DE3912301A1 - Verfahren zur regeneration eines in der abgasleitung einer luftverdichtenden brennkraftmaschine angeordneten russpartikelfilters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration ei­ nes in der Abgasleitung einer luftverdichtenden Brenn­ kraftmaschine angeordneten Rußpartikelfilters gemäß Ober­ begriff des Hauptanspruches.

Aus der EP-PS 10 384 ist es bekannt, die Abgastemperatur zur Regeneration eines Rußpartikelfilters durch Drosselung des Ansaugluftstromes anzuheben. Die hierzu eingesetzte Steuerung sieht unter anderem vor, bei sehr hohen Tempe­ raturen des Rußfilterkörpers die Drosselklappe bzw. das Drosselklappensystem in Öffnungsstellung zu führen. Wird die Brennkraftmaschine nun in einem hohen Lastbereich ge­ fahren, also in einem Bereich, in welchem ohnehin schon hohe Abgastemperaturen vorliegen, und läuft zudem gerade noch eine Regenerationsphase ab, so liegt, nicht zuletzt auch aufgrund des exothermen Verlaufes der Rußpartikel­ oxidation, eine so hohe Rußfilterkörpertemperatur vor, daß die Drosselklappe über die Steuerung in Öffnungsstellung gehalten wird. Wird die Brennkraftmaschine nun schlagartig im Schubbetrieb gefahren, d.h. also mit Nullast oder na­ hezu Nullast, so ist im Abgas sofort ein Sauerstoffüber­ angebot gegeben, was dazu führt, daß durch die starke Exothermie der Reaktion der Rußpartikel mit dem reichhal­ tigen Sauerstoff die Schmelztemperatur des Rußfilterkör­ permaterials zumindest stellenweise überschritten wird, so daß mit einer Beschädigung des Rußfilters zu rechnen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschrie­ benen Art aufzuzeigen, bei welchem eine Beschädigung des Rußfilterkörpers beim Übergang in den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Übergang aus höheren Lastbereichen, verhindert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß unmittelbar nach einem Übergang in den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine das Sauerstoffangebot im Abgas begrenzt gehalten wird. Dadurch wird eine explosionsartige Umset­ zung der Rußpartikel und demzufolge eine thermische Über­ belastung des Rußfilterkörpers verhindert. Um jedoch zu gewährleisten, daß eine schon im Gang befindliche Rußfil­ terregeneration trotzdem mit ausreichend Sauerstoff ver­ sorgt wird, wird die Einrichtung zur Steuerung des Ansaugleitungsquerschnittes, nachdem sie die den Ansaug­ leitungsquerschnitt auf ein Minimum reduzierende Stellung erreicht hat, langsam wieder in die Öffnungsstellung rückgeführt.

Eine Beeinträchtigung der Fahrbarkeit und eine zu große Reduzierung der Luftverhältniszahl infolge einer plötz­ lichen Lastvorgabe während dieser Rückführungsphase wird durch die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 verhindert. Diese Ausgestaltung hat darüber hinaus den Vorteil, daß ein Stillstand der Brennkraftmaschine infolge eines Drehzahlabfalles während des Zeitraumes, in welchem sich die Einrichtung zur Steuerung des Ansaugluftstromes nicht in der Öffnungsstellung befindet, nicht zu befürch­ ten ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und eine vorteilhafte Vorrichtung zu dessen Durchführung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prin­ zipdarstellung und

Fig. 2 die Funktionsweise der in Fig. 1 mit 13 be­ zeichneten elektronischen Steuereinheit.

