Beschreibung

Titel

Regeneration eines Partikelfilters durch Nacheinspritzung in Intervallen

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff in einen Brennraum eingespritzt wird, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei der Kraftstoff zumindest in einer Haupteinspritzung und einer Nacheinspritzung eingespritzt wird.

In einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Dieselmotor, ist abgasseitig ein Partikelfilter vorgesehen. Die thermische Regeneration des Partikelfilters erfordert Abgastemperaturen größer etwa 600°C. Werden diese Temperaturen nicht durch den normalen Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht, so wird gezielt die Kraftstoff- bzw. Luftzufuhr beeinflusst. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Spätverschiebung der Haupteinspritzung, eine Drosselung der Ansaugluft oder durch gezielte Nacheinspritzung. Bei Betriebszuständen der Brennkraftmaschine in niederen Drehzahlbereichen werden zur Abgastemperaturerhöhung sämtliche Maßnahmen zugleich eingesetzt. Durch eine späte Nacheinspritzung am Ende des Verbrennungsprozesses gelangt Kraftstoff an die kalte Zylinderwand und wird über das Kolbenring- Paket in die ölwan- ne abgestreift, so dass daraus eine Verdünnung des Schmieröls durch Kraftstoff resultiert.

Aus der DE 10 2004 033414 ist bekannt zur überwachung einer möglichen Schmierölverdünnung den ölstand zu messen und bei überschreiten eines Schwellenwertes ein Warnsignal abzugeben.

Probleme des Standes der Technik

Im Stand der Technik wird die Schmierölverdünnung als solche weder verhindert noch vermindert. Bei deren Auftreten wird lediglich die Regeneration des Partikelfilters unterbrochen oder eine Warnung an den Fahrer abgegeben, der manuell für einen Eingriff z.B. in einer Fachwerkstatt sorgen muss.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Partikelfilterregeneration einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, wobei bei Betrieb der Brennkraftmaschine in niedrigen Drehzahlbereichen eine wirksame thermische Partikelfilterregeneration bei möglichst geringer Verdünnung des Schmieröls ermöglicht wird.

Vorteile der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff in einen Brennraum eingespritzt wird, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei der Kraftstoff zumindest in einer Haupteinspritzung und einer Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei die Nacheinspritzung in Intervallen erfolgt.

Bei der Nacheinspritzung mit Hochdruck wird durch den hohen Strahlimpuls ein lokales Strömungsfeld um den Einspritzstrahl herum erzeugt. Die Größe des Strömungsfeldes steigt mit der Höhe des Drucks des Kraftstoffs vor dem Einspritzventil, dem so genannten Raildruck, und der Länge der Einspritzdauer. Bei einer üblichen Nachein- spritzmenge, beispielsweise im Bereich von etwa 5 mg bis etwa 10 mg, wird ein solches Strömungsfeld erzeugt. Der Einspritzstrahl stößt im Wesentlichen unverdampft tief in den Brennraum ein und gelangt an die kalte Zylinderwand. Durch die getaktete Nacheinspritzung ist es nun möglich, kleinere Mengen Kraftstoff in Intervallen einzuspritzen. Ein sehr schnelles öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils gewährleistet eine düsennahe Gemischbildung bereits nach dem Austritt des Kraftstoffs. Die vielfache Einspritzung kleinster Mengen bedingt eine starke Verteilung des Kraftstoffs, so dass dieser nicht die Zylinderwand erreicht und nicht an dieser abgeschieden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedingt daher eine hochpräzise Einspritzventilsteuerung. Aufgrund der hohen Präzision der Ventilsteuerung kann eine feine Abgastemperaturregelung erfolgen, welche zur präzisen thermischen Regeneration des Partikelfilters von Vorteil ist.

Insbesondere bei in Kraftwagen betriebenen Dieselmotoren hat die thermisch forcierte Regeneration des Partikelfilters bei vorwiegend innerstädtischer Bewegung durch die erforderliche Menge der spät eingespritzten Nacheinspritzung allgemein die Verdünnung des Schmieröls durch den Kraftstoff zur Folge. Nach heutigen Vorgaben sind zwar bis zu 8 % Dieselkraftstoff im Schmieröl zulässig, dennoch bewirkt ein derart hoher Anteil an Dieselkraftstoff einen Viskositätsabfall und eine Verschlechterung der tri- bologischen Eigenschaften des Schmieröls. Bei Erreichen eines hohen ölverdün- nungsgrads ist das Motoröl entsprechend frühzeitig zu wechseln, wodurch das ölwechselintervall verkürzt wird und somit zusätzliche Kosten anfallen.

