PROCESS AND DEVICE FOR REGENERATING A DIESEL SOOT FILTER

Abstract: 1. A process for regenerating a diesel soot filter disposed in the exhaust duct of a diesel engine, the exhaust gas being compressed in that section of the exhaust duct which contains the diesel soot filter (10), by controlled throttling of the exhaust duct, the compression being effected to a degree such that the regeneration temperature limit is reached or exceeded, characterised in that the throttling is effected upstream of the diesel soot filter (10) and in that the amount of fuel allocated to the diesel engine is reduced during the throttling.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrussfilters Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrussfilters, das in den Auslasskanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei das Abgas in demjenigen Abschnitt des Auslasskanales, welcher das Dieselrussfilter enthält, durch gesteuertes Drosseln des Auslasskanals in einem solchen Masse verdichtet wird, das die Regenerierungstemperatur-grenze erreicht oder überschritten wird. Es sind Dieselrussfilter mit poröser Wand insbesondere aus Keramikwerkstoff in Monolithbauweise zur Filtrierung der im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Feststoffe, wie Russ, entwickelt worden. Bei Temperaturen zwischen 5000 C und 6000 C wird der im Dieselrussfilter abgeschiedene Russ in Anwesenheit von im Abgas enthaltenem Restsauerstoff gezündet und verbrannt. Das Dieselrussfilter wird dadurch regeneriert. Damit diese Regenerierung stattfinden kann, muss eine Temperatur in dem genannten Bereich im Dieselrussfilter herrschen, die oberhalb der unteren Temperaturgrenze des erwähnten Regenierungstemperaturbereiches liegt. Bei Stadtfahrten (z. B. Europa-Fahrzyklus ECE-15) von Diesel-PKW, -LKW oder -Omnibussen wird der Motor überwiegend im Teillastbereich betrieben. Dabei bleibt die Temperatur im Auslasskanal unterhalb der Regenerierungstemperaturgrenze, so dass der abgeschiedene Russ nicht verbrannt und das Dieselrussfilter nicht regeneriert wird. Es ist bekannt, die Regenerierungstemperatur abzusenken, z. B. durch Imprägnieren der porösen Filterwand des Dieselrussfilters mit Metall oder Metalloxiden, welche eine katalytische Wirkung aufweisen, oder durch Zusätze von Metallverbindungen im Kraftstoff (Bleiäthyl, Manganoxyd usw.). Solche Zusätze können aber zu Umweltbelastungen führen. Es ist auch schon bekannt, die Abgastemperatur zu erhöhen, z. B. durch Drosseln der Ansaugluft des Motors. Dies führt jedoch nicht zu der erforderlichen Regenerierungstemperatur. Eine andere bekannte Massnahme besteht darin, das Dieselrussfilter möglichst nahe am Auslassventil im Auslasskanal anzuordnen, weil dort die Temperaturen hoch sind. Diese Lösung führt aber ebenfalls nicht zu genügend hohen Temperaturen im Dieselrussfilter und begegnet im übrigen wegen der beschränkten Platzverhältnisse im Motorraum eines Fahrzeuges Einbauschwierigkeiten. Ferner hat man zur Regenerierung des Russfilters einen Brenner in den Auslasskanal vor dem Russfilter eingebaut. Mit einem Brenner werden zwar ausreichend hohe Temperaturen erreicht, doch werden die Temperaturen hierbei so hoch, dass das Dieselrussfilter leicht beschädigt oder zerstört werden kann. Ausserdem müssen solche Brenner entgegen dem Druck im Auslasskanal arbeiten, was bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist vorgeschlagen worden, in den Auslasskanal stromabwärts vom Russfilter eine den Abströmweg der Abgase absperrende Klappe vorzusehen, die auch abhängig vom Differenzdruck der Drücke im Auslasskanal stromaufwärts und stromabwärts vom Russfilter gesteuert werden kann (DE-OS 29 30 969), JA-OS 57-65 811). Bei Drosselbetrieb wird der Liefergrad der Brennkraftmaschine drastisch reduziert. Folglich wird der Brennkraftmaschine mehr Kraftstoff zugeführt als verbrannt werden kann. Der Kraftstoffüberschuss wird in Russ umgewandelt, der in einer solchen Menge anfällt, dass das Filter zu stark mit Russ beladen wird. Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass im Russfilter eine obere Grenztemperatur, die in der Praxis bei 650" C liegen kann, nicht überschritten werden darf. Diese Grenztemperatur verlagert sich zu tieferen Temperaturen, wenn die Russbeladung des Filters höher wird. Bei Uberschreiten der oberen Grenztemperatur kann lokales Schmelzen und damit eine Zerstörung des Filters bedingt durch die Zündung und Verbrennung des abgelagerten Russes die Folge sein. Dieses Problem lässt sich auch mit dem zuletzt genannten bekannten Verfahren nicht beheben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die eine rechtzeitige und ausreichende Regenerierung des Russfilters ohne Gefahr von dessen vorzeitiger Zerstörung aufgrund lokalen Schmelzens des Filtermaterials ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art gemäss der Erfindung vorgesehen, dass während der Drosselung die dem Dieselmotor zugemessene Kraftstoffmenge reduziert wird. Vorzugsweise wird die Kraftstoffmenge gesteuert in Abhängigkeit vom Druck in dem Auslasskanal reduziert. Mit aufgrund der Drosselung zunehmendem Druck im Auslasskanal wird entsprechend weniger Kraftstoff zugemessen, so dass die Gefahr der übermässigen Russbildung bei Vollastbetrieb des Motors vermieden wird. Gleichwohl lässt sich eine ausreichende und regelmässige Regenerierung des Russfilters durch Erhöhen des Druckes in dem Auslasskanal erzielen. Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn die Drosselung selbsttätig in Abhängigkeit vom Druck im Auslasskanal, insbesondere stromaufwärts vom Dieselrussfilter, gesteuert wird, weil bei Drosselung des Abgasstromes vor dem Dieselrussfilter dieser im Bereich kleineren Druckes und damit geringerer Beanspruchung im Betrieb liegt. Eine Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselrussfilters, das in den Auslasskanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei eine Drosseleinrichtung in den Auslasskanal eingebaut ist, kennzeichnet sich erfindungsgemäss durch eine Steuervorrichtung zum Beeinflussen der dem Motor zugemessenen Kraftstoffmenge im Betrieb der Drosseleinrichtung. Bei einer Weiterbildung dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Steuervorrichtung eine vom Druck in der Auslassleitung beaufschlagbaren bewegliche Wand umfasst, die mit einer Regelstange einer Kraftstoff-Einspritzpumpe gekoppelt ist, wobei die bewegliche Wand zweckmässig auf der einen Seite vom Druck in der Auslassleitung und auf der anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder beaufschlagt ist. Die Drosseleinrichtung selbst weist vorzugsweise ein Ventil mit durch einen Ventilschliesskörper steuerbarer Ventilöffnung und mit einer vom Druck in der Auslassleitung beaufschlagten, mit dem Ventilschliesskörper verbundenen Betätigungsmembran auf, die niederdruckseitig gegen eine Druckfeder wirkt. Die Drosselung kann manuell oder selbsttätig in Abhängigkeit vom Druckverlust im Dieselrussfilter gesteuert sein. Die Drosselung kann in beiden Fällen durch volle Betätigung des Gaspedales ("Kick-down") abgeschaltet werden, so dass bei Bedarf die volle Leistung des Dieselmotors zur Verfügung steht. Die Drosseleinrichtung kann anstatt von einem Ventil auch von einer Drosselklappe gebildet sein, welche eine Steuerbohrung aufweist. Im Betrieb des Dieselmotors wird das Abgas in dem Abschnitt des Auslasskanales, der das Dieselrussfilter enthält, selbsttätig bzw. zu gewählten Zeitpunkten verdichtet. Dadurch werden in diesem Abschnitt Temperatur und Druck in einem solchen Masse erhöht, dass Zündung und Verbrennung des im Dieselrussfilter abgeschiedenen Russes bzw. der Feststoffe im Abgas mit Sicherheit erfolgt. Gleichzeitig wird eine Uberbeladung des Russfilter im Vollastbetrieb der Maschine bei gedrosseltem Auslasskanal vermieden. Somit wird die gewünschte Regenerierung unter allen Betriebsbedingungen des Dieselmotors, d. h. auch im Leerlauf und bei Teillast, stets sichergestellt. Die Erfindung erlaubt es, die Regenerierung des Dieselrussfilters in nach Bedarf wählbaren Zeitabschnitten vorzunehmen, welche nur einen Bruchteil, z. B. 1/100, der gesamten Betriebszeit des Motors ausmachen. Dadurch lässt sich eine Beeinträchtigung des Motorbetriebes durch die Regenerierung praktisch ausschalten. Die Regenerierung des Dieselrussfilters kann beispielsweise im Leerlauf bei stehendem Fahrzeug bzw. im lastfreien Betrieb eines stationären Diesemotors oder während der Fahrt bzw. unter Last des Dieselmotors erfolgen. Dabei ist es möglich, durch entsprechende Dimenionsierung der Drosseleinrichtung die volle Leistung des Motors für die Regenerierung des Dieselrussfilters auch bei Nullast bereitzustellen. Die auf diese Weise erreichbare Abgastemperatur übersteigt die untere Grenze des Regenerierungs-Temperaturbereiches. Je tiefer diese untere Grenze liegt, desto schneller wird die gewünschte Regenerierung erzielt. Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemässen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 2 und 3 in Drehmoment-Drehzahl-Diagrammen einen Vergleich der beim Stand der Technik und bei der Erfindung zur Regenerierung ausnutzbaren Bereiche des Dieselmotor-Kenn feldes und Fig. 4 und 5 Ausführungsbeispiele für eine Drossel einrichtung, wie sie mit Vorteil bei der Erfindung zum Drosseln des Abgases im Auslasskanal des Dieselmotors angeordnet ist. Gemäss Fig. 1 gehört zu einem Dieselmotor 11 eine Einspritzpumpe 12. In den Auslasskanal 13 für die Abgase des Dieselmotors 11 ist ein Russfilter 10 eingeschaltet. Stromaufwärts vom Russfilter 10 ist eine Drosseleinrichtung 14 in den Auslasskanal eingebaut, um den Druck im Auslasskanal vor dem Russfilter 10 auf einen Wert anzuheben, bei welcher sich der im Russfilter 10 abgeschiedene Russ entzündet und verbrennt. Der Einspritzpumpe 12 ist eine Steuervorrichtung 16 zugeordnet, welche eine bewegliche Wand bzw. Membran 15 aufweist, die auf ihrer einen Seite vom Druck im Auslasskanal 13 zwischen Dieselmotor 11 und Drosseleinrichtung 14 und auf ihrer anderen Seite von einer vorgespannten Druckfeder 18 mit einem definierten, z. B. progressiven Federverhalten beaufschlagt ist. Die Membran ist mittig mit einer Regelstange 19 verbunden, welche den Vollastanschlag in der Einspritzpumpe 12 regelt. Erhöht sich aufgrund einer Drosselung mittels der Drosseleinrichtung 14 der Druck im Auslass- kanal 13, so erhöht sich auch der Druck in einer Zweigleitung 17 und damit in der Kammer der Steuereinrichtung 16 oberhalb der Membran 15, so dass diese gegen die Kraft der Feder 18 zusammen mit der Regelstange 19 nach aussen bewegt wird und die von der Einspritzpumpe 12 zugemessene Kraftstoffmenge reduziert. Die Fig. 2 und 3 zeigen den Kurvenverlauf 30 des Drehmomentes Md über der Drehzahl n. Am Punkt 34 der Drehmomentkurve 30 ist die Nenndrehzahl erreicht. Die Kurven 31 und 32 zeigen in Fig. 2 am Stand der Technik und in Fig. 3 bei der Erfindung die Betriebsbereichsgrenzen unter der Drehmomentkurve 30 innerhalb deren eine Drosselung mittels der Drosseleinrichtung ohne Gefahr der Zerstörung des Russfilters 10 möglich ist. Es ist ersichtlich, dass im Bereich von Teillast und Vollast insbesondere bei grösser werdenden Drehzahlen eine Regenerierung durch Drosselung des Abgases nicht möglich ist, während sie gemäss dem schraffierten Bereich unter der Kurve 30 nach Fig. 3 aufgrund der erfindungsgemässen Massnahme auch bei hohen Drehzahlen im Teillast- und Vollastbereich möglich ist. Dies beruht darauf, dass die Kraftstoffzufuhr in diesem Betriebsbereich erfindungsgemäss abgesenkt und damit die Russbildung durch überschüssigen Kraftstoff aufgrund des bei der Drosselung verminderten Liefergrades ausgeschlossen ist. Im Gegensatz zur Darstellung gemäss Fig. 1 lässt sich eine Vergrösserung des Betriebsbereiches unter der Drehmomentkurve 30 im Vergleich zu Fig. 2 auch dann erreichen, wenn die Steuereinrichtung 16 nicht vom Druck im Auslasskanal 13 beaufschlagt ist sondern jeweils bei wirksam werdender Drosseleinrichtung 14 die zugemessene Kraftstoffmenge um einen vorgegebenen Betrag, z. B. einen konstanten Betrag, reduziert ist. Optimale Verhältnisse ergeben sich jedoch bei Beaufschlagung der Membran 15 der Steuereinrichtung 16 mit dem Druck im Auslasskanal 13 über die Rückführleitung 17 gemäss Fig. 1. Die Fig. 4 und 5 zeigen denkbare Ausführungen der Drosseleinrichtung 14. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführung nach Fig. 4 umfasst die Drosseleinrichtung 14 ein Ventil mit VentilschlieBkörper 35 an einer Ventilstange 36, welche eine Ventilöffnung 37 in einer Trennwand 38 im Auslasskanal 13durchsetzt. Der von der Trennwand 38 abstromseitige Abschnitt des Auslasskanals ist mit dem Bezugszeichen 13' bezeichnet. Die Ventilstange 36 ist mit einer Membran 40 verbunden, welche auf ihrer Oberseite vom Druck im aufstromseitigen Abschnitt des Auslasskanales 13 über eine Leitung 41 beaufschlagt ist, während auf die andrere Seite der Membran 40 eine vorgespannte Druckfeder 42 wirkt. Bei zunehmendem Druck im Auslasskanal 13 öffnet der Ventilschliesskörper 35 somit die Ventilöffnung 37, schwächt