B E S C H R E I B U N G

Aus der EP 488 386 B1 ist eine Abgaseinrichtung für einen Dieselmotor bekannt.

Ebenfalls bekannt geworden ist eine Brennkraftmaschine mit Abgassystem aus der DE 10 2007 053 130, hier kommt ein zusätzlicher Verdampfer zum Einsatz.

Weiter ist aus der WO 9922129 ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Abgasnach- behandlung bekannt.

Nachteilig daran ist, beispielsweise bei der Variante mit zusätzlichem Verdampfer, dass zusätzliche Elemente, die versagen können, notwendig werden, was zusätzlich Kosten verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, dass die o. g. Nachteile vermeidet sowie eine Strategie zu entwickeln, um maximale Partikelabbrandraten im Dieselpartikelfilter zu erhalten. Die Aufgabe wird gelöst durch die Kombination der Drosselklappenoptimierung:

Die neue Lösung ermöglicht es, nicht wie bisher die Temperatur vor dem Dieselpartikelfilter, sondern die so genannte Abbrandrate von Partikeln im Dieselpartikelfilter zu maximieren. Ansaugseitiges Drosseln bewirkt zum einen eine Abgastemperaturanhebung, zum anderen eine Verringerung des Restsauerstoffanteils im Abgas durch Luftunterschuss (im Vergleich zum ungedrosselten Fall) während der Verbrennung. Durch die neue Lösung wäre es möglich die Abbrandrate im DPF in einem bestimmten Drossel- klappenverstellbereich zu optimieren und die Zeit der Service-Regeneration zu minimieren. Durch die geschilderte Vorgehensweise soll es möglich werden die Drosselklappenstellposition auf eine maximale Partikelabbrandrate zu optimieren. Es handelt sich hierbei um eine physikalisch modellpre- dektive Maximierung der Rußabbrandrate mittels Regelung über Drosselklappe.

Der zweite Lösungsansatz ermöglicht es, den Motor gezielt durch unverbrannte Nacheinspritzung (wenn ein Oxidationskatalysator vorhanden) derart zu regeln, dass eine Service-Regeneration nach 30 Minuten erfolgreich abgeschlossen ist. Vorteil wäre die Anpassung des Systems an Umgebungsbedingungen und schlecht isolierten Abgassystemen, wie z. B. Ab- gasleitungen von der Motorturbine zum Abgasnachbehandlungssystem.

Der Kraftstoff wird im Expansionshub drehmomentneutral eingespritzt wird. Idealisiert betrachtet wird der Kraftstoff nach dem Verbrennungshub eingespritzt, verdampft und nach dem Ausschubvorgang dem DOC als Oxidati- onsmittel zur Verfügung gestellt, um durch den exothermen Reaktionsvorgang die Abgastemperatur zu erhöhen. Kraftstoff wird im Ausschubvorgang (Expansionshub) drehmomentneutral eingespritzt.

Durch die im Folgenden dargestellten Plausibilisierungsuntersuchungen wird es möglich, den Abgassauerstoffgehalt und die DPF-Temperatur in einen Bereich so einzustellen, dass eine Service-Regeneration unter allen Umweltrandbedingungen, bzw. nicht optimal isolierten Abgasnachbehandlungssystemen, ermöglicht wird.

Als Vorbereitung zur Durchführung einer Service-Regeneration wird das Fahrzeug auf einer stationären Drehzahl und einer dem Hydraulikaggregat entsprechenden korrespondierenden Grundlast betrieben. Im ersten Schritt werden Einspritzparameter (Vor-, Haupt- und Nacheinspritztiming, sowie Vor- und Nacheinspritzmengen und Raildruck) derart vertrimmt, dass der Wirkungsgrad des Motors verschlechtert und damit die Abgastemperatur angehoben wird. Im zweiten Schritt wird zur weiteren Wirkungsgradverschlechterung und damit zur weiteren Abgastemperaturanhebung des Motors die ansaugseitige Drosselklappe auf einen minimalen Druck im Ladeluftrohr geregelt. Zur Abgastemperaturerhöhung stellt sich die Drosselklappe als dominanter Temperaturerhöhungseffekt im Vergleich zur Vertrimmung der Einspritzparameter heraus. Es gilt die Abgastemperatur durch Androsseln der Drosselklappe innerhalb eines möglichen und sicheren Betriebs des Motors zu maximieren. Der angepeilte maximierte Tempe- raturbereich vor dem Dieselpartikelfilter liegt zwischen 550 °C und 620 °C um innerhalb von 30 Minuten die globale DPF-Beladung von 4 g/ auf unter 1 g/l im Dieselpartikelfilter zu reduzieren.

