DE60112672T2

DE60112672T2 - Kontrolle der verbrennung bei der regeneration eines partikelfilters

Info

Publication number: DE60112672T2
Application number: DE60112672T
Authority: DE
Inventors: Matthias Bouchez; Jean-Baptiste Dementhon
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JP2003524106A; JP4364473B2; WO2001063103A1; DE60112672D1; EP1171696A1; FR2805174B1; FR2805174A1; EP1171696B1; US20020157383A1; KR20020005700A; US6655132B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Regeneration eines Systems zum Sammeln von kohlenstoffhaltigen Elementen wie einem Partikelfilter, eingesetzt in einem Gasströmungssystem, zum Beispiel jenem eines Verbrennungsmotors mit einer differentiellen Messung der Fettheit der Gase in den Grenzen des Filterelements.
Stand der Technik
Die Filterelemente erlauben es, die Partikel, die beim Auspuff eines Verbrennungsmotors ausgestoßen werden, mit großen Filtereffizienzen in der Größenordnung von 80% zu sammeln. Veranschaulichend können der keramische Monolith auf Cordieritbasis, gehandelt von der Gesellschaft Corning, oder der keramische Monolith, auf Siliziumkarbidbasis, gehandelt von der Gesellschaft Ibiden oder auch die Kartusche mit eingerollten keramischen Fasern genannt werden.
Die technische Schwierigkeit, die man für die Entwicklung und den Einsatz der Partikelfilter antrifft, besteht darin, dass sie periodisch durch Verbrennung der Rußabscheidung regeneriert werden müssen, um ein Verstopfen des Filterelements zu vermeiden, was schädlich für die Ausbeute des Motors sein wird und seinen guten Betrieb gefährden wird. Diese Verbrennung tritt manchmal natürlich auf, wenn die Temperatur der Gase, die den Filter durchqueren, ein ausreichendes Niveau erreichen, um die Oxidation der Partikel einzuleiten. Hingegen bleiben zum Beispiel die Temperaturniveaus, die man im Auspuff der Dieselmotoren antrifft, über einen sehr großen Betriebsbereich deutlich geringer als dass sie die Einleitung der Verbrennung der Ruße erlauben würden. Es ist daher notwendig, Einwirkungen einzusetzen, die es ermöglichen, die Regenerierung des Filters auszulösen.
Zahlreiche Techniken sind in dieser Richtung entwickelt worden. Sie können basiert sein auf Modifikationen der Parameter des Betriebs des Motors wie dem EGR-Grad (bzw. Abgasrückführungsgrad), die Aufladung, die Verzögerung des Einspritzens, die Ventilbetätigung beim Auslass, die Ventilbetätigung beim Einlass, sie können verbunden sein mit der Verwendung eines Oxidationskatalysators, der stromaufwärts des Filterelements angeordnet ist, gekoppelt mit einer Nacheinspritzung, oder sie können auch einen äußeren Energiezusatz einwirken lassen in das Auspuffgas oder auf dem Niveau des Filters mittels elektrischem Widerstands, Brenner, Mikrowellen, Plasma usw. Es ist dann notwendig, diese verschiedenen Vorrichtungen durch eine äußere Steuerung zu steuern, die durch den Rechner in Betrieb gestützt wird.
Das Auslösekriterium der Regenerierung des Filterelements kann die Variation des Gegendrucks oder der Druckabfall sein, gemessen in den Grenzen des Filterelements, der korreliert sein kann mit seinem Verschmutzungszustand durch die Ruße wie beschrieben in dem Patent FR 2.755.623 der Anmelderin. Dieses Verfahren zur Detektion genügt sehr gut einem stabilisierten Lauf. Die Messung des Gegendrucks erlaubt es auch, die Verbrennung der Ruße zu detektieren, die in dem Filterelement angesammelt sind, da er bei stabilisiertem Umlauf mit der Verbrennung der Kohlenstoffabscheidungen abfällt. Hingegen ist der Auspuff gegen Druck beträchtlichen Fluktuationen unterlegen, da die Bedingungen des Motors nicht stabilisiert sind (Temperatur, Luftdurchsatz usw.). Dies ist der Fall für einen Fahrzeugmotor, der unter gewöhnlichen Verkehrsbedingungen sehr häufig bei Übergangsdrehzahl (Beschleunigung, Bremsen) arbeitet. Das Beherrschen der Verschmutzung eines Filterelements unter Verwendung dieses Messtyps ist in der Praxis schwierig.