Zweckmäßig ist eine Ausgestaltung des Verfahrens dahingehend, dass die Brennkraftmaschine mindestens ein Einspritzventil umfasst, dessen öffnungsgeschwindigkeit veränderbar ist.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Schließgeschwindigkeit des Einspritzventils veränderbar ist. Ein vergleichsweise schnelles, d.h. schlagartiges öffnen des Einspritzventils verringert die Dauer der schlecht aufbereiteten Gemischbildung infolge des geringen effektiven Drucks durch ein langsames Durchfahren der Sitzdrosselung des Einspritznadelventils. Erst bei hohem Effektivdruck erfolgt eine lokal um die Düse herum entwickelte Gemischbildung. Durch Variation der öffnungs- /Schließgeschwindigkeiten in jedem Intervall kann auf die Gemischbildung und das Fortschreiten des im Wesentlichen unverteilten eingespritzten Kraftstoffs Einfluss genommen und somit die Abgastemperatur präzise gesteuert werden.

Besonders vorteilhaft ist daher ein Verfahren, worin die Intervalle der getakteten Nacheinspritzung unterschiedliche Längen aufweisen.

Durch ein Verfahren mit getakteter Nacheinspritzung wird vorzugsweise in einem Intervall weniger als 5 mg, besonders bevorzugt weniger als 3 mg, ganz besonders be-

vorzugt weniger als 1 mg Kraftstoff eingespritzt. Je geringer die Einspritzmenge eines Intervalls ist, desto präziser erfolgt die Gemischbildung und desto feiner wird die gewünschte Abgastemperatur reguliert.

Eine besonders präzise Steuerung kann mittels eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor realisiert werden. Der piezoelektrische Aktor ist über eine an dem Aktor angelegte elektrische Spannung längenveränderlich ausgebildet. Durch die hohen öffnungs-/Schließ-Geschwindigkeiten des Einspritzventils mit hoher Präzision sind Kleinstmengeninjektionen der Nacheinspritzung möglich. Vorteilhaft ist es, wenn der Aktor über ein Koppelelement mit einer Ventilnadel verbunden ist.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff in einen Brennraum eingespritzt wird, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei der Kraftstoff zumindest in einer Haupteinspritzung und einer Nacheinspritzung eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung in Intervallen erfolgt. Das Einspritzventil umfasst vorteilhaft einen piezoelektrischen Aktor, der vorzugsweise über ein Koppelelement mit einer Ventilnadel verbunden.

Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 allgemein eine Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 schematisch allgemein das Prinzip der Abgastemperaturregelung in einer Brennkraftmaschine;

Fig. 3 ein Einspritzventil mit piezoelektrischem Aktor;

Fig. 4 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 a, b, c Einspritzmuster zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 1 zeigt eine grobe Skizze einer Brennkraftmaschine 1, insbesondere eine Dieselkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Ansaugkanal 2 und einem Abgaskanal 3, wobei der Ansaugkanal 2 und der Abgaskanal 3 über eine Abgasrückführung 4 miteinander verbunden sind. Ein Heißfilmluftmassensensor 9 misst die angesaugte Luftmasse. Die Brennkraftmaschine umfasst hier nicht dargestellte Kolben, die in Zylindern angeordnet sind und mit diesen Brennräume bilden, wobei die Kolben mittels Pleueln mit einer Kurbelwelle verbunden sind. In dem Abgaskanal 3 sind nacheinander zunächst ein Oxidationskatalysator 5 und danach ein Partikelfilter 6 angeordnet. Ein Turbolader 7 nutzt die Abgasenthalpie (Turbine) zum Antrieb eines Verdichters, der Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft in die Zylinder drückt.

Zur thermisch forcierten Regeneration des Partikelfilters 6 wird die Abgastemperatur i. d. R. erhöht. Nur im Hochleistungsbetrieb des Dieselmotors werden genügend warme Abgase erzeugt um Regenerationstemperaturen im Bereich von etwa 600°C bis etwa 650°C bereitzustellen. Bei niederen Drehzahlen ist die Abgastemperatur am Partikelfilter 6 zu niedrig. Um die Abgastemperatur beispielsweise im innerstädtischen Betrieb des Kraftfahrzeugs in den Regenerationsbereich des Partikelfilters 6 zu heben, werden verschiedene innermotorische Maßnahmen ergriffen.

In Fig. 2 ist das Prinzip des Abgastemperaturreglers dargestellt. Allgemein wird die Abgastemperatur über verschiedene Parameterveränderungen im Betrieb bei niederen Drehzahlen beeinflusst. Eine Spätverschiebung der Haupteinspritzung ist eine der Maßnahmen. Zusätzlich kann die Ansaugluft gedrosselt werden. Schließlich kann eine Nacheinspritzung des Kraftstoffs erfolgen, deren Umsetzung letztendlich die gewünschte hohe Abgastemperatur erreichen lässt.

Dazu misst jeweils ein Fühler die Abgastemperatur vor dem Oxidationskatalysator tθ- xiPre und dem Partikelfilter tPre. über einen Abgleich der Messtemperaturen tOxiPre und tPre mit den jeweilig gewünschten Temperaturen tOxiPreDes und tPreDes wird mittels jeweils einem proportional integrierten Regler PI die Spätverschiebung der Haupteinspritzung, die Drosselung der Ansaugluft am Drosselventil und die Nacheinspritzung beeinflusst. Die Menge der Nacheinspritzung sowie die Intervalllänge und das Intervallvolumen wie auch die Dauer der Sitzdrosselphasen an Anfang und Ende

eines jeden Intervalls wird entsprechend den Parametern angepasst. Bei niederen Drehzahlen ist einerseits zur Regeneration des Partikelfilters die Abgastemperatur zu erhöhen, andererseits sollte so wenig wie möglich nacheingespritzter Kraftstoff an die Zylinderwand gelangen. Mittels der getakteten Nacheinspritzung wird über die Variation der Intervalllänge, des Intervallvolumens und die Dauer der Sitzdrosselphasen an Anfang und Ende eines jeden Intervalls eine hohe Abgastemperatur bei gleichzeitiger äußerst geringer Schmierölverdünnung dargestellt. Sehr kurze Sitzdrosselphasen bewirken dabei eine bereits am Anfang und Ende des Intervalls gute Gemischbildung nahe der Einspritzdüse.

In Fig. 3 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs dargestellt, die ein Steuergerät 10 und ein Einspritzventil 11 aufweist. Das Einspritzventil 11 ist mit einem piezoelektrischen Aktor versehen, der von dem Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiterhin weist das Einspritzventil 11 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils 11 aufsitzen kann.

Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, so ist das Einspritzventil 11 geöffnet, und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, so ist das Einspritzventil 11 geschlossen. Der übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mit Hilfe des Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine elektrische Spannung, die Aktorspannung, an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenausdehnung des Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils 11 genutzt wird.

Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. In einem ersten Schritt startet das Verfahren 110. In einem weiteren Schritt erfolgt die Haupteinspritzung HE 120 und damit gelangt die Hauptmenge des Kraftstoffes in den Zylinder. Bei niederen Drehzahlen der Brennkraftmaschine folgt ein weiterer Schritt, eine Nacheinspritzung NE 130 einer geringeren Menge Kraftstoffs, um die Abgastemperatur zur thermischen Regeneration des Partikelfilters zu erhöhen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Nacheinspritzung in mehreren Intervallen, nämlich im vorliegend dargestellten Verfahren beispielhaft in drei Intervallen 131, 132, 133. Abschließend wird der Zyklus in einem Schritt 140 beendet, um für einen weiteren Durchlauf bereit zu stehen.

In den Figuren 5 a, 5 b und 5 c sind drei unterschiedliche mögliche Ablaufdiagramme bei Einspritzung mit direkter Nadelsteuerung (CRI3.3i) dargestellt. Darin ist jeweils die eingespritzte Kraftstoffmenge gegen die Zeit aufgetragen, wobei die Haupteinspritzung mit HE und die Nacheinspritzung mit NE bezeichnet sind. Die vorliegenden Einspritz- pattern zeigen eine weit abgesetzte Nacheinspritzung. Durch die Verwendung beispielsweise von den in Fig. 3 dargestellten Einspritzventilen mit einem piezoelektrischen Aktor werden sehr kurze Sitzdrossel phasen erreicht, die eine sehr große Steigung am Anfang und Ende eines Intervalls zeigen und eine gute Gemischbildung nahe der Einspritzdüse bewirken. Die Vorgabe der zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Intervallen wie auch der Intervalllänge dient dazu, die späte Nacheinspritzung des Kraftstoffes präzise zu dirigieren, so dass im Wesentlichen kein Kraftstoff an die Zylinderwand gelangt.