Für bestimmte Applikationen mit Dieselpartikelfiltern kann es unter be- stimmten Umständen dazu führen, dass die Ruß- bzw. Partikelfilterbeladung eine kritische Beladungsgrenze überschreitet. Eine mögliche Gegenmaßnahme um zu hohe Filterbeladung auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren, um normalen Fahrbetrieb wieder zu ermöglichen, ist zum einen ein Motorbetrieb mit hoher stationärer Motorauslastung bzw., falls nicht möglich, eine sogenannte Service-Regeneration. Während dieser Service- Regeneration ist das Fahrzeug nicht arbeitsfähig. Bei der vorgeschlagenen Lösung wird das Gerät auf einer stationären Arbeitsdrehzahl sowie einer Grundlast betrieben. Die Grundlast ist abhängig von dem spezifischen an den Dieselmotor angeflanschten Hydraulikaggregat des Fahrzeugs. Ein- spritzparameter sowie eine Drosselklappe (nach dem Ladeluftkühler, engl. ITV = Intake Throttle Valve) sind während einer Service-Regeneration derart parametriert, dass die Abgastemperatur nach der Turbine bzw. vor dem Dieselpartikelfilter maximiert wird. Durch die "hohen" Abgastemperaturen und den Restsauerstoff im Abgas wird Ruß bzw. Feststoffpartikel im Die- selpartikelfilter oxidiert und damit die Filterbeladung reduziert. Der hier zugrundeliegende Mechanismus zur Reduzierung des Rußes im Dieselpartikelfilter wird als "aktive Regeneration" bezeichnet, d. h. Ruß wird ausschließlich mit Restsauerstoff im Abgas bei Temperaturen oberhalb von 500 °C oxidiert. Die Dauer einer Service-Regeneration wird zeitgesteuert bemessen, um die DPF-Beladung auf eine untere Beladungsschwelle zu reduzieren.

Figur 1 illustriert beispielweise einen Temperatur- und Restsauerstoffkon- zentrationsverlauf im Abgas in Abhängigkeit der Drosselklappenposition bei konstant vom Motor gefahrener Drehzahl und Last. Mit kleiner werdender Drosselklappenposition (Drosselklappe schließt sich) ist zu erkennen, dass die Temperatur steigt und die Abgassauerstoffkonzentration analog sinkt.

Figur 1 : Abhängigkeit der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration im Abgas vor dem DPF in Abhängigkeit der Drosselklappenposition

Theorie

Für die Quantifizierung der Partikelabbrandrate während einer aktiven Regeneration sind ausschließlich die DPF-Temperatur, die Restsau erstoffkon- zentration im Abgas, sowie die Partikelbeladung signifikant. Durch einen von uns entwickelten phänomenologischen Modellansatz, siehe Gl. 1 u. 2, konnte obige Aussage numerisch und experimentell bestätigt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der phänomenologische Ansatz, DPF-Geometrie- sowie zelldichtensubstrat-unabhängig, sehr gute Ergebnisse im Vergleich mit experimentellen Ergebnissen erzielt. Die Ab- brandrate nach Gl. 1 und 2 ist gegeben nach

(Γ) = (Γ- α) · £? ^ίΓ -^ ^{+ίί ι} ^ ₅ (2) wobei [02] der Sauerstoffkonzentration und f(T) einem Temperaturterm, msoot der DPF-Beladung zu einem bestimmten Zeitpunkt t und a, b, c und d Kalibrierparametern entsprechen. Unter der Voraussetzung, dass die Sauerstoffkonzentration [02] sowie die Temperatur T im Dieselpartikelfilter (DPF) als Konstante betrachtet werden können, beschreibt die normierte Abbranddrate dmsoot/dt/msoot ebenfalls eine Konstante, siehe Gl. 3.