Das Auslösen der Regenergierungswirkung des Filterelements kann auch mittels einer Messung der Variation des elektrischen Widerstands gesteuert werden, der zwischen den Punkten gemessen wird, die entlang, des Filterelements beabstandet sind, welche Variation direkt verbunden ist mit seinem Verschmutzungszustand, wie beschrieben in dem Patent FR 2.760.531 der Anmelderin.
Die Regenerierung des Filters kann erleichtert werden durch Verwendung von Zusätzen im Treibstoff zum Beispiel auf Basis von organometallischen Elementen oder Seltenerden, welche sich in der Abscheidung der Ruße wieder finden und Katalyse der Oxidation der Ruße, was zu einer Absenkung der Verbrennungsstart Temperatur der Kohlenstoffabscheidung führt. Unter den meist verwendeten Produkten kann man nennen Cer, Strontium, eisen usw. Die Verwendung dieser Elemente ermöglicht es, Regenerierungen bei Temperaturen zwischen 200°C und 450°C gemäß der Natur der Abscheidung der Ruße zu erhalten. Hingegen können die angetroffenen Temperaturen, zum Beispiel in Auspuff von Dieselmotoren, die überversorgt sind, für einige Verwendungstypen wie Stadtfahrten ungenügend sein zum Auslösen der Verbrennung der Ruße. Der Einsatz von spezifischen Strategien, die auf verschiedene Elemente zurückgreifen, die bereits genannt sind, wird unabdinglich für den guten Betrieb des Systems. Verschiedene Beispiele einer Verwendung verschiedener Techniken sind beschrieben zum Beispiel in den folgenden Patenten: EP 913.559 , JP 10141113 , GB 2 261 613 , EP 488 386 oder DE 35 38 109 .
Wie auch immer das Mittel sei, das zum Auslösen der Regenerierung des Filterelements verwendet wird, ist es eine Energieverbraucherquelle. Eine Gute Verwaltung des Systems läuft über die Regelung der Regenerierungsphase. Genauer erlaubt es die Detektion des Beginns von Regenerierung des Filters, den Zeitpunkt zu definieren, wo die eingesetzten Mittel, um die Temperatur der Gase zu erhöhen, gestoppt werden können. Die Verbrennung der Ruße kann dann selbsterhaltend sein auf Grund der starken Exothermizität der Oxidationsreaktion der Ruße. Dies führt insbesondere zu einer Begrenzung des Mehrverbrauchs des Motors, der verbunden ist mit dem Einsatz von Regenerierungsstrategien des Filterelements.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine sehr effiziente Regelung der Regenerierungsphase von Filterelementen und für deren Reinigung notwendigen Vorgänge vorzunehmen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es, die periodische Regenerierung eines Filterelements der Partikel zu regeln, die durch einen Gasstrom befördert werden, durch Verbrennung von jenen. Es ist gekennzeichnet dadurch, dass es die Detektion der Variation der Konzentration an Sauerstoff des Gasstroms zwischen wenigstens einem ersten Punkt stromaufwärts des Filterelements umfasst, das den Gasstrom umfasst, relativ zur Richtung von jenem und wenigstens einem zweiten Punkt stromabwärts des ersten, resultierend aus einer Reaktion, die ausgelöst ist von der Verbrennung der Partikel, die in dem Filterelement angesammelt sind, derart, dass mit Präzision die Dauer des notwendigen Temperierens zum Auslösen der Verbrennung eingestellt wird und daher bestens die erforderliche Energie begrenzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform erlaubt es das Verfahren zum Beispiel, die periodische Regenerierung eines Filterelements wie einem Auspufftopf zu regeln, der dazu vorgesehen ist, Partikel oder Ruße zurückzuhalten, die durch einen Gasstrom befördert werden, der aus einem Motor ausströmt, durch Verbrennung dieser Partikel. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es die Detektion der Variation der Fettheit der Auspuffgase zwischen wenigstens einem ersten Punkt stromaufwärts des Filterelements relativ zur Strömungsrichtung und wenigstens einem zweiten Punkt stromabwärts des ersten umfasst, resultierend aus einer Verbrennungsreaktion der Partikel, die in dem Filterelement angesammelt sind, ausgelöst durch ein Verwaltungsorgan, das empfindlich ist für die Variation der detektierten Fettheit, derart, dass mit einer Präzision die Dauer des notwendigen Temperierens zum Auslösen der Verbrennung eingestellt wird.
Gemäß den Fällen kann das Verfahren eine Regelung eines spontanen Regenerierungsverfahrens von dem Filterelement umfassen oder auch des Auslösens einer Einwirkung auf die Betriebsparameter des Motors, um eine substanzielle Erhöhung der Temperatur der Auspuffgase zu erhalten oder auch die Auslösung der Heizmittel, die dem Filterelement zugeordnet sind.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, die periodische Regenerierung eines Filterelements zu regeln, das Partikel zurückhält, die durch einen Gasstrom transportiert werden durch Verbrennung von jenen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Detektion der Variation des Sauerstoffgehalts des Gasstroms zwischen wenigstens einem ersten Punkt nach stromaufwärts des den Strom empfangenden Filterelements, relativ in Richtung von jenem, und wenigstens einem zweiten Punkt nach stromabwärts des ersteren (stromabwärts des Filterelements vorzugsweise) der Heizmittel umfasst, die dazu vorgesehen sind, die Temperatur des Filterelements genügend anzuheben, um die Partikel zu verbrennen und Bearbeitungsmittel, die mit den Detektionsmitteln verbunden sind, um die Dauer des notwendigen Temperierens für das Auslösen der Verbrennung durch Einwirken auf die Heizmittel einzustellen.
In einer Anwendung zur Regelung der periodischen Regenerierung eines Filterelements, das oxidierbare Partikel oder Ruße zurückhält, die durch einen Gasstrom transportiert werden, der aus einem Wärmemotor ausströmt durch Verbrennung dieser Partikel, umfasst die Vorrichtung eine Fettheitssonde, die an einem ersten Punkt nach stromaufwärts des Filterelements relativ zur Strömungsrichtung angeordnet ist und eine zweite Fettheitssonde, die an einem zweiten Punkt stromabwärts des ersten (vorzugsweise stromabwärts des Filterelements) angeordnet ist, relativ im Verhältnis zur Gasströmungsrichtung, Heizmittel, die dazu vorgesehen sind, die Temperatur des Filterelements genügend zu erhöhen, um die Partikel zu verbrennen und einen Rechner, der mit den Detektionsmitteln verbunden ist, um die Dauer der Temperierungszeit einzustellen, die notwendig ist zum Auslösen der Verbrennung durch Einwirken auf die Heizmittel in Abhängigkeit der Variation der Fettheit der Auspuffgase zwischen der ersten und der zweiten Sonde.
Die Heizmittel können zum Beispiel gebildet werden durch den Motor, wobei der Rechner programmiert ist, um die Betriebsparameter in Hinblick darauf zu modifizieren, die Temperatur der Auspuffgase zu erhöhen, oder auch mit einem Filterelement verbunden sein.
Darstellung der Figuren
Andere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung klarer werden von einem nicht begrenzenden Ausführungsbeispiel in einer speziellen Anwendung, worin der Gasstrom aus einem Wärmemotor stammt und in Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, wobei
die 1 schematisch eine Vorrichtung zur Regelung zeigt, angewendet auf die Überwachung der Verschmutzung eines Filterelements am Ausgang eines Motors;
die 2 ein Beispiel zur Variation der Zeit der Fettheitsdifferenz ΔR zwischen stromaufwärts und stromabwärts des Filterelements mit einem fortschreitenden Anstieg der Differenz bis auf eine Schwelle S zeigt, die oberhalb jener festgelegt ist, bei der die Verbrennung der Ruße startet; und
die 3 zeigt Vergleichsvariationen in Abhängigkeit der Zeit der Fettheit R_A stromaufwärts des Filterelements, der Fettheit R_B stromabwärts und des Gegendrucks CP beim Auspuff zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Die Vorrichtung ist in der beschriebenen Anwendung ausgelegt, um die die periodische Regenerierung eines Filterelements 1 zu regeln, das auf einer Auspuffleitung 2 eines Wärmemotors 3 eingesetzt ist, durch Verbrennung von kohlenstoffhaltigen verschmutzenden Partikeln (Rußen), die sich dort ansammeln, mittels einer Detektion der Variationen von Fettheit zwischen stromaufwärts und stromabwärts des Filter Filterelements, nach dieser Verbrennung.
Der Ausdruck Fettheit wird hier in seinem besonderen Verständnis in Gebrauch bei den Konstrukteuren der Motoren verwendet und definiert durch die folgende Gleichung:
Fettheit = (m_carb/m_air)/(m_carb/m_air)stoech, wobei
m_carb die Masse in den Motor eingespritzten Treibstoffs (kg/h) ist,
m_air die Masse angesaugter Luft durch den Motor (kg/h) ist und
(m_carb/m_air)stoech dem Verhältnis zwischen und dem Treibstoffdurchsatz und dem Luftdurchsatz bei der Stöchiometrie der Verbrennungsreaktion entspricht. Dieses Verhältnis ist abhängig von der Natur des Treibstoffs und es ist nahe 1/14,5.
Um diese Fettheitsvariation zu messen, umfasst die Vorrichtung eine erste Fettheitssonde 4 eines bekannten Typs, wie man sie aktuell in den Auspuffleitungen der Motoren findet, die hier beispielsweise stromaufwärts des Filterelements 1 relativ zur Strömungsrichtung eines Auspuffgases angeordnet ist. Sie umfasst auch wenigstens eine zweite Fettheitssonde 5 vom gleichen Typ, angeordnet stromabwärts der ersten Sonde 4 hin zum Ausgang des Filterelements 1 beispielsweise. Die beiden Fettheitssonden 4, 5 sind verbunden mit einem Rechenelement 6 wie einem Prozessor, der programmiert und angepasst ist, um die Entwicklung der Fettheitsdifferenz zwischen deren jeweiligen Messungen zu überwachen.
Die Ruße, die sich im Filterelement 1 ansammeln, sind hauptsächlich gebildet aus kohlenstoffhaltigen Elementen, die mit Sauerstoff reagieren, um mit jenen im Wesentlichen CO und CO zu bilden. Ein Teil des Sauerstoffs, der in das Filterelement eintritt, wird daher verbraucht durch Kohlenstoff, der in der Ablagerung vorliegt. Die Verbrennung der Ruße in dem Filterelement führt daher stromabwärts zu einem Sauerstoffdefizit im Verhältnis zur Fettheit, die stromaufwärts gemessen wird, relativ zur Strömungsrichtung des Filterelements und dies von den ersten Momenten der Verbrennung der Ruße an.
Es gibt bestimmte Betriebszustände des Motors (typischerweise, wenn er bei starker Last arbeitet), die es erlauben, ohne jegliche Modifikation der Motorparameter Temperaturniveaus zu erreichen, die ausreichend sind, um die Regeneration des Filters auszulösen. Der Rechner ist daher in der Lage, in diesem Fall die Verfahren spontaner Regenerierung des Filterelements zu detektieren.
Außer diesem spontanen Fall der Regenerierung, wenn das Filterelement regeneriert werden muss, kann der Rechner 6 die Verbrennung der Ruße auslösen, indem er durch jedes geeignete Mittel eine substantiellen Erhöhung der Temperatur der Auspuffgase steuert. Es kann sich um eine Einwirkung auf die Betriebsparameter des Motors selbst oder gemäß den Fällen, wo die Anwendungen geplant werden, um eine Einwirkung auf die äußeren Elemente des Motors, die genannt sind, handeln (wie Heizelemente). Die Vorrichtung ermöglicht es, mit Präzision den Zeitpunkt zu bestimmen, wo das Regenerierungsverfahren gestoppt werden kann und daher den erforderlichen Energieverbrauch zu begrenzen.
Die Vorrichtung muss daher vorher geeicht werden, um die Periodizität der Verbrennungsvorgänge der Ruße in dem Filter zu bestimmen. Die Menge der Ruße, die sich abscheidet, wird entweder abgeschätzt zum Beispiel auf Basis der Kartografien von Emissionen von Partikeln des Motors oder durch Verwendung eines Verschmutzungssensors des Filters vom bekannten Typ.
Die Integration der Fettheitsdifferenz während der gesamten Verbrennungsphase der Ruße ermöglicht es ebenfalls, die Menge von Rußen zu definieren, die in dem Filterelement angesammelt sind. Dieser Wert kann mit der Menge von Rußen verglichen werden, die auf dem Filter verbrannt worden ist, und zu definieren, ob die Regenerierung des Filters vollständig oder teilweise war.
In den 2, 3 sieht man die Versuchsergebnisse auf einem Fahrzeugmotor. Die Kurven R_A und R_B stellen jeweilige Variationen der Fettheit, gemessen durch die Sonden 4 und 5 dar, die stromaufwärts und stromabwärts des Filters angeordnet sind, während die Kurve CP die Variation des Gegendrucks im Auspuff darstellt. Die Kurven R_A und R_B verfolgen eine parallele Entwicklung bis zum Punkt S, wo die fortschreitende Oxidation der angesammelten Ruße zu einer wachsenden Differenz zwischen den Fettheiten führt. Man bemerkt, dass das Maximum D des Gegendrucks CP vor dem Abfall stattfindet, deutlich nachdem eine signifikante Differenz zwischen den beiden R_A und R_B einer Fettheit auftritt.
Man hat ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens zur Regelung der Verschmutzung eines Filterelements in Auspuffleitungen des Wärmemotors beschrieben. Es ist wohl hingegen offensichtlich, dass das Verfahren auf die Regeneration eines Filterelements anwendbar ist, das Partikel ansammelt, die in einem Gasstrom transportiert werden, der eine gewisse Sauerstoff-Konzentration enthält, sobald diese Partikel brennbar sind und den Gehalt des Stroms an Sauerstoff modifizieren. Um die Variation dieser Konzentration zu detektieren, verwendet man in diesem Fall Messsonden der Sauerstoffkonzentration.

Claims

Verfahren zum Regeln der periodischen Regeneration eines Filterelements, vorgesehen, um Partikel zurückzuhalten, die durch einen Gasstrom befördert werden, durch Verbrennung von jenen, dadurch gekennzeichnet, dass es die Messung der Sauerstoffkonzentrations-Variation des Gasstroms zwischen wenigstens einem ersten Punkt stromaufwärts des Filterelements, das den Gasstrom empfängt, relativ zur Richtung von jenem und wenigstens einem zweiten Punkt stromabwärts des ersten umfasst, die aus einer Reaktion resultiert, die von der Verbrennung der angesammelten Partikel in dem Filterelement derart ausgelöst wird, dass mit Präzision die Dauer des zum Auslösen der Verbrennung notwendigen Aufheizens eingestellt wird, und daher die erforderliche Energie bestmöglich begrenzt wird.
Verfahren zum Regeln der periodischen Regenerierung eines Filterelements (1) wie einem Auspufftopf, das vorgesehen ist, Partikel oder Ruße zurückzuhalten, die durch einen Gasstrom transportiert werden, der von einem Motor (3) ausströmt, durch Verbrennung dieser Partikel, dadurch gekennzeichnet, dass es die Detektion der Variation der Fettheit der Auspuffgase zwischen wenigstens einem ersten Punkt stromaufwärts des Filterelements (1) relativ zur Strömungsrichtung und wenigstens einem zweiten Punkt stromabwärts des ersten umfasst, resultierend aus einer Verbrennungsreaktion der Partikel, die in dem Filterelement angesammelt sind, welche ausgelöst wird durch ein Verwaltungsorgan (6), das für die Variation der detektierten Fettheit sensibel ist, derart, dass mit Präzision die Dauer des zum Auslösen der Verbrennung notwendigen Aufheizens eingestellt wird und daher die erforderliche Energie bestmöglich begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die Detektion von spontanen Regenerierungsvorgängen des Filterelements umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einwirkung auf die Betriebsparameter des Motors (3) umfasst, um eine wesentliche Erhöhung der Temperatur der Auspuffgase zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die Verwendung von Heizmitteln umfasst, die dem Filterelement zugeordnet sind, um eine kontrollierte Verbrennung der Partikel zu erhalten.
Vorrichtung zum Kontrollieren der periodischen Regenerierung eines Filterelements (1), das die durch einen Gasstrom transportierten Partikel zurückhält, durch Verbrennung von jenen, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel (4, 5) zur Detektion der Variation des Gehalts an Sauerstoff des Gasstroms zwischen wenigstens einem ersten Punkt stromaufwärts des Filterelements, das den Strom empfängt, relativ zur Richtung von jenem und wenigstens einem zweiten Punkt stromabwärts des Filterelements, Mittel zum Heizen, die vorgesehen sind, die Temperatur des Filterelements genügend zum Verbrennen der Partikel zu erhöhen, und Verwaltungsmittel (6), die mit den Detektionsmitteln (4, 5) verbunden sind, umfasst, um die Dauer des Aufheizens einzustellen, die zum Auslösen der Verbrennung notwendig ist, durch Einwirkung auf die Heizmittel.
Vorrichtung zum Kontrollieren der periodischen Regenerierung eines Filterelements (1), das oxidierbare Partikel oder Ruße zurückhält, die durch einen Gasstrom transportiert werden, der von einem Motor (3) ausgestoßen wird, durch Verbrennung dieser Partikel, dadurch gekennzeichnet, dass es eine erste Fettheitssonde (4) umfasst, angeordnet an einem ersten Punkt stromaufwärts des Filterelements (1), relativ zur Richtung des Gasstroms und eine zweite Fettheitssonde (5), die an einem zweiten Punkt stromabwärts des ersten relativ zur Strömungsrichtung angeordnet ist, Heizmittel, die dazu vorgesehen sind, die Temperatur des Filterelements genügend zu erhöhen, um die Partikel zu verbrennen und einen Rechner (6), der mit den Detektionsmitteln (4, 5) verbunden ist, um die Dauer des Aufheizens einzustellen, die zum Auslösen der Verbrennung notwendig ist, durch Einwirkung auf die Heizmittel in Abhängigkeit der Variation der Fettheit der Auspuffgase zwischen der ersten und der zweiten Sonde.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel aus dem Motor bestehen, wobei der Rechner (6) programmiert ist, um die Betriebsparameter des Motors (3) zu modifizieren, was darauf abzielt, die Temperatur der Auspuffgase zu erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel dem Filterelement zugeordnet sind.