Verfahren zum Regenerieren eines Abgasreinigungsfilters sowie Verdampfer

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasreinigungsfilters eines Verbrennungsmotors mittels einer in den Abgasstrom einzubringenden verdampften Flüssigkeit. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Verdampfer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei Dieselmotoren oder mager betriebenen Benzinmotoren (z.B. Benzin- Direkteinspritzer) werden zur Reduktion der partikelförmigen Emissionen geeignete Partikelfilter eingesetzt. Diese Partikelfilter müssen von Zeit zu Zeit regeneriert werden, indem die auf der Filteroberfläche angesammelten Partikel abge- brannt werden. Hierzu wird dem Partikelfilter ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, der durch Oxidation einer im Abgas befindlichen oxidierbaren Substanz die zum Abbrennen der Rußpartikel benötigte Wärme erzeugt.

Es ist deshalb zur Regeneration eines Partikelfilters von Zeit zu Zeit notwendig, das Abgas mit einer oxidierbaren Substanz, üblicherweise Kraftstoff, anzu- reichern. Zu diesem Zweck sind neben der Nacheinspritzung in den Brennraum des Motors Systeme bekannt, die ein zusätzliches Hochdruck- Kraftstoffeinspritzventil verwenden, das im Krümmerbereich der Abgasanlage angeordnet ist. Ebenso bekannt sind Systeme mit einer Dosierpumpe, die eine bestimmte Kraftstoffmenge aus dem Tank oder aus einer Niederdruck- Kraftstoffleitung in eine Heizkammer eines Verdampfers (Verdampferkammer) leitet. Dort wird der Kraftstoff verdampft und anschließend in den Abgasstrom eingebracht.

Die Verdampfersysteme arbeiten üblicherweise mit einer oder mehreren Glühkerzen, die in einer Verdampferkammer angeordnet sind, wo sie den einge- leiteten Kraftstoff aufheizen und verdampfen. Dabei lagern sich aber Substanzen an der Oberfläche des Heizelements an, was zu einem sogenannten Verkoken führen kann. Dieses Verkoken tritt besonders stark bei Verwendung von Bio- Diesel auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasreinigungsfilters sowie einen Verdampfer zu schaffen, bei denen die Neigung zum Verkoken reduziert wird.

- Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierzu folgende Schritte vor: - Vorsehen wenigsten eines in der Verdampferkammer positionierten Heizelements,

- Einleiten von Flüssigkeit in die Verdampferkammer,

- Aufheizen und Verdampfen der Flüssigkeit mittels des Heizelements, und

- Steuern der Oberflächentemperatur des Heizelements auf maximal 750 ⁰ C. Durch die Erfindung wird das Heizelement bei weitem nicht mehr so stark aufgeheizt wie in bisherigen Ausführungsformen, bei denen Temperaturen von 900 ⁰ C auftraten. Die Erfindung steuert oder regelt sogar die Oberflächentemperatur des Heizelements und begrenzt die Temperatur auf Werte, bei denen keine erwähnenswerte Verkokung mehr stattfindet. Bislang wurden stets sehr hohe Temperaturen am Heizelement gefahren, weil auch die zugeführte Treibstoffmenge sehr unterschiedlich ist und man eine schnelle Verdampfung auch bei hohen Massenströmen sicherstellen wollte. Davon weicht die Erfindung grundsätzlich ab, denn bei niedrigen Massenströmen muß jetzt zwangsläufig die Heizleistung reduziert werden. Wie erwähnt wird als oxidierbare Flüssigkeit vorzugsweise Treibstoff verwendet.

Als Heizelement kommen insbesondere ein oder mehrere elektrische Heizelemente zur Verwendung, bei denen die zugeführte elektrische Energie zur Oberflächentemperatursteuerung verwendet wird. Da die elektrische Energie sehr schnell und einfach veränderbar ist, läßt sich auf diesem Weg schnell und gezielt Einfluß auf die Oberflächentemperatur am Heizelement nehmen.

Als Heizelement werden in diesem Zusammenhang vorzugsweise eine oder mehrere Glühkerzen verwendet. Die Glühkerzentechnik ist in anderem Zusammenhang, nämlich mit der Diesel-Motor-Technik, bereits bekannt und zeichnet sich durch hohe Robustheit aus.

Das elektrische Heizelement kann auch mehrere Heizwendeln aufweisen, die zur Steuerung der Oberflächentemperatur unterschiedlich stromdurchflossen sind, indem den Glühdrähten eine unterschiedliche Energiemenge zugeführt wird. Hierdurch läßt sich auch die Temperatur in der Verdampferkammer sehr gut steuern.

In diesem Zusammenhang kann beispielsweise das Heizelement wenigstens eine Heizwendel sowie eine vorgeschaltete Regelwendel aufweisen. Die Regelwendel ist so ausgebildet, daß sie abhängig von der Temperatur den Widerstand ändert. Damit wird in der darauffolgenden Heizwendel die zur Verfügung stehen- de elektrische Leistung geändert.

Die Regelwendel kann ferner ihren Widerstand bei einer bestimmten Temperatur oder bei bestimmten Temperaturen ändern.

Die Regelwendel kann gegebenenfalls die einzige Steuerungseinrichtung zur Begrenzung der Temperatur des Heizelements sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß dem Heizelement in Abhängigkeit von der sich in der Verdampferkammer befindlichen Flüssigkeitsmenge und/oder dem durch die Verdampferkammer hindurch geförderten Flüssigkeitsmassenstrom Energie zugeführt wird. Je größer die Flüssigkeitsmenge oder der Massenstrom, umso größer ist die zugeführte Energiemen- ge.

Da der Widerstand eines elektrischen Heizelements oder eines Teils derselben (z.B. der Regelwendel) mit steigender Temperatur zunimmt, läßt sich gegebenenfalls auch über diesen sich verändernden Widerstand die Temperatur ermitteln. Auch damit ließe sich eine Steuerung der Oberflächentemperatur errei- chen.

Zu betonen ist, daß auch Kombinationen von mehreren zuvor und nachfolgend beschriebenen Varianten der Temperatursteuerung oder Kombinationen von Parametern, die in die Temperatursteuerung eingehen, möglich und vorteilhaft sind. Beispielsweise kann die dem Heizelement zugeführte Energie mittels Pulsweitenmodulation gesteuert werden.

Darüber hinaus läßt sich natürlich auch die der Verdampferkammer zugeführte Flüssigkeitsmenge, d.h. der Flüssigkeitsmassenstrom, zur Temperatursteuerung heranziehen.

Beispielsweise kann der Flüssigkeitsmassenstrom zwischen vorgegebenen, festen Werten schaltbar sein. über diese Schaltbarkeit läßt sich gegebenenfalls durch Versuche von vomeherein bestimmen, welchen Massenströmen welche zugeführten Energiemengen entsprechen müssen, damit die Oberflächentemperatur nahe an den gewünschten Werten liegt.

Die Verdampferkammer hat einen Flüssigkeits- und einen Dampfabschnitt, also jeweils einen Bereich, in dem Flüssigkeit bzw. Dampf ansteht. Das Heizelement ließe sich beispielsweise auch so variabel relativ zur Verdampferkammer anordnen, daß seine Oberfläche im unterschiedlichen, d.h. variierbaren Ausmaß in den Flüssigkeits- und den Dampfabschnitt hineinragt.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind das oder die Heizelemente so angeordnet und ausgelegt, daß sie an ihrer Außenoberfläche mehr Energie im Flüssigkeitsabschnitt als im Dampfabschnitt zur Verfügung stellen.

Anzustreben ist, daß die Oberflächentemperatur des Heizelements im Betriebszustand maximal 700 bis 750° beträgt, so daß sogar Maximalwerte unter 750°C, genauer zwischen 700 und 750° vorab als Obergrenze festgelegt werden. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Verdampfer einer Fahrzeug-

Abgasreinigungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, mit einer Verdampferkammer, wenigstens einem in der Verdampferkammer positionierten Heizelement und einer Steuerung für das Heizelement, das die Oberflächentemperatur des Heizelements auf maximal 700 bis 750° begrenzt. Die Steuerung steuert die dem Heizelement zugeführte Energie in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsmassenstrom, wie in der bevorzugten Ausführungsform vorgesehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgen Zeichnungen, auf die Bezug ge- nommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- Figur 1 eine schematische Ansicht einer Fahrzeugabgasanlage, deren Abgasreinigungsvorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren regeneriert wird und mit dem erfindungsgemäßen Verdampfer ausgestattet ist,

- Figur 2a eine schematische Querschnittsansicht durch einen erfindungs- gemäßen Verdampfer,

- Figur 2b eine schaltungstechnische Schemazeichnung des Heizelements nach Figur 2a, und

- Figur 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampfers.

In Figur 1 ist schematisch eine Abgasanlage 10 eines Verbrennungsmotors 12 dargestellt. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Dieselmotor oder um einen Benzin-Direkteinspritzmotor. Die Abgasanlage 10 weist eine Abgaslei- tung 14 auf, in der ein Partikelfilter 16 mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator

18 untergebracht sind.

Stromaufwärts des Oxidationskatalysators 18 ist ein Verdampfer 20 ange- ordnet, der eine Verdampferkammer 22 aufweist, in die ein oder mehrere Heizelemente 24, 26 ragen.

Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Heizelemente 24, 26 elektrische Heizelemente, die mit einer Steuerung 28 in Verbindung stehen.

Das eine oder die mehreren Heizelemente 24, 26 können vorzugsweise ein- zeln durch die Steuerung 28 angesteuert werden.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Heizelemente 24, 26 elektrisch betrieben und nur funktionshalber symbolisch als Wendeln dargestellt.

In die Verdampferkammer 22 führt eine Leitung 30 oxidierbare Flüssigkeit, insbesondere Treibstoff. Die Flüssigkeit wird in der Verdampferkammer 22 aufgeheizt und verdampft, wobei der Dampf dann über eine Leitung 32 und eine in die Abgasleitung 14 ragende Düse 34 dem Abgasstrom in Regenerationsphasen des Filters 16 zugeführt wird.

In Figur 2a ist eine mögliche Ausführung des elektrischen Heizelements 24, 26 dargestellt. Das Heizelement 24, 26 weist eine Glühkerze auf, die von einem Gehäuse 36 umgeben ist. Die Glühkerze ist mit einem elektrischen Anschluß 38 versehen, der zur Steuerung 28 führt. Die zugeführte Flüssigkeit steht bis zu einem gewissen, veränderlichen Niveau 40 in der Verdampferkammer 22. Oberhalb des Niveaus 40 füllt Dampf die Kammer 22 aus, der über die öffnung 42 zur Zuleitung 32 strömt.

Die Glühkerze weist eine oder mehrere Wendeln auf, wobei durch mehrere Wendeln mehrere Heizelemente 24, 26 gebildet werden. Alternativ oder zusätz- lieh können natürlich auch mehrere entsprechende Heizelemente 24, 26 in eine gemeinsame Verdampferkammer 22 ragen.

Figur 2b zeigt eine schaltungstechnische Darstellung des Heizelements 24, 26, das eine erste Heizwendel 45, eine darauffolgende Regelwendel 46 und eine wiederum darauffolgende zweite Heizwendel 48 aufweist. Um zu verhindern, daß die Außenoberfläche 44 durch die verdampfende

Flüssigkeit verkokt, wird die Temperatur auf der Oberfläche 44 des Heizelements 24, 26 auf einen Wert von maximal 700 bis 750 ⁰ C begrenzt. Unterhalb dieses Grenzwertes tritt entweder gar keine Verkokung ein (unterhalb von etwa 700 ⁰ C) oder nur eine sehr geringe Verkokung (über etwa 700 ⁰ C bis maximal 75O ⁰ C). Zur Begrenzung dieser Oberflächentemperatur sind mehrere Optionen, von denen nur einige im folgenden vorgestellt werden, möglich. Die vorgestellten Versionen können untereinander natürlich beliebig miteinander und mit weiteren, nicht vorgestellten Varianten kombiniert werden, um das Ziel, die maximale Temperatur nicht zu überschreiten, zu erreichen. Beispielsweise kann die Steuerung 28 mit einem Durchflußsensor 50 (siehe

Fig. 1) gekoppelt sein, der in die Zuführleitung 30 führt und den Massenstrom der Flüssigkeit ermittelt. Alternativ ist natürlich auch denkbar, daß die zur Förderung der Flüssigkeit in die Verdampferkammer 22 eingesetzte Pumpe 52 mit der Steuerung 28 gekoppelt ist, so daß auch hier die der Verdampferkammer 22 zu- geführte Flüssigkeitsmenge bekannt ist. Die zugeführte elektrische Energie ließe sich auch über ein Kennfeld bestimmen, in das z.B. die Flüssigkeitsmenge eingeht.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß eine Meßeinrichtung in der Verdampferkammer 22 angeordnet ist, über die die Flüssigkeitsmenge in der Verdampferkammer 22 ermittelt wird.

Natürlich kann auch der Widerstand des elektrischen Heizelements 24, 26 in die Temperaturermittlung eingehen.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2b ist die Regelwendel 46 so ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche Widerstände aufweist. Beispielsweise kann die Regelwendel ihren Widerstand bei einer bestimmten Temperatur relativ abrupt ändern, so daß die darauffolgende Heizwen- del 48 weniger Heizenergie erhält. Hierüber läßt sich die Temperatur an der Oberfläche des Heizelements steuern oder sogar regeln.

In Abhängigkeit vom Flüssigkeitsmassenstrom und/oder der in der Verdampferkammer 22 enthaltenen Flüssigkeitsmenge wird beispielsweise das eine oder die mehreren Heizelemente 24, 26 oder Heizwendeln 45, 48 mit mehr oder weni- ger Energie versorgt, um die Temperatur auf der Oberfläche 44 möglichst nahe an die Maximaltemperatur, welche zwischen 700 ⁰ C und 750 ⁰ C festgelegt ist, oder bis zu Maximaltemperatur zu bringen, sie aber nicht zu überschreiten.

Die zugeführte Energie kann beispielsweise über Pulsweitenmodulation gesteuert werden. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, den Flüssigkeitsmassenstrom zwischen vorgegebenen, festen Werten schalten zu können. Damit läßt sich die Oberflächentemperatur beeinflussen, denn bei einer zu hohen Temperatur kann diese durch einen Flüssigkeitsstoß schlagartig reduziert werden.

Darüber hinaus ist es möglich, den Massenstrom zwischen verschiedenen vorgegebenen Werten zu schalten und diesen Werten auch elektrische Energiemengen zuzuordnen. Hier können beispielsweise Tabellen hinterlegt sein, die einem Massenstrom einen Wert für die dem oder den Heizelementen 24, 26 zugeführten Energiemengen zuordnen.

Beispielsweise können bei hohen Flüssigkeitsmengen beide Heizelemente 24 oder 26 voll zugeschaltet werden, bei ganz geringen Flüssigkeitsmengen nur ein

Heizelement 24 oder 26. Wie zuvor schon betont, kann natürlich eine Glühkerze

auch mehrere getrennt schaltbare Heizwendeln aufweisen, die für sich jeweils als ein ansteuerbares Heizelement gelten.

Wie in Figur 2a gezeigt, ist die Verdampferkammer in einen unteren Flüssigkeitsabschnitt und einen oberen Dampfabschnitt unterteilt, wobei das oder die Heizelemente 24, 26 so angeordnet und ausgelegt sind, daß sie an ihrer Außenoberfläche 44 mehr Energie im Flüssigkeitsabschnitt zur Verfügung stellen als im Dampfabschnitt.

Die Ausführungsform nach Figur 3 entspricht im wesentlichen der in Figur 2 dargestellten, so daß im folgenden nur noch auf die Unterschiede eingegangen wird.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei Heizelemente 24, 26 in Form von zwei Glühkerzen vorgesehen, die einzeln ansteuerbar in die gemeinsame Verdampferkammer 22 ragen. Jede der beiden Heizelemente kann eine oder mehrere getrennt oder gemeinsam ansteuerbare Heizwendeln aufweisen, so daß gegebe- nenfalls zwei, drei oder mehr verschiedene Stufen von Heizenergieniveaus vorhanden sind.

Die Erzeugung von Dampf erfolgt nicht stetig, sondern nur in sogenannten Regenerationsphasen, so daß die Heizeinrichtungen 24, 26 nur in diesen Phasen in Betrieb gehen und auch nur in diesen Phasen Flüssigkeit der Verdampfer- kammer 22 zugeführt wird.

Die oxidierbare Flüssigkeit sorgt im Oxidationskatalysator 18 für eine Temperaturerhöhung des Abgases, so daß die Partikel im Abgasreinigungsfilter 16 verbrannt werden.