DE4241571A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere mit Dieselkraftstoffen betriebene Motoren (im folgenden kurz Dieselmotoren genannt) erzeugen Partikel, insbesondere Rußpartikel, enthaltendes Abgas. Zur Verhinderung des Ausstoßes dieser Partikel werden in die Abgasleitungen Filteranordnungen eingesetzt, die unter anderem einen sogenannten Keramikmonolithen, in dem die Partikel aufgehalten werden, enthalten. Da sich die Poren oder Öffnungen in der Filteranordnung im Laufe der Zeit zusetzen können und dadurch den Abgasgegendruck erhöhen, müssen die Filter gereinigt werden, was auf unterschiedliche Weise erfolgen kann. Eine bekannte Filteranordnung umfaßt zur Reinigung einen Brenner, der bei Erreichen einer bestimmten Beladung der Filteranordnung mit Partikeln und dadurch bedingt bei Erreichen eines bestimmten Gegendrucks in der Abgasleitung gezündet wird und die Partikel abbrennt. Zur Messung des Druckes besitzt die Filteranordnung an ihren Abgas-Eingangsstutzen einen Drucksensor, dessen Signale ausgewertet werden, so daß der Brenner gezündet wird.

Wenn eine solche Filteranordnung beispielsweise in einem Lastkraftwagen eingebaut ist, dann kann die Filteranordnung während des Betriebes des Lastkraftwagens gereinigt werden, wobei keine größeren Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Abgasgegendruck konstant zu halten. Es genügt, wenn der Gegendruck einen bestimmten Maximalwert nicht überschreitet. Wenn eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise ein Dieselmotor, in einem Prüfstand getestet wird, dann ist es notwendig, daß zur Erzielung einer Reproduzierbarkeit der Meßwerte bestimmte Parameter immer konstant gehalten werden, wobei schon kleinste Schwankungen dieser Parameter zu vermeiden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem insbesondere der Abgasgegendruck exakt konstant gehalten wird. Weiterhin soll eine Einrichtung angegeben werden, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Durch das Vorsehen der Drosselklappe in der Abgasleitung und durch die geeignete Ansteuerung auf Grund des in der Abgasleitung gemessenen Druckes kann durch Veränderung der Stellung der Drosselklappe der Druck in der Abgasleitung je nach Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine auf einem konstanten Wert gehalten werden. Die Anordnung ist so einstellbar, daß beispielsweise bei einer bestimmten Drehzahl der Abgasgegendruck auf einem Wert von plus/minus 10 mbar konstant gehalten wird. Wenn bei gereinigter Filteranordnung der Abgasgegendruck nur Δp = 20 mbar beträgt, der geforderte Abgasgegendruck aber 40 mbar betragen soll, dann wird die Drosselklappe soweit in geschlossene Stellung gefahren, bis der geforderte Abgasgegendruck von 40 mbar erreicht wird. Verändert sich nun der Gegendruck durch Beladung der Filteranordnung mit Partikeln, steigt er also an, dann wird die Drosselklappe soweit geöffnet, bis der Gegendruck ausschließlich durch die Filteranordnung erzeugt wird, und wenn beispielsweise der maximal zulässige Gegendruck Δp = 60 mbar erreicht wird, wird der Brenner eingeschaltet, so daß die Filteranordnung frei gebrannt wird.

Der Gegendruck Δp ist natürlich eine Funktion von Last und Drehzahl; bei höherer Last und höherer Drehzahl ist der Sollgegendruck höher. Der Gegendruck Δp wird durch einen sogenannten PID-Regler abhängig von der Drehzahl gesteuert. Verändert wird dabei die Stellung der Drosselklappe.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Abgastemperatur zu messen, die allerdings im Betriebsbereich keinen nennenswerten Einfluß auf den Gegendruck Δp hat. Die Temperatur muß lediglich gemessen werden, um Testvergleiche zu ermöglichen. Bei sehr starken Temperaturschwankungen könnte allerdings die Dichte des Abgases und damit der Gegendruck Δp beeinflußt werden. Wie angedeutet, ist dies im Betriebsbereich praktisch nicht der Fall und zu vernachlässigen.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3.

Dabei bestehen mehrere Möglichkeiten: Bei großen Motoren können mehrere Filter parallel geschaltet werden, wobei sich die Abgasleitung in eine der Anzahl der Filteranordnungen entsprechende Anzahl von Leitungsabschnitten an einem Verzweigungspunkt aufteilt. In dem Abschnitt, der zwischen dem Motor und dem Teilungspunkt bzw. Verzweigungspunkt liegt, ist die Drosselklappe untergebracht. Es besteht auch die Möglichkeit, jedem Teilabschnitt zwischen dem Verzweigungspunkt und der Filteranordnung eine Drosselklappe zuzuordnen, wodurch dann eine geeignete Steuerung für die einzelnen Drosselklappen erforderlich wird; selbstverständlich müssen die Drosselklappen im wesentlichen gleichzeitig verstellt werden.

