DE19506983A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontrollierten Regenerieren eines Dieselrußfilters - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum kontrollierten Regenerieren eines DieselrußfiltersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Regenerieren des Dieselrußfilters eines Dieselmotors.
Es ist bekannt, daß Dieselrußfilter mit poröser Wand gasför
mige Bestandteile des Abgases zwar durchlassen, jedoch den
Durchgang von Feststoff-Partikeln behindern, welche haupt
sächlich durch Koagulieren von Kohlenstoff-Molekülen und
schweren Kohlenwasserstoffen entstehen.
Die im Dieselrußfilter abgelagerten Ruß-Partikel, welche den
Dieselrußfilter im Laufe des Betriebs zunehmend zusetzen,
lassen sich zur Regenerierung des Dieselrußfilters mittels
thermischer (Verbrennen), katalytischer oder anderer Prozes
se abbauen.
Durch thermisches Regenerieren bei laufendem Dieselmotor,
z. B. im Betrieb eines damit ausgerüsteten Fahrzeuges, kann
unter stochastischen Bedingungen bei automatisch ausgelöstem
Regenerieren die Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung
der im Dieselrußfilter gesammelten Partikel unkontrolliert
steigen. Dies kann zu einer unzulässigen Erhöhung der Tempe
ratur mit der Folge der teilweisen oder gänzlichen Ver
schmelzung bzw. Zerstörung des Dieselrußfilters führen.
Zum Vermeiden einer unkontrollierten Verbrennung ist eine
Messung der Temperatur des Abgases hinter dem Dieselrußfil
ter vorgeschlagen worden (DE 38 06 219 A1), wobei im Falle
des Überschreitens einer vorgegebenen, maximal zulässigen
Temperatur mittels einer elektronischen Einheit Ventile vor
und hinter dem Dieselrußfilter derart betätigt werden, daß
das gesamte Abgas über einen den Dieselrußfilter umgehenden
Bypass abgeleitet wird. Somit wird der Dieselrußfilter tem
porär gänzlich aus dem Abgasstrom ausgeschaltet.
Wenngleich der Betrieb im Bypass nur einen kleinen Prozent
satz der gesamten Betriebszeit des Motors in Anspruch nimmt,
ist zur Dämpfung des im Bypass-Betrieb entstehenden lästigen
Geräusches der Einsatz einer Schalldämpfanlage notwendig.
Außerdem ist es aus ökologischer Sicht unerwünscht auch nur
über eine kurze Zeitspanne ungereinigte Abgase ungefiltert
in die Umgebung zu entlassen, wie es der Bypassbetrieb mit
sich bringt.
Es ist auch bekannt (CH 663 253 A), einen Partikelfilter im
Abgastrakt einer insbesondere abgasaufgeladenen Brennkraft
maschine in zwei parallelgeschaltete Abschnitte, nämlich
eine gut wärmeisolierte "Hochtemperaturflut" und eine "Nie
dertemperaturflut" zu unterteilen, von denen mittels einer
Steuerklappe bei niedriger Motorlast lediglich die Nieder
temperaturflut und bei hoher Motorlast beide Fluten durch
entsprechendes Einstellen einer Steuerklappe von Abgas
durchströmt werden. Dadurch wird neben einer häufigen Parti
kelverbrennung erreicht, daß der dem Abgastrakt nachgeschal
tete Abgaslader stets schnell mit Abgas ausreichender Tempe
ratur versorgt wird, um das sogenannte "Turboloch" beim Nie
derdrücken des Gaspedals zu vermeiden. Ein Schutz gegen un
kontrolliertes Abbrennen abgelagerter Partikel in den Fluten
ist mit der Maßnahme nach der CM-PS jedoch nicht erzielbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Regenerieren von Dieselrußfiltern in
Dieselmotoren anzugeben, bei dem einfacher als bisher unter
Vermeidung der Unzuträglichkeiten eines Bypassbetriebes ein
wirkungsvoller Schutz gegen Beschädigung oder Zerstörung des
Dieselrußfilters erzielbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß An
spruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
Gemäß der Erfindung ist der Dieselrußfilter in mehrere, pa
rallel in den Abgasstrom eingeschaltete Abschnitte unter
teilt, von denen mindestens einer abhängig von der jeweils
am Ausgang des betreffenden Abschnittes herrschenden Abga
stemperatur aus dem Abgasstrom ganz oder teilweise aus
schaltbar sind.