Unter diesen Annahmen beschreibt Gl. 4 die Lösung der Differentialgleichung von Gl 1., wobei mO der DPF-Beladung zum Zeitung t = 0 (Start der Serviceregeneration) entspricht. Unter der Annahme, dass der durch den Motor in den DPF emittierte Partikelmassenstrom im Vergleich zur Abbrandrate vernachlässigbar klein angenommen werden kann, beschreibt Gl. 4 für einen beliebigen Zeitpunkt t die DPF-Partikelbeladung.

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Durch Auflösen von Gl 4. nach der Zeit t lässt sich ein Zeitkriterium für den DPF-Abbrand definieren, welches ausschließlich von der Start-DPF-Bela- dung mO = msoot (t = 0), der Endbeladung msoot(t), der DPF-Temperatur T, sowie der Abgassauerstoffkonzentration [02] abhängt.

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Drosselklappenoptimierung

Figur 2 illustriert nach Gl. 3 (korrespondierend zu den DPF-Temperaturen und Abgassauerstoffkonzentrationen aus Figur 1 ) die normierte Partikelabbrandrate in Abhängigkeit der Drosselklappenstellung. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Kurvenverlauf ein Maximum und damit einen Bereich zum Einstellen einer optimalen Drosselklappenposition ermöglicht.

Figur 2: Normalisierte Partikeloxidationsrate

Figur 3 stellt diesen Drosselklappenoptimierungsbereich (ca. 17 % - 20 % Drosselklappenstellposition) vergrößert dar. Aus der Figur wird deutlich, dass sich ein Optimum der Abbrandrate in einem Temperaturbereich von 520 °C bis 580 °C und einer Sauerstoffkonzentration von 3 % bis 9,3 % be- findet.

Figur 3: Normalisierte Partikeloxidationsrate des Optimierungsbereichs

In Figur 4 ist nach Gl. 3 der normierte Partikelabbrand über der DPF-Tem- peratur und der Abgassauerstoffkonzentration dargestellt. Dabei ist festzuhalten, dass die dargestellten Linien gleicher Abbrandraten auf einen Referenzpunkt ([02] = 10% und T = 600 °C), skaliert sind. Beispielshalber beträgt die relative Abbrandgeschwindigkeit bei einer Sauerstoffkonzentration von 5 % und einer Temperatur von 400 °C ca. 100 mal so lange, wie im Referenzpunkt. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, eine quantitative relative Abbrandrate (Abbrandgeschwindigkeit) in Abhängigkeit von Sauerstoffkonzentrationen und Temperatur zu definieren.

Darüber hinaus ist aus der Abbildung des Drosselkennlinienverlaufs die DPF-Temperatur- und Abgassauerstoffkonzentrationsabhängigkeit korrespondierend zu den Ergebnissen aus Figur 1 abzuleiten. Bei Schließen der Drosselklappe beschreibt die Kurve den quasistationären Temperatur- und Restsauerstoffkonzentrationsverlauf in dem Diagramm. Eine bildliche Analogie zur Optimierungsdarstellung in Figur 2 und 3 ließe sich folgenderma- ßen formulieren. Wandert man die gelbe Linie in Figur 4 bei der Drosselklappenposition von 46 % (siehe Figur 4) von rechts nach links entlang in Richtung Drosselklappenposition von 15 % und betrachtet die dargestellte normierte Abbrandrate als ein Gebirge, so findet man das Optimum der Drosselklappenposition genau dann, wenn man das Gebirge mit dem ersten Schritt nicht mehr erklimmt, sondern das Gebirge "absteigt".

