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Title:
PARTICLE FILTER REGENERATION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/048511
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a particle filter (30) regeneration method according to which the filter (30) can be regenerated when the internal combustion engine (10) is switched off. When the internal combustion engine (10) is switched off, no exhaust gases have to be heated in the exhaust gas tract for bringing the entire filter system (30) to the temperature required for regeneration, thereby enabling an energetically efficient implementation of the regeneration.

Inventors:
BUCK RAINER (DE)
Application Number:
PCT/DE2001/004697
Publication Date:
June 20, 2002
Filing Date:
December 13, 2001
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
BUCK RAINER (DE)
International Classes:
F01N3/023; F01N3/025; F01N3/027; F01N9/00; F02M25/07; (IPC1-7): F01N3/00
Foreign References:
US5716586A1998-02-10
EP0816646A11998-01-07
US5042249A1991-08-27
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 094 (M-293), 28. April 1984 (1984-04-28) & JP 59 007720 A (MITSUBISHI JIDOSHA KOGYO KK), 14. Januar 1984 (1984-01-14)
UNKNOWN: "Electrically regenerated traps" DIESELNET TECHNOLOGY GUIDE, [Online] Mai 1999 (1999-05), Seiten 1-7, XP002198234 Gefunden im Internet: [gefunden am 2002-05-07]
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 320 (M-853), 20. Juli 1989 (1989-07-20) & JP 01 106915 A (MITSUBISHI MOTORS CORP), 24. April 1989 (1989-04-24)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1996, no. 03, 29. März 1996 (1996-03-29) & JP 07 310525 A (MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD), 28. November 1995 (1995-11-28)
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zur Regeneration eines zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine dienenden Partikelfilters, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelfilter bei stehender Brennkraftmaschine regeneriert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beladungszustand des Partikelfilters geprüft wird und dass bei Überschreiten eines ersten Schwellenwerts des Beladungszustands die Regeneration nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung des Beladungszustands bei laufender Brennkraftmaschine erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beladungszustand unter Auswertung des Abgasdifferenz drucks zwischen Einlaßund Auslaßbereich des Partikel filters ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass zur Unterstützung der Regeneration Luft in den Einlaßbereich des Partikelfilters transportiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft auf der Seite des Auslaßbereichs durch das Partikelfilter hindurch angesaugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luft ein Hilfsmittel zur Erwärmung des Partikelfilters, insbesondere Kraftstoff, zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer zweiten Beladungsschwelle, die größer ist als die erste Beladungsschwelle, eine Regeneration bei laufender Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration durch eine Beheizung des Partikelfilters eingeleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung elektrisch erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung im Wesentlichen entlang des ganzen Durchströmungsbereichs (52) des Partikelfilters erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung im Einlaßbereich des Partikelfilters erfolgt.
Description:
Verfahren zur Partikelfilterregeneration Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters sind bereits bekannt. Partikelfilter für Diesel-Brennkraftmaschinen müssen zumindest in regelmäßigen Zeitabständen regeneriert werden, da sonst der gespeicherte Ruß einen zu hohen Abgasgegendruck erzeugt, der den Verbrauch verschlechtert, zum Motorstillstand führen kann oder bei gewissen Betriebszuständen den Filter aufgrund einer heftigen exothermen Oxidation durch Schmelzen zerstören kann. Beispielsweise ist es bekannt, bei dem Verfahren der sogenannten kontinuierlichen Regeneration (CRT-Verfahren ;"CRT"="Continuosly Regenerating Trap") bei laufendem Motor mittels eines dem Partikelfilter vorgelagerten Oxidationskatalysators Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid zu oxidieren. Im Partikelfilter zerfällt das Stickstoffdioxid in Stickstoffmonoxid und in ein Sauerstoffradikal, das den abgelagerten Ruß schon bei Temperaturen ab 250 Grad Celsius oxidieren kann.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass während der Regeneration kein Abgasstrom mit erhitzt werden muss, um die Partikelfilteranordnung auf die für den Rußabbrand notwendige Temperatur zu bringen ; die Regeneration verläuft also energetisch günstig. Bei Ausnutzung einer Naturkonvektion ist lediglich ein geringer Bauteilaufwand zu verzeichnen, und bei Ausnutzung des Effekts der wandernden Brennzone wird der Energieverbrauch für die Regeneration noch weiter erniedrigt. Eine Additivierung des Kraftstoffs zur Unterstützung der Partikelfilterregeneration kann entfallen. Darüber hinaus kann die Brennkraftmaschine in der Regel im Normalbetrieb geführt werden, da nicht wie bei anderen Regenerationsverfahren unter Umständen verbrauchsungünstige Betriebszustände des laufenden Motors herbeigeführt werden müssen, um die Partikelfiltertemperatur auf eine Temperatur oberhalb 550° C beziehungsweise auf eine Temperatur oberhalb ca. 450° C bei Verwendung additivierter Kraftstoffe zu bringen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Vorteilhaft ist insbesondere ein über die Naturkonvektion hinaus unterstützender Transport von Luft in den Einlaßbereich des Partikelfilters zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Rußabbrands.