die Drosselwirkung der Drosseleinrichtung 14 also ab. Es ist auch denkbar, die Drosseleinrichtung unabhängig vom Druck im Auslasskanal 13 zu steuern, und zwar zu gewünschten Zeiten oder bei bestimmten Betriebszuständen des Dieselmotors, um wahlweise eine bestimmte Drosselwirkung zu erzielen, beispielsweise auf Knopfdruck des Fahrers hin. Auch ist denkbar, die Drosseleinrichtung 14 abhängig vom Differenzdruck vor und hinter der Drosselstelle zu steuern. Dabei müsste eine Leitung ähnlich der Leitung 41 in Verbindung mit der Kammer unterhalb der Membran 40 stehen. Eine abgewandelte Drosseleinrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall ist eine Drosselklappe 45 mit einer Steuerbohrung 47 im Auslasskanal 13 angeordnet. Eine Bypass-Leitung 48 verbindet die Abschnitte des Auslasskanals 13 stromaufwärts und stromabwärts von der Drosselklappe 45. In diese Bypass-Leitung ist ein Ventil eingeschaltet, das prinzipiell wie das Ventil in Fig. 4 aufgebaut ist, jedoch in entgegengesetzte Richtung betätigt wird. Die Teile dieses Ventiles sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 bezeichnet. Bei zunehmendem Druck im Abschnitt des Auslasskanals 13 stromaufwärts von der Drosselklappe 45 öffnet auch dieses Ventil. Entgegen der Darstellung nach Fig. 1 kann die Drosseleinrichtung 14 auch stromabwärts von dem Russfilter 10 im Auslasskanal 13 angeordnet sein, wobei dann der Russfilter 10 einem höheren Druck ausgesetzt wird.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Regenerierung eines Dieselrussfilters, das in den Auslasskanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei das Abgas in demjenigen Abschnitt des Auslasskanales, welcher das Dieselrussfilter enthält, durch gesteuertes Drosseln des Auslass- kanals in einem solchen Masse verdichtet wird, dass die Regenerierungstemperaturgrenze erreicht oder überschritten wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass während der Drosselung die dem Dieselmotor zugemessene Kraftstoffmenge redu ziert wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kraftstoffmenge gesteuert in Abhängigkeit vom Druck in dem Auslasskanal reduziert wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kraftstoffmenge abhängig vom Druck an einer Stelle stromaufwärts vom Diesel russfilter reduziert wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Drosselung selbsttätig in Abhängigkeit vom Druck im Auslass kanal, insbesondere stromaufwärts vom Dieselruss filter, gesteuert wird. 5. Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselruss filters, der in den Auslasskanal eines Dieselmotors eingebaut ist, wobei eine Drosseleinrichtung in den Auslasskanal eingebaut ist, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Steuerein richtung (16) zum Beeinflussen der dem Motor zugemessenen Kraftstoffmenge im Betrieb der Drossel einrichtung (14). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuereinrichtung (16) eine vom Druck in der Auslassleitung (13) beauf schlagbaren bewegliche Wand (15) umfasst, die mit einer Regelstange (19) einer Kraftstoff-Ein spritzpumpe (12) gekoppelt ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die bewegliche Wand (15) auf der einen Seite vom Druck in der Auslassleitung (13) und auf der anderen Seite von einer vorge spannten Druckfeder (18) beaufschlagt ist. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Drosseleinrichtung (14) ein Ventil (35,37) mit durch einen Ventilschliesskörper (14) steuerbarer Ventilöffnung (15) und mit einer vom Druck in der Auslassleitung (13) beaufschlagten, mit dem Ventilschliesskörper verbundenen Betätigungsmembran (40) aufweist, die gegen eine Druckfeder (42) wirkt. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Drosseleinrichtung (14) stromaufwärts vom Diesel russfilter (10) in den Auslasskanal (13) einge baut ist. 10. Vorrichtung zur Regenerierung eines Dieselruss filters (10) der in den Auslasskanal (13) eines Dieselmotors eingebaut ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass stromaufwärts vom Diesel russfilter (10) eine Drosseleinrichtung (14) in den Auslasskanal (13) eingebaut ist, welche über eine Steuereinrichtung (16) von Hand oder automatisch einstellbar ist.

Inventors: PATTAS, KONSTANTIN N., PROF.DR.-ING.
Applicants: PATTAS, KONSTANTIN N., PROF.DR.-ING.
Application year: 1987
Main classification: F01N3
IPC codes: F01N3, F02B3