DE10341143A1

DE10341143A1 - Partikelfilterregeneration

Info

Publication number: DE10341143A1
Application number: DE10341143A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schnitzler; Volker Scholz; Bernhard LÜERS
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2003-09-06
Filing date: 2003-09-06
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Reinigungsvorrichtung (1) zur Reinigung eines Partikelfilters (12) einer Dieselbrennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeuges. In einer Abgasleitung (3), die zwischen der Dieselbrennkraftmaschine (2) und dem Partikelfilter (12) verläuft, wird ein reaktives Gas (6) dosiert zugegeben. Dieses erfolgt bei einer Abgastemperatur unterhalb der Regenerationstemperatur des Partikelfilters (12) zur Initiierung einer Reaktion der Partikel. Vorzugsweise wird das reaktive Gas (6) mittels eines Reformers (7) aus mitgeführtem Treibstoff gewonnen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reinigung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
Zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotorfahrzeugen werden Rußfiltersysteme eingesetzt. Durch die Sammlung des Rußes im Filter erhöht sich der Abgasgegendruck, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch sowie die Fahrdynamik des Fahrzeugs verschlechtert. Um ein Blockieren des Partikelfilters zu verhindern, ist eine intermittierende oder kontinuierliche Verbrennung des im Rußfilter abgelagerten Rußes erforderlich. Dieses wird auch als Regeneration des Partikelfilter bezeichnet. Beispielsweise wird eine intermittierende, thermische Regeneration dadurch erreicht, daß das in den Rußfilter einströmende Abgas auf das für das verwendete Filtersystem erforderliche Temperaturniveau angehoben wird. Das dazu benötigte hohe Temperaturniveau beträgt etwa 650°C, sofern der Partikelfilter ohne eine katalytische Beschichtung versehen ist. Weiterhin ist es bekannt, die Temperatur absenken zu können, beispielsweise durch Zugabe von Additiven, die ein Verbrennen auf einem niedrigeren Temperaturniveau ermöglichen. Dieses geht beispielsweise aus der DE 199 04 736 A1 wie auch aus der DE 40 411 27 C2 hervor.

Wird das Kraftfahrzeug hauptsächlich im Kurzstreckenbetrieb oder im Winterbetrieb genutzt, besteht die Möglichkeit, daß das notwendige Temperaturniveau zur Regeneration des Partikelfilters nicht oder nicht regelmäßig erreicht wird. Zur Sicherstellung einer Anhebung der Abgastemperatur sind daher innermotorische wie auch außermotorische Möglichkeiten bekannt. Bei der innermotorischen Möglichkeit erfolgt beispielsweise die Abgastemperaturanhebung durch einen Eingriff in die Verbrennungsprozeßführung. Beispielsweise können die Einspritzparameter angepaßt werden. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchzuführen, wie beispielsweise mittels einer verspäteten Einspritzung in den Expansionshub. Derartige Mittel gehen beispielsweise aus der DE 199 26 138 A1 , der DE 199 481 56 A1 und der DE 101 59 479 A1 hervor. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß der NO_x-Anteil angehoben wird, um damit ein Abbrennen der gesammelten Partikel im Partikelfilter zu erzielen. Dieses ist beispielsweise aus der DE 199 611 66 A1 wie auch aus der DE 101 19 431 A1 bekannt. Im Rahmen der außermotorischen Möglichkeiten zur Anhebung der Abgastemperatur zur Regeneration des Partikelfilters ist es wiederum bekannt, eine exotherme Reaktion auszunutzen, die mittels einer Zugabe von unverbranntem Kraftstoff in das Abgas vor dem Katalysator oder mittelbar mit Hilfe eines Brenners erzielt werden. Beispielsweise geht aus der DE 100 62 956 A1 eine Dieselkraftstoffeinspritzung vor dem Partikelfilter hervor. Aus der DE 40 25 017 C2 ist es bekannt, vor dem Partikelfilter einen Brenner im Abgassystem anzuordnen, der die Abgastemperatur derartig anhebt, das ein Verbrennen der Rußpartikel im Partikelfilter sichergestellt wird.

Die innermotorischen Maßnahmen zur Anhebung des Temperaturniveaus haben aufgrund ihres sehr späten Einspritzzeitpunktes den Nachteil, daß es zu einer sehr frühzeitigen Ölverdünnung in der Brennkraftmaschine kommt. Weiterhin können starke Wärmeverluste aufgrund der Gestaltung des Abgassystems erfolgen, so daß einerseits hohe Motorbauteilbelastungen auftreten können, um ein ausreichendes Temperaturniveau am Partikelfilter sicherzustellen. Zum anderen erfordert eine derartige Regenerationsstrategie einen höheren Kraftstoffeinsatz, der den Verbrauch ansteigen läßt. Die außermotorische Temperaturanhebung mittels eines Katalysators, vor dem Kraftstoff eingespritzt wird, erfordert, daß die Anspringtemperatur (light-off) des Katalysators zur Verhinderung eines Durchbruches von unverbrannten Kraftstoff überschritten sein muß. Hierzu sind in der Regel Temperaturen oberhalb von 230°C erforderlich. Die Nutzung eines vor dem Partikelfilter angeordneten Brenners wiederum erfordert insbesondere einen großen Aufwand hinsichtlich Bauraum und Flammenstabilität.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Partikelfilterregeneration bei niedrigen Abgastemperaturen zu ermöglichen und insbesondere einen abgastechnisch optimierten Betrieb der Brennkraftmaschine in immer wiederkehrenden Kurzstreckenbetrieb sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruches 1 und 2 sowie mit einer Reinigungsvorrichtung für einen Partikelfilter einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges erfolgt durch dosierte Zugabe eines reaktiven Gases in eine abgasführende Leitung, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter verläuft, bei einer Abgastemperatur unterhalb der Regenerationstemperatur des Partikelfilters zur Initiierung einer Reaktion der Partikeln. Dieses erlaubt, daß insbesondere im Leerlauf wie auch auf Kurzstrecken eine Regeneration des Partikelfilters erfolgen kann, obwohl die von der Brennkraftmaschine zum Partikelfilter übertragene Abgastemperatur in derartigen Betriebspunkten in der Regel nicht ausreichend ist, eine Verbrennung der Partikel zu bewirken. Durch gezielte dosierte Zugabe des reaktiven Gases wird ermöglicht, die Abgastemperatur derart zu steigern, daß eine Initiierung einer Reaktion der Partikeln ermöglicht wird. Insbesondere kann das dosierte reaktive Gas nur solange zuge geben werden, bis die Partikelverbrennung derart exotherm erfolgt, daß eine weitere Zugabe des reaktiven Gases nicht mehr notwendig ist.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellt, bei dem durch Zugabe eines dosierten reaktiven Gases in eine abgasführende Leitung, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter verläuft, das reaktive Gas vor der Zugabe aus dem im Kraftfahrzeug mitgeführten Treibstoff reformiert wird. Dieses hat den Vorteil, daß ein sehr hochwertiges reaktives Gas zur Verfügung gestellt werden kann, wodurch eine sehr kurze Reaktionszeit ermöglicht wird, um die ausreichende Temperatur für eine Partikelfilterregeneration zu erzielen. Zum anderen erlaubt ein sehr hochwertiges reaktives Gas die Beschränkung auf eine geringe Zudosierung desselben, um eine ausreichende Partikelfilterregeneration initiieren zu können. Die Zugabe erfolgt beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Verfahren.

Vorzugsweise wird die Wärmefreisetzung entweder über einen, dem Partikelfilter vorgeschalteten, Oxidationskatalysator erzielt oder aber über direkt auf einem katalytisch beschichteten Partikelfilter erzeugt. Die Beschichtung weist vorzugsweise eine rein oxidierende Komponente auf. Gemäß einer Weiterbildung kann die Beschichtung eine Denoxfunktionalität aufweisen.

Im folgenden werden Ausführungen insbesondere hinsichtlich von Dieselbrennkraftmaschinen dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch bei nach dem Otto-Prinzip arbeitenden direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen einsetzbar. Daher sind die auf einer Dieselbrennkraftmaschine basierenden nachfolgenden Darlegungen nicht auf diese beschränkt sondern können auch auf andere Brennkraftmaschinen übertragen werden.

Vorzugsweise wird angestrebt, daß bei der Reformierung als reaktives Gas Wasserstoff erzeugt wird, insbesondere Wasserstoff in molekularer Form, wie beispielsweise H₂. Insbesondere wird die Reformierung dadurch ermöglicht, daß das reaktive Gas aus beispielsweise einem Dieseltreibstoff erzeugt wird, insbesondere reformiert wird. Jedoch kann auch ein anderes Gas hierzu eingesetzt werden. Wird beispielsweise ein Hybridkraftfahrzeug verwendet, kann das reaktive Gas beispielweise aus einer entsprechenden Befüllung, insbesondere einer Erdgasbefüllung durch Reformierung erzeugt werden.

Die Verwendung von sehr reaktiven Komponenten, wie zum Beispiel Wasserstoff, erlaubt in Verbindung mit ein oder mehreren katalytischen Oberflächen bereits bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen durch eine exotherme Oxidation hohe Temperaturen generieren zu können. Diese Temperaturen sind ausreichend, eine Regeneration eines Partikelfilters zumindest einzuleiten, insbesondere aber auch vollständig zu unterstützen. Die reaktiven Komponenten können entweder im Fahrzeug gespeichert oder aber aus dem im Fahrzeug befindlichen Kraftstoff wie beispielsweise Dieseltreibstoff reformiert werden.

Vorzugsweise wird eine Regeneration ausgeführt, wenn das Kraftfahrzeug im Leerlaufbetrieb und/oder im Niedriglastbetrieb der Dieselbrennkraftmaschine ist. Dann wird das reaktive Gas dosiert zugegeben. Die Regeneration kann jedoch auch über ein gesamtes Kennfeldbereich in allen Lastbereichen ausgeführt werden, insbesondere wenn keine andere Regenerationsmaßnahme ansteht. Vorzugsweise erfolgt eine Zugabe unterhalb einer Abgastemperatur vom 200°C. Insbesondere ist das reaktive Gas auch bei einer Abgastemperatur von weniger als 160°C, insbesondere unterhalb von 100°C zuführbar, um aufgrund einer exothermen Reaktion einen ausreichenden Anstieg der Temperatur auf ein Niveau zu ermöglichen, mittels dem die Regenerierung des Partikelfilters ermöglicht wird. Vorzugsweise wird eine derartige Anhebung des Temperaturniveaus bei Dieselbrennkraftmaschinen vorgenommen, die beispielsweise über wär meabgebende Einrichtungen im Abgasstrang verfügen. Dieses können beispielsweise Turbolader, Abgaskühleinrichtungen, lange Abgasleitungen und/oder ähnliches sein.

Das reaktive Gas wird beispielweise aus Kraftstoff gewonnen, insbesondere Dieselkraftstoff. Auch besteht die Möglichkeit, das reaktive Gas aus Methan, Propan, Natriumborhydrid, Methanol wie auch Ethanol zu gewinnen. Beispielsweise ist als Reformer zur Reformierung des reaktiven Gases ein für den Einsatz bei einer Brennstoffzelle geeigneter Reformer nutzbar. Der Reformer kann beispielsweise nach dem "catalytic partial oxidation"-Prinzip oder nach dem "autothermal reformer"-Prinzip arbeiten. Auch besteht die Möglichkeit, daß bei einem Hybridkraftfahrzeug ein entsprechender Reformer für eine Brennstoffzelle mitgenutzt wird, um den so gewonnnen Wasserstoff zur Regeneration des Partikelfilters einsetzen zu können.

Ein Reformieren zur Erzeugung des reaktiven Gases kann auch auf unterschiedliche Weise erfolgen. Hierzu können ein oder mehrere unterschiedliche Katalysatoren verwendet werden. Beispielsweise kann dieses auch unter einem höheren Druck gegenüber dem im Abgassystem herrschenden erfolgen, unter welchem das reaktive Gas auch beispielsweise zugeführt wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen Plasmatreibstoff-Reformer einzusetzen, wie er beispielsweise aus der Veröffentlichung "Integrated micro plasmatron fuel converter – exhausted catalyst system for Diesel emission reduction" von Bromberg, Kohn und Rabinowitz des MIT bekannt ist (Fundstelle: www.psfc.mit.edu/plasmatech/plasmetron1.html)

Weiterhin kann die Reformierung mittels einer partiellen Oxidation (POX) ausgeführt werden, bei der einem Kraftstoffgas unterstöchiometrisch Sauerstoff beigegeben wird. Bei der eintretenden Wassergas-Shiftreaktion wird Wärme freigesetzt. Gemäß einem Beispiel wird in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine bei einer Arbeitstemperatur um die 800°C und bei einem Lamda-Wert zwischen 0,3 und 0,4 Dieseltreibstoff gemäß POX refomiert. Auf diese Weise lässt sich ein reaktives Gas als Gasgemisch erzielen, dass beispielsweise zumindest H₂ zwischen 15 mol-% und 20 mol-% und CO zwischen 17 mol-% und 23 mol-% aufweist.

Auch kann eine Wasserdampfreformierung (WDR) ausgeführt werden, bei der durch Zugabe von Wasserdampf der Kraftstoff reformiert werden kann. Diese Reaktion ist endotherm und kann daher beispielsweise von der Brennkraftmaschine Abwärme nutzen. Eine Mischung aus POX und WDR führt zur autothermen Reformierung (ATR), bei der eine Wärmebilanz zwischen Eingang und Ausgang des Reformers ausgeglichen ist, wodurch die Temperatur konstant bleibt. Die Reformierung kann insbesondere auch unter Druck erfolgen, der in Abhängigkeit von durchgeführten Verfahren zwischen 3 bar und 35 bar betragen kann. Als Kraftstoffe für die Reformierung kommen beispielsweise Methanol, Erdgas, Benzin, Diesel wie auch Ethanol in Frage.

Insbesondere kann das reaktive Gas auch von einem Reformer stammen, der beispielsweise für eine APU (Auxiliary Power Unit) eingesetzt wird. Die APU wird beispielsweise für ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs genutzt, beispielsweise für ein 42V-Bordnetz. Zur APU zugehörig kann ein Speicher für das reaktive Gas sein, so dass direkt beim Start der Brennkraftmaschine eine Zuführung des reaktiven Gases gewährleistet werden kann.

Das reaktive Gas kann im wesentlichen eine Gaskomponente oder auch mehrere Gaskomponenten aufweisen. Gemäß einer Ausgestaltung wird als reaktives Gas Wasserstoff verwendet, dass zumindest den überwiegenden Teil des reaktiven Gases ausmacht. Vorzugsweise besteht das reaktive Gas zumindest annähernd vollständig aus Wasserstoff. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das reaktive Gas zwei oder mehr reaktive Gaskomponenten auf, zum Beispiel zumindest Wasserstoff und CO. Daneben kann das Gas weitere Komponenten aufweisen, die für die Partikelfilterregeneration im Vergleich zu den reaktiven Gaskomponenten als inert einzustufen sind. Vorzugsweise beträgt der Anteil reaktiver Gaskomponenten mindestens 25 mol-% am reaktiven Gas, insbesondere über 30 mol-%, bevorzugt über 35 mol-%.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß ein einstellbarer Anteil des Abgasstroms am Partikelfilter zumindest unmittelbar vor einer Initiierung der Regeneration des Partikelfilters vorbeigeleitet wird. Dieses erfolgt beispielsweise in einem Temperaturbereich unterhalb der Regenerationstemperatur des Partikelfilters. Dieses erlaubt, daß ein geringerer Abgasteilstrom auf den Partikelfilter auftrifft. Dieser geringere Abgasteilstrom benötigt eine geringere Zudosierung des reaktiven Gases, um eine Erhöhung des Temperaturniveaus zur Initiierung der Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. Hat die Regenerierung des Partikelfilters begonnen, kann der umgeleitete Abgasteilstrom sofort wie auch allmählich verringert werden und dem Partikelfilter zugeführt werden. Vorzugsweise wird für die Vorbeileitung des Abgasteilstromes ein Bypaßsystem genutzt, welches im Abgasstrang angeordnet ist. Eine Vorbeileitung eines Abgasteilstromes am Partikelfilter wird vorzugsweise nur für einen äußerst kurzen Zeitraum durchgeführt, der ausreichend ist, die Regeneration des Partikelfilters zu initiieren. Die anschließend entstehende exotherme Energie ist ausreichend, einerseits den Partikelfilter weiter zu regenerieren, andererseits daß für die Regeneration notwendige Temperaturniveau zu halten, auch wenn nun der vollständige Abgasstrom durch den Partikelfilter strömt.