Figur 4: Normalisierte Partikeloxidationsrate, Drosselkennlinie für Abgas- sauerstoffkonzentration und DPF-Temperatur und Drosselklappenoptimierungsbereich

Plausibilisierung Um ein zeitliches Kriterium in Abhängigkeit der DPF-Temperatur und der Abgassauerstoffkonzentration zu definieren, in dem eine DPF-Service-Re- generation als erfolgreich oder nicht erfolgreich definiert werden kann, wird folgende Vorgehensweise verwendet. Als maximal zulässige DPF-Bela- dung (Ruß pro Volumeneinheit) sind z. B. 4 g/l und als DPF-Regenera- tionszielwert sind < 1 g/l gefordert. Mittels Gl. 5 werden die korrespondierenden Abbrandzeiten für DPF-Temperaturen von 300 °C bis 620 °C und Abgassauerstoffkonzentrationen von 0,5 % bis 20 % berechnet. Die berechneten Ergebnisse werden in Figur 5 und 6 dargestellt. Mit Grün wird der Bereich gekennzeichnet, in dem der DPF-Abbrand (von 4 g/l auf 1 g/l) < 30 min und der rote Bereich > 30 min andauert. Demnach lässt sich eine "harte" Grenze für DPF-Temperatur und Abgassauerstoffkonzentration beschreiben, in der eine Service-Regeneration ablaufen muss. Figur 3 und 4 illustrieren die Drosselklappenkennlinie von DPF-Temperatur und Abgassauerstoffkonzentration. Auffällig ist, dass die durchgezogene gelbe Dros- selklappenlinie den grünen Bereich in einem sehr geringen Abstand zum roten Bereich schneidet. Bei geringeren Umgebungstemperaturen, bzw. schlecht isoliertem Abgasnachbehandlungssystem, sinkt die Temperatur, dies ist durch die gelbe gestrichelte Linie dargestellt. Für diesen Fall kann die Service-Regeneration nicht innerhalb von 30 Minuten erfolgreich ablau- fen, weil kein Schnittpunkt mit dem grünen Bereich existiert. Lösung bietet in diesem Fall eine geregelte, nicht brennende Nacheinspritzung, die im Oxidationskatalysator durch exotherme HC-Oxidation die Temperatur im DOC anhebt. Dies ist in Figur 5 dargestellt. In diesem Fall gelingt es, die Service-Regeneration zeitlich im gewünschten Zeitrahmen erfolgreich ab- zuschließen. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich also um ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Kolbenbrennkraftmaschine, bei der die aus den Zylindern austretenden Abgase durch wenigstens eine mechanisch, chemisch und/oder katalytisch wirkende, in betriebsabhängigen Zeitabständen zu regenerierende Abgasbehandlungseinrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen durchgeleitet werden und bei der in die einzelnen Zylinder jeweils mittels einer Einspritzdüse für den jeweiligen Arbeitstakt in zeitlichem Abstand hintereinander eine erste und wenigstens eine weitere Kraftstoff men- ge direkt eingespritzt wird, deren Mengen und/oder deren Zeitabstand über eine Motorsteuerung vorgegeben werden, wobei zumindest eine der Kraftstoffmengen in Bezug auf den Einspritzzeitpunkt und die für den Arbeitstakt benötigte Menge in Abhängigkeit von der Lastanforderung eingespritzt wird und wobei die weitere Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wenn der Kolben sich jeweils bei seinem Expansionshub in einem vorgebbaren Bereich der unteren Totpunktstellung befindet.

Figur 5: Service-Regeneration mit Drosselkennlinie für Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen.

Figur 6 verdeutlicht die allgemeine Vorgehensweise zur Bestimmung der erforderlichen DPF-Temperatur und Abgassauerstoffkonzentration. In Schritt eins wird der Motor so kalibriert, dass er den Bereich "No Unburnt Post Inj." anfährt (ohne unverbrannte Nacheinspritzung). Im zweiten Schritt wird die Nacheinspritzmenge soweit erhöht, dass eine Temperaturanhe- bung in Bereich "Unburnt Post Inj." ermöglicht und damit die Service-Regeneration erfolgreich ablaufen lässt. Dabei sollte zum Schutz des Oxida- tionskatalysators die Temperatur nicht über 620 °C überschritten werden. Figur 6: Service-Regeneration mit Drosselkennlinie für Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen.