METHOD FOR REGENERATING A SOOT FILTER IN A DIESEL INTERNAL-COMBUSTION ENGINE

Abstract: 1. Method for the systematic burning-off of solid particles (soot) formed and collected in a filter (12) from the exhaust gas stream of a diesel internal combustion engine, such as for example a diesel engine of a machine, in which case a throttle valve (4) provided in the suction pipe (2) for the combustion air is actuated inter alia depending on the counterpressure (PVF) measured in the exhaust gas pipe (11) in front of the filter (12), according to the following system, with the machine stationary ; The counterpressure (PVF) measured during idling of the diesel engine (1) is compared with a given upper limiting pressure (PG1) (step 1). If the counterpressure (PVF) exceeds the upper limiting pressure (PG1), then a first signal (PVF > PG1) is produced, whereupon the diesel engine is run in the upper partial load operation (step 2). During the continued load operation of the diesel engine, the exhaust gas temperature after the filter (TNF) is measured and compared with a given, first temperature value (TG1) (step 3). If the exhaust gas temperature (TNF) exceeds the first temperature value (TG1), then a second signal (TNF > TG1) is produced, whereupon the throttle valve is actuated in a throttling manner (step 4). If the operation of the diesel engine (1) is continued in the upper partial load range, the counterpressure (PVF) is again measured and compared with a given lower limiting pressure (PG2) (step 5). If the counterpressure (PVF) falls short of the lower limiting pressure (PG2), then a third signal (PVF < PG2) is produced, whereupon the throttle valve (4) is again opened and the load on the diesel engine can be removed (step 6).

Description: Verfahren zum Regenerieren von Russfiltern bei Diesel-Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum systematischen Abbrennen von aus dem Abgasstrom einer Diesel-Brennkraftmaschine (Dieselmotor) in einem Filter gebildeten und gesammelten Feststoffteilchen (Russ), wobei eine in der Ansaugleitung für die Verbrennungsluft vorgesehene Drosselklappe in bestimmter Weise betätigt wird. Bei einem bekannten System zum Regenerieren eines Russfilters (EP-Al-103 84) wird eine Drosselklappe in der Ansaugluftleitung derart gesteuert, dass in bestimmten Betriebszuständen durch Schliessen der Drosselklappe und damit verbundener Reduzierung der Luftzufuhr die Abgastemperatur ansteigt mit der Folge, dass in einem in der Abgasleitung vorgesehenen Russfilter die Zündtemperatur des dort abgelagerten Russes erreicht wird. Durch Aufrechterhaltung dieses Zustands während einiger Minuten gelingt es, das Russfilter vollständig zu regenerieren. Voraussetzung dabei ist, dass der Motor während des Regeniervorgangs im oberen Teillastbereich gefahren wird, was bei einem Fahrzeugantrieb entweder eine hohe Geschwindigkeit oder Überwinden einer Steigung bedeutet. Im unteren Teillastbereich des Motors hingegen kann die erforderliche Zündtemperatur im Abgas nur mittels einer zusätzlichen Aufheizvorrichtung erreicht werden. Die Drosselklappenstellung wird bei dem bekannten Regenerierungssystem zwischen zwei Endstellungen gesteuert über einen Mikrocomputer, dessen Eingangssignale folgenden Messgrössen entsprechen: Gaspedal stellung, Motordrehzahl, Abgastemperatur vor dem Russfilter, Temperatur im Inneren des Russfilters. Der