Insbesondere können ein oder mehrere Bauten im Abgasstrang vorgesehen sein, die den Abgasstrom im Abgasstrang derart aufteilen, daß ein beispielsweise mittlerer Bereich des Abgasstromes durch Zuführung des reaktiven Gases in diesem Bereich aufgeheizt wird, ein im Außenbereich des Abgasstranges durchströmender Abgasstrom dagegen erst nachfolgend durch die exotherme Umsetzung des reaktiven Gases durch entsprechende Wärmeleitung eine Aufheizung erfährt. Auf diese Weise wird vermieden, daß eine Vorbeileitung eines Abgasteilstromes am Partikelfilter erfolgt.

Vorzugsweise wird eine Regenerierung eines Partikelfilters überwacht. Insbesondere kann die Regenerierung auch gesteuert bzw. geregelt erfolgen, wobei beispielsweise auf ein Steuergerät des Kraftfahrzeuges zurückgegriffen werden kann. Beispielhafte Steuerungen der Regenerierung wie auch Aufbauten des Abgasstranges mit entsprechenden Sensoren wie auch abgasumsetzenden Einrichtungen gehen beispielhaft aus der DE 101 30 633 A1 , der DE 100 56 034 A1 und der DE 199 52 830 A1 hervor, auf die im Rahmen dieser Offenbarung bezüglich der Steuerung bzw. Regelung, der Betriebsweise der Regenerierung, entsprechender Maßnahmen, Einrichtungen und ähnliches verwiesen wird.

Gemäß einer Regelungsstrategie wird ein Beladungszustand des Partikelfilters wie auch eine Temperatur des Partikelfilters festgestellt. In Abhängigkeit davon wird eine Dosierung an zuzugebendem reaktivem Gas ermittelt und entsprechend zugegeben, wobei eine Bildung von Hot-Spots im Partikelfilter überwacht und vermieden wird.

Eine Vorgehensweise bei der Regenerierung des Partikelfilters sieht vor, daß während einer Aufheizphase, gegebenenfalls auch zusätzlich während der Rußoxidationsphase, ein Teil des Abgasstromes um den Partikelfilter herumgeführt wird. Auf diese Weise gelingt es, eine Reduktion des Wärmetransportes aus dem Partikelfilter heraus zu steuern. Insbesondere zur Vermeidung einer thermischen Schädigung des Partikelfilters hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Temperatur des Partikelfilters zumindest während der Regeneration ermittelt wird und in Abhängigkeit von dieser Temperatur eine Beeinflussung des den Partikelfilter durchströmenden Abgasstromes erfolgt. Die Beeinflussung kann vielfältiger Art und Weise sein. Beispielsweise kann der Abgasmengenstrom beein flußt werden, beispielsweise durch eine Umleitung entlang einer Bypaßleitung. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Zugabe des reaktiven Gases zur Abkühlung des Partikelfilters zu ändern. Vorzugsweise wird bei einem unerwünschtem Ansteigen der Temperatur eine Anfettung des durch den Partikelfilter strömenden Abgases durch eine Erhöhung der Zugabe des reaktiven Gases erzielt. Vorzugsweise werden verschiedene Maßnahmen zur Beeinflussung des durchströmenden Abgasstromes miteinander kombiniert. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß eine Erhöhung bzw. Erniedrigung der Zugabe des reaktiven Gases in Verbindung mit einer Aufteilung des Abgasstromes und/oder insbesondere Umgehung des Partikelfilters erfolgt. Beispielsweise kann eine Aufteilung des Abgasstromes in verschiedene Abgasteilströme mittels einer Abgasklappe erfolgen, die im Abgasstrang vor dem Partikelfilter angeordnet ist.

Eine Überwachung der Temperatur des Partikelfilters kann beispielsweise über eine Temperatursensor und/oder über einen, hinter dem Partikelfilter angeordneten Sensor erfolgen. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer Aussage über die Regeneration des Partikelfilters bzw. den Zustand des Partikelfilters mittels einer Lambda-Sonde zu erhalten. Die Lambda-Sonde ist vorzugsweise vor und/oder nach dem Partikelfilter angeordnet. Auch kann eine Lambda-Sonde im Partikelfilter selbst vorhanden sein. Beispielsweise wird eine Regenerationsdauer des Partikelfilters mittels einer Differenzwertbildung aus zwei oder mehr Lambda-Werten berechnet. Die Lambda-Werte können von ein oder mehreren Lambda-Sonden stammen. Vorzugsweise wird das Lambda-Signal nach dem Partikelfilter gemessen. Dieses wird zu einem Wert in Bezug gesetzt, der entweder rechnerisch und/oder mittels einer entsprechenden Sensorik vor oder entlang des Partikelfilters aufgenommen wird.

Beispielsweise ist vorgesehen, daß eine Zugabe des reaktiven Gases in Abhängigkeit eines vorgebbaren Temperaturfensters während der Regeneration des Partikelfilter erhöht oder vermindert wird. Dazu kann ein Steuergerät ein Betriebskennfeld des Partikelfilters aufweisen. Dieses Betriebskennfeld weist beispielsweise ein oder mehrere Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen, Gaswerte wie beispielweise HC, NO_X, CO, CO₂ oder andere Gaswerte, Betriebspunkte, Werte wie beispielsweise Drehzahlen, Drehmomente, Einspritzzeitpunkte, Einspritzmengen, Beschleunigungswerte, Luftmasse und ähnliches auf. Mittels eines derartigen Betriebskennfeldes kann eine Steuerung bzw. Regelung der Regeneration, deren Dauer wie auch Initiierung in unterschiedlichen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Leerlauf oder im Teillastbetrieb erfolgen.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Reinigungsvorrichtung für einen Partikelfilter einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, die eine Abgasleitung aufweist, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter angeordnet ist. Die Abgasleitung weist zumindest eine Einspritzmündung für ein reaktives Gas auf, wobei die Einspritzmündung in leitungsgebundener Verbindung mit einem Reformer zur Erzeugung des reaktiven Gases aus einem in einem Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs mitgeführten Kraftstoff steht. Diese Reinigungsvorrichtung hat den Vorteil, daß insbesondere ein aufgearbeitetes, reaktives Gas Verwendung finden kann, das eine hohe exotherme Energie bei der Umsetzung freisetzt. Dadurch gelingt es, mit relativ geringen Mengen eine hohe Wirkung am Partikelfilter zu bewirken. Insbesondere erlaubt die Reinigungsvorrichtung eine Initiierung des Regenerierungsschrittes, der beispielsweise nach Initiierung selbstständig weiterläuft aufgrund der durch die Verbrennung der Partikel freigesetzten Wärmemengen. Vorzugsweise wird die Regenerierung des Partikelfilters überwacht. Die Überwachung erlaubt, auf die Regenerierung einwirken zu können. Sollte die Temperatur zu hoch oder zu niedrig sein, kann beispielsweise mittels einer Steuerung bzw. Regelung des reaktiven Gases das Regenerierungsverhalten geändert werden. Die Reinigungsvorrichtung erlaubt es, daß insbesondere in Zuständen von niedriger Abgastemperatur eine Regenerierung ermöglicht wird. Wird die Brennkraftmaschine, insbesondere die Dieselbrennkraftmaschine häufig im Stadtverkehr und auf Kurzstrecken eingesetzt, besteht die Gefahr, daß der Partikelfilter sich zusetzt, ohne jedoch eine notwendige Regenerierung aufgrund der zu niedrigen Abgastemperaturen zu erfahren. Die Reinigungsvorrichtung erlaubt durch die Zugabe des reaktiven Gases in die Abgasleitung ein Anheben des Temperaturniveaus zur Initiierung der Regenerierung wie aber auch beispielsweise für das Erreichen der "light-off"-Temperatur eines vorhandenen Katalysators.

Vorzugsweise ist ein Reformer zur Anströmung mit Abgas zumindest teilweise in der Abgasleitung angeordnet. Dieses ermöglicht, daß ein Wärmeaustausch zwischen dem in der Abgasleitung angeordneten Reformer bzw. Reformerbauteil und dem vorbeiströmenden Abgas möglich ist. Dieses hat sich vorteilhaft für eine Reduzierung eines Wärmeverlustes des Reformers herausgestellt. Beispielsweise kann die Erzeugung des reaktiven Gases zu einer Wärmefreisetzung im Reformer führen. Diese Wärmemenge wird durch Anordnung des Reformers in der Abgasleitung zur Aufheizung des umströmenden Abgases genutzt. Wird beispielsweise eine Reformierung mittels einer partiellen katalytischen Oxidation durchgeführt, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung das den Reformer umströmende Abgas diesen kühlen und damit vor einer Überhitzung schützen.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Reinigungsvorrichtung ein Bypaßsystem aufweist. Das Bypaßsystem hat vorzugsweise eine Ableitung von der Abgasleitung stromaufwärts von der Einspritzmündung. Dieses erlaubt, das mit einem entsprechenden Stellmittel ein Abgasteilstrom zumindest an der Einspritzmündung und insbesondere auch am Partikelfilter vorbeigeleitet werden kann. Das Bypaßsystem und das zugehörige Stellmittel werden vorzugsweise über eine Steuerung bzw. Regelung geführt, die die Regenerierung des Partikelfilters durchführt und überwacht. Dieses erlaubt, daß im Zusammen spiel mit der Dosierung der Zugabe des reaktiven Gases eine Regenerierung in Abhängigkeit von den jeweils vorliegenden Betriebszuständen nicht nur der Verbrennungskraftmaschine sondern auch beispielsweise des Partikelfilters selbst, von vor- wie auch nachgeschalteten Einrichtungen wie beispielsweise Katalysatoren und ähnlichem ermöglicht wird.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß die Bypaßleitung einen Zwischenspeicher beispielsweise in Form eines weiteren Partikelfilters aufweist. Dieses erlaubt, zwischen beiden Partikelfiltern hin- und herschalten zu können. Der in der Bypassleitung befindliche Partikel-Zwischenspeicher benötigt dabei vorzugsweise ein geringeres Speichervolumen als der hauptsächlich genutzte Partikelspeicher.

Der Zwischenspeicher kann insbesondere derart ausgelegt sein, daß er in der Lage ist, für kurze Betriebszustände eine ausreichende Speicherkapazität aufzuweisen. Diese ist jedoch geringer als diejenige, die für einen dauerhaften Betrieb notwendig wäre. Der Zwischenspeicher wird vorzugsweise zu einem Zeitpunkt selbst regeneriert, wenn der erste Partikelspeicher in der Regenerierung ist, bzw. regeneriert wurde. Hierzu kann der Zwischenspeicher ebenfalls mit reaktivem Gas beaufschlagt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß eine Ableitung des Bypaßsystems stromabwärts vom Partikelfilter in die Abgasleitung mündet. Dieses erlaubt, daß der Partikelfilter für einen kurzen Zeitpunkt zur Initiierung der Regenerierung umgangen werden kann. Dieses Umgehen bedeutet jedoch keine deutliche Erhöhung des Partikelausstoßes, da diese Überbrückung des Partikelfilters nur für einen kurzen Zeitraum, vorzugsweise nur für die Initiierung der Regenerierung des Partikelfilters erfolgt.

Insbesondere weist die Reinigungsvorrichtung eine Einrichtung zur Regelung der Anpassung einer Partikelfiltertemperatur auf. Mittels dieser ist es einerseits möglich, ein Überhitzen des Partikelfilters zu vermeiden. Zum anderen bildet die Einrichtung die Möglichkeit, das Regenerierungsverhalten des Partikelfilters zu überwachen und beispielsweise entsprechend einer Vorgabe wie mit einem Regenerierungskennfeld einen Istwert an einen Sollwert anpassen zu können. Dieses erlaubt insbesondere, daß bei einem Auslösen der Regenerierung beispielsweise aufgrund einer zu hohen Druckdifferenz über dem Partikelfilter eine Zugabe des reaktiven Gases in Anpassung an den jeweiligen Partikelabbau im Partikelfilter, wie auch an den jeweils vorliegenden Abgasstrom und deren Bestandteile erfolgen kann.

Beispielsweise kann eine Ermittlung einer Temperatur wie auch eine entsprechen Regelung entsprechend der aus der DE 101 08 720 A1 bekannten technischen Lehre ausgeführt werden, auf die im Rahmen dieser Offenbarung diesbezüglich verwiesen wird. Auch besteht die Möglichkeit der Regeneration unter Nutzung einer Lamda-Regelung, wie sie beispielsweise aus der DE 100 56 035 A1 hervorgeht und auf die im Rahmen dieser Offenbarung diesbezüglich ebenfalls verwiesen wird.

Insbesondere soll eine Regelung der Regeneration die Bildung von Hot-Spots im Partikelfilter vermeiden. Eine entsprechende Überwachung wird beispielsweise mittels einer Lambda-Sonde ausgeführt.

Zum Beispiel wird zur Vermeidung von Hot-Spots eine Überwachung einer Oberflächentemperatur des Partikelfilters ausgeführt, vorzugsweise mittels einem Sensor hoher zeitlicher Auflösung in einem Bereich bevorzugt zwischen 100 und 300 msec. Die Temperatur wird vorzugsweise im Inneren des Partikelfilters ermittelt. Dafür wird beispielsweise ein Sensor im Inneren des Partikelfilters angeordnet. Insbesondere besteht auch die Möglichkeit der Verwendung eines Flächensensors, der in der Lage ist, nicht nur einen punktuellen Messwert zu erfassen sondern auch über eine Breite und/oder Länge und/oder Höhe eines Abschnitts im Partikelfilter die Temperatur ermittelt. Dieses erlaubt die Überwachung ganzer kritischer Bereiche, da die Temperatur bei Hot-Spots Temperaturgradienten von beispielsweise 100°C/cm aufweisen und die flächenhafte Überwachung das Auftreten als solches detektierbar macht. Beispielsweise kann bei einem Keramikpartikelfilter dieser an seiner Oberfläche zumindest einen, bevorzugt eine Vielzahl an entsprechenden Sensoren eingelagert aufweisen.