In Fig. 1 bezeichnet 1 die Ansaugleitung einer in der Zeichnung nicht dargestellten luftverdichtenden Ein­ spritzbrennkraftmaschine, in deren ebenfalls nicht darge­ stellter Abgasleitung ein Rußpartikelfilter angeordnet ist, welcher durch Abbrennen der von ihm aus dem Abgas­ strom ausgefilterten Rußpartikel regenerierbar ist. In der Ansaugleitung ist eine Drosselklappe 2 angeordnet, welche über ein Gestänge 33 von einer Unterdruckdose 3 aus betä­ tigbar ist. An die Unterdruckdose 3 ist ein Pneumatiklei­ tungssystem 4 angeschlossen, welches wiederum mit einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Unterdruckpumpe 5, deren Fördervolumen verstellbar ist, in Verbindung steht. In der Pneumatikleitung 6 ist ein Absperrventil 7 angeordnet. Ferner sind zwischen dem Anschluß an die Un­ terdruckdose 3 und dem Absperrventil 7 von der Pneumatik­ leitung 6 zwei Leitungsstutzen 8 und 9 abgezweigt. Der Leitungsstutzen 8 ist mit einer Drosselbohrung 10 versehen und über den Leitungsstutzen 9 und ein darin angeordnetes Belüftungsventil 11 ist das Pneumatikleitungssystem 4 bedarfsweise belüftbar. Die Drosselklappe 2 ist durch die Unterdruckdose 3 zwischen einer Öffnungsstellung, in der der gesamte Querschnitt der Ansaugleitung 1 freigegeben ist und einer den Querschnitt der Ansaugleitung 1 auf ein Minimum verringernden Stellung (gestrichelte Darstellung 2′),-im als folgenden Minimalstellung 2′ bezeichnet -, bewegbar. An der Unterdruckdose 3 ist ein Endschalter 12 angeordnet, welcher in der Minimalstellung 2′ der Drossel­ klappe 2 über einen an dem Gestänge 31 befestigten Bolzen 32 betätigbar ist.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die Reduzierung des Ansaugleitungsquerschnittes auf ein Minimum derart zu realisieren, indem eine mit einer entsprechend dimensio­ nierten Durchgangsbohrung versehene Drosselklappe ganz geschlossen wird.

Solange die Brennkraftmaschine unter Last gefahren wird, ist das Belüftungsventil 11 in Öffnungsstellung, das Ab­ sperrventil 7 in Schließstellung und das Fördervolumen V _H der Pumpe 5 auf Nullförderung gestellt. In diesen Be­ triebszuständen liegt damit über das Pneumatikleitungssy­ stem 4 an der Unterdruckdose 3 Atmosphärendruck an, wo­ durch die Drosselklappe 2 in ihrer Öffnungsstellung ge­ halten ist.

Kommt es nun zu einem Lastwechsel in den Schubbetrieb, d.h. also wird die Brennkraftmaschine plötzlich mit Null­ ast gefahren (z.B. beim Abbremsen des Fahrzeuges), so wird unmittelbar nach dem Lastwechsel das Belüftungsventil 11 geschlossen und das Absperrventil 7 geöffnet. Gleichzeitig wird die Unterdruckpumpe 5 auf maximales Fördervolumen V _Hmax gestellt. Durch den sich nun augenblicklich (geringe Leitungsquerschnitte) im Pneumatikleitungssystem 4 auf­ bauenden Unterdruck wird die Drosselklappe 2 über die Un­ terdruckdose 3 sofort in die Minimalstellung 2′ überführt.

Durch diese Maßnahme wird das Sauerstoffangebot im Abgas auf ein solches Maß reduziert, daß für den Fall, daß sich der Rußfilter gerade in einer Regenerationsphase befindet, eine Gefährdung des Filters infolge eines schlagartig sehr hohen Sauerstoffanteiles im Abgas ausgeschlossen ist. Damit aber dennoch ausreichend Sauerstoff für die gesamte Regeneration des Rußpartikelfilters zur Verfügung steht, erfolgt, sobald die Drosselklappe 2 in der Minimalstellung 2′ angelangt ist - dies wird durch den Endschalter 12 si­ gnalisiert-, ein Verschließen des Absperrventiles 7 und ein Rückstellen der Unterdruckpumpe 5 auf Nullförderung. Über die Drosselbohrung 10 kommt es nun zu einer ganz allmählichen Belüftung des Pneumatikleitungssystems 4 zwischen dem Absperrventil 7 und der Unterdruckdose 3, wodurch die Drosselklappe 2 kontinuierlich in ihre Öff­ nungsstellung zurückgeführt wird. Die Geschwindigkeit, mit welcher die Drosselklappe 2 zurückgeführt wird, hängt ab von der Größe der Drosselbohrung 10. Je kleiner diese ge­ wählt wird, desto langsamer geht die Drosselklappe 2 in die Öffnungsstellung zurück.