Vorteilhaft ist ferner, das Partikelfilter lediglich im Einlaßbereich zu beheizen. Dies erfordert weniger Energie, als wenn das gesamte Filter aufgeheizt werden muss. Das Heizelement kann in diesem Fall aus metallischen Werkstoffen

gefertigt werden und muss nicht unbedingt aus stromleitender Keramik bestehen. Andererseits muss, falls für das Heizelement auf der Eingangsseite eine stromleitende Keramik als Material verwendet wird, diese stromleitende Keramik nicht gleichzeitig als Rußfilter wirken, sondern erst die nachgeschaltete Filteranordnung. Eine Regelung des Rußabbrands unter Ausnutzung des Effekts der wandernden Brennzone kann durch einen definierten Luftstrom gezielt eingestellt werden, der mittels einer separaten Luftpumpe oder mittels eines elektrisch angetriebenen Abgasturboladers geregelt wird.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Abgassystem, Figur 2 ein Flußdiagramm und Figur 3a bis d vier verschiedene Partikelfilteranordnungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die über eine Leitung 12 mit Luft 11 zur Verbrennung von Kraftstoff versorgt wird. Ein Luftmassenmesser 13 ist an der Leitung 12 angeordnet und mit einem Steuergerät 40 verbunden. Ein Ladeluftkühler 15 kühlt die zugeführte Luft 11 mittels des Fahrtwindes 16. Vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine 10 passiert die Luft 11 eine elektrisch ansteuerbare Klappe 20. Die Abgase der Brennkraftmaschine verlassen über die Abgasleitung 24 die Brennräume. Die Abgasleitung 24 ist über eine Rückführleitung 21 mit der Leitung 12 verbunden. Über ein Abgasrückführungsventil 22, das wie die Drosselklappe 20 vom Steuergerät angesteuert werden kann, wird der Öffnungsquerschnitt der Rückführleitung eingestellt. Ein elektrisch angetriebener Abgasturbolader 25, der die Gasströmungen in der Leitung 12 und in der Abgasleitung 24 miteinander koppelt beziehungsweise antreibt, wird ebenfalls über das Steuergerät 40 betrieben. Hinter dem Abgasturbolader befindet sich eine von der Abgasleitung 24 gespeiste Partikelfilteranordnung 30. Der Ausgang der Partikelfilteranordnung ist mit einem Abgasrohr 31 verbunden, das die gereinigten Abgase 32 über einen (nicht eingezeichneten) Schalldämpfer ins Freie befördert.

Drucksensoren 41 und 42 vor beziehungsweise hinter der Partikelfilteranordnung erlauben dem Steuergerät 40 die Auswertung eines Abgasdifferenzdrucks der Partikelfilteranordnung. Die Partikelfilteranordnung 30 weist Mittel 29 zur Einleitung der Regeneration des Partikelfilters auf, die über das Steuergerät 40 angesteuert werden.

Das Steuergerät 40 regelt die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine 10, überwacht die Luftzufuhr beziehungsweise die Abgasableitung durch Auswertung der Meßdaten des Luftmassenmessers 13 sowie der Drucksensoren 41 und 42. Bei Bedarf kann das Steuergerät das Abgasrückführungsventil 22 öffnen beziehungsweise die Luftzufuhr über die Drosselklappe 20 begrenzen. Auch der Abgasturbolader kann durch einen elektrischen Hilfsmotor zusätzlich die Gaszirkulation antreiben. Durch Auswertung des Differenzwerts der von den Drucksensoren 41 und 42 gemessenen Gasdrücke und des Abgasvolumenstroms wird der Beladungszustand der Partikelfilteranordnung 30 im Betrieb oder bei laufendem Motor geprüft. Überschreitet der Beladungszustand bestimmte Schwellenwerte, so kann ein Regenerationsvorgang sowohl bei laufender als auch bei stehender, d. h. abgeschalteter Brennkraftmaschine

eingeleitet werden, indem die Mittel 29 zur Regeneration aktiviert werden.

Figur 2 stellt mit dem Verfahrensschritt 90 schematisch die Prüfung des Beladungszustands der Partikelfilteranordnung dar. Wird die Brennkraftmaschine nach dieser Prüfung abgeschaltet (Abfrage 92), so wird bei Überschreiten eines ersten Schwellenwerts des Beladungszustands (Abfrage 98) eine Regeneration 100 bei stehendem Motor eingeleitet.

Anschließend wird auch das Steuergerät automatisch ausgeschaltet (Schritt 102). Ist der erste Schwellenwert nicht überschritten, erfolgt ein Ausschalten des Steuergeräts, es wird keine Regeneration eingeleitet. Bleibt die Brennkraftmaschine jedoch nach der Prüfung des Beladungszustands weiterhin eingeschaltet (Pfad N der Abfrage 92), so wird geprüft, ob der Beladungszustand einen zweiten Schwellenwert überschreitet, der größer als der erste Schwellenwert ist (Abfrage 94). Ist dies nicht der Fall, so wird die kontinuierliche Prüfung des Beladungszustands fortgesetzt, andernfalls eine Regeneration 96 bei laufender Brennkraftmaschine durchgeführt und erst anschließend zur laufenden Prüfung des Beladungszustands zurückgekehrt. Bei einem Zweilitermotor liegt der erste Schwellenwert beispielsweise zwischen 5 und 10 Gramm Ruß, der zweite Schwellenwert zwischen 15 und 20 Gramm.

Die Regeneration bei laufender Brennkraftmaschine ist dazu gedacht, auch solche Fälle abzudecken, bei denen eine Regeneration bei stehender Brennkraftmaschine nicht ausreicht, um den durch das Partikelfilter hervorgerufenen Abgasgegendruck auf ein wirtschaftlich vernünftiges Maß zu begrenzen beziehungsweise die Gefahr einer drohenden Überladung des Filters abzuwenden. Dies ist insbesondere bei langen Fahrten von mehreren 100 km der Fall, bei denen das Partikelfilter vollständig beladen wird, ohne dass der Motor

ausgeschaltet wird und damit das Filter bei stehendem Motor regeneriert werden könnte. Die Schwellenwerte sind jedoch derart zu wählen, dass das Partikelfilter so oft wie möglich bei stehendem Motor regeneriert werden kann. Die Regeneration bei stehendem Motor ist energetisch günstiger, da die Regenerationsmittel zur Aktivierung der Regenerationsreaktionen keinen Abgasstrom erhitzen müssen, um das eigentliche Partikelfilter, an dem der Ruß verbrannt wird, zu erwärmen. Der erste Schwellenwert ist kleiner anzusetzen als der zweite Schwellenwert, da dadurch gewährleistet wird, dass auch ab einem gewissen teilbeladenen Zustand das Partikelfilter bei stehendem Motor regeneriert wird.

Figur 3 zeigt vier verschiedene Partikelfilteranordnungen 30, bei denen die Mittel zur Einleitung der Regeneration eine elektrisch betreibbare Heizung aufweisen. Das Partikelfilter ist schematisch dargestellt als Anordnung mit einem Einlaßbereich 50 und einem Auslaßbereich 51, wobei das Filter durch das Abgas entlang der Strömungsrichtung 52 durchströmt wird. Die Struktur symbolisiert also eine Filterzelle des Partikelfilters, die die Gasmoleküle dazu zwingt, eine beispielsweise aus Keramik gefertigte Filterwand zumindest einmal zu durchqueren, damit sich die Rußpartikel an der Filterwand ablagern können. Die Keramik besteht aus einem stromleitenden Material, beispielsweise aus einem unter dem Namen"Ligafill"bekannten Keramikmaterial, so dass über die Elektrodenpaare 53,54 entlang der Strömungsrichtung 52 eine elektrische Heizspannung 55 an das Keramikfilter angeschlossen werden kann.

Die Regeneration bei stehendem Motor wird durchgeführt, wenn unmittelbar vor dem Abstellen des Motors das Filter als hinreichend beladen erkannt wird. Durch Anlegen einer

Spannung wird hierbei das Filter bis auf eine Temperatur erwärmt, die zum Abbrand des Rußes ausreicht. Die Energie hierzu wird von der Bordbatterie geliefert. Hierbei können natürlich Maßnahmen vorgesehen sein, von einer Regeneration bei stehendem Motor abzusehen, falls der Ladezustand der Batterie einen bestimmten kritischen Wert unterschreitet, um ein Starten des Motors insbesondere bei kalten Außentemperaturen sicherzustellen. Durch natürliche Konvektion strömt der für die Rußoxidation erforderliche Sauerstoff durch das Filter. Weist die Brennkraftmaschine mindestens vier Zylinder auf, ist davon auszugehen, dass an einem Zylinder sowohl das Einlaß-als auch das Aulaßventil geöffnet sind, so dass die Sauerstoffzufuhr über die Brennkraftmaschine erfolgen kann. Falls dies nicht ausreicht, kann über das elektrisch ansteuerbare Abgasrückführventil 22 ein Frischluftbypass um den Motor herum geschaffen werden, der eine ausreichende Sauerstoffzufuhr zur Rußoxidation sicherstellt.

Die Anordnung der Figur 3b weist zusätzlich eine Luftpumpe 60 auf, die im auslaßseitigen Bereich des Filters angeordnet ist und über eine Pumpenleitung 62 sowohl mit dem Partikelfilter als auch mit dem Abgasrohr auf der Auslaßseite verbunden ist. Wenn die natürliche Konvektion aufgrund einer besonderen Luftführung nicht ausreicht, saugt hinter dem Partikelfilter die Luftpumpe 60 einen definierten Luftstrom durch das Filter. Die Rückschlagklappe 61 sorgt dafür, dass die Luft nicht rückwärts durch den Schalldämpfer angesaugt wird, sondern vom Motor kommend in das Partikelfilter gelangt.

Die Aufgabe der zusätzlichen Luftzufuhr kann auch vom elektrisch angetriebenen Abgasturbolader übernommen werden, so dass die Luftpumpe 60 in diesem Falle nicht unbedingt erforderlich ist. Falls jedoch lediglich ein mechanisch

angetriebener Abgasturbolader vorliegt, ermöglicht die elektrisch angetriebene Luftpumpe 60 insbesondere bei einer bei stehendem Motor durchzuführenden Regeneration eine ausreichende Luftzufuhr.

Alternativ zur Ausführungsform nach Figur 3b ist bei der Vorgehensweise gemäß Figur 3c statt eines Elektrodenpaares ein Heizelement 70 im Eingangsbereich des Partikelfilters vorgesehen.

Hier wird der Effekt ausgenutzt, dass es genügt, das Filter am vorderen Ende (in Abgas-Strömungsrichtung) auf die Rußabbrandtemperatur zu bringen. Durch die einsetzende exotherme Oxidation des Rußes, die einströmende Luft und infolge der Wärmeleitung frißt sich die Regenerationszone in einer definierten Geschwindigkeit durch das Filter. Mittels des Luftmassenmessers und des Abgasrückführungsventils kann das Entstehen einer stabilen, durchlaufenden Reaktionszone gesteuert werden.

In Figur 3d ist eine Ausführungsvariante mit einem dem Rußfilter vorgeschaltetem Oxidationskatalysator 80 gezeigt.

Der Oxidationskatalysator 80 dient dazu, den mittels der symbolisch dargestellten Kraftstoffzufuhreinrichtung 75 in den Abgastrakt eingeführten Kraftstoff zu oxidieren beziehungsweise zu verbrennen, um die für den Rußabbrand notwendige Temperatur im Partikelfilter zu erreichen. Die katalytische Verbrennung des Kraftstoffs im Oxidationskatalysator wird durch das Einschalten des Heizelements 70 initiiert.