Regeneriervorgang kann dabei automatisch oder von Hand initiiert werden. Durch eine variable Steuerung der Drosseklappe unter Berücksichtigung der genannten Messgrössen soll erreicht werden, dass zum Schutz des Russfilters die Filtertemperatur einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet und dass stets ein geringer Sauerstoff- überschuss im Abgas zur Unterdrückung von Rauch während des Abbrennens des im Russfilter angesammelten Russes vorhanden ist. Es ist selbstverständlich, dass für Di esel -PKWs wegen des ständigen Wechsels der Betriebsbedingungen ein derart aufwendiges Regenerierungssystem unerlässlich ist. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Reinigung von Russfiltern bei Dieselmotoren für den Antrieb von Arbeitsmaschinen wie Gabelstaplern od. dgl. zu schaffen, bei deren Normalbetrieb die für den Russabbrand erforderlichen hohen Abgastemperaturen nicht erreicht werden. Der erfindungsgemässe Lösungsvorschlag geht dabei aus von der Erkenntnis, dass derartige Arbeitsmaschinen möglicherweie im Schichtbetrieb gefahren werden, so dass es in der Regel ausreicht, wenn das Russfilter nach jeder Schicht gereinigt wird und dass dabei der Reinigungsvorgang bevorzugt bei stehender Arbeitsmaschine erfolgen kann. Ein derartiges Verfahren zur Regeneration des Russfilters ist in Patentanspruch 1 unter Ziff. 1 bis 6 gekennzeichnet. Gem. Ziff. 1 wird im Leerlaufbetrieb also bei einer Drehzahl von beispielsweise 800 U/min, der Gegendruck PVF des beladenen Russfilters gemessen und mit einem oberen Grenzdruck PG1, z.B. von 80 mbar verglichen. Wird dieser Druck überschritten, so ist das Russfilter beladen, d.h. Regeneration erforderlich. Die Leerlaufbedingungen erlauben auf einfache Weise das Erreichen einer definierten Ausgangsposition. Gem. Zirt. 2 wird für PVF) PGl ein erstes Signal erzeugt, worauf der Dieselmotor im oberen Teillastbereich, d.h. nahe Vollast gefahren wird, z.B. gegen die Fahrzeugbremse oder die Fahrzeughydraulik, wobei die Hydraulikpumpe gegen einen Widerstand arbeitet. Dies hat gem. Ziff. 3 zum Ergebnis, dass die Abgastemperatur ansteigt, bis sie einen vorgegenbenen ersten Temperaturwert TG1 überschreitet. Dieser Vergleich kann erfolgen entweder durch Messen der Temperatur TNF nach dem Filter, wobei der zum Vergleich herangezogene Temperaturwert TG1 etwa 450 "C beträgt, oder durch Vergleich von Temperaturdifferenzen, in dem man die Temperaturdifferenz aus Messungen vor und nach dem Russfilter TVF - TNF ermittelt. Diese bei hoher Teillast des Dieselmotors mit ansteigender Abgastemperatur (nach Filter) Tlt'F bei Vollast des Dieselmotors abnehmende Temperaturdifferenz wird dann verglichen mit einem Temperaturwert, welcher einer vorgegebenen ersten Temperaturdifferenz DTl, z.B. in der Grössenordnung von 90"C entspricht. Ist die Differenz der gemessenen Abgastemperaturen TVF - TNV < DT1, so wird gem. Ziff. 4 ein zweites Signal erzeugt als Voraussetzung dafür, dass jetzt die Drosselklappe gegen einen Anschlag geschlossen wird. Durch den Anschlag wird eine bestimmte Drosselklappenstellung bei entsprechender Querschnittsverengung bzw. Durchsatzreduzierung definiert. Anstelle eines festen Anschlags kann diese Drosselklappenstellung (Drosselklappe geschlossen) auch variabel gesteuert werden, bevorzugt so, dass bei fortgesetztem Betrieb im oberen Teillastbereich (z.B. Vollgas bei vorgegebener Belastung) die Temperatur