DE102012200097A1

DE102012200097A1 - Verfahren zum Schutz eines Partikelfilters eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102012200097A1
Application number: DE102012200097A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-11
Also published as: US20130174536A1; CN103195548B; CN103195548A; US9121314B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Partikelfilters (22) im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors (2) eines Kraftfahrzeugs vor einer unkontrollierten Verbrennung von Ruß im Partikelfilter (22). Gemäß der Erfindung ist das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug mit mindestens einer Elektromaschine (16) und ist dafür eingerichtet, zumindest eine Zeit lang allein durch die mindestens eine Elektromaschine (16) angetrieben zu werden. Wird erkannt, dass eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Partikelfilter (22) stattfindet oder stattzufinden droht, wird das Kraftfahrzeug in einer Partikelfilter-Schutzbetriebsart betrieben, in der der Verbrennungsmotor (2) automatisch vom Radantriebsstrang (10, 12, 14) abgekuppelt wird, Vortriebsanforderungen des Fahrers allein mit Hilfe der mindestens einen Elektromaschine (16) erfüllt werden und der Verbrennungsmotor (2) komplett ausgeschaltet oder mit einer stabilen stöchiometrischen Verbrennung betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs vor einer unkontrollierten Verbrennung von Ruß im Partikelfilter sowie ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Kraftfahrzeug.
Ein Wandstrom-Partikelfilter im Abgastrakt des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs speichert im Abgas enthaltene Feststoffe, insbesondere Ruß, hauptsächlich an der Wand des Partikelfilters. Die an der Innenwand des Partikelfilters eingelagerten Feststoffe vergrößern den Strömungswiderstand und damit den Abgasgegendruck, was die Motorleistung und den Kraftstoffbrauch verschlechtert. Um den Abgasgegendruck wieder auf seinen Auslegungswert zu bringen, muß der Partikelfilter regeneriert werden, sobald eine bestimmte Rußmasse eingelagert ist.
Bei einem stark mit Ruß beladenen Partikelfilter besteht außerdem die Gefahr, dass eine entweder spontan einsetzende oder aktiv gestartete Regeneration des Partikelfilters so viel exotherme Wärme erzeugt, dass der Partikelfilter beschädigt wird. Dagegen kann man den Partikelfilter dadurch schützen, dass man z. B. die Temperatur des aus diesem austretenden Abgases überwacht und dann, wenn eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Partikelfilter erkannt wird, die Sauerstoffkonzentration in dem in den Partikelfilter eintretenden Abgas auf sehr niedrige Werte bringt, um die aus der Rußverbrennung resultierende exotherme Reaktion zu vermindern.
Ungünstigerweise ist es über einen weiten Bereich von Motorbetriebszuständen nicht möglich, insbesondere im Falle von Magerverbrennungsmotoren, wie z. B. Dieselmotoren, den Verbrennungsmotor mit einem Lambda-Wert von Eins zu betreiben, d. h. eine stabile stöchiometrische Verbrennung einzustellen, die zu einer dauerhaft niedrigen Sauerstoffkonzentration im Motorabgas führt, welche die Rußverbrennungsrate im Partikelfilter vermindert und diesen dadurch schützt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Partikelfilter in einem Kraftfahrzeug besser zu schützen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung macht sich den Umstand zu Nutze, dass bei Hybridfahrzeugen, die zumindest eine Zeit lang rein elektromotorisch angetrieben werden können, der Verbrennungsmotor automatisch vom Radantriebsstrang abgekuppelt werden kann. Wenn es eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Partikelfilter gibt, wird der Verbrennungsmotor abgekuppelt und das Kraftfahrzeug nur elektromotorisch angetrieben. Dabei wird der Verbrennungsmotor in einem stationären Betriebszustand weiterlaufen gelassen, in dem eine stabile stöchiometrische Verbrennung stattfindet, die zu einer dauerhaft niedrigen Sauerstoffkonzentration im Motorabgas und damit zu einer Senkung der Rußverbrennungsrate im Partikelfilter führt. Die stabile stöchiometrische Verbrennung wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Verbrennungsmotor mit einem Lambda-Wert nahe Eins betrieben wird. Alternativ wird der Abgasmassenstrom durch den Partikelfilter auf Null gesetzt, in dem der Verbrennungsmotor komplett ausgeschaltet wird.