Sollte nun vom Fahrer während einer derartigen Rückfüh­ rungsphase eine Lastvorgabe an die Brennkraftmaschine übermittelt werden, so erfolgt ein sofortiges Öffnen des Belüftungsventils 11, was zu einer schlagartigen Belüftung des Pneumatikleitungssystems 4 und damit zu einem unmit­ telbaren Öffnen der Drosselklappe 2 führt. Dasselbe gilt für den Fall, daß die Brennkraftmaschinendrehzahl n wah­ rend einer solchen Rückführungsphase einmal unterhalb ei­ nes vorgegebenen Grenzwertes fallen sollte. Als Drehzahlgrenzwert wurden in diesem Ausführungsbeispiel 1200 l/min gewählt. Entsprechend gilt, daß ein Überführen der Drosselklappe 2 in die Minimalstellung 2′ beim Uber­ gang in den Schubbetrieb nur dann erfolgt, wenn die Brennkraftmaschinendrehzahl n über diesem Grenzwert liegt.

Die Ansteuerung der beiden Ventile 7 und 11 und der Un­ terdruckpumpe 5 erfolgt über eine elektronische Steuer­ einheit 13, welcher ferner ein Last-(x _RS), ein Drehzahl- (n) und ein der Stellung des Endschalters 12 entsprechen­ des Signal (Meßwertleitung 31) zugeführt wird. Die Funk­ tionsweise dieser elektronischen Steuereinheit 13 ist in der nachfolgend beschriebenen Fig. 2 anhand eines Flußdiagrammes 14 aufgezeigt.

Nach dem Start der Brennkraftmaschine wird über den Aus­ gabeblock 15 das Belüftungsventil 11 geöffnet, das Fördervolumen V _H der Unterdruckpumpe 5 auf Nullförderung gestellt und das Absperrventil 7 ,falls dieses noch in Öffnungsstellung sein sollte, geschlossen. Sowohl das Be­ lüftungsventil 11 als auch das Absperrventil 7 können zu diesem Zeitpunkt auch in der jeweils entgegengesetzten Stellung gehalten werden, denn solange die Pumpe 5 auf Nullförderung steht, ist über die Drosselbohrung 10 immer ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Pneuma­ tikleitungssystem 4 gegeben, so daß die Drosselklappe 2 auf jeden Fall in ihrer Öffnungsstellung bleibt. Im fol­ genden Eingabeblock 16 erfolgt die Eingabe des aktuellen Brennkraftmaschinenlast x _RS und der aktuellen Brennkraftmaschinendrehzahl n. Die Last x _RS wird dabei über einen Sensor von der Regelstange der Einspritzpumpe und die Drehzahl n über einen weiteren Sensor von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgegriffen. Im fol­ genden Verzweigungsblock 17 erfolgt die Überprüfung, ob die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb gefahren wird, d.h. also, ob die Regelstangenauslenkung x _RS gleich 0 ist und ob gleichzeitig die Brennkraftmaschinendrehzahl n noch über dem Grenzwert von 1200 l/min liegt. Wenn nicht, er­ folgt eine Verzweigung zum Punkt 18 zur erneuten Eingabe von Last x _RS und Drehzahl n. Wird Schubbetrieb erkannt (Verzweigungsblock 17), erfolgt über den Ausgabeblock 19 ein Schließen des Belüftungsventiles 11 und ein Öffnen des Absperrventiles 7. Gleichzeitig wird das Fördervolumen V _H der Unterdruckpumpe auf "maximal" V _Hmax gestellt. Durch diesen Schritt wird die Drosselklappe 2 in Ihre Minimal­ stellung 2′ überführt. Anschließend erfolgt über den Block 20 die Eingabe des Schaltzustandes des Endschalters 12, und im Block 22 die Abfrage, ob dieser schon durch den Bolzen 32 Drosselklappe 2′ betätigt wurde. Falls ja, also dann, wenn die Drosselklappe 2 in der Minimalstellung 2′ angekommen ist, verzweigt die Steuerung zum Ausgabeblock 23, von welchem aus das Schließen des Absperrventiles 7 und ein Rückfahren der Pumpe 5 in Nullförderung veranlaßt werden. Es kommt damit zu einer langsamen Belüftung des Pneumatikleitungssystems 4 über die Drosselbohrung 10.