Bei kleinen Motoren, beispielsweise bei solchen, die eine Nennleistung von 5 kW abgeben, kann das Abgas der Motoren auf ein oder mehrere Filteranordnungen aufgegeben werden; hier ist selbstverständlich für jeden Kleinmotor eine Drosselklappe erforderlich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Verbesserungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden:

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Motor­ anordnung mit einer Filteranordnung,

Fig. 2 ein Diagramm des Gegendrucks Δp über der Motorlaufzeit und

Fig. 3 bis 5 drei unterschiedliche Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Ein stationärer Prüfstand ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Der Prüfstand umfaßt eine stationär einzubauende Verbrennungskraftmaschine 10, die als Dieselmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsvorgang erzeugt Abgase, die über eine Abgasleitung 11 einer Filteranordnung 12 zugeführt wird, in der das Abgas von Partikeln gereinigt wird; das gereinigte Abgas wird gemäß Pfeilrichtung P in die Umgebungsatmosphäre abgelassen. Die Filteranordnung 12 umfaßt einen Filter 13 sowie einen Brenner 14, der zur Reinigung des Filters 13 dient.

In der Abgasleitung 11 befindet sich in der Nähe des Motors 10 ein Drucksensor 15, mit dem der in der Abgasleitung 11 herrschende Druck gemessen wird. Dieser Druck wird als Δp, als Druckdifferenz zwischen dem Abgasgegendruck und dem Umgebungsdruck gemessen. Die durch den Drucksensor 15 erzeugten Signale werden über eine Signalleitung 16 einem Regler 17 zugeführt, in dem die gemessenen Werte Δp mit einem Solldruck Δp Soll verglichen werden. In Strömungsrichtung hinter dem Drucksensor 15 befindet sich eine Drosselklappe 18, die von einem Antrieb 19 (gestrichelt gezeichnet) aus einer geschlossenen in eine offene Stellung und zurück verstellt werden kann. Die Ansteuerung des Antriebes 19 erfolgt über eine Signalleitung 20, mit der der Antrieb 19 mit dem Regler 17 verbunden ist.

Die von dem Drucksensor 15 gemessenen Drucksignale können einem Steuergerät 21 zugeführt werden, mit dem ein Elektromagnetventil 22 angesteuert wird, welches sich in einer Brennstoffleitung 23 befindet, über die dem Brenner 14 Brennstoff zugeführt wird. Wenn der Druck in der Abgasleitung einen bestimmten Wert überschreitet, dann wird der Brenner 14 in Betrieb gesetzt, indem dem Brenner 14 Brennstoff und Brennluft zugeführt wird, wobei das Ventil 22 geöffnet wird. Ein Temperatursensor 24 überwacht den Brenner 14, um zu vermeiden, daß sich der Brenner überhitzt. Sowie der Brenner 14 eine zu hohe Temperatur besitzt, wird das Ventil 22 geschlossen. Zusätzlich ist im Filter 13 ein Temperatursensor 25 eingebaut, der die Temperatur des Filters 13 überwacht und bei zu hoher Temperatur, die beispielsweise durch Verbrennung der Partikel entstehen kann, eine Einrichtung ansteuert, die Löschmittel, beispielsweise Stickstoff oder dergleichen, in den Filter einbläst.

Es ist selbstverständlich, daß als Filteranordnung auch eine solche verwendet werden kann, bei der die Reinigung mittels anderer Mittel, beispielsweise mittels katalysatorisch oder andersartig wirkender Stoffe, durchgeführt wird. Anstatt dann den Brenner zu zünden, werden dem Filter bei Erreichen eines bestimmten maximalen Druckes Δp in der Abgasleitung 11 die genannten Stoffe zugeführt.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 soll anhand der Fig. 2 erläutert werden.

Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate der Druck Δp. Bis zu einem bestimmten Zeitpunkt t0 herrscht in der Abgasleitung 11 ein Druck Δp0, der durch die leicht geschlossene Drosselklappe 18 erzeugt wird. Beim Anfahren wird sich in dem Zeitabschnitt von t0 bis t1, immer noch bei leicht geschlossener Klappe, der Druck Δp auf den Sollwert Δp Soll erhöhen und ab dem Zeitpunkt t1 wird die Drosselklappe 18 entsprechend dem Druck Δp soweit verstellt, daß der Druckverlauf innerhalb der Abgasleitung 11 konstant bleibt. Dieser konstante Wert ist der Wert Δp Soll. Etwa zu dem Zeitpunkt t2 ist die Drosselklappe 18 vollständig offen und aufgrund der Beladung des Filters 13 steigt der Druck Δp an auf den Wert Δp max; bei Erreichen dieses Maximalwertes Δp max wird der Brenner 14 eingeschaltet und das Filter 13 soweit gereinigt, bis der zulässige Mindestdruck Δp0 erreicht ist; dies ist im Zeitpunkt t4 der Fall, und dann wird die Klappe 18 wieder soweit geschlossen, daß der Druck Δp Soll erreicht und eingehalten wird; dies ist beim Zeitpunkt t5 der Fall und die Drosselklappe 18 hält den Druck auf den Wert Δp Soll wieder konstant; der Vorgang, der zwischen dem Zeitpunkten t1 bis t5 abgelaufen ist, wiederholt sich danach.

Der Wert Δp Soll ist von der Drehzahl des Motors 10 gemäß der Formel:

Δp Soll = f (n)

abhängig mit
f ist gleich Funktion
n ist gleich Drehzahl des Motors 10.

Der Wert Δp Soll kann beispielsweise bei einer bestimmten Drehzahl 10 mbar betragen; der maximale Wert Δp max beträgt dann 60 mbar und der minimale Wert Δp0 40 mbar. Durch die Stellung der Drosselklappe 18 wird in jedem Fall der Minimalwert Δp0 eingehalten. Bis zum Erreichen dieses Minimalwertes Δp0, beispielsweise beim Anfahrvorgang des Motors, wird die Klappe 18 nahezu geschlossen gehalten.

Der Regler 17 ist ein sogenannter PID-Regler, mit dem die Stellung der Drosselklappe 18 gesteuert bzw. eingeregelt wird.

Die Fig. 3 zeigt einen Motor 30, dessen Abgasleitung 31 eine Drosselklappe 32 enthält. Hinter der Drosselklappe 32 befindet sich ein Verzweigungspunkt 33, in dem sich die Abgasleitung 31 in mehrere Teilabschnitte 34, 35, 36 . . . unterteilt, in denen sich Filteranordnungen 37, 38 und 39 befinden. Die Wirkungsweise bei dieser Anordnung nach Fig. 3 ist die gleiche wie diejenige gemäß Fig. 2.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist ein Motor 40 mit einer Abgasleitung 41 versehen, die sich an einem Verzweigungspunkt 42 in Teilabschnitte 43, 44 und 45 unterteilt. Selbstverständlich können auch mehr Leitungsabschnitte vorgesehen sein. In den einzelnen Leitungsabschnitten befindet sich je eine Drosselklappe 46, 47 und 48 und strömungsabwärts sind in den einzelnen Leitungsabschnitten 43, 44 und 45 Filterelemente 49a, 49b, 49c eingesetzt.

In der Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, bei der mehrere Motoren 50, 51 und 52 auf eine einzige Filteranordnung 53 geschaltet sind. In den Leitungsabschnitten 54, 55 und 56, die zwischen den Motoren 50 bis 52 und einem Verzweigungspunkt 57 liegen, befinden sich Drosselklappen 58, 59 und 60. Hinter dem Verzweigungspunkt 57 liegt ein Verzweigungsabschnitt 61 mit der Filteranordnung 53.

Die Drosselklappen 32, 46 bis 48 und 58 bis 60 werden in gleicher Weise angesteuert wie die Drosselklappe 18 der Fig. 1, so daß hier nicht näher darauf eingegangen werden muß.

Als Filter können natürlich alle Arten von Oberflächen- oder Tiefenfilter verwendet werden, bei denen die Reinigung durch Abbrennen erfolgt. Es können, wie oben erwähnt, auch andere Stoffe zur Reinigung vorgesehen werden, beispielsweise flüssige Katalysatoren. Wenn ein Brenner vorgesehen wird, dann werden die Partikel bei etwa 650 Grad verbrannt, und wenn flüssige Katalysatoren eingespritzt werden, dann kann sich die Zündtemperatur der angesammelten Partikel erniedrigen, so daß die Temperatur des Abgases zusammen mit dem flüssigen Katalysator ausreicht, um die Partikel aus den Filtern auszubrennen. Anstatt den oder die Brenner einzuschalten, würde dann die Steuerung des Spritzvorganges eingeleitet. Es ist auch eine Kombination von Brenner und katalytisch wirkendem Stoff möglich.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 ist im wesentlichen bei stationären Dieselmotorprüfständen zu verwenden. Selbstverständlich können alle Arten von Verbrennungskraftmaschinen, bei denen Abgase entstehen, in denen sich Partikel befinden, mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 bis 5 ausgestattet werden. Die erfindungsgemäße Zuordnung der Drosselklappe 18 bzw. der anderen Drosselklappen zu dem Drucksensor 15 ist deshalb erforderlich, weil zur Erzielung genauer Vergleichsmessungen und reproduzierbarer Meßwerte die Parameter, beispielsweise die Abgastemperaturen und insbesondere der Abgasgegendruck Δp eng begrenzt sind.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 bzw. Fig. 4 kann dann in zweckmäßiger Weise eingesetzt werden, wenn einem relativ leistungsstarkem Motor 30 bzw. 40 Filteranordnungen zugeordnet werden müssen, die für die Abgasmenge einzeln zu klein sind. Dann werden zweckmäßigerweise mehrere Filteranordnungen parallel geschaltet und die Drosselklappe so eingesetzt wie in Fig. 3 bzw. 4 angedeutet.

Die Anordnung gemäß Fig. 5 wird im wesentlichen bei sogenannten Kleinmotoren eingesetzt, bei denen jeder Motor 50, 51 und 52 beispielsweise 5 kW an Leistung abgibt. Selbstverständlich ist jedem Motor 50, 51 und 52 je eine Drosselklappe 58, 59 und 60 mit einem eigenen Regelsystem zugeordnet.

Zwar ist es bekannt, bei Kraftfahrzeugen, die mittels eines Dieselmotors betrieben werden, eine Filteranordnung vorzusehen; bei diesen Filteranordnungen sind aber keine Drosselklappen mit zugeordneten Drucksensoren und entsprechenden Regeleinrichtungen verwendet worden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Verbrennungskraftmaschine, deren Abgas mit wenigstens einer Filteranordnung in einer stationären Anlage, vorzugsweise in einer Prüfanlage, deren Abgas mit einer in einer Abgasleitung befindlichen, eine Reinigungseinrichtung aufweisenden Filteranordnung gefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Abgasleitung gemessen und eine in der Abgasleitung angeordnete, verstellbare Drosselklappe derart verstellt wird, daß der Druck in der Abgasleitung je nach Drehzahl und Last der Verbrennungskraftmaschine auf einem innerhalb enger Grenzen variabel, im wesentlichen also konstanten Druckwert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines vorbestimmten Druckwertes bei geöffneter Drosselklappe die Reinigungseinrichtung zur Reinigung der Filteranordnung in Betrieb gesetzt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, für wenigstens eine Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasleitung sich wenigstens eine Filteranordnung mit einer zugehörigen Reinigungsvorrichtung zur Reinigung der Filteranordnung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung wenigstens ein Drucksensor und wenigstens eine Drosselklappe vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (15) mit einer Regeleinrichtung (17) verbunden ist, mit der ein der Drosselklappe (18) zugeordneter Antriebsmotor (19) ansteuerbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer Verbrennungskraftmaschine (30) wenigstens zwei Filteranordnungen zugeordnet sind, die in jeweils einem Leitungsabschnitt (34, 35, 36) angeordnet sind, die an einem Verzweigungspunkt (33) von der Abgasleitung (31) abzweigen, und daß in der Abgasleitung (31) zwischen dem Motor (30) und dem Verzweigungspunkt (33) eine Drosselklappe und ein Drucksensor mit einem Regelsystem angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer Verbrennungskraftmaschine mindestens zwei Filteranordnungen (46, 47 und 48) zugeordnet sind, die in von einem Verzweigungspunkt (42) der Abgasleitung (41) abzweigenden Leitungsabschnitten (43, 44, 45) angeordnet sind, und daß in jedem Leitungsabschnitt (43, 44 und 45) je eine Drosselklappe mit einem Regelsystem angebracht ist, wobei der Drucksensor in der Abgasleitung (41) eingesetzt ist.

7. Einrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Verbrennungsmaschine (50, 51 und 52) einer Filteranordnung (53) zugeordnet ist, wobei in den den einzelnen Motoren zugeordneten Leitungsabschnitten (54, 55 und 56) je ein Drucksensor und eine Drosselklappe (58, 59 und 60) mit einem Regelsystem eingesetzt sind, und daß die Leitungsabschnitte (54, 55 und 56) auf einen Verzweigungspunkt (57) geschaltet sind, an dem eine Abgasleitung (61) anschließt, in der sich die Filteranordnung (53) befindet.