Eine Unterstützung der Regenerierung des Partikelfilters erfolgt durch eine katalytisch wirkende Beschichtung des Partikelfilters. Dieses erlaubt, daß im Partikelfilter selbst exotherme Energie freigesetzt wird und diese sich über den Partikelfilter ausbreiten kann. Beispielsweise kann zuerst ein mittlerer Bereich des Partikelfilters eine für eine Regenerierung ausreichende Temperatur aufweisen. Durch Wärmeweitergabe können anschließend die weiter außen liegenden Bereiche des Partikelfilters ebenfalls die zur Regenerierung notwendige Temperatur erhalten. Die katalytisch wirkende Beschichtung beschleunigt die Regenerierung und setzt die exotherme Energie im Bereich der Rußpartikel selbst frei. Dieses vermindert Wärmeverluste, wie sie beispielsweise bei Freisetzung der exothermen Energie stromaufwärts vom Partikelfilter vorliegen können.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß dem Partikelfilter stromaufwärts ein Oxidationskatalysator vorgeordnet ist. Der Oxidationskatalysator ist in der Lage, das reaktive Gas umzusetzen und dadurch die Temperatur des Abgases auf ein Temperaturniveau anzuheben, das für eine Regenerierung des Partikelfilters ausreichend ist. Dieses erlaubt beispielsweise, daß eine Abgastemperatur, die nach dem Oxidationskatalysator gemessen wird, gegenüber einer Abgastemperatur gemessen vor dem Oxidationskatalysator höher ist. Insbesondere kann dadurch schneller eine Zündtemperatur des Rußes erreicht werden. Das erlaubt beispielsweise die Regenerierung im Partikelfilter zu initiieren. Vorzugsweise erfolgt die Regenerierung des Parti kelfilters in Korrelation mit dem Regelverhalten des Oxidationskatalysators und der Gemischbildung der Brennkraftmaschine über die Lambda-Steuerung. Auch erlaubt die Zusetzung des reaktiven Gases, insbesondere von H₂, dass die light-off-Temperatur sehr zügig erreicht wird, auch wenn das System aufgrund von Umgebungsbedingungen auf Minustemperaturen beispielsweise aufgrund längerer Standzeiten abgekühlt ist.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß für unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine unterschiedliche Maßnahmen zur Regeneration des Partikelfilters am Kraftfahrzeug integriert sind. Dieses erlaubt, je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine die geeignete Maßnahme auswählen zu können. Beispielweise können Maßnahmen vorgesehen sein, wie sie in dem weiter oben aufgeführten Stand der Technik angeführt und näher erläutert sind. Auf diese Techniken wird im Rahmen dieser Offenbarung ausdrücklich verwiesen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen zeigen die nachfolgende Zeichnung. Die dort dargestellten Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können diese beispielsweise mit den weiter oben beschriebenen Ausgestaltungen zu Weiterbildungen zusammengeführt werden, die nicht näher erläutert sind. Es zeigen:
1 eine Prinzipsskizze einer Reinigungsvorrichtung eines Partikelfilters einer Dieselbrennkraftmaschine,
2 eine weitere Prinzipsskizze einer zweiten Reinigungsvorrichtung,
3 eine Weiterbildung der zweiten Reinigungsvorrichtung aus 2 mit einem Bypaßsystem,
4 eine dritte Reinigungsvorrichtung,
5 ein Diagramm, aus dem der Ablauf einer Regeneration eines Partikelfilters beispielhaft hervorgeht,
6 ein zweites Diagramm, aus dem eine beispielhafte Betriebsweise einer Lambda-Sonde im Zusammenspiel mit einem Partikelfilter hervorgeht, und
7 einen Katalysatorwirkungsgrad über der Temperatur in Abhängigkeit von dem verwendetem Gas.
1 zeigt eine Prinzipsskizze einer ersten Reinigungsvorrichtung 1. Eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Dieselbrennkraftmaschine 2, weist eine Abgasleitung 3 auf, über die ein Abgasstrom 4 von der Dieselbrennkraftmaschine 2 weggeführt wird. In der Abgasleitung 3 ist eine Einspritzmündung 5 angeordnet, über die ein reaktives Gas 6 in die Abgasleitung 3 zugeführt wird. Das reaktive Gas 6 vermischt sich mit dem Abgasstrom 4 und strömt weiter entlang der Abgasleitung 3. Die Einspritzmündung 5 wird beispielsweise in einem Winkel zur Abgasleitung 3 eingebaut, der eine gute Durchmischung des reaktiven Gases 6 mit dem Abgasstrom 4 ermöglicht. Die Einspritzmündung 5 kann insbesondere eine Auffächerung des einströmenden reaktiven Gases 6 bewirken. Das reaktive Gas 6 wird aus einer Vorrichtung, insbesondere einem Reformer 7, zur Verfügung gestellt, wobei der Reformer beispielsweise eine Dosiereinrichtung 8 aufweist. Über eine nicht näher dargestellte Regel- bzw. Steuerungseinrichtung wird in Abhängigkeit von zumindest einem Zustand des Partikelfilters 12 ein Einströmen des reaktiven Gases 6 in die Abgasleitung 3 kontrolliert. Dem Reformer 7 wird beispielsweise über eine Kraftstoffleitung 9 Kraftstoff zugeführt, der in einem, im Kraftfahrzeug angeordnetem Kraftstofftank 10 mitgeführt wird. Der Kraftstofftank 10 kann beispielsweise ein Dieselkraftstofftank sein. Weiterhin kann der Kraftstofftank 10 auch für die Speicherung eines Gases, insbesondere von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas wie Methan, Propan oder ähnlichem ausgelegt sein. Dieses erlaubt beispielsweise, ohne einen Reformer 7 direkt das hochreaktive Gas 6 über die Einspritzmündung 5 in die Abgasleitung 3 zugeben zu können. Wird insbesondere flüssiger Kraftstoff verwendet, wird dieser vorzugsweise mittels des Reformers 7 aufbereitet. Dafür notwen dige Medien wie beispielsweise Luft werden über zusätzliche Leitungen, wie beispielsweise einer Luftzufuhr 11, zum Reformer 7 zugeführt. Der Zumischung des reaktiven Gases 6 zum Abgasstrom 4 stromabwärts nachgeordnet ist ein Partikelfilter 12 angeordnet, der gestrichelt schematisiert dargestellt ist. Der Partikelfilter 12 weist vorzugsweise eine Beschichtung auf, die eine katalytische Oberfläche bildet. Die katalytische Oberfläche ist in der Lage, das Gemisch aus reaktivem Gas 6 und dem Abgasstrom 4 unter Wärmefreisetzung im Partikelfilter 12 derart umzusetzen, daß eine Regeneration des Partikelfilters 12 erfolgt. Das reaktive Gas 6 nutzt dabei den im Abgasstrom 4 vorhandenen Sauerstoff während der katalytischen Reaktion. Der Partikelfilter 12 kann als Beschichtung neben einer Oxidationsbeschichtung eine zusätzliche Funktion als Denoxfilter aufweisen. Weiterhin weist der Partikelfilter 12 vorzugsweise zumindest einen Sensor 13 auf. Der Sensor 13 ist beispielsweise ein Temperaturfühler, über die entsprechende, das Abgas bzw. den Partikelfilter 12 kennzeichnende Parameter aufgenommen und umgesetzt werden können.
Alternativ zum gestrichelt angedeuteten Partikelfilter 12 ist in 1 versetzt dazu eine Vorrichtung aus einem Oxidationskatalysator 14 und einem Partikelfilter 12 angeordnet. Der Oxidationskatalysator 14 ist in der Lage, das durch ihn hindurchströmende Abgas katalytisch umzusetzen, so daß die Abgastemperatur auf eine, für eine Regeneration des Partikelfilters ausreichende Temperatur angehoben wird. Eine derartige Trennung hat den Vorteil, das die light-off-Temperatur des Oxidationskatalysators 14 zur Umsetzung weiterer Abgaskomponenten früher erreicht wird. Insbesondere hat eine derartige Anordnung den Vorteil, daß schon auf ein für die Regenerierung ausreichendes Temperaturniveau aufgeheiztes Abgas auf den Partikelfilter 12 auftrifft. Dadurch läßt sich vermeiden, daß ein stromaufwärts gelegener Bereich mit einem geringerem Temperaturniveau angeströmt wird als ein nachfolgender Bereich des Partikelfilters 12, bei dem schon eine exotherme Wärmezufuhr durch katalytische Umsetzung des Abgases im Par tikelfilter 12 eingesetzt hat. Im übrigen wird bezüglich des Aufbaus, die Anordnung, die Beschichtung wie auch bezüglich zusätzlicher Vorrichtungen wie Katalysatoren, Meßstellen und ähnlichem auf die DE 199 599 55 A1 , die DE 199 55 324 A1 , die DE 101 53 284 A1 , die DE 101 53 283 A1 und die DE 101 18 327 A1 verwiesen, deren diesbezüglicher Inhalt voll umfänglich zur vorliegenden Offenbarung gehört.
Dem Partikelfilter 12 in 1 nachgeordnet ist ein zweiter Sensor 15, beispielsweise eine Lambdasonde, im Abgasstrang 16. Die vom zweiten Sensor 15 aufgenommene Parameter bezüglich des gefilterten Abgases 17 können mittels einer nicht näher dargestellten Überwachungseinrichtung, insbesondere einer Motorsteuerung, im Zusammenspiel mit dem vom Sensor 13 aufgenommenen Parameter ausgewertet werden, um eine Regelungsstrategie für zumindest die Regenerierung des Partikelfilters 12 zu erhalten. Eine erste Regelstrategie sieht beispielsweise vor, daß der Partikelfilter 12 bei einem Ereichen eines spezifischen Druckgefälles über den Partikelfilter 12 durch Zugabe des reaktiven Gases 6 gereinigt wird. Gemäß einer weiteren Regenerierungsstrategie wird zeitabhängig eine Initiierung der Regeneration ausgelöst. Eine weitere Strategie sieht vor, daß die Regenerierung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgasstromes 4 bzw. des gefilterten Abgases 17. Die einzelnen Strategien können miteinander verbunden sowie durch ein oder mehrere, andere hier nicht näher aufgeführte Regelungsstrategien ergänzt werden.
2 zeigt eine zweite Reinigungsvorrichtung 18. Die in 2 mit den Elementen aus 1 übereinstimmenden, schon erwähnten Bauteile weisen nachfolgend die gleichen Bezugszeichen auf. Die zweite Reinigungsvorrichtung 18 weist eine Vorrichtung, insbesondere den Reformer 7, in die Abgasleitung 3 integriert auf. Vorzugsweise wird der Reformer 7 beispielsweise mittig in der Abgasleitung 3 angeordnet. Dadurch gelingt es, eine gleichmäßige Anströmung um den Reformer 7 herum zu erhalten. Der Abgasstrom 4 umströmt den Reformer 7 ent lang seines Umfanges. Dieses ermöglicht einerseits, daß bei einer Erzeugung des reaktiven Gases 6 Wärmeverluste des Reformers 7 reduziert werden können. Die vom Reformer 7 abgegebene Wärme wird an den Abgasstrom 4 übergeben, und dient damit zur zusätzlichen Aufheizung des Abgasstromes. Wird beispielsweise eine Reformierung mittels partieller katalytischer Oxidation durchgeführt, dient der Abgasstrom 4 wiederum zur Abkühlung des Reformers 7. Dadurch wird vermieden, daß dieser sich überhitzt. Vorzugsweise weist der Umfang des Reformers 7 zumindest teilweise eine für die Wärmeabgabe gestaltete Oberflächenstruktur auf. Dieses können beispielsweise Leitflächen oder andere, die Umfangsoberfläche vergrößernde Maßnahmen sein. Weiterhin weist eine Anordnung des Reformers 7 in der Abgasleitung 3 die Möglichkeit einer speziellen Ausrichtung der Einspritzmündung 5 auf. Die Einspritzmündung 5 kann insbesondere zumindest annähernd ein zur Abgasleitung 3 achsparalleles Einspritzen des reaktiven Gases 6 ermöglichen. Auf diese Weise gelingt es beispielsweise, einen bestimmten Bereich des nachfolgenden Partikelfilters 12 bzw. Oxidationskatalysators 14 bevorzugt mit dem reaktiven Gas 6 anzuströmen. Dieses kann beispielsweise ein, bezogen auf den Querschnitt des stromabwärts folgenden Bauteils, mittlerer Bereich sein.
3 zeigt in schematischer Ansicht die zweite Reinigungsvorrichtung aus 2 in Ergänzung mit einem Bypaßsystem 19. Die Abgasleitung 3 weist eine Ableitung 20 des Bypaßsystems auf. Mittels eines Bypaßstellmittels 21, beispielsweise in Form einer Abgasklappe, kann vom Abgasstrom 4 ein Abgasteilstrom 22 in die Ableitung 20 geführt werden. Der Abgasteilstrom 22 wird bei der dargestellten Ausgestaltung um den Partikelfilter 12 wie auch um die Einspritzmündung 5 herum geführt. Stromabwärts vom Partikelfilter 12 wird der Abgasteilstrom 22 wieder zu dem gefilterten Abgas 17 zugeführt. Eine beispielhafte Nutzung des Bypaßsystems 19 sieht beispielsweise wie folgt aus: Um einen Wärmetransport aus dem Partikelfilter 12 heraus während einer Aufheizphase zur Initiierung der Regeneration zu reduzieren, wird zu Beginn einer Regenerationsphase das Bypaßstellmittel 21 so geschaltet, daß nur noch ein geringer Abgasstrom 4 aufgeheizt werden muß, der den Partikelfilter 12 durchströmt. Der Abgasteilstrom 22 wird vom Abgasstrom 4 durch das Bypaßstellmittel 21 hierfür abgetrennt.
Die Regenerationsphase wird beispielsweise dadurch begonnen, daß das reaktive Gas 6 in die Abgasleitung 3 eingeführt wird. Eine weitere Möglichkeit des Starts der Regenerationsphase besteht beispielsweise darin, wenn dieses unterstützt wird durch eine elektrische Beheizung zumindest eines Bereiches des Partikelfilters 12. Vorzugsweise wird das Bypaßstellmittel 21 derart geschaltet, daß der abgetrennte Abgasteilstrom 22 einen größeren Volumenstrom aufweist, als der in der Abgasleitung 3 verbliebene Abgasstrom 4. Durch Veränderung des Bypaßstellmittels 21 besteht die Möglichkeit einer Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Abgasteilstrom 22 und dem verbliebenem Abgasstrom 4. Insbesondere gelingt es dadurch, eine an die jeweilige Regenerierung angepaßte Volumenstromaufteilung des Abgases ausführen zu können.
Vorzugsweise wird nach einer Initiierung der Regeneration des Partikelfilters 12 der Abgasteilstrom 22 immer weiter verringert, bis schließlich das Bypaßstellmittel 21 die Ableitung 20 verschließt. Zu diesem Zeitpunkt fließt der gesamte Abgasstrom 4 durch den Partikelfilter 12. Der Abgasteilstrom 22 wird vorzugsweise deswegen in die Ableitung 20 geführt, damit ein zu starker Wärmetransport aus dem Partikelfilter 12 heraus verhindert wird. Ein zu starker Wärmetransport würde eine Regeneration des Partikelfilters 12 eventuell behindern. Weiter ermöglicht das Abtrennen des Abgasteilstromes 22 eine schnellere Aufheizphase des verbliebenen Abgasstromes 4 und damit des Partikelfilters 12 bis zu einer Initiierung der Regeneration. Die nach der Initiierung der Regeneration entstehende exotherme Energie wird bei reduziertenm Abgasstrom 4 über die Wandung des Partikelfilter 12 weitergeleitet, so daß die bei der Rußoxidation frei werdende Wärme zusätzlich zur Regenerierungsunterstützung genutzt wird. Während der Regenerierung wird diese vorzugsweise überwacht. Dieses ermöglicht beispielsweise, daß eine kritische Temperatur des Partikelfilters 12 detektierbar ist. In einem derartigen Falle kann das Bypaßstellmittel 21 genutzt werden, um den Abgasteilstrom 22 zu verringern. Dadurch strömt ein höherer Abgasstrom 4 durch den Partikelfilter 12. Dieser führt eine größere Wärmemenge ab, wodurch der Partikelfilter 12 in einen sicheren Bereich unterhalb der kritischen Temperatur abgekühlt wird.
Während einer Regenerierung des Partikelfilters 12 besteht somit die Möglichkeit, beispielsweise während der gesamten Regenerierung einen Abgasteilstrom 22 am Partikelfilter 12 vorbeizuführen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dieses nur zur Einleitung der Regenerationsphase auszuführen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Abgasteilstrom 22 entsprechend der Bedürfnisse der Regenerierung entsprechend aufgenommener Parameter zu variieren, zum Beispiel zwischen vollständiger Umleitung sowie teilweiser Umleitung wie auch keiner Umleitung. Zumindest ein, den Partikelfilter charakterisierender, Parameter kann beispielsweise mittels des Sensors 13 aufgenommen werden. Der Sensor 13 kann beispielsweise ein Temperaturfühler oder sonstiges sein. Gemäß einer Weiterbildung ist der Sensor 13 ein Temperaturfühler, während der nachfolgende zweite Sensor 15 eine Lambdasonde ist. Eine Funktionsweise einer möglichen Regenerierung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Diagramme in 5 und 6 beschrieben.
4 zeigt in schematischer Ansicht eine dritte Reinigungsvorrichtung 22. Die dritte Reinigungsvorrichtung 22 weist wiederum ein mittig in der Abgasleitung 3 angeordneten Reformer 7 auf. Das Kraftfahrzeug, in dem die Dieselbrennkraftmaschine 2 angeordnet ist, weist eine zusätzliche Kraftquelle 23 auf. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Hybridfahrzeug, bei dem zwischen unterschiedlichen Antriebskonzepten um- und/oder zugeschaltet werden kann. Die Kraftquelle 23 beispielsweise kann eine Brennstoffzelle oder eine APU (Auxilia ry Power Unit) sein, auf die im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges umgestellt wird. Eine ausreichende Energieversorgung der Brennstoffzelle oder der APU wird über eine Reformierung erzielt, bei der Wasserstoff gewonnen wird. Dieser Wasserstoff kann einerseits für die Brennstoffzelle selbst, andererseits zur Regenerierung des Partikelfilters 12 genutzt werden.