Während die Reaktion in dem isolierten Abschnitt reduziert
bzw. unterbrochen ist, wird der Massendurchsatz durch den
oder die verbleibenden, nicht ausgeschalteten Abschnitte des
Dieselrußfilters erhöht. Dadurch wird die Reaktionsge
schwindigkeit der thermischen Regenerierung in diesen ver
bleibenden Abschnitten reduziert. Sollte in einem der ver
bleibenden nicht ausgeschalteten Abschnitte des Dieselruß
filters ebenfalls die maximal zulässige Temperatur über
schritten werden, wird auch dieser Abschnitt aus dem Abgass
trom ausgeschaltet. Dies setzt sich erfindungsgemäß so lange
fort, bis der Massendurchsatz durch mindestens den letzten
verbleibenden Abschnitt des Dieselrußfilters soweit ange
wachsen ist, daß die begonnene Reaktion abgebrochen bzw.
"gelöscht" wird.
So wird mit einfachen Mitteln ein wirksamer Schutz gegen
Beschädigen oder Zerstören des Dieselrußfilters durch unkon
trolliertes Verbrennen der abgelagerten Partikel geschaffen,
was einen Bypass und somit das im Bypassbetrieb unvermeidli
che Abgeben ungereinigten Abgases in die Umgebung sowie eine
aufwendige Schalldämpfanlage erübrigt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich
nungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vierzylinder-Dieselmotor mit einem nach
geschalteten Dieselrußfilter gemäß der Erfin
dung im Abgastrakt;
Fig. 2 ein Diagramm mit der Reaktionsgeschwindigkeit
der Regenerierung über dem Massendurchsatz des
Dieselrußfilters;
Fig. 3 einen Sechszylinder-Motor mit einem abgewandel
ten Dieselrußfilter gemäß der Erfindung,
Fig. 4, 5 und 6 weitere Abwandlungen von Dieselrußfiltern gemäß
der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Vierzylinder-Dieselmotor 1 dargestellt,
in dessen Abgastrakt 3 Dieselrußfilter 2, 4 und 6 eingebaut
sind, wobei kein die Dieselrußfilter überbrückender Bypass
vorgesehen ist. Diese drei Dieselrußfilter sind parallel zu
einander in den Abgastrakt 3 eingebaut und umfassen einen
gemeinsamen Einlaß 5, davon individuell abgehende Einlaß
stutzen 5a, 5b, 5c, welche jeweils in einen zugehörigen Die
selrußfilter 2, 4, 6 münden, und individuelle Auslaßstutzen
7a, 7b, 7c, welche je von einem Dieselrußfilter 2, 4, 6 aus
gehen und in einen gemeinsamen Auslaß 7 zusammengeführt
sind.
In den Einlässen 5a, 5b, 5c sind je ein Drosselorgan 10, 12,
14, - also ebenso viele Drosselorgane wie Dieselrußfilter 2,
4, 6 -, vorgesehen. Ebenso sind in den Auslässen 7a, 7b, 7c
Thermoelemente 9, 11, 13 zum individuellen Erfassen der Ab
gastemperaturen der drei Dieselrußfilter vorgesehen, deren
Ausgangssignale in eine die Drosselorgane steuernde elektro
nische Einheit 100 eingegeben werden. Die Drosselorgane 2,
4, 6 sind hier als Drosselklappen ausgebildet.
In den Dieselrußfiltern 2, 4, 6 abgelagerte Rußpartikel wer
den von Zeit zu Zeit durch Abbrennen aufgrund einer Tempera
turerhöhung während des Betriebs oder mittels Abgasdrosse
lung regeneriert. Im Falle einer erzwungenen Regenerierung
werden alle Drosselorgane 10, 12, 14 gleichzeitig durch die
elektronische Einheit 100 betätigt.
Zum Schutz gegen unkontrolliertes Verbrennen beim Regenerie
ren werden derjenige Dieselrußfilter 2, 4 oder 6 durch Ab
sperren des zugehörigen Drosselorganes 10, 12 oder 14 aus
dem Abgasstrom ausgeschaltet, hinter dem die gemessene Abga
stemperatur eine vorgegebene Temperatur überschreitet. Das
Absperren des betreffenden Einlasses 5a, b oder c erfolgt
ganz oder teilweise mittels des entsprechenden Drosselorga
nes 10, 12 oder 14 auf ein EIN/AUS-Signal bzw. analoges Be
tätigungssignal hin, welches von der elektronischen Einheit
100 abgegeben wird. Diese Einheit 100 erhält die Ausgangs
signale der Thermoelemente 9, 11, 13 als Eingangssignale.
Die Reaktionsgeschwindigkeit der angefangenen Verbrennung
des im Dieselrußfilter gesammelten Rußes, bei konstanter
Abgastemperatur, ist eine Funktion des Massendurchsatzes m.
Im Bild 2 ist qualitativ in Form eines Diagramms die Abhän
gigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit w der Verbrennung vom
Massendurchsatz m dargestellt. Falls die Temperatur hinter
dem mit einer Partikelmenge G beladenen Dieselrußfilter 2
(Fig. 1) die maximale zulässige Abgastemperatur überschrei
tet, wird dieser Filter 2 durch Betätigung der zugehörigen
Drosselklappe 10 teilweise oder sogar ganz abgesperrt mit
der Folge, daß der Massenstrom unter m₁ reduziert wird.
Jetzt wird der Hauptabgasdurchsatz über die Dieselrußfilter
4 und 6 geleitet. Dementsprechend wird der Massendurchsatz m
durch diese Filter 4, 6 auf über m₂ erhöht. Das bedeutet,
daß die Reaktionsgeschwindigkeit w in allen Filtern redu
ziert wird, wie aus dem Diagramm der Fig. 2 zu erkennen ist.
Für den Fall, daß die Abgastemperatur hinter einem weiteren
Filter den maximal zulässigen Wert überschreitet, z. B. hin
ter dem Filter 4, wird dieser Filter in der gleichen Weise
wie vorher Filter 2 gedrosselt oder abgesperrt. Dies hat
eine weitere Erhöhung des Massendurchsatzes m durch den Fil
ter 6 zur Folge, in dem die Reaktionsgeschwindigkeit folg
lich um einen solchen Betrag reduziert wird, daß eine even
tuell begonnene Reaktion abgebrochen bzw. "gelöscht" wird.
Der Normalbetrieb des Systems wird dann wieder aufgenommen,
wenn die Abgastemperatur hinter jedem Dieselrußfilter 2, 4,
6 kleiner als der maximal zulässige Wert wird.
Voraussetzung für einen vollständigen Schutz gegen unkon
trollierte Verbrennung der abgelagerten Partikelmenge im
Dieselrußfilter ist, daß der Massendurchsatz im letzten Fil
ter schon im Leerlauf des Dieselmotors das Abbrechen oder
"Löschen" der Reaktion verursacht.
So werden das Volumen und die Anzahl der Dieselrußfilter für
einen bestimmten Dieselmotor vorausbestimmt.
In Fig. 3 ist eine Anlage eines Sechszylinder-Dieselmotors
mit vier Dieselrußfiltern 16, 18, 20, 22 dargestellt. Auch
hier sind jedem Dieselrußfilter je ein Drosselorgan 24, 26,
28, 30 in den entsprechenden, hier nicht bezeichneten Ein
lässen und je ein Thermoelement 32, 34, 36, 38 in den ent
sprechenden hier nicht bezeichneten Auslässen zugeordnet.
Die individuelle Ausschaltung der Dieselrußfilter aus dem
Abgasstrom erfolgt mittels der hier nicht gezeichneten elek
tronischen Einheit in gleicher Weise wie bei der Ausführung
nach Fig. 1 stufenweise, wobei in der letzten Stufe minde
stens ein Dieselrußfilter in Betrieb belassen wird.
Die Drosselorgane können als Drosselklappen oder Tellerven
tile ausgebildet sein.
In Fig. 4 ist ein Dieselrußfilter mit zwei Eingängen 51, 52
dargestellt, das aus einem Monolith besteht. Durch den Ein
laß 51, der kein Drosselorgan beinhaltet, wird das Abgas in
den Abschnitt 52 des Rußfilters geleitet. Der Abschnitt 57
wird von Abgas durchströmt, das durch den Einlaß 50 geleitet
wird. Dieser Einlaß 50 ist mit einem Drosselorgan 40 verse
hen. Hinter den Auslaßquerschnitten beider Abschnitte 52 und
57 sind jeweils mittig Thermoelemente T1 und T2 eingebaut.
Ein Schutz gegen unkontrollierte Verbrennung wird durch Be
tätigen des Drosselorgans am Einlaß 50 unabhängig davon ge
währleistet, welches von beiden Thermoelementen T1 oder T2
eine unzulässige Temperatur registriert hat. Der Abschnitt
52 ist durch die Dimensionierung des rohrförmigen Einlasses
51 so klein gewählt, daß schon im Leerlauf der dadurch strö
mende Massenstrom so groß ist, daß die Verbrennung des abge
lagerten Rußes verzögert oder sogar unterbrochen wird.
Anders als bei den Ausführungen nach den Fig. 1 und 3
kommt diejenige nach Fig. 4 (und auch die Ausführungen nach
den Fig. 5 und 6) mit nur einem Drosselorgan 40 aus, was die
Anzahl der beweglichen und damit anfälligen Teile vermindert
und die Konstruktion vereinfacht. Der Wegfall des Drossel
organes für den Abschnitt 52 beeinträchtigt überraschender
weise eine erzwungene Regenerierung durch Abgasdrosselung
nicht.
Eine Regeneration durch Partikelabbrand wird dadurch erzwun
gen, daß das einzige Absperrorgan 40 geschlossen wird. Da
durch wird eine Erhöhung des Abgasgegendruckes und dement
sprechend der Temperatur vor beiden Abschnitten des Diesel
rußfilters erreicht.
Der Schutz gegen unkontrolliertes Abbrennen wird meist bei
kleinen bis mittleren Drehzahlen bzw. bei kleiner Last wirk
sam. Dabei wird eine Verschlechterung der Fahreigenschaften
wegen des durch die verminderte Austrittsfläche erhöhten
Gegendruckes vom Fahrer nicht bemerkt, denn er kann zur Er
reichung der gewünschten Leistung das Gaspedal weiter durch
drücken. Sollte andererseits der Schutz im Bereich der
Höchstdrehzahl bzw. -Leistung auftreten, kann durch einen
Kick-Down Schalter der Schutzprozeß unterbrochen werden.
Wie bekannt wird in diesem Betriebsbereich der Schutz gegen
unkontrolliertes Abbrennen durch die Kühlwirkung der Ab
gasströmung übernommen. Analog kann eine angefangene Drosse
lung aufgehoben werden, falls die volle Leistung vom Fahrer
verlangt wird.
In Fig. 5 ist ein Dieselrußfilter dargestellt, der zwei Ab
schnitte, nämlich einen größeren 67 und einen kleineren Ab
schnitt 62 und keine Absperrorgane in den Eingängen 60, 61
hat. Ein einziges Absperrorgan ist von einem Thermostat 64
gebildet, der im gemeinsamen Ausgangskanal der beiden Ab
schnitte 62, 67 angeordnet ist und von den Abgasströmen
durch die Abschnitte 62, 67 durchströmt wird. Dehnt sich der
Thermostat aus, so verschließt er den Ausgang 63 des größe
ren Abschnittes 67 bei einer vorgegebenen Abgastemperatur.
Bei dieser Ausführung wird eine Überwachung der Temperaturen
am Filterausgang und dementsprechend eine elektronische Kon
trolleinheit überflüssig, den der Thermostat 64 übernimmt
automatisch den Schutz gegen unkontrollierte Verbrennung
beider Abschnitte 62, 67, wenn die vorgegebene Abgastempera
tur erreicht wird.
Der Thermostat 64 besteht bei dieser Ausführung aus einem
abgeschlossenen Wellrohr, das sich unter innerem Überdruck
axial ausdehnt. Es ist mit einer geeigneten Füllung aus ei
nem Stoff (z. B. Natrium) versehen, der beim Erreichen einer
bestimmten Temperatur verdampft und dadurch eine rasche In
nendruckerhöhung verursacht. Damit wird der Thermostat 64
elastisch verlängert und der Auslaß 63 abgesperrt.
