AT413887B - Verfahren zum ermitteln der partikelemissionen - Google Patents

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Description

2
AT 413 887 B
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Partikelemissionen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine.
Um eine effektive Partikelfilterregeneration durchführen zu können, ist eine möglichst genaue 5 Kenntnis des Beladungszustandes des Partikelfilters oder der Partikelemissionen erforderlich. Ein Verfahren, welches beschreibt wie - ausgehend vom Beladungszustand des Partikelfilters und weiteren Größen wie z.B. Fahrzeit und/oder Fahrstrecke - eine Regeneration ausgelöst werden kann, ist z.B. in der DE 199 45 372 A1 beschrieben. io Es ist bekannt, den Beladungszustand des Partikelfilters aus einer Messung der Druckdifferenz zu bestimmen. Da solche Messungen aber mit hohen Ungenauigkeiten verbunden sind, ist weiterhin bekannt, neben der Druckdifferenz auch noch eine Schätzung über die im Partikelfilter akkumulierte Masse an Partikeln heranzuziehen. 15 Hierzu ist es bekannt, Partikelemissionen aus Kennfeldern abzuschätzen, in welche die Betriebsdaten des Motors, wie Drehzahl, Drehmoment, etc., eingehen. Es ist auch bekannt, die transienten Emissionen auf Basis stationärer Kennfelder und weiterer Messdaten, wie z.B. des λ-Wertes oder einer Abgasrückführrate zu bestimmen. Solche Kennfelder basieren auf einem idealen Motor. Abweichungen der Emissionen des realen Motor durch Alterung und/oder Bau-20 teilstreuung von den im Kennfeld abgespeicherten idealen Emissionen können dabei aber nicht berücksichtigt werden.
Messsysteme, die die Partikelemissionen kontinuierlich überwachen, sind bekannt, aber aufwendig und/oder verschleiß- und damit fehleranfällig. Die DE 101 24 235 A1 beschreibt zum 25 Beispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zur umfassenden Charakterisierung und Kontrolle des Abgases und der Regelung von Motoren, wobei gleichzeitig oder zeitlich versetzt feste und flüssige Partikel erfasst und charakterisiert werden. Das Verfahren beruht auf der einzelnen oder kombinativen Nutzung von laserinduzierter Raman-Streuung, laserinduzierter Break-down-Spektroskopie, laserinduzierter lonisationsspektroskopie, laserinduzierter Atomfluoreszenz-30 Spektroskopie, IR-/VIS-/UV-Laserabsorptions-Spektroskopie und laserinduzierter Glühtechnik. Der sensorische und steuerungstechnische Aufwand zur genauen Ermittlung der Partikelemis-sionen ist dabei allerdings sehr groß, so dass der serienmäßige Einsatz mit relativ hohem Kostenaufwand verbunden ist. 35 Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf einfache Weise eine möglichst genaue Abschätzung der Partikelemissionen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies durch folgende Schritte erreicht: 40 a. Bereitstellen eines kennfeldbasierten Emissionsmodells; b. Messen der tatsächlichen Partikelemissionen im Abgasstrom während eines festen oder variablen