WO2001033051A1 - Verfahren zur abgasnachbehandlung durch nacheinspritzung von kraftstoff bei einer diesel-brennkraftmaschine mit vorkatalysator und partikelfilter - Google Patents

Verfahren zur abgasnachbehandlung durch nacheinspritzung von kraftstoff bei einer diesel-brennkraftmaschine mit vorkatalysator und partikelfilter Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment by post-injection of fuel in a diesel engine with a pre-catalyst and particle filter.
  • an air-compressing injection internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device is known.
  • a reducing agent can be supplied to this injection engine to reduce nitrogen oxides.
  • the reducing agent is provided in the final phase of the combustion after the ignition TDC by a secondary injection of fuel.
  • a method is known from the publication DE 197 35 01 1 A1, in which an exhaust gas temperature-dependent and time-dependent fuel injection is provided to reduce nitrogen oxide.
  • a switch is made between a first post-injection mode with a first post-injection quantity and a second post-injection mode with a second post-injection quantity that is higher than the first.
  • the secondary injection or post-injection of fuel serves in each case to increase the exhaust gas temperature by means of an exothermic reaction and usually takes place within a specific exhaust gas temperature range, although the temperature alone is not a suitable criterion for a suitable post-injection of fuel.
  • NE should be chosen ideally for each load point, so that the particulate filter can be heated up quickly by exothermic action on the pre-catalyst without significant breakthroughs of CO or HC. Due to the conversion of HC and CO already carried out on the pre-catalyst, NO can be oxidized in high yield to NO 2 on a downstream main catalyst, which is subsequently required for the oxidation of the soot in the particle filter.
  • the post-injection NE is activated when the temperature in the area of the pre-catalytic converter T Kat exceeds a starting temperature T L0 of approximately 160 degrees Celsius. Because only above this light-off temperature T L0 - the so-called light-off temperature - is the conversion rate for unburned hydrocarbons at least 50% and a further increase in temperature can take place due to the post-injection NE of additional fuel, so that the regeneration of the particle filter is initiated.
  • the temperature in the area of the pre-catalyst T Kat is measured by a thermocouple downstream of the pre-catalyst.
  • the post-injection NE is deactivated when the temperature in the area of the pre-catalyst T Kat exceeds an upper regeneration temperature T R0 of approximately 280 degrees Celsius.
  • the post-injection NE is also reactivated when the temperature in the area of the pre-catalyst T Kal falls below a lower regeneration temperature T RU of approximately 230 degrees Celsius. This is a sufficiently large regeneration temperature temperature range ⁇ T R of approximately 50 degrees, within which soot oxidation is ensured by N0 2 in the particle filter.
  • the post-injection NE or the regeneration of the particle filter must not exceed a certain time period t L ⁇ m ⁇ t .
  • This time period t Um ⁇ t is, for example, about 20 seconds and represents a kind of "emergency stop" if the pre-catalyst should not start.
  • a new post-injection NE may only take place after a certain time delay t pause has elapsed.
  • This time delay t pause is proposed to be approximately 30 seconds and is intended to promote that the pre-catalytic converter can then start again.
  • the loading state of the particle filter is expediently indicated by means of a counter Z and the post-injection NE is only permitted after reaching a specific counter reading Z Reg which corresponds to a predetermined loading state.
  • the loading state of the particle filter can be arithmetically displayed or changed in a simple manner and can be used as a criterion for the post-injection NE for the regeneration of the particle filter.
  • the counter Z is increased if the average regeneration temperature T RM lying between the upper regeneration temperature T R0 and the lower regeneration temperature T RU is not reached within a certain time period t start after the cold start of the diesel engine. This is because soot accumulation takes place within the particle filter, so that there is an increased load.
  • the counter Z is increased in extreme short-haul operation. Such extreme short-haul operation may even necessitate additional measures, such as an electrical device for heating the pre-catalytic converter, intake air throttling or adjusting the injection timing in the "late" direction in conjunction with an increased engine speed. These measures are then preferred used the next start of the diesel engine and can reduce the counter Z by a freely selectable amount.
