DE60006808T2

DE60006808T2 - Verhinderung eines frühen Ausfalls einer Abgasbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60006808T2
Application number: DE60006808T
Authority: DE
Inventors: David Arthur Chelmsford Ketcher
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: EP1184547A1; US6543218B2; DE60006808D1; US20020020169A1; EP1184547B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern des frühzeitigen Ausfalls einer Abgasbehandlungsvorrichtung, die in einem dieselgetriebenen Fahrzeug verbaut ist.
Allgemeiner Stand der Technik
Abgasbehandlungsvorrichtungen wie katalytische Konverter, NOx-Filter und Partikelfilter umfassen für gewöhnlich ein aktives Element, das auf geeignete Weise konstruiert ist, um seine gewünschte Funktion auszuführen, und innerhalb eines Außengehäuses aus Metall angeordnet ist. Das aktive Element kann im Fall eines katalytischen Konverters beispielsweise einen Keramikmonolith (wird auch als Matrix oder Ziegel bezeichnet) umfassen, dessen Oberfläche Partikel eines Katalysators, beispielsweise Platin, umfasst. Umgeben wird der Monolith durch eine Fasermatte, welche als Packung dient, um den Monolith innerhalb seines Metallgehäuses zu fixieren.
Bei der Fertigung der Abgasbehandlungsvorrichtung wird die Matte um den Monolith gewickelt, ehe dieser in das Gehäuse eingesetzt wird. Beim Betrieb des Motors wird die Abgasbehandlungsvorrichtung durch die Abgase und durch jedwede exotherme katalytische Reaktion, die innerhalb der Vorrichtung stattfindet, erhitzt, und die daraus entstehende Erwärmung der Matte wird verwendet, um zu bewirken, dass die Matte aufplatzt. Der Begriff "Aufplatzen" bezieht sieh auf die Ausdehnung und das Steif werden der Matte, welche dazu dienen, den Monolith sicher innerhalb seines Metallgehäuses zu fixieren.
Die erforderliche Temperatur, um die Matte zum Aufplatzen zu bringen, welche etwa 300°C beträgt, wird beim normalen Motorbetrieb von Fremdzündungsmotoren erreicht, und das frühzeitige Ausfallen der Abgasbehandlungsvorrichtungen, bei derartigen Motoren ist relativ ungewöhnlich.
Bei Dieselmotoren sind die Abgase jedoch nicht so heiß wie bei Fremdzündungsmotoren, und es wurde erkannt, dass die Abgasbehandlungsvorrichtung oft eine ausreichend hohe Temperatur, um die Matte natürlich zum Aufplatzen zu bringen, nicht erreicht. Folglich kann das Fahrzeug angetrieben werden, wobei das zerbrechliche aktive Element nur lose innerhalb seines Gehäuses fixiert ist, und dies kann das aktive Element beschädigen. Insbesondere wird das aktive Element in seinem Gehäuse klappern, und Abgase können unbehandelt entweichen, indem sie um das aktive Element herum vorbeiströmen. Es ist auch möglich, das Teilchen das aktive Element blockieren, was einen Leistungsverlust und/oder einen Betriebsausfall zur Folge hat.
Im US-Patent 5,413,766 ist beispielsweise eine Hilfsheizvorrichtung, die mindestens eine exotherm reagierende Substanz umfasst, rund um die Matte angeordnet, um zu gewährleisten, dass die Matte jene Temperatur, die erforderlich ist, um diese zum Aufplatzen zu bringen, erreicht.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem des frühzeitigen Ausfalls von Abgasbehandlungsvorrichtungen, die auf dieselmotorgetriebenen Fahrzeugen verbaut sind, zu mildern.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Endung wird ein Verfahren zum Verhindern des frühzeitigen Ausfalls einer Abgasbehandlungsvorrichtung, die in einem dieselgetriebenen Fahrzeug verbaut ist, vorgesehen, wobei die Behandlungsvorrichtung ein aktives Element aufweist, das mittels einer Matte, die das aktive Element umgibt, innerhalb eines Gehäuses fixiert ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch kurzzeitiges Betreiben des Motors in einem frühen Stadium nach dem Einbau der Abgasbehandlungsvorrichtung in einem alternativen Modus, wobei die Temperatur der Abgasbehandlungsvorrichtung ausreichend erhöht wird, um zu bewirken, dass die Matte, welche das aktive Element der Abgasbehandlungsvorrichtung umgibt, aufplatzt.