TVF vor dem Filter eine vorgegebene obere Grenztemperatur zum Schutze des Russfilters nicht überschreitet. Gem. Ziff. 5 ist also wesentlich, dass die Belastung des Dieselmotors im oberen Teillastbereich aufrechterhalten wird; durch die Drosselung der Luftzufuhr, also bei höheren Treibstoffanteil ergibt sich ein erneuter starker Temperaturanstieg im Russfilter, mit welchem die Russverbrennung eingeleitet wird. Gem. Ziff. 5 wird dieser Zustand solange aufrechterhalten bis der Gegendruck PVF des Russfilters gem. Ziff. 6 einen unteren Grenzdruck PG2 unterschreitet, dessen Wert z.B. bei 100 - 150 mbar liegt. Ist dies der Fall, so ist das Russfilter von Russ befreit, mit dem Ergebnis, dass ein drittes Signal erzeugt wird, worauf die Drosselklappe wieder geoffnet und der Dieselmotor entlastet wird. Um zu vermeiden dass in dieser Phase, also kurz nach Beendigung der Regeneration das Russfilter überhitzt wird, ist zweckmässigerweise vorgesehen, den entlasteten Motor noch solange auf Vollgas zu fahren, bis die Abgastemperatur nach dem Filter TNF in Folge des hohen Luftanteils unter einen vorgegebenen zweiten Temperaturwert TG2 von z.B. 670" C absinkt. Erst dann wird ein viertes und letztes Signal erzeugt, welches das Ende der Regeneration anzeigt, d.h. der Dieselmotor kann bei entladenem Russfilter wieder im Normalbetrieb gefahren werden. Zur Sicherung des Russfilters gegen Überhitzen infolge Sauerstoffzutritts bei Ende der Regeneration kann als weitere Massnahme vor Erzeugung des dritten Signals (Entdrosseln) noch ein Temperaturvergleich vorgesehen sein nach der Beziehung TNF - TVF & DT2; letztere ist eine vorgegebene zweite Temperaturdifferenz, in der Grössenordnung von z.B. 50"C. Erst wenn dieser Wert erreicht bzw. unterschritten ist, ist der Russ weitgehend verbrannt, d.h. die Temperatur TNF nach dem Filter ist deutlich gesunken und die erhöhte Luftzufuhr beim Entdrosseln kann dem Russfilter nicht mehr schaden. Anstelle der vier Signale eines Steuersystems zur automatischen Regeneration können entsprechende Anzeigevorrichtungen, bevorzugt Signallämpchen betätigt werden, die dem Fahrer ein Auslösen des jeweils nächsten Verfahrensschritts auch von Hand ermöglichen. Dabei genügen zwei Lämpchen, welche durch die ersten beiden Signale in Leuchtzustand versetzt und durch das dritte und vierte Signal wieder gelöscht werden. Am erfindungsgemässen Verfahren ist besonders wesentlich die zweistufige Systemsteuerung, wobei in der ersten Stufe ein erster Temperaturanstieg bis zu einer Temperatur TVF vor Filter von z.B. 480"C unter Last bei offener Drosselklappe und ein zweiter Temperaturanstieg bis zu einer Temperatur TVF vor Filter von z.B. 660"C- durch Aufrechterhaltung des Lastbetriebs bei geschlossener Drosselklappe erzeugt wird. Ohne eine derartige Stufenregelung würde die Temperatur im Russfilter zu schnell und zu hoch ansteigen mit der Gefahr dass das Russfilter dabei zerstört wird. Bei der erfindungsgemässen zweistufigen Regeneration findet während des 1. Stufe noch kein Russabbrand statt; das Russfilter wird lediglich aufgeheizt, so dass während der 2. Stufe ein besonders gleichmässiger Abbrand des Russes erzielt wird. Hier ist besonders bemerkenswert die überraschend niedrige Temperaturspitze - die Temperatur TNF nach Filter steigt nur auf z.B. 800"C an - während bei einstufiger Regeneration (Drosselklappe von Anfang an geschlossen) Temperaturspitzen von über 1l000C die Regel sind. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird daher das Russfilter geschont, d.h. eine hohe Lebensdauer erzielt. Weitere Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind eine hohe Beladung des Russfilters, d.h. einer langen Zeitspanne zwischen zwei Regenerationsvorgängen sowie ein besonders hoher Regenerationsgrad. Versuche mit einem Gabelstapler haben Regenerationsintervalle von bis zu 25 Betriebsstunden ergeben; dies bedeutet bei etwa 5 Betriebsstunden pro Tag eine einzige Regeneration pro Woche, also einen unerwartet niedrigen Wartungsaufwand. Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Diesel motors mit Russfilter und Steuergerät Fig. 2 ein Flussdiagramm für die Funktion des Steuergeräts und Fig. 3 eine qualitative Darstellung verschiedener Temperatur- und Druckverläufe über der Regenerationszeit. Gem. Fig. 1 ist ein Dieselmotor 1 über eine Ansaugleitung 2 mit einem Luftfilter 3 verbunden. In der Ansaugleitung 2 befindet sich eine Drosselklappe 4 welche entweder automatisch über ein Steuergerät 5 oder manuell über eine Betätigungseinrichtung 6, z.B. vom Fahrer eines (nicht dargestellten) Arbeitsfahrzeugs, z.B. eines Gabelstablers, betätigbar ist. Dementsprechend ist das Steuergerät 5 eingangsseitig verbunden mit den verschiedenen Messgrössen, nämlich einem Signaleingang 7 für die Motorlast, z.B. analog der Gaspedalstellung, ferner einem Signaleingang 8 für die Motordrehzahl n, einem weiteren Signaleingang 9 für den Druck p in der Abgasleitung 11 vor dem darin eingeschalteten Russfilter 12 und schliesslich einem Signaleingang 10 für die Temperatur T des Abgasstroms vor dem Russfilter 12 Die Ausgänge des Steuergeräts 5 umfassen eine erste (wahlweise) Signal leitung- 13 zur Drosselklappe 4 und zwei weitere Signalleitungen 14, 15 zu den Kontrollampen L1 und L2. Um die für die Regeneration des Russfilters 12 erforderliche Abgastemperatur von mindestens 450"C im Russfilter zu erreichen, wird während des Lastbetriebs des Dieselmotors die Drosselklappe 4 in der Ansaugleitung geschlossen entweder gesteuert über das Steuergerät 5 oder über eine manuelle Betätigungsvorrichtung 6. Bei manueller Betätigung orientiert sich der Fahrer an den Lichtsignalen der beiden Kontrollampen L1 und L2. Das Steuergerät 5 funktioniert in der Weise dass über einen Druckgeber vor dem Russfilter 12 der Beladungszustand des Russfilters ermittelt und mit einem vorgegebenen oberen Grenzdruck verglichen wird, nach der Beziehung PVF > PG1. Dieser Druckvergleich erfolgt im Leerlauf des Dieselmotors, d.h. n = 800 U/min bzw. der Reglerstangenweg der Einspritzpumpe s=O. Wenn der Gegendruck PVF grösser als der obere Grenzdruck PG1 ist, dann wird eine Kontrollampe L1 "Russfilter beladen geschaltet (erstes Signal). Danach wird der Motor vom Fahrer gegen die Fahrzeugbremse bzw. die Fahrzeughydraulik belastet und unter hoher Last bei Vollgas gefahren, um die Temperatur in der Abgasleitung 11 anzuheben. Erst wenn die dort nach dem Russfilter 12 gemessene Temperatur TNF einen ersten vorgegebenen Grenzwert TGl überschreitet wird die Kontrollampe L2. Drosseln" geschaltet (zweites Signal). Erst jetzt wird die Drosselklappe 4 geschlossen, wobei sie in der Schliessstellung gegen einen (nicht gezeichneten) Anschlag anliegt. Der Dieselmotor 1 wird jetzt solange weiter unter Vollgas bei hoher Belastung gefahren