Sobald keine Gefahr mehr besteht, dass eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Partikelfilter stattfindet, kann der Verbrennungsmotor wieder an den Radantriebsstrang angekuppelt werden und mehr oder weniger allein für den Fahrzeugvortrieb verwendet werden. Der rein elektromotorische Antriebszustand kann aber auch noch länger aufrechterhalten werden, z. B. um nach Beendigung der eigentlichen Schutzphase eine aktive Regeneration des Partikelfilters durchzuführen.
Die mindestens eine Elektromaschine, die für Fahrzeugantrieb vorgesehen ist, kann entweder ein Elektromotor sein, oder sie kann eine wahlweise als Elektromotor oder Generator betreibbare Elektromaschine sein, um Bremsenergie rückgewinnen zu können.
Falls zusätzlich ein Stromgenerator, wie z. B. eine Lichtmaschine oder einen sog. Starter/Generator, vorgesehen ist, der fest mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt oder unabhängig von der für Fahrzeugantrieb vorgesehenen Elektromaschine mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist, besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, dass in der Partikelfilter-Schutzbetriebsart der Verbrennungsmotor den Stromgenerator antreibt und ungefähr mit einer Ausgangsleistung betrieben wird, die der maximalen Stromerzeugungsleistung des Stromgenerators entspricht. Dies ist in der Regel auch dann möglich, wenn der Verbrennungsmotor mit einem Lambda-Wert nahe Eins betrieben wird. Der vom Verbrennungsmotor erzeugte elektrische Strom wird einem Stromspeicher wie z. B. einer Fahrzeugbatterie zugeführt, welcher die mindestens eine für Fahrzeugantrieb vorgesehene Elektromaschine speist, und verlängert damit die Zeit, während der das Kraftfahrzeug in der Partikelfilter-Schutzbetriebsart betrieben werden kann, ehe der Stromspeicher erschöpft ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Durchführung bei einem Dieselmotor mit Dieselpartikelfilter.
Es folgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung.
Deren einzige Figur ist eine Prinzipskizze eines Vierrad-Kraftfahrzeugs mit parallelem Hybridantrieb. Das beschriebene Verfahren ist aber auch bei anderen Hybridantriebsarten durchführbar, wie der Fachmann erkennt.
Wie in der Figur gezeigt, enthält das Kraftfahrzeug einen Diesel-Verbrennungsmotor 2, der über eine Motorabtriebswelle 4 mit dem Eingang einer Kupplungs-/Getriebeeinheit 6 gekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor 2 treibt außerdem eine Lichtmaschine 8 an. Die Ausgang der Kupplungs-/Getriebeeinheit 6 ist über eine Getriebeabtriebswelle 10 mit dem Eingang eines Differentials 12 gekoppelt, dessen Ausgänge über Achswellen 14 mit zwei Rädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind. Die Getriebeabtriebswelle 10, das Differential 12 und die Achswellen 14 bilden einen Radantriebsstrang.
Die Getriebeabtriebswelle 10 ist außerdem mit einem Elektromotor 16 gekoppelt. Der Elektromotor 16 und ein zugehöriger Stromspeicher wie z. B. eine nicht gezeigte Fahrzeugbatterie sind so dimensioniert, dass der Elektromotor 16 das Kraftfahrzeug eine gewisse Zeit lang allein antreiben kann, während die Kupplung der Kupplungs-/Getriebeeinheit 6 geöffnet ist.
Der Verbrennungsmotor 2 enthält einen Abgassammler 18, der zu einem Abgasrohr 20 führt, welches die Abgase ´des Verbrennungsmotors 2 durch einen Dieselpartikelfilter 22 leitet.
Das Kraftfahrzeug enthält außerdem nicht gezeigte Sensorik, Elektronik und Leistungselektronik zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens.