  • the counter Z is gradually decreased by a certain amount if the mean regeneration temperature T RM lying between the upper regeneration temperature T R0 and the lower regeneration temperature T RU is exceeded for a specific sum t Sum of defined time intervals t * nt .
  • the back pressure in the exhaust system is also advantageously monitored to determine the loading status of the particle filter. Because although the back pressure alone is not a suitable criterion for a defined load state, because any holes in the soot layer lead to a relatively low back pressure, which pretends that the load state is too low, the monitoring of the back pressure can nevertheless provide additional security when determining the load state of the particle filter are provided.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzung von Kraftstoff bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Vorkatalysator und einem Partikelfilter vorgeschlagen, bei welchem die Nacheinspritzung NE in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKat und dem Beladungszustand des Partikelfilters erfolgt. Da dieses Verfahren insbesondere im bisher kritischen Kurzstreckenbetrieb von Diesel-Brennkraftmaschinen besonders effizient arbeitet, kann hiermit ohne weiteres auch den strengen Anforderungen zukünftiger Abgasgesetzgebungen entsprochen werden.

Description

Verfahren zur Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzung von Kraftstoff bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Vorkatalysator und Partikelfilter
B E S C H R E I B U N G
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzung von Kraftstoff bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Vorkatalysator und Partikelfilter.
Um Partikelemissionen eines Dieselmotors zukünftig wirksam zu reduzieren, ist der Einsatz eines Partikelfilters unvermeidbar. Hierbei kommt es jedoch insbesondere bei wiederholtem Kurzstreckenbetrieb aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen zu einer fortwährenden Beladung des Filters mit Ruß, die im Extremfall zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs führen kann.
Aus der Druckschrift EP 0 621 400 A1 ist eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt. Dieser Einspritzbrennkraftmaschine ist zur Reduzierung von Stickoxiden ein Reduktionsmittel zuführbar. Das Reduktionsmittel wird in der Endphase der Verbrennung nach dem Zünd-OT durch eine Sekundäreinspritzung von Kraftstoff bereitgestellt.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift DE 197 35 01 1 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem zur Stickoxidverminderung eine abgastemperaturabhängige und zeitabhängige Kraftstoffnacheinspritzung vorgesehen ist. Dazu wird zwischen einer ersten Nacheinspritzungsbetriebsart mit einer ersten Nachein- sphtzmenge und einer zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart mit einer gegenüber der ersten höheren zweiten Nacheinspritzmenge umgeschaltet.
Die Sekundäreinspritzung bzw. Nacheinspritzung von Kraftstoff dient dabei jeweils zur Erhöhung der Abgastemperatur durch eine exotherme Reaktion und erfolgt meist innerhalb eines bestimmten Abgastemperaturbereiches, wobei die Temperatur allein jedoch kein geeignetes Kriterium für eine zweckmäßige Nacheinspritzung von Kraftstoff darstellt. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzung von Kraftstoff bereitzustellen, welches insbesondere bei häufigem Einsatz im Kurzstreckenbetrieb von Diesel-Brennkraftmaschinen den sinnvollen Einsatz eines Partikelfilters überhaupt erst ermöglicht und damit einen weiteren Vorstoß bei der Einhaltung zukünftiger Abgasnormen und bei der Erlangung steuerlicher Förderungen darstellt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Indem die Nacheinspritzung NE sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich des motornahen Vorkatalysators TKal als auch in Abhängigkeit von dem Beladungszustand des Partikelfilters erfolgt, kann der Ansteuerbeginn sowie die Menge der Nacheinspritzung NE für jeden Lastpunkt ideal gewählt werden, so dass ein schnelles Aufheizen des Partikelfilters durch Exothermie am Vorkatalysator gewährleistet ist, ohne dass es dabei zu wesentlichen Durchbrüchen von CO oder HC kommt. Durch die bereits erfolgte Umsetzung von HC und CO am Vorkatalysator kann an einem nachgeschalteten Hauptkatalysator in hoher Ausbeute NO zu NO2 oxidiert werden, welches in Folge für die Oxidation des Rußes im Partikelfilter benötigt wird.