bis im Russfilter 12 die Regeneration einsetzt, während welcher der darin gesammelte Russ abbrennt. Die Regeneration wird bei hoher Last und geschlossener Drosselklappe 4 solange fortgesetzt bis der Filtergegendruck PVF unter einen vorgegebenen unteren Grenzdruck PG2 absinkt, welcher für das gereinigte Russfilter charakteristisch ist. Wenn dieser Fall eintritt erlöschen beide Kontrollampen Ll, L2. Der Motor läuft lastlos im Leerlaufbetrieb weiter. Zu diesen Funktionsablauf sind verschiedene Varianten denkbar z.b. kann der oben erläuterte Temperaturvergleich TNFTGl ersetzt werden durch einen Vergleich von Temperaturdifferenzen, indem die Temperaturen vor und nach dem Russfilter 12 gemessen werden und nach der Beziehung TVF - TNF < DTl miteinander verglichen werden, wobei DTl eine vorgegebene erste Temperaturdifferenz ist. Erst wenn diese Bedingung erfüllt ist leuchtet die Kontrollampe L2 auf. Schliesslich kann der Erlöschen der beide Kontrollampen L1,L2 unabhängig voneinander gesteuert werden, und zwar jeweils erst nach einem vorangehenden Temperaturvergleich. Vor dem Erlöschen der Kontrollampe L2 für "Drosseln" erfolgt zweckmässig ein Temperatur- vergleich nach der Beziehung TNF - TVF zC DT2, wobei DT2 eine vorgegebene zwei- te Temperaturdifferenz ist. Nach dem Erlöschen der Kontrollampe L2 (drittes Signal) läuft der Motor lastlos bei Vollgas weiter. Das Erlöschen der Kontrollampe L1 für das Ende der Regeneration kann abhängig gemacht werden von einem Temperaturvergleich nach der Beziehung TNF C TG2, wobei TG2 ein zweiter vorgegebener Temperaturwert ist. Nach dem Erlöschen der Kontrollampe L1 (viertes Signal) wird der Motor auf Leerlaufbetrieb geschaltet. Das in Fig. 2 dargestellte Flussdiagramm erläutert die Funk tionsweise des Steuergeräts. Notwendige oder nur falkultative Verfahrensschritte sind dort durch Angabe der Merkmale gem. dem Patentansprüchen angegeben. Anstelle des Merkmals 1.3. gem. Hauptanspuch ist dort das fakultative Merkmal gem. Anspruch 2 angegeben. Weitere fakultative Merkmale betreffen die Unteranpruche 3,4 und 5. Die in Fig. 3 dargestellten Kurvenverläufe TVF, TNF, PVF über die Regenerationszeit zeigen deutlich die zwei- stufige Verfahrenssteuerung. Innerhalb der Stufe I wird der Motor ohne Drossel betätigung aber unter hoher Teillast gefahren; dabei steigt die Temperatur nach dem Russfilter TNF auf ein Niveau von etwa 450 "C an. Nach Be- tätigung der Drossel, nämlich im Bereich der Stufe II steigt die Temperatur vor Filter TVF steil an, etwa auf 650 "C. Auf diesem Temperaturniveau spielt sich dann das Abbrennen des im Russfilter angesammelten Russes ab. Während dieses zweistufigen Vorgangs steigt die Temperatur nach dem Russfilter TNF nahezu stetig an und erreicht im Bereich der zweiten Stufe II ein kurzzeitiges Maximum bei etwa 850 "C (vgl. strichlierten Kurvenverlauf). Nach Erreichen der Druckuntergrenze PG2 wird die Drosselklappe wieder geöffnet und es kommt danach zu einem raschen Absinken der Temperaturen vor und nach dem Filter. Hier ist zu beachten, dass der TNF-Wert qualitativ etwa gleich verläuft mit der (nicht gemessenen) Temperatur im Inneren des Russfilters . Würde man schon zu Beginn der Stufe I den Motor unter hoher Teillast bei geschlossener Drossel fahren so würden sich die strichpunktierten Temperaturverläufe (TVF) und (TNF) einstellen. Die Temperatur vor dem Filter (TVF) würde dabei zwar erheblich rascher auf ein Niveau ansteigen, welches der Zündungstemperatur des Russes entspricht; gleichzeitig würde aber die Temperatur im Filter, wie sich aus dem Kurvenverlauf (TNF) ergibt, sehr rasch auf einen Wert über 1100 C ansteigen, was die Zerstörung des Filters zur Folge hätte. Fig. 3 zeigt somit anschaulich die wesentliche Wirkung des zweistufigen Regenerationsverfahrens, wie es haer für Arbeitsmaschinen, bei denen die Regeneration im Stand ablaufen kann, vorgeschlagen wird.