Wird das Kraftfahrzeug (auch) mittels des Verbrennungsmotors 2 angetrieben, wird der Dieselpartikelfilter 22 fortlaufend daraufhin überwacht, ob eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß darin stattfindet. Dies kann z. B. mittels Temperatursensoren, aber auch auf andere Weise geschehen. Möglicherweise kann auch vorhergesagt werden, ob eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Dieselpartikelfilter 22 voraussichtlich in Kürze stattfinden wird, wenn sich die aktuellen Motorbetriebsbedingungen nicht ändern werden. Die Überwachung kann auch dann erfolgen, wenn gerade eine aktive Regeneration des Dieselpartikelfilters 22 durchgeführt wird.
Wird erkannt, dass eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Dieselpartikelfilter 22 stattfindet oder stattzufinden droht, wird eine Partikelfilter-Schutzbetriebsart gestartet, um die unkontrollierte Verbrennung zu unterdrücken.
In der Partikelfilter-Schutzbetriebsart wird der Verbrennungsmotor 2 mittels der Kupplungs-/Getriebeeinheit 6 automatisch vom Radantriebsstrang abgekuppelt, und Vortriebsanforderungen des Fahrers werden allein mit Hilfe des Elektromotors 16 erfüllt. Derweilen wird der Verbrennungsmotor 2 weiter laufen gelassen, jedoch mit einem Lambda-Wert von Eins, der eine stabile stöchiometrische Verbrennung im Verbrennungsmotor 2 gewährleistet, so dass die Sauerstoffkonzentration im Motorabgas dauerhaft gesenkt wird, wodurch die Rußverbrennungsrate im Partikelfilter 22 vermindert wird. Alternativ wird der Abgasmassenstrom durch den Partikelfilter 22 auf Null gesetzt, in dem der Verbrennungsmotor 2 komplett ausgeschaltet wird.
In der Partikelfilter-Schutzbetriebsart wird die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 2 ungefähr so groß eingestellt, wie die Lichtmaschine 8 Strom erzeugen und der Fahrzeugbatterie bzw. dem Elektromotor 16 zuführen kann, so dass kein Brennstoff vergeudet wird, sondern die Partikelfilter-Schutzbetriebsart nötigenfalls länger aufrechterhalten werden kann als nur mit Hilfe der Fahrzeugbatterie.
Die Partikelfilter-Schutzbetriebsart wird beendet und der Verbrennungsmotor 2 wird wieder an den Radantriebsstrang angekuppelt, sobald keine Gefahr für unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Dieselpartikelfilter 22 mehr besteht, z. B. weil die Abgastemperaturen weit genug gesunken sind oder weil sich die allgemeinen Vortriebsanforderungen des Fahrers derart geändert haben, dass der Verbrennungsmotor 2 diese auch mit stöchiometrischer Verbrennung erfüllen kann.

Claims

Verfahren zum Schutz eines Partikelfilters (22) im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors (2) eines Kraftfahrzeugs vor einer unkontrollierten Verbrennung von Ruß im Partikelfilter (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug mit mindestens einer Elektromaschine (16) ist und dafür eingerichtet ist, zumindest eine Zeit lang allein durch die mindestens eine Elektromaschine (16) angetrieben zu werden, und dass, wenn erkannt wird, dass eine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Partikelfilter (22) stattfindet oder stattzufinden droht, das Kraftfahrzeug in einer Partikelfilter-Schutzbetriebsart betrieben wird, in der – der Verbrennungsmotor (2) automatisch vom Radantriebsstrang (10, 12, 14) abgekuppelt wird, – Vortriebsanforderungen des Fahrers allein mit Hilfe der mindestens einen Elektromaschine (16) erfüllt werden und – der Verbrennungsmotor (2) komplett ausgeschaltet oder mit einer stabilen stöchiometrischen Verbrennung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfilter-Schutzbetriebsart beendet wird, wenn erkannt wird, dass keine unkontrollierte Verbrennung von Ruß im Partikelfilter (22) mehr droht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Partikelfilter-Schutzbetriebsart der Verbrennungsmotor (2) mit einem Lambda-Wert nahe Eins betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Partikelfilter-Schutzbetriebsart der Verbrennungsmotor (2) einen Stromgenerator (8) im Kraftfahrzeug antreibt und ungefähr mit einer Ausgangsleistung betrieben wird, die der maximalen Stromerzeugungsleistung des Stromgenerators (8) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) ein Dieselmotor ist und der Partikelfilter (22) ein Dieselpartikelfilter ist.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.