Im folgenden Block 24 wird erneut die aktuelle Last x _RS und aktuelle Drehzahl n eingegeben. Sollte nun während des Zeitraumes t _rück, während dessen sich die Drosselklappe 2 langsam wieder in ihre Öffnungsstellung zurückbewegt, die aktuelle Last x _RS größer 0 sein oder die aktuelle Drehzahl unter den Grenzwert von 1200 l/min fallen (Verzweigungs­ block 25), so erfolgt eine sofortige Belüftung des Pneu­ matikleitungssystems 4 durch entsprechende Ansteuerung des Belüftungsventiles 11 im Ausgabeblock 26. Die Drossel­ klappe 2 geht dann schlagartig in die Öffnungsstellung zurück. Wird die Abfrage im Block 25 mit nein beantwortet, verzweigt die Steuerung zum Punkt und zwar so lange bis die Drosselklappe 2 ihre Öffnungsstellung von selbst wie­ der erreicht hat, also bis der Zeitraum t _rück verstrichen ist. Ist dies der Fall (Verzweigungsblock 28) verzweigt die Steuerung zu ihrem Ausgangspunkt 30.

Bei Brennkraftmaschinen, die schon mit einer Unterdruck­ pumpe zur Versorgung anderer Verbraucher ausgestattet sind, ist es natürlich nicht erforderlich, eine separate Pumpe mit verstellbarem Fördervolumen vorzusehen, sondern in diesem Falle kann das Leitungssystem 4 auch direkt an die ohnehin schon vorhandene Unterdruckpumpe angeschlossen werden, auch dann, wenn deren Fördervolumen nicht ver­ stellbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es auch mög­ lich, die Drosselklappe über einen Elektromotor in der erfindungsgemäßen Weise anzusteuern.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regeneration eines in der Abgasleitung einer luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschine ange­ ordneten Rußpartikelfilters durch Abbrennen der Rußparti­ kel, wobei in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine eine last- und drehzahlabhängig zwischen einer Öffnungs- und einer den Leitungsquerschnitt verringernden Stellung betätigbare Einrichtung zur Steuerung des Ansaugleitungs­ querschnittes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung des Ansaugleitungsquer­ schnittes unmittelbar nach dem Übergang in den Schubbe­ trieb der Brennkraftmaschine zunächst aus ihrer Öffnungs­ stellung in eine den Leitungsquerschnitt auf ein Minimum reduzierende Stellung (Minimalstellung 2′) und anschlie­ ßend wieder kontinuierlich in ihre Öffnungsstellung über­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn sich die Einrichtung außerhalb ihrer Öff­ nungsstellung befindet, diese im Falle einer Lastvorgabe oder im Falle eines Abfalles der Brennkraftmaschinendrehzahl unterhalb eines vorgegebenen Wertes schlagartig wieder in Ihre Öffnungsstellung über­ führt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugleitungsquerschnitt in der Öffnungsstellung der Einrichtung ganz freigegeben ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem die Einrichtung in Ab­ hängigkeit der Brennkraftmaschinenlast und Brennkraftmaschinendrehzahl betätigenden Stellantrieb, gekennzeichnet durch folgende Merkmale

• - der Stellantrieb ist eine mit der Einrichtung ver­ bundene Unterdruckdose (3),
• - die Unterdruckdose (3) ist über eine Pneumatikleitung (6) mit einer Unterdruckpumpe (5) verbunden,
• - die Unterdruckpumpe (5) besitzt ein verstellbares Fördervolumen(V _H ), welches beim Übergang in den Schubbetrieb auf Maximalförderung und nach Erreichen der Minimalstellung (2′) der Einrichtung wieder auf Nullförderung gefahren wird,
• - in der Pneumatikleitung (6) ist ein Absperrventil (7) angeordnet, welches mit dem Übergang in den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine in Öffnungs­ stellung und unmittelbar dann, wenn die Minimal­ stellung (2′) der Einrichtung erreicht ist, wieder in Schließstellung überführt wird,
• - zwischen dem Absperrventil (7) und der Unterdruck­ dose (3) ist das Pneumatikleitungssystem (4) mit einer Drosselbohrung (10) versehen und
• - zwischen dem Absperrventil (7) und der Unterdruck­ dose (3) ist ein Belüftungsventil (11) vorgesehen, welches beim Übergang in den Schubbetrieb in Schließstellung überführt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung des Ansaugleitungsquer­ schnittes als Drosselklappe (2) ausgebildet ist.