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum systematischen Abbrennen von aus dem Abgasstrom einer Diesel-Brennkraftmaschine (Diesel motor) in einem Filter (12) gebildeten und gesam melten Feststoffteilchen (Russ), wobei eine in der Ansaugleitung (2) für die Verbrennungsluft vorge sehene Drosselklappe (4) nach dem folgenden System betätigt wird: 1.1. Im Leerlaufbetrieb des Dieselmotors (1) wird der Gegendruck (PVF) in der Abgasleitung (all) vor dem Filter (12) gemessen und mit einem vorgege benen oberen Grenzdruck (PGl) verglichen. 1.2. Übersteigt der Gegendruck (PVF) den oberen Grenz druck (PG1), so wird ein erstes Signal erzeugt, worauf der Dieselmotor im oberen Teillastbetrieb gefahren wird. 1.3. Während des fortgesetzten Lastbetriebs des Die selmotors wird die Abgastemperatur (TNF) gemessen und mit einem vorgegebenen ersten Temperaturwert (TGl) verglichen, nach der Beziehung TNF > TGl. 1.4. Übersteigt die Abgastemperatur den ersten Tem peraturwert so wird ein zweites Signal erzeugt, worauf die Drosselklappe betätigt wird. 1.5. Bei weiter aufrechterhaltenem Betrieb des Diesel motors (1) im oberen Teillastbereich wird erneut der Gegendruck (PVF) gemessen und mit einem vor gegebenen unteren Grenzdruck (PG2) verglichen. 1.6. Unterschreitet der Gegendruck (PVF) den unteren Grenzdruck (PG2), so wird ein drittes Signal er zeugt, worauf die Drosselklappe (4) wieder ge öffnet und der Dieselmotor entlastet wird. 2. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend dessen Ziff. 1.3 die Abgastempara tur als Differenz der Abgastemperaturen vor dem Filter (TVF) und nach dem Filter (TNF) ermittelt und mit einem Temperaturwert in Form einer vorgege benen ersten Temperaturdifferenz (DT1) verglichen wird, nach der Beziehung TVF " TNF < DTI 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gem. Anspruch 1 Ziffer 1.6 das dritte Signal erst unter der weiteren Bedingung erzeugt wird, dass die Differenz der Abgastemperaturen (TNF - TVF) kleiner ist als eine vorgegebene zweite Temperatur differenz (DT2}. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gern Anspruch 1, Ziff. 1.6 der entlastete Die selmotor (1) noch solange auf Vollgas gefahren wird, bis die Abgastemperatur nach dem Filter (TNF) unter einen vorgegebenen zweiten Temperaturwert (TG2) absinkt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Unterschreiten des zweiten Temperatur werts (TG2) ein viertes Signal erzeugt wird, worauf der Dieselmotor (1) wieder im Normalbetrieb gefahren wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Signale jeweils eine Anzeige vorrichtung (Ll,L2) betätigen, die ein Auslösen des jeweils nächsten Verfahrensschritts auch von -Hand ermöglichen.

Inventors: KUGLAND, PETER, DIPL.-ING., SANTIAGO, ENRIQUE, ULLMER, ALOIS, DIPL.-ING.
Applicants: ZEUNA-STARKER GMBH & CO KG
Application year: 1986
Main classification: F02D41
IPC codes: F02D41, F01N3, F01N9, F02B3