Die Nacheinspritzung NE wird aktiviert, wenn die Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKat eine Anspringtemperatur TL0 von ca. 160 Grad Celsius überschreitet. Denn erst oberhalb dieser Anspringtemperatur TL0 - der sogenannten Lightoff-Temperatur - beträgt die Konvertierungsrate für unverbrannte Kohlenwasserstoffe mindestens 50 % und kann durch die Nacheinspritzung NE von zusätzlichem Kraftstoff eine weitere Temperaturerhöhung stattfinden, so dass die Regeneration des Partikelfilters eingeleitet wird. Die Messung der Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKat erfolgt dabei durch ein dem Vorkatalysator nachgeschaltetes Thermoelement.
Dagegen wird die Nacheinspritzung NE deaktiviert, wenn die Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKat eine obere Regenerationstemperatur TR0 von ca. 280 Grad Celsius überschreitet. Die Nacheinspritzung NE wird außerdem reaktiviert, wenn die Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKal eine untere Regenerationstemperatur TRU von ca. 230 Grad Celsius unterschreitet. Damit ist ein ausreichend groß dimensionierter Regenerationstem- peraturbereich ΔTR von ca. 50 Grad bestimmt, innerhalb dessen eine Ruß- oxidation durch N02 im Partikelfilter sichergestellt wird.
Zusätzlich ist vorgesehen, dass die Nacheinspritzung NE bzw. die Regeneration des Partikelfilters eine bestimmte Zeitdauer tLιmιt nicht überschreiten darf. Diese Zeitdauer tUmιt beträgt beispielsweise ca. 20 Sekunden und stellt eine Art "Notaus" dar, falls der Vorkatalysator einmal nicht anspringen sollte.
Zur Sicherheit ist außerdem vorgesehen, dass dann wenn der Vorkatalysator nicht anspringt eine erneute Nacheinspritzung NE erst nach Ablauf einer bestimmten Zeitverzögerung tPause erfolgen darf. Diese Zeitverzögerung tPause beträgt vorschlagsweise ca. 30 Sekunden und soll begünstigen, dass der Vorkatalysator anschließend wieder anspringen kann.
Zweckmäßig wird der Beladungszustand des Partikelfilters mittels eines Zählers Z angegeben und wird die Nacheinspritzung NE erst nach dem Erreichen eines bestimmten Zählerstandes ZReg, der einem vorgegebenen Beladungszustand entspricht, zugelassen. Dadurch kann der Beladungszustand des Partikelfilters rechnerisch auf einfache Art und Weise angezeigt bzw. verändert und als Kriterium für die Nacheinspritzung NE also für die Regeneration des Partikelfilters verwendet werden.
Der Zähler Z wird erhöht, wenn innerhalb einer bestimmten Zeitspanne tstart nach dem Kaltstart der Diesel-Brennkraftmaschine die zwischen der oberen Regenerationstemperatur TR0 und der unteren Regenerationstemperatur TRU liegende mittlere Regenerationstemperatur TRM nicht erreicht wird. Denn dann findet innerhalb des Partikelfilters eine Rußansammlung statt, so dass ein erhöhter Beladungszustand vorliegt.
Zusätzlich wird der Zähler Z bei extremem Kurzstreckenbetrieb erhöht. Ein solch extremer Kurzstreckenbetrieb kann unter Umständen sogar weitere Maßnahmen, wie zum Beispiel eine elektrische Vorrichtung zur Beheizung des Vorkatalysators, eine Ansaugluftdrosselung oder eine Verstellung der Einspritzzeitpunkte in Richtung „Spät" in Verbindung mit einer erhöhten Motordrehzahl, erforderlich machen. Diese Maßnahmen werden dann bevorzugt ab dem nächsten Start der Diesel-Brennkraftmaschine eingesetzt und können den Zähler Z um einen frei wählbaren Betrag abbauen. Darüber hinaus wird der Zähler Z schrittweise um einen bestimmten Betrag erniedrigt, wenn für eine bestimmte Summe tSum von festgelegten Zeitintervallen t*nt die zwischen der oberen Regenerationstemperatur TR0 und der unteren Regenerationstemperatur TRU liegende mittlere Regenerationstemperatur TRM überschritten wird. Denn beim Vorliegen dieser Summe tSum von festgelegten Zeitintervallen t,n, erfolgt ein Rußabbrand, so dass sich der Beladungszustand des Partikelfilters entsprechend verringert. Erfolgt die Abbaugeschwindigkeit des Zählers Z unter Berücksichtigung der Reaktionskinetik dabei temperaturabhängig, so arbeitet der Zähler Z unter Berücksichtigung dieser Temperaturabhängigkeit mit einer besonders hohen Genauigkeit.
Vorteilhaft wird darüber hinaus zur Ermittlung des Beladungszustands des Partikelfilters auch der Gegendruck in der Abgasanlage überwacht. Denn obgleich der Gegendruck allein kein geeignetes Kriterium für einen definierten Beladungszustand darstellt, weil eventuell vorhandene Löcher in der Rußschicht zu einem relativ niedrigen Gegendruck führen, der einen zu geringen Beladungszustand vortäuscht, kann durch die Überwachung des Gegendrucks dennoch eine zusätzliche Sicherheit bei der Ermittlung des Beladungszustands des Partikelfilters bereitgestellt werden.
Zur Veranschaulichung der vorstehenden Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung wird auf die nachfolgende Figur verwiesen, welche in vereinfachter Weise den Verlauf der Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKat über der Zeit t darstellt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzung von Kraftstoff bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Vorkatalysator und einem Partikelfilter, wobei die Nacheinspritzung NE in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich des Vorkatalysators TKat und dem Beladungszustand des Partikelfilters erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung NE aktiviert wird, wenn die Temperatur im Bereich des Vorkatalysators T«at eine Anspringtemperatur T o von ca. 160 Grad Celsius überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung NE deaktiviert wird, wenn die Temperatur im Bereich des Vorkatalysators T«at eine obere Regenerationstemperatur TRO von ca. 280 Grad Celsius überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung NE reaktiviert wird, wenn die Temperatur im Bereich des Vorkatalysators T«at eine untere Regenerationstemperatur TRU von ca. 230 Grad Celsius unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung NE eine bestimmte Zeitdauer t ιmιt nicht ü- berschreiten darf.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erneute Nacheinspritzung NE erst nach Ablauf einer bestimmten Zeitverzögerung tPause erfolgen darf.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beladungszustand des Partikelfilters mittels eines Zählers Z angegeben wird und die Nacheinspritzung NE erst ab dem Erreichen eines bestimmten Zählerstands ZReg, der einem vorgegebenen Beladungszustand entspricht, zugelassen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler Z erhöht wird, wenn innerhalb einer bestimmten Zeitspanne tstar1 nach dem Kaltstart der Diesel-Brennkraftmaschine die zwischen der oberen Regenerationstemperatur TR0 und der unteren Regenerationstemperatur TRU liegende mittlere Regenerationstemperatur TRM nicht erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler Z bei extremem Kurzstreckenbetrieb zusätzlich erhöht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler Z schrittweise erniedrigt wird, wenn für eine bestimmte Summe tSum von festgelegten Zeitintervallen tlnt die zwischen der oberen Regenerationstemperatur TR0 und der unteren Regenerationstemperatur TRU liegende mittlere Regenerationstemperatur TRM überschritten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler Z temperaturabhängig erniedrigt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Beladungszustands des Partikelfilters der Gegendruck in der Abgasanlage überwacht wird.
PCT/EP2000/010241 1999-11-02 2000-10-18 Verfahren zur abgasnachbehandlung durch nacheinspritzung von kraftstoff bei einer diesel-brennkraftmaschine mit vorkatalysator und partikelfilter WO2001033051A1 (de)

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