In Fig. 6 ist eine Variante der Ausführung nach Fig. 5 dar
gestellt, wobei ein kleiner und ein großer Abschnitt 72, 77
eines Filters 71 als zwei Abschnitte eines Monolithen 72
ausgebildet sind. Die Abschnitte werden über einen gemein
samen Einlaß 70 von Abgas durchströmt. Wie bei der Ausfüh
rung nach Fig. 5 ist ein Thermostat 74 in Form eines axial
dehnbaren Wellrohres im Auslaß 73 des großen Abschnitts 77
so angeordnet, daß es dessen Austritt 73 bei Erreichen einer
vorgegebenen Temperatur selbsttätig verschließt.
Claims (10)
1. Verfahren zum kontrollierten Regenerieren eines Diesel
rußfilters eines Dieselmotors, wobei der Abgasstrom
durch den Dieselrußfilter in Abhängigkeit von der Ab
gastemperatur hinter dem Dieselrußfilter gedrosselt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Die
selrußfilter in mehrere, parallel in den Abgastrakt
eingeschaltete Abschnitte unterteilt wird, in deren
mindestens einem der Abgasdurchsatz in Abhängigkeit von
der Abgastemperatur hinter dem Dieselrußfilter ge
drosselt oder ganz gesperrt wird.
2. Vorrichtung zum kontrollierten Regenerieren des Diesel
rußfilters eines Dieselmotors, bei der eine durch die
Abgastemperatur hinter dem Dieselrußfilter gesteuerte
Drosselvorrichtung vorgesehen ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Dieselrußfilter in
mindestens zwei parallel geschaltete Abschnitte (2-6;
16-22; 52, 57; 62, 67; 72, 77) unterteilt ist, von de
nen mindestens einer durch eine Drosselvorrichtung (10-14;
24-30; 40; 64; 74) teilweise oder ganz absperrbar
ist, die durch die Abgastemperatur hinter dem Diesel
rußfilter gesteuert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß den einzelnen Abschnitten (2-6;
16-22) jeweils eigene Drosselvorrichtungen (10-14; 24-30)
im Einlaß (5a, 5b, 5c) und eigene Temperaturmeßvor
richtungen (9-13; 32-38) im Auslaß (7a, 7b, 7c) zuge
ordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der eine Abschnitt (52; 62; 72)
der mindestens zwei getrennten Abschnitte (52, 57; 62,
67; 72, 77) unbehindert vom Abgas durchströmt ist, wäh
rend der andere Abschnitt (57; 67; 77) durch ein Ab
sperrorgan (40; 64; 74) in Abhängigkeit von der im Aus
laß herrschenden Temperatur teilweise oder ganz ab
sperrbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine elektronische Steuer
einheit (100) vorgesehen ist, welche das oder jedes
Absperrorgan (10-14; 24-30; 40) bei Überschreiten einer
vorbestimmten Temperatur im zugehörigen Auslaß (7a, 7b,
7c; 53) des betreffenden Abschnittes individuell zum
teilweisen oder gänzlichen Absperren betätigt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß Temperatursensoren (T1,
T2) in den Auslässen beider Abschnitte (52, 57) ange
ordnet sind und daß das im Einlaß (50) des größeren
Abschnittes (57) vorgesehene Absperrorgan (40) unabhän
gig davon betätigt wird, welcher der beiden Temperatur
sensoren ein Überschreiten der zulässigen Temperatur
erfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein selbsttätig bei Überschreiten
einer vorgegebenen Abgastemperatur wirksam werdendes
Absperrorgan (64; 74) im Auslaß (63; 73) des größeren
Abschnittes (67; 77) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Absperrorgan (64; 74) ein
Wellrohr ist, welches eine abgeschlossene Füllung aus
einem Stoff, insbesondere Natrium, aufweist, der bei
Überschreiten der vorgegebenen Temperatur verdampft.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (72,
77) Teile eines Monolithen bilden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß kein den Dieselrußfil
ter umgehender Bypass vorgesehen ist.
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EP1364111B1 (de) * | 2001-02-21 | 2004-12-29 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur ermittlung einer temperaturgrösse |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |