des Partikelfilters, und Einstellen eines Massenstroms an Luft, welche den Partikelfilter durchströmt, in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur und dem erfassten Beladungszustand des Partikelfilters. Der Massenstrom an Luft wird dabei so eingestellt, dass der Partikelfilter durch den Massenstrom an Luft gekühlt wird.
  • Die DE 10 2016 101 105 A1 offenbart ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Dabei wird der Partikelfilter während der Betriebsbedingungen einer Kraftstoffabschaltung im Schubbetrieb (Deceleration Fuel Shut Off operating conditions, DFSO-Betriebsbedingungen) regeneriert. Die DFSO ist ein Modus, um in Kraftfahrzeugen mit einem Antriebsstrang, der normalerweise unter stöchiometrischen Bedingungen betrieben wird, Kraftstoffeinsparungen zu verbessern und eine Bremsabnutzung zu verringern. Bei diesem Ansatz wird die Kraftstoffeinspritzung in einen oder mehrere Zylinder während ausgewählter Betriebsbedingungen deaktiviert, um den zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Sauerstoff bereitzustellen.
  • Aus der DE 603 11 758 T2 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Partikelfilter bekannt. Dabei wird die Lehrlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors während eines Abbremsbetriebs des Kraftfahrzeuges erhöht, um einen sanften Übergang vom Abbremsbetrieb in den Leerlaufbetrieb zu ermöglichen.
  • Aus der US 2017 / 0 051 652 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug bekannt. Das Verfahren umfasst Schritte zum Schutz des Dieselpartikelfilters vor Überhitzung und vorzeitiger Alterung. Dabei wird zur Steuerung der Partikelfiltertemperatur eine Zylinderabschaltung des Verbrennungsmotors oder eine Motordrehzahl des Verbrennungsmotors gesteuert oder geregelt.
  • Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass die Verfahren entweder die Regeneration eines stets mit Luftüberschuss betriebenen Dieselmotors betreffen und somit nicht auf einen stöchiometrisch betriebenen Ottomotor übertragbar sind oder die Schubluftmenge in den bekannten Verfahren begrenzt wird, um einen unkontrollierten Rußabbrand auf dem Partikelfilter zu vermeiden. Dabei wird die Schubluft derart stark gedrosselt, dass sich relativ lange Zeiträume für die Regeneration des Partikelfilters ergeben. Zudem kann die geringe Schubluftmenge dazu führen, dass die Temperatur des Partikelfilters unter eine zur Oxidation des Rußes notwendige Regenerationstemperatur fällt, sodass die Regeneration zum Stillstand kommt und zusätzliche Heizmaßnahmen eingeleitet werden müssen, um den Partikelfilter wieder auf die Regenerationstemperatur aufzuheizen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen wirkungsvollen Bauteilschutz für den Partikelfilter zu realisieren und gleichzeitig eine kontinuierliche passive Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
    • - Regenerieren des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators in einer ungefeuerten Schubphase des Verbrennungsmotors, in welcher kein Kraftstoff in den Brennräumen des Verbrennungsmotors verbrannt wird,
    • - Oxidation der im Partikelfilter oder im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußpartikel im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors,
    • - Ermitteln einer Bauteiltemperatur des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators,
    • - Vergleichen der ermittelten Bauteiltemperatur mit einer kritischen Bauteilgrenztemperatur,
    • - Betreiben des Verbrennungsmotors in einem teilgefeuerten Betrieb, wenn die kritische Bauteilgrenztemperatur überschritten wird oder ein Gradient des Temperaturanstiegs der Bauteiltemperatur ein Überschreiten der kritischen Bauteilgrenztemperatur nahelegt, wobei mindestens ein Brennraum weiterhin ungefeuert betrieben wird,
    • - Oxidation der im Partikelfilter oder im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußpartikel im teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors, wobei ein überstöchiometrisches Abgas-Luft-Verhältnis eingestellt wird, welches einen weiteren Temperaturanstieg im Partikelfilter oder im Vier-Wege-Katalysator verhindert oder begrenzt, wobei
    • - eine Leerlaufdrehzahl in dem teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors angehoben wird.
  • Unter einem teilgefeuerten Betrieb ist in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors zu verstehen, in dem in eine erste Gruppe von Brennräumen Kraftstoff eingespritzt wird und dieser Kraftstoff durch Zündung verbrannt wird, während in mindestens einen Brennraum kein Kraftstoff eingespritzt wird und es in diesem Brennraum folglich zu keiner Wärmeentwicklung kommt und von diesem Zylinder kein Antriebsmoment auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen wird.
  • Durch ein vorgeschlagenes Verfahren ist es möglich, eine passive Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators durchzuführen. Dabei wird die Regeneration nicht dadurch unterbrochen, dass der Verbrennungsmotor zum Bauteilschutz des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators in einen stöchiometrischen Normalbetrieb überführt wird, sondern die Abbrandreaktion kann im Schubbetrieb aufrechterhalten bleiben, indem der Verbrennungsmotor von dem ungefeuerten Schubbetrieb in einen teilgefeuerten Betrieb mit überstöchiometrischem Abgas überführt wird. Gleichzeitig kann der Temperaturanstieg des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators derart begrenzt werden, dass eine thermische Schädigung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators betriebssicher verhindert wird.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im ungefeuerten Betrieb die Kraftstoffeinspritzung in den jeweiligen Brennraum ausgeschaltet wird. Durch eine Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung kann der jeweilige Brennraum in einen ungefeuerten Betrieb überführt werden. Dabei bleiben die Einlass- und Auslassventile aktiv, sodass der jeweilige Zylinder die Frischluft verdichtet und in die Abgasanlage ausschiebt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die im teilgefeuerten Betrieb aktiven Brennräume mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Durch einen stöchiometrischen Betrieb können die Rohemissionen in dem jeweiligen Brennraum minimiert werden. Zudem können die verbleibenden Emissionen durch einen Drei-Wege-Katalysator in der Abgasanlage auf einfache Art und Weise konvertiert werden, sodass die Endrohremissionen in dem teilgefeuerten Betrieb minimiert werden.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die im teilgefeuerten Betrieb aktiven Brennräume mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Durch ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis gelangt unverbrannter Kohlenwasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Diese können auf dem Drei-Wege-Katalysator genutzt werden, um Stickoxide zu reduzieren. Allerdings führt ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis zu einer exothermen Umsetzung der unverbrannten oder teilverbrannten Abgaskomponenten, was zu einem weiteren Temperaturanstieg in der Abgasanlage führen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Abgas-Luft-Verhältnis durch das Verbrennungsluftverhältnis in den im teilgefeuerten Betrieb aktiven Brennräumen geregelt wird. Durch das Verbrennungsluftverhältnis in den aktiven Brennräumen kann auf einfache Art und Weise das Abgasluftverhältnis regelt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Abgas nicht zu viel Sauerstoff enthält, sodass ein unkontrollierter Rußabbrand auf dem Partikelfilter verhindert wird.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn im teilgefeuerten Betrieb ein Abgas-Luft-Verhältnis von 1,02 <λEG <1,2 eingestellt wird. In diesem Bereich wird ein hinreichender Sauerstoffüberschuss bereitgestellt, um eine hinreichend hohe Rußabbrandgeschwindigkeit auf dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator für eine schnelle Regeneration zu erreichen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die kritische Bauteilgrenztemperatur nicht durch einen unkontrollierten Rußabbrand überschritten wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bauteilgrenztemperatur im Bereich zwischen 850°C und 950°C liegt. Oberhalb dieses Temperaturbereichs ist mit einer vorzeitigen Alterung oder einer thermischen Schädigung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators zu rechnen. Daher ist es zielführend, die Temperatur des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators auf diese obere Grenztemperatur zu beschränken.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors in dem teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors angehoben wird. Dies hat den positiven Nebeneffekt, dass ein teilgefeuerter Betrieb nicht zu einem unrunden Motorlauf und damit verbundenen Komforteinbußen führt. Ferner wird das akustische Verhalten des Verbrennungsmotors verbessert und „Rumpelgeräusche“ vermieden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schubluftmenge über eine Veränderung der Stellung einer Drosselklappe im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors oder eine Anpassung der Öffnungszeiten der Ventile des Verbrennungsmotors angepasst wird. Durch eine Veränderung der Stellung der Drosselklappe oder eine Verlängerung der Öffnungszeiten der Ventile kann auf entsprechend einfache Art und Weise mit bereits vorhandenen Komponenten des Ansaugtraktes beziehungsweise des Verbrennungsmotors eine Anpassung der Schubluftmenge erfolgen. Somit sind keine zusätzlichen Komponenten notwendig, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen kostenneutral durchgeführt werden kann.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Drosselklappe im Schubbetrieb so weit geöffnet wird, dass ein maximaler Rußumsatz auf dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator erreicht wird. Um den Rußumsatz im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors zu erhöhen, wird die Drosselklappe geöffnet, wodurch die Luftmenge, welche über die Brennräume in die Abgasanlage eingetragen wird, erhöht wird. Dadurch wird mehr Frischluft zur Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes bereitgestellt, wodurch die Regeneration des Partikelfilters beschleunigt wird. Ferner steigt mit der Umsatzgeschwindigkeit des Rußes die Temperatur des Partikelfilters, sodass auf innermotorische Heizmaßnahmen oder ein externes Heizen verzichtet werden kann. Alternativ kann die Heizleistung entsprechend reduziert werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im teilgefeuerten Betrieb die Zündung in den aktiven Brennräumen in Richtung „früh“ verstellt wird, um ein zusätzliches Aufheizen des Abgasstroms zu minimieren. Eine Verstellung des Zündzeitpunktes führt bei gleicher Kraftstoffmenge zu tendenziell niedrigerer Abgastemperatur und somit einem geringeren Wärmeeintrag in die Abgasanlage. Dadurch kann die Gefahr eines Überschreitens der kritischen Bauteilgrenztemperatur bei einer passiven Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators weiter reduziert werden. Durch den früheren Zündzeitpunkt wird die Abgastemperatur im teilgefeuerten Betrieb abgesenkt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der teilgefeuerte Betrieb maximal 7 Sekunden, bevorzugt maximal 5 Sekunden nach dem Beginn des Schubbetriebs aufgenommen wird. Durch eine entsprechende zeitliche Begrenzung des ungefeuerten Schubbetriebs kann der Sauerstoffeintrag in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors begrenzt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die kritische Bauteilgrenztemperatur nicht überschritten wird und es nicht zu einer thermischen Schädigung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators kommt.
  • Erfindungsgemäß wird ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, vorgeschlagen, wobei in der Abgasanlage ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist, wobei der Verbrennungsmotor mit einem Motorsteuergerät verbunden ist, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird. Bei einem solchen Kraftfahrzeug ist es möglich, in einer Schubphase des Verbrennungsmotors ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters durchzuführen, um eine effiziente und effektive Regeneration des Partikelfilters zu erreichen. Dabei kann sowohl die Regenerationszeit des Partikelfilters verringert werden als auch der Mehrverbrauch zur Regeneration des Partikelfilters minimiert werden
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als Vierzylindermotor ausgeführt ist, wobei in dem teilgefeuerten Betrieb drei Brennräume gefeuert und ein Brennraum ungefeuert betrieben werden. Bei einem VierZylinder-Motor kann auf einfache Art und Weise ein überstöchiometrisches Abgas mit einem leichten Sauerstoffüberschuss erreicht werden, wenn in einem teilgefeuerten Betrieb drei Brennräume gefeuert und ein Brennraum ungefeuert betrieben werden. Vorzugsweise werden die drei gefeuerten Brennräume mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis oder einem leicht unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu minimieren und eine effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
    • 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, in dessen Abgasanlage ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist, bei welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann; und
    • 2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 100, welches von einem Verbrennungsmotor 10 angetrieben wird. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Ottomotor ausgeführt und umfasst eine Mehrzahl von Brennräumen 12, 14, 16, 18, in welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise wie in 1 dargestellt als mittels Zündkerzen 44 fremdgezündeter Verbrennungsmotor nach dem Ottoprinzip ausgeführt. Dazu ist an jedem der Brennräume 12, 14, 16, 18 mindestens eine Zündkerze 44 angeordnet, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. An den Brennräumen 12, 14, 16, 18 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 46 angeordnet, um einen brennbaren Kraftstoff in die Brennräume 12, 14, 16, 18 einzubringen. Ferner weisen die Brennräume 12, 14, 16, 18 jeweils mindestens ein Einlassventil 40 und ein Auslassventil 42 auf, mit welchen der Gaswechsel der Brennräume 12, 14, 16, 18 gesteuert werden kann. Die Einlassventile 40 und die Auslassventile 42 können in bekannter Weise über einen entsprechenden Mechanismus von einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors 10 betätigt werden, welche in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist über einen Einlass mit einem Luftversorgungssystem 50 verbunden. Das Luftversorgungssystem 50 umfasst einen Ansaugkanal 52, in welchem in Strömungsrichtung der Frischluft durch den Ansaugkanal 52 ein Luftfilter 54, stromabwärts des Luftfilters 54 ein Verdichter 58 eines Abgasturboladers 24 und stromabwärts des Verdichters 58 eine Drosselklappe 56 angeordnet sind. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 10 auch als Saugmotor ausgeführt werden, wobei in diesem Fall der Abgasturbolader 24 und somit der Verdichter 58 im Ansaugkanal 52 entfällt. Ferner ist eine Aufladung des Verbrennungsmotors 10 über einen mechanischen Kompressor oder einen elektrischen Verdichter möglich.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 48 mit einer Abgasanlage 30 verbunden. Die Abgasanlage 30 umfasst in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch einen Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20 eine Turbine 26 des Abgasturboladers 24, welcher über eine Welle den Verdichter 58 in dem Ansaugkanal 52 antreibt. Stromabwärts der Turbine 26 ist ein Drei-Wege-Katalysator 28 und weiter stromabwärts ein Partikelfilter 30 angeordnet. Alternativ kann der Partikelfilter 30 auch mit einer drei-Wege-katalytisch wirksamen Beschichtung als sogenannter Vier-Wege-Katalysator 32 ausgeführt sein. Stromabwärts der Turbine 26 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 28 ist im Abgaskanal 22 eine erste Lambdasonde 34, vorzugsweise eine Breitbandsonde, angeordnet, um das Verbrennungsluftverhältnis im Abgas zu bestimmen. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 28 und stromaufwärts des Partikelfilters 30 ist im Abgaskanal 22 eine zweite Lambdasonde 36 vorgesehen, welche als Sprungsonde oder als Breitbandsonde ausgeführt sein kann. Ferner ist in der Abgasanlage, vorzugsweise am Partikelfilter 30, ein Temperatursensor 38 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur vor Eintritt in den Partikelfilter 30 bestimmt werden kann und auf Basis dieser eine Temperatur des Partikelfilters 30 berechnet werden kann. Ferner ist stromaufwärts des Partikelfilters 30 ein erster Drucksensor 62 und stromabwärts des Partikelfilters 30 ein zweiter Drucksensor 64 vorgesehen, mit welchem ein Differenzdruck über den Partikelfilter 30 bestimmt wird. Da die Druckdifferenz über den Partikelfilter 30 mit zunehmender Beladung des Partikelfilters 30 steigt, kann anhand dieser Druckdifferenz der Beladungszustand des Partikelfilters 30 abgeschätzt werden und ermittelt werden, wann eine Regeneration des Partikelfilters 30 notwendig ist. Alternativ kann die Beladung des Partikelfilters 30 auch über ein Beladungsmodell bestimmt werden, welches anhand der Motorparameter des Verbrennungsmotors 10 einen Rußeintrag in den Partikelfilter 30 beziehungsweise einen Rußaustrag aus dem Partikelfilter 30 berechnet und somit die Beladung des Partikelfilters 30 berechnet.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 60 verbunden. Das Motorsteuergerät 60 steuert die Einspritzmengen und den Einspritzzeitpunkt der Kraftstoffinjektoren 46 zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume 12, 14, 16, 18 des Verbrennungsmotors 10 sowie die Stellung der Drosselklappe 56 im Ansaugkanal 52. Ferner ist das Motorsteuergerät 60 über Signalleitungen mit den Lambdasonden 34, 36, dem Temperatursensor 38 sowie den Sensoren 62, 64 zur Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 30 verbunden.
  • Alternativ zu einem Drei-Wege-Katalysator 28 mit einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Partikelfilter 30 kann der Partikelfilter 30 auch als sogenannter Vier-Wege-Katalysator 32 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausgeführt sein. In diesem Fall kann ein zusätzlicher Drei-Wege-Katalysator 28 entfallen. Alternativ kann ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 28 auch stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 32 angeordnet sein, wobei in diesem Fall ein kleinvolumiger weiterer Drei-Wege-Katalysator 28 vorgesehen ist, welcher sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 schnell auf seine Betriebstemperatur aufheizt und somit zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 für eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgas sorgen kann.
  • In 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters 30 oder eines Vier-Wege-Katalysators 32 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird der Partikelfilter 30 oder der Vier-Wege-Katalysator 32 in einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 mit Rußpartikeln beladen. In einem Verfahrensschritt <110> wird der Verbrennungsmotor 10 durch einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges 100 geschleppt. Dabei wird eine Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume 12, 14, 16, 18 des Verbrennungsmotors 10 abgeschaltet, sodass der Verbrennungsmotor in diesem ungefeuerten Schubbetrieb die Frischluft in die Abgasanlage 20 fördert. Mit dem in der Frischluft enthaltenen Sauerstoff werden die im Partikelfilter 30 oder Vier-Wege-Katalysator 32 zurückgehaltenen Rußpartikel in einem Verfahrensschritt <120> in diesem ungefeuerten Schubbetrieb oxidiert. Durch die hohe Sauerstoffmenge im Abgas erfolgt ein schneller Abbrand der Rußpartikel, wodurch die Temperatur des Partikelfilters 30 oder des Vier-Wege-Katalysators 32 steigt. In einem Verfahrensschritt <130> wird die Bauteiltemperatur TPF, TFWC des Partikelfilters 30 oder des Vier-Wege-Katalysators 32 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <140> wird diese Bauteiltemperatur mit einer kritischen Bauteilgrenztemperatur Tkrit verglichen, wobei bei einem Überschreiten der kritischen Bauteilgrenztemperatur Tkrit oder bei einem Gradient des Temperaturanstiegs der Bauteiltemperatur TPF, TFWC, welcher ein Überschreiten der kritischen Bauteilgrenztemperatur Tkrit nahelegt, in einem Verfahrensschritt <150> der Verbrennungsmotor 10 in einem teilgefeuerten Betrieb betrieben wird, bei welchem mindestens ein Brennraum 12, 14, 16, 18 weiterhin ungefeuert, das heißt ohne Kraftstoffeinspritzung in den ungefeuerten Brennraum 12, 14, 16, 18, betrieben wird. In einem Verfahrensschritt <160> wird der im Partikelfilter 30 oder im Vier-Wege-Katalysator 32 zurückgehaltene Ruß im teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors 10 oxidiert, wobei ein überstöchiometrisches Abgas-Luft-Verhältnis λEG > 1 eingestellt wird, um einen weiteren Temperaturanstieg der Bauteiltemperatur TPF des Partikelfilters 30 oder der Bauteiltemperatur TFWC des Vier-Wege-Katalysators 32 zu verhindern oder derart einzuschränken, dass eine thermische Schädigung des Partikelfilters 30 oder des Vier-Wege-Katalysators 32 betriebssicher verhindert wird. Durch den teilgefeuerten Betrieb wird der Sauerstoffüberschuss im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 derart reduziert, dass sich die Abbrandgeschwindigkeit der Rußpartikel auf dem Partikelfilter 30 oder dem Vier-Wege-Katalysator 32 verlangsamt. Dadurch wird ein weiterer Temperaturanstieg verhindert oder zumindest stark eingeschränkt. Das Verbrennungsluftverhältnis λE der gefeuert betriebenen Brennräume 12, 14, 16 kann entsprechend angepasst werden, um eine möglichst schnelle Regeneration des Partikelfilters 30 oder des Vier-Wege-Katalysators 32 zu erreichen. Ferner kann bei einem Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors 10 die Leerlaufdrehzahl angehoben werden, um im teilgefeuerten Betrieb Komforteinbußen durch einen unrunden Lauf des Verbrennungsmotos 10 zu reduzieren. Darüber hinaus kann der Zündzeitpunkt in den gefeuerten Brennräumen 12, 14, 16 angepasst und insbesondere in Richtung „früh“ verschoben werden, um die motorische Wärmeentwicklung zu minimieren und somit den Wärmeeintrag in die Abgasanlage 20 möglichst gering zu halten. Ferner kann in dem teilgefeuerten Betrieb die Drosselklappe 66 geschlossen werden, um den Luftdurchsatz durch die Brennräume 12, 14, 16, 18 zu minimieren und somit die für einen stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Betrieb der gefeuerten Brennräume 12, 14, 16 benötigte Kraftstoffmenge zu minimieren. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch im teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors 10 minimiert werden, wodurch der Mehrverbrauch für die Regeneration des Partikelfilters 30 oder des Vier-Wege-Katalysators 32 minimiert werden kann.
  • Ist die Regeneration des Partikelfilters 30 oder des Vier-Wege-Katalysators 32 abgeschlossen, wird der Verbrennungsmotor 10 in einem Verfahrensschritt <170> wieder in einem Normalbetrieb betrieben, in dem sämtliche Brennräume 12, 14, 16, 18 in einem gefeuerten Betriebszustand operieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Brennraum
    16
    Brennraum
    18
    Brennraum
    20
    Abgasanlage
    22
    Abgaskanal
    24
    Abgasturbolader
    26
    Turbine
    28
    Drei-Wege-Katalysator
    30
    Partikelfilter
    32
    Vier-Wege-Katalysator
    34
    erste Lambdasonde
    36
    zweite Lambdasonde
    38
    Temperatursensor
    40
    Einlassventil
    42
    Auslassventil
    44
    Zündkerze
    46
    Kraftstoffinjektor
    48
    Auslass
    50
    Luftversorgungssystem
    52
    Ansaugkanal
    54
    Luftfilter
    56
    Drosselklappe
    58
    Verdichter
    60
    Steuergerät
    100
    Kraftfahrzeug

Claims (13)

  1. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) in einer Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend folgende Schritte: - Regenerieren des Partikelfilters (30) oder des Vier-Wege-Katalysators (32) in einem ungefeuerten Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10), in welcher kein Kraftstoff in einem Brennraum (12, 14, 16, 18) des Verbrennungsmotors (10) verbrannt wird, - Oxidation von im Partikelfilter (30) oder im Vier-Wege-Katalysator (32) zurückgehaltenen Rußpartikeln in dem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10), - Ermitteln einer Bauteiltemperatur (TPF, TFWC) des Partikelfilters (30) oder des Vier-Wege-Katalysators (32), - Vergleichen der ermittelten Bauteiltemperatur (TPF, TFWC) mit einer kritischen Bauteilgrenztemperatur (Tkrit), - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) in einem teilgefeuerten Betrieb, wenn die kritische Bauteilgrenztemperatur (Tkrit) überschritten wird oder ein Gradient des Temperaturanstiegs der Bauteiltemperatur (TPF, TFWC) ein Überschreiten der kritischen Bauteilgrenztemperatur (Tkrit) nahelegt, wobei mindestens ein Brennraum (12, 14, 16, 18) weiterhin ungefeuert betrieben wird, - Oxidation der im Partikelfilter (30) oder im Vier-Wege-Katalysator (32) zurückgehaltenen Rußpartikel in dem teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors (10), wobei ein überstöchiometrisches Abgas-Luft-Verhältnis (λEG > 1) eingestellt wird, welches einen weiteren Temperaturanstieg im Partikelfilter (30) oder im Vier-Wege-Katalysator (32) verhindert oder begrenzt, wobei - eine Leerlaufdrehzahl in dem teilgefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors (10) angehoben wird.
  2. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ungefeuerten Betrieb eine Kraftstoffeinspritzung in den jeweiligen Brennraum (12, 14, 16, 18) ausgeschaltet wird.
  3. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im teilgefeuerten Betrieb aktiven Brennräume (12, 14, 16, 18) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE = 1) betrieben werden.
  4. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im teilgefeuerten Betrieb aktiven Brennräume (12, 14, 16, 18) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) betrieben werden.
  5. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas-Luft-Verhältnis (λEG) durch das Verbrennungsluftverhältnis (λE) in den im teilgefeuerten Betrieb aktiven Brennräumen (12, 14, 16, 18) geregelt wird.
  6. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im teilgefeuerten Betrieb ein Abgas-Luft-Verhältnis (λEG) von 1,02 < λEG <1,2 eingestellt wird.
  7. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilgrenztemperatur (Tkrit) im Bereich zwischen 850°C und 950°C liegt.
  8. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schubluftmenge über eine Veränderung der Stellung einer Drosselklappe in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors (10) oder eine Anpassung der Öffnungszeiten von Ventilen (40, 42) des Verbrennungsmotors (10) angepasst wird.
  9. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe im Schubbetrieb so weit geöffnet wird, dass ein maximaler Rußumsatz auf dem Partikelfilter (30) oder dem Vier-Wege-Katalysator (42) erreicht wird.
  10. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im teilgefeuerten Betrieb eine Zündung in den aktiven Brennräumen (12, 14, 16, 18) in Richtung „früh“ verstellt wird, um ein zusätzliches Aufheizen eines Abgasstroms zu minimieren.
  11. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (30) oder eines Vier-Wege-Katalysators (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der teilgefeuerte Betrieb maximal sieben Sekunden nach dem Beginn des Schubbetriebs aufgenommen wird.
  12. Kraftfahrzeug (100) mit einem Verbrennungsmotor (10), welcher mit seinem Auslass (48) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) ein Partikelfilter (30) oder ein Vier-Wege-Katalysator (32) angeordnet ist, sowie mit einem Motorsteuergerät (60), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät (60) ausgeführt wird.
  13. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) als Vierzylindermotor ausgeführt ist, wobei in dem teilgefeuerten Betrieb drei Brennräume (12, 14, 16) gefeuert und ein Brennraum (18) ungefeuert betrieben werden.
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