Es ist möglich, einen Dieselmotor in einem Modus zu betreiben, welcher die Temperatur des Abgassystems erhöht, jedoch ist ein derartiger Modus für den normalen Fahrzeugbetrieb ungeeignet. Ein derartiger alternativer Betriebsmodus wurde beispielsweise für den Zweck des Regenerierens eines Partikelfilters durch Wegbrennen der eingefangenen Russpartikel vorgeschlagen. Die vorliegende Erfindung schlägt das Betreiben des Motors in einem derartigen Modus in einem frühen Stadium im Leben des Abgassystems vor, um zu gewährleisten, dass die Matte, welche das aktive Element an Ort und Stelle festhält, jene Temperatur erreicht, die erforderlich ist, damit diese aufplatzt und das aktive Element sicher an Ort und Stelle festhält.
Die Art des Betreibens des Motors, um die Temperatur im Abgassystem zu erhöhen, kann das Variieren eines oder mehrerer Parameter aus der Gruppe umfassend Luftzufuhr, Einspritzmenge, Einspritzzeiten und Ventilsteuerzeiten umfassen.
Vorzugsweise wird während des alternativen Betriebsmodus des Dieselmotors Kraftstoff spät im Arbeitshub in. den Motor eingespritzt, um das Vorhandensein von unverbranntem Kraftstoff in den Abgasen zu gewährleisten. Ein derartiger Kraftstoff reagiert mit der überschüssigen Luft, die stets in den Abgasen eines Dieselmotors vorhanden ist, um die Temperatur des Abgassystems zu erhöhen. Natürlich ist ein derartiger Betriebsmodus unter normalen Umständen nicht erstrebenswert, zumal er Kraftstoff verschwendet und den KW-Gehalt der zugeführten Abgase erhöht. Dennoch kann der Motor jedes Mal dann, wenn gewünscht wird, die Temperatur im Abgassystem zu erhöhen, kurzzeitig in einem derartigen Modus betrieben werden, ohne das Fahrzeugfahrverhalten ernsthaft zu beeinträchtigen.
Ferner ist es möglich, die Luftzufuhr zum Motor während des alternativen Betriebsmodus zu drosseln. Dieselmotoren werden normalerweise mit weit offener Drossel betrieben, und die Last wird durch Regeln der Kraftstoffzufuhr variiert. Wenn jedoch die Ansaugluft gedrosselt wird, hat dies das Erhöhen der Pumpverluste des Motors, um mehr Wärme zu erzeugen, und das Reduzieren des Luftmassenstroms durch das Abgassystem, um die Kühlwirkung der überschüssigen Luft zu reduzieren, zur Folge. Um das Aufplatzen der Matte einer Abgasbehandlungsvorrichtung zu gewährleisten, muss der alternative Betriebsmodus lediglich einmal während der Lebensdauer der Vorrichtung zum Einsatz gebracht werden. Ein derartiges Modusumschalten kann entweder von Hand oder automatisch durchgeführt werden. Wenn es von Hand durchgeführt wird, kann es als Teil des Fahrzeugfertigungsprozesses oder der Abnahme vor der Auslieferung durchgeführt werden. Ein Befehl kann an das elektronische Motorsteuergerät (ECU) abgesetzt werden, um den Betrieb im alternativen Modus durchzuführen, wenn ein derartiger Modus in das ECU programmiert ist, oder die ECU- Steuerung kann vorübergehend durch ein externes Steuergerät, das während der. Fahrzeugmontage an den Motor angeschlossen wird, übersteuert werden.
Damit der alternative Modus automatisch ausgelöst wird, kann er in das ECU des Motors programmiert werden, und letzteres kann darüber hinaus programmiert werden, um im alternativen Modus betrieben zu werden, wenn ein vorgegebener Zustand zum ersten Mal erkannt wird, beispielsweise wenn ein bestimmter Kilometerstand vom Fahrzeug überschritten wird oder der Motor eine bestimmte Last überschreitet. Sobald der alternative Modus während eines ausreichend langen Zeitraums aktiviert war, um zu bewirken, dass die Matte der Abgasbehandlungsvorrichtung aufplatzt, kann ein Merker im Speicher des ECU gesetzt werden, um zu verhindern, dass der Motor für denselben Zweck nochmals in diesem Modus betrieben wird. Natürlich kann der alternative Modus aus anderen Gründen vom ECU angesteuert werden, beispielsweise um einen Partikelfilter zu regenerieren.
Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass sie kostengünstig softwaremäßig implementiert werden kann, indem das Aufplatzen der Matte in der Abgasbehandlungsvorrichtung einfach durch Umprogrammieren des ECU des Motors oder durch Umprogrammieren von Ausstattungen, die in der Fahrzeug-Montagestraße verwendet werden, gewährleistet werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nunmehr beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben: Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Dieselmotor-Managementsystems; und
2 ein Flussdiagramm eines Routinenhilfsmittels im ECU, um das Aufplatzen der Matte zu gewährleisten, welche das aktive Element einer Abgasbehandlungsvorrichtung in seinem Gehäuse festhält.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt einen Dieselmotor 10, der eine elektronisch gesteuerte Drossel 12 in seinem Ansaugsystem und ein Abgassystem 14, welches eine Behandlungsvorrichtung mit einem aktiven Element, das durch eine Matte in einem Metallgehäuse festgehalten wird, aufweist.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem 18 führt Kraftstoff unter Druck einem Kraftstoffverteiler 16 zu, und Regelungen, die an den Kraftstoffverteiler angeschlossen sind, führen Kraftstoff den verschiedenen Motorzylindern zu. Ein Motorsteuergerät (ECU) 20 empfängt Signale vom Motor und vom Abgassystem und überträgt Steuersignale zur elektronisch gesteuerten Drossel 12 und dem Kraftstoffeinspritzsystem.
Das ECU enthält Programme, die es ihm ermöglichen, den Betrieb in einem von zwei Modi durchzuführen. Im ersten Modus wird für den Normalbetrieb des Motors die elektronisch gesteuerte Drossel 12 weit offen gehalten, und das Kraftstoffeinspritzsystem spritzt eine Menge Kraftstoff, welche vom ECU 20 auf der Grundlage der Pedal-Bedarfsposition bestimmt wird, ein. Das Einspritzen von Kraftstoff erfolgt nahe dem oberen Totpunkt am Ende des Verdichtungshubs, so dass sich der Kraftstoff spontan entzündet und bis zum Zeitpunkt des Beginns des Auslasshubs vollständig verbrennt, so dass wenig unverbrannter Kraftstoff in das Abgassystem gelangt. Der Kraftstoff, welcher trotzdem austritt, wird in einem katalytischen Konverter, der in das Abgassystem 14 eingegliedert ist, oxidiert.
Während dieses Betriebsmodus des Motors erreichen die Abgase eine Temperatur, welche über der Ansprechtemperatur des katalytischen Konverters liegt, jedoch nicht hoch genug ist, um zu bewirken, dass die Matte einer neuen Abgasbehandlungsvorrichtung aufplatzt.
Um zu bewirken, dass eine Matte im Abgassystem aufplatzt, kann die Abgastemperatur durch Betreiben des Motors im alternativen Modus erhöht werden. In diesem Fall wird die elektronisch gesteuerte 12 Drossel teilweise geschlossen, um weniger Luft zuzuführen. Die erhöhten Pumpverluste bewirken, dass mehr Wärme erzeugt wird, und die Reduktion im Luftmassenstrom reduziert die Kühlung der Abgase. Darüber hinaus wird spät im Arbeitshub oder sogar während des Auslasshubs zusätzlicher Kraftstoff in die Motorzylinder eingespritzt. Derartiger Kraftstoff entweicht aus dem Brennraum, reagiert jedoch im katalytischen Konverter mit überschüssiger Luft, um mehr Wärme im Abgassystem zu erzeugen. Durch Betreiben des Motors auf diese Weise ist es möglich, die Temperatur der Matte in einer neuen Abgasbehandlungsvorrichtung auf jene Temperatur zu erhöhen, bei welcher sie aufplatzt und das aktive Element der Vorrichtung sicher an Ort und Stelle festhält.
Es ist möglich, durch Variieren der Ventilsteuerzeiten überschüssigen Kraftstoff im Abgassystem vorzusehen. Ein frühes Öffnen des Auslassventils hätte zur Folge, dass Gase in das Abgassystem eingelassen werden, noch ehe die Verbrennung abgeschlossen ist, und das Abschließen der Verbrennung im Abgassystem würde die Temperatur der Behandlungsvorrichtung erhöhen. Zudem wird, falls, wenn der Motor gedrosselt wird, die Menge eingespritzten Kraftstoffes höher als für die Stöchiometrie erforderlich ist, der überschüssige Kraftstoff in das Abgassystem eintreten, wo dieser mit Bypass-Luft zur Reaktion gebracht werden kann, um die Temperatur des Abgassystems zu erhöhen. Der überschüssige Kraftstoff könnte als weitere Möglichkeit mittels einer Hilfsein Spritzdüse, falls eine solche verfügbar ist, direkt in das Abgassystem eingespritzt werden. Die Erfindung kann mittels jeder beliebigen Strategie, welche die Abgastemperatur erhöht, implementiert werden, jedoch wird die Kombination aus Motordrosselung und einer zweiten Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder bevorzugt, da dies keine Konstruktionsänderung des Motors erfordert und der Motor im alternativen Modus betrieben werden kann, ohne das Fahrverhalten ernsthaft zu beeinträchtigen.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Betrieb des Motors im alternativen Modus, um eine hohe Abgastemperatur zu erzeugen, lediglich einmal während der Lebensdauer einer Abgasbehandlungsvorrichtung erforderlich. Die Routine zum Anstoßen des Betriebs im alternativen. Modus ist durch das Flussdiagram in 2 dargestellt.
Wenn ein Fahrzeug neu ist, oder wenn eine neue Behandlungsvorrichtung eingebaut wird, wird ein Merker im nichtflüchtigen Speicher des ECU 20 auf "Null" gesetzt. Während jedes Laufs wird die Routine aus 2 vom ECU ausgeführt, um den frühzeitigen Ausfall der Behandlungsvorrichtung zu vermeiden.
Nach dem Start der Routine in Schritt 30 liest das Programm den Merker 1, um zu überprüfen, ob dieser noch immer auf "Null" steht oder ob dieser bereits auf "Eins" rückgesetzt wurde. Im Entscheidungsblock 34 verlässt das Programm die Subroutine durch den RETURN-Schritt 42, wenn der Merker 1 bereits auf "Eins" rückgesetzt wurde, was anzeigt, dass die Matte bereits zuvor zum Aufplatzen gebracht wurde. Wenn der Merker 1 nicht rückgesetzt wurde, dann wird eine Entscheidung getroffen, ob dies ein geeigneter Anlass ist, um die Matte der Behandlungsvorrichtung zum Aufplatzen zu bringen. Diese Entscheidung kann beispielsweise vom Kilometerstand des Fahrzeugs oder von anderen Faktoren wie der vorherrschenden Motordrehzahl und -last abhängen. In diesem Entscheidungsschritt 36 wird der Wert eines oder mehrerer derartiger Motorparameter mit einem Triggerwert verglichen, und wenn die vorgegebenen Bedingungen für das Aufplatzen der Matte erfüllt werden, dann wird in Block 38 der alternative Motorbetriebsmodus angestoßen und beibehalten, bis die Matte aufplatzt. Das Aufplatzen kann entweder durch eine Messung der Temperatur der Abgasbehandlungsvorrichtung oder durch Schätzung der Temperatur aus der Länge des Zeitraums, während dessen der alternative Modus aktiviert ist, bestimmt werden.
Sobald geschätzt wird, dass die Matte zum Aufplatzen gebracht wurde, wird in Schritt 40 der Merker 1 auf einen Wert "Eins" gesetzt, und die Subroutine wird in Schritt 24 beendet.
Die Implementierung beruht auf dem Umprogrammieren des ECU, um. einen alternativen Betriebsmodus automatisch zu aktivieren, wenn bestimmte Bedingungen zum ersten Mal während der Lebensdauer einer neuen Abgasbehandlungsvorrichtung auftreten. Das Anstoßen des alternativen Motorbetriebsmodus kann während der Abnahme vor der Auslieferung oder in einer geeigneten Phase der Fahrzeugsmontage von Hand durchgeführt werden. Zudem ist es nicht wesentlich, das ECU umzuprogrammieren, damit dieses im alternativen Modus betrieben werden kann, da dies durch Wartungsgeräte, die an das Fahrzeug angeschlossen werden und den Betrieb des ECU übersteuern, durchgeführt werden kann.
Es wurde vorgeschlagen, einen alternativen Betrieb des Motors zu verwenden, um ein Partikelfilter zu regenerieren. Das Betreiben eines Motors im alternativen Modus zur Filterregeneration wird automatisch bewirken, dass eine Matte aufplatzt, findet jedoch möglicherweise erst dann statt, wenn die Behandlungsvorrichtung bereits ausgefallen ist. Bei einem Motor, der ein ECU aufweist, welches programmiert ist, um den Filter zu regenerieren, kann die Endung einfach durch Modifizieren des ECU, um zu programmieren, den alternativen Modus auf die oben mit Bezug auf 2 beschriebene Weise zu aktivieren, implementiert werden.

Claims

Verfahren zum Verhindern des frühzeitigen Ausfalls einer Abgasbehandlungsvorrichtung, die in einem dieselgetriebenen Fahrzeug verbaut ist, wobei die Behandlungsvorrichtung ein aktives Element aufweist, das innerhalb eines Gehäuses mittels einer Matte, die das aktive Element umgibt, fixiert ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch kurzzeitiges Betreiben des Motors in einem alternativen Modus in einem frühen Stadium nach dem Einbau der Abgasbehandlungsvorrichtung, wobei die Temperatur der Abgasbehandlungsvorrichtung ausreichend erhöht wird, um zu bewirken, dass die Matte, die das aktive Element der Abgasbehandlungsvorrichtung umgibt, aufplatzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Modus zum Betreiben des Motors, um die Temperatur im Abgassystem zu erhöhen, das Variieren eines oder mehrerer Parameter aus der Gruppe umfassend Luftzufuhr, Einspritzmenge, Einspritzzeiten und Ventilsteuerzeiten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei, während des alternativen Betriebsmodus des Dieselmotors, spät im Arbeitshub oder direkt in das Abgas Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird, um das Vorhandensein von unverbranntem Kraftstoff in den Abgasen zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei, während des alternativen Betriebsmodus, die Luftzufuhr zum Motor gedrosselt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der alternative Motorbetriebsmodus, um zu bewirken, dass die Matte der Abgasbehandlungsvorrichtung aufplatzt, während der Montage oder der Abnahme vor der Auslieferung des Fahrzeugs von Hand angestoßen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Motor ein Steuergerät aufweist, das programmiert ist, um den Motor selektiv in einem normalen Modus und im alternativen Modus zu betreiben, und wobei das Steuergerät zudem programmiert ist, um den Betrieb im alternativen Modus automatisch anzustoßen, wenn nach dem Einbau einer neuen Abgasbehandlungsvorrichtung vorgegebene Betriebsbedingungen erfüllt werden.