Die in 4 als Reformer 7 dargestellte Vorrichtung zur Einspritzung des reaktiven Gases 6 weist vorzugsweise eine Art Strahlpumpe 24 auf. Das reaktive Gas 6 wird in ein Mischteil eingespritzt, in das über Eintrittsöffnungen ein Teil des Abgasstromes 4 in den Mischbereich eintritt und sich dort mit dem reaktiven Gas 6 vermischt. Dieses Gemisch wird dem Partikelfilter 12 vorzugsweise in einem mittleren Bereich zugeführt, der sich dadurch aufgrund der frei werdenden exothermen Energie sofort zur Regenerierung aufheizt. Die Regenerierung erfolgt auf diese Weise sehr schnell in einem Teilbereich des Partikelfilters 12. Durch eine mögliche Steuerung des Gemisches aus reaktivem Gas 6 und dem Abgasstrom 4 können durch entsprechende Umlenkung unterschiedliche Bereich des Partikelfilters 12 angeströmt und damit die Regenerierung initiiert werden. Gemäß der dargestellten Weiterbildung der dritten Reinigungsvorrichtung 22 wird auf diese Weise die Möglichkeit eröffnet, auf ein Bypass-System zu verzichten. Dieses kann optional jedoch auch bei der dritten Reinigungsvorrichtung 22 vorgesehen sein.
5 zeigt ein Diagramm zum möglichen Ablauf einer Regeneration des Partikelfilters. Auf der Y-Achse ist die Temperatur des Filters T_F sowie der Lambda-Wert nach dem Partikelfilter L_nF aufgetragen. Auf der X-Achse ist die Zeit aufgetragen. Das Diagramm zeigt ein beispielhaftes Funktionsprinzip einer Lambda-kontrollierten Partikelfiltergeneration. Dieses kann beispielsweise mit einem der vorbeschriebenen Verfahren bzw. Reinigungsvorrichtungen ausgeführt werden.
Nach Einleitung der Regenerationsphase zum Zeitpunkt t₁ steigt durch die Zugabe des reaktiven Gases, das beispielsweise eine oder mehrere Reaktivkomponenten aufweisen kann, die Temperatur im Partikelfilter an. Dabei sinkt das Verbrennungs-Luft-Verhältnis Lambda, was sich als Abfall ab dem Zeitpunkt t₁ bemerkbar macht. Die Temperatur des Partikelfilters steigt bis zum Zeitpunkt t₂ an. Zu diesem Zeitpunkt weist der Partikelfilter eine Temperatur T_F auf, die mit einer Temperatur T_Z zur Zündung der Rußpartikel übereinstimmt. Vorzugsweise wird parallel zum Ansteigen der Temperatur das Lambda-Verhältnis derart gesteuert bzw. geregelt, daß der Wert von Lambda noch deutlich über 1 liegt. Zumindest bis zum Zeitpunkt t₂, vorzugsweise bis zum Zeitpunkt t₃, liegt daher im Partikelfilter bzw. danach ein Sauerstoffüberschuß vor. Vorzugsweise sinkt der Lambda-Wert erst ab dem Zeitpunkt t₃ auf einen Wert unterhalb von 1 ab. Insbesondere im Zeitraum t₂ bis t₃ zu Beginn der Initiierung der Regeneration kann ein starker Temperaturanstieg auftreten. Dieses begründet sich durch die eventuell exponential ansteigende freigesetzte thermische Energie. Gemäß einer Weiterbildung wird daher vorgesehen, daß bei einem Erreichen einer kritischen Temperatur T_k des Partikelfilters, wie zum Zeitpunkt t₃ dargestellt, beispielsweise die Menge des reaktiven Gases schlagartig erhöht wird. Dadurch gelingt es, daß der Rest-Sauerstoffgehalt im Abgas abgesenkt wird. Die Rußoxidation im Partikelfilter wird aufgrund des dadurch verknappten Sauerstoffes abgebremst. Die freigesetzte Energie reduziert sich, wodurch die weiter durchströmenden Abgase eine höhere Wärmemenge abführen im Vergleich zu der gleichzeitig freigesetzten Wärmemenge.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgesehen, daß zusätzlich durch ein entsprechendes Schalten des Bypass-Systems und damit des Bypass-Stellmittels der durch den Partikelfilter strömende Abgasstrom entweder erhöht wird, um einen erhöhten Wärmeabtransport aus dem Partikelfilter zu erzielen. Der Abgasstrom, der durch den Partikelfilter strömt, kann jedoch auch abgesenkt werden, um beispielsweise ein Anfetten des durch den Partikelfilter strömenden Abgases zu erzielen. Vor der Zuführung des reaktiven Gases wird beispielsweise der Abgasteilstrom abgeführt. Der verbliebene Abgasstrom wird dadurch bei gleichem Volumenstrom des reaktiven Gases angefettet. Sinkt die Filtertemperatur T_F wieder unter einen unteren Schwellwert, wird beispielsweise eine Zufuhr des reaktiven Gases wieder verringert. Dadurch steigt der Sauerstoffgehalt im Abgasstrom an. Die Rußoxidation kann dann wieder vermehrt durchgeführt werden. Eine derartige, beispielsweise Lambdakontrollierte Partikelfilterregeneration erfolgt vorzugsweise so lange, bis eine vollständige Regeneration des Partikelfilters gewährleistet ist. Dieses ist beispielsweise in 5 zum Zeitpunkt t₄ erzielt. Aufgrund der Umsetzung der Partikel sinkt die freiwerdende exotherme Energie immer mehr ab. Dadurch nimmt bei ansteigendem Abgasstrom durch den Partikelfilter die Temperatur des Partikelfilters immer mehr ab, bis sie sich beispielsweise einer Temperatur annähert, wie sie zum Zeitpunkt t₁ vorlag. Dieses ist detektierbar.
6 zeigt beispielhaft ein zweites Diagramm, aus dem ein Zusammenspiel einer Lambda-Sonde mit dem Partikelfilter im Rahmen einer Regenerierung hervorgeht. Beispielsweise ist die Lambda-Sonde hinter dem Partikelfilterstrom angeordnet. Die Lambda-Sonde wird dazu genutzt, um zumindest einen Regenerationsbeginn bzw. ein Regenerationsende der Regenerierung des Partikelfilters zu ermitteln. Dazu wird das Lambda-Signal aufgenommen und über eine geeignete Auswerteeinrichtung, beispielsweise in einem Steuergerät, zu entsprechenden Stellsignalen bzw. Regelgrößen umgewandelt, mittels denen beispielsweise der Abgasstrom, das reaktive Gas, das Bypass-System oder ähnliches zur Beeinflussung der Partikelfiltertemperatur geregelt bzw. gesteuert werden können. Auch kann darüber eine oder zusätzliche Maßnahmen angestoßen werden, die eine beispielsweise Initiierung der Regenerierung des Partikelfilters wie auch eine anschließende weitere Rußpartikeloxidation unterstützen. Das Lambda-Signal wird vorzugsweise permanent oder getaktet aufgenommen. Wird festgestellt, daß das Lambda- Signal nach dem Partikelfilter abfällt, kann darauf auf ein Erreichen der Rußzündtemperatur zum Zeitpunkt t₂ geschlossen werden. Dieses verdeutlicht sich darin, daß der Lambda-Wert vor dem Partikelfilter L_vF einen höheren Wert aufweist, als der Lambda-Wert nach dem Partikelfilter L_nF. Dieser Signalunterschied kann genutzt werden, um Aufschluß zu erhalten über den Fortgang der Regenerierung. Steigt der Lambda-Wert und damit der Sauerstoffgehalt wieder an, beispielsweise bis zum Zeitpunkt t₄, kann daraus darauf geschlossen werden, daß die Regenerierung des Partikelfilters abgeschlossen ist. Dadurch kann ein Signal ausgelöst werden, wodurch ein Zufluß von reaktivem Gas gestoppt wird. Der Lambda-Wert erhöht sich daraufhin beispielsweise am Zeitpunkt t₄ wieder auf einen Wert, wie er zu Beginn der Initiierung t₁ im Leerlauf durch Zuführung von reaktivem Gas bestand.
7 zeigt auf der Y-Achse einen Umsetzungs-Wirkungsgrad für den möglichen Betrieb eines Oxidationskatalysators wie auch eines Partikelfilters mit katalytischer Beschichtung in Bezug zur Temperatur, die auf der X-Achse aufgetragen ist. wie aus dem Diagramm zu entnehmen ist, reichen schon niedrige Temperaturen aus, um bei Nutzung von H₂ eine hohe Umsatzrate mit entsprechender Wärmefreisetzung (exothermer Prozeß) zu erzielen, insbesondere um eine Initiierung der Partikelfilterregenerierung zu erzeugen. Für andere Moleküle sind höhere Temperaturen notwendig, um eine Initiierung der Partikelfilterregenerierung zu erzielen. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, daß das reaktive Gas schon bei einer Temperatur von 200°C in der Lage ist, eine Regenerierung des Partikelfilters zu initiieren.
Weiterhin ist aus 7 zu entnehmen, daß durch die Nutzung eines reaktiven Gases dessen Partikelreinigungswirkung bei einer tieferen Temperatur einsetzt, als diejenige von zum Beispiel im Abgas enthaltenen und genutzten CO und/oder HC. Insbesondere erlaubt dieses, daß aufgrund der Zugabe eines reaktiveren Gases als von CO oder HC allein die Abgastempera tur derart angehoben wird, daß eventuell eine katalytische Umsetzung („light-off") von CO und HC im Abgas gegenüber einem Abgas ohne eine derartige reaktive Gasanreicherung früher beginnt. Durch die Zuführung von Wasserstoff erfolgt eine Temperaturanhebung. Von diesem Temperaturniveau aus ist beispielsweise nur noch ein geringer zusätzlicher Temperaturanstieg notwendig, um eine „Light-off"-Temperatur des Katalysators für eine Umsetzung von zum Beispiel CO und HC zu erreichen. Bei einem Start, insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine kann dadurch eine zeitliche Verkürzung der Zeitspanne erzielt werden, bis zu der der Katalysator mit seiner katalytischen Umsetzung beginnt.

Claims

Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters (12) einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeuges durch dosierte Zugabe eines reaktiven Gases (6) in eine Abgasleitung (3), die zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Partikelfilter (12) verläuft, bei einer Abgastemperatur unterhalb der Regenerationstemperatur des Partikelfilters (12) zur Initiierung einer Reaktion der Partikel.
Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters (12) einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeuges durch Zugabe eines dosierten reaktiven Gases (6) in eine Abgasleitung (3), die zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Partikelfilter (12) verläuft, wobei das reaktive Gas (6) vor der Zugabe aus dem im Kraftfahrzeug mitgeführten Treibstoff reformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Gas (6) dosiert im Leerlaufbetrieb und/oder im Niedriglastbetrieb der Brennkraftmaschine (2) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im überwiegenden Betriebsbereich, vorzugsweise im gesamten Betriebsbereich das reaktive Gas dosiert zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer Abgastemperatur von 200°C das reaktive Gas (6) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als reaktives Gas (6) Wasserstoff in einem Reformer (7) erzeugt wird, das vor dem Partikelfilter (12) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einstellbarer Anteil des von der Brennkraftmaschine (2) abgegebene Abgasstroms (4) zumindest unmittelbar vor einer Initiierung der Regeneration des Partikelfilters (12) am Partikelfilter (12) vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Partikelfilters (12) zumindest während der Regeneration ermittelt wird und in Abhängigkeit von dieser Temperatur eine Beeinflussung des den Partikelfilter (12) durchströmenden Abgasstromes erfolgt, insbesondere eine Zugabe des reaktiven Gases (6) zur Abkühlung des Partikelfilters (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des reaktiven Gases (6) in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Temperaturfenster während der Regeneration des Partikelfilters (12) erhöht oder vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Temperatur des Partikelfilters (12) der einstellbare Anteil des am Partikelfilter (12) vorbeigeleiteten Abgasteilstromes verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Gas (6) zumindest Wasserstoff und CO als reaktive Gaskomponenten aufweist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) für einen Partikelfilter (12) einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs mit einer Abgasleitung (3), die zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Partikelfilter (12) angeordnet ist, die zumindest eine Einspritzmündung (5) für ein reaktives Gas (6) aufweist, wobei die Einspritzmündung (5) in leitungsgebundener Verbindung mit zur mittels einer Dosiereinrichtung (8) steuerbaren Einspritzung des reaktiven Gases (6) mitgeführtem Kraftstoffes steht, der in einem wiederbefüllbaren Kraftstofftank (10) des Kraftfahrzeugs gespeichert ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformer (7) zur Erzeugung des reaktiven Gases (6) zwischen der Einspritzmündung (5) und dem Kraftstofftank (10) zwischengeschaltet ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (7) zur Anströmung mit einem Abgasstrom (4) zumindest teilweise in der Abgasleitung (3) angeordnet ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasssystem eine Ableitung (20) von der Abgasleitung (3) stromaufwärts von der Einspritzmündung (5) aufweist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung (20) stromabwärts vom Partikelfilter (12) in die Abgasleitung (3) mündet.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung zur Anpassung einer Partikelfiltertemperatur vorhanden ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung zur Erfassung eines Regenerationsbeginns und/oder Regenerationsendes vorhanden ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (12) eine katalytisch wirkende Beschichtung aufweist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (12) eine De-Nox-Beschichtung aufweist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Partikelfilter (12) stromaufwärts ein Oxidationskatalysator (14) vorgeordnet ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung auf Hot-Spots im Partikelfilter vorgesehen ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass diese in eine Auswahl aus verschiedenen Maßnahmen zur Regeneration des Partikelfilters (12) am Kraftfahrzeug integriert ist.
Reinigungsvorrichtung (1; 18; 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine APU vorgesehen ist, von der das regenerative Gas (6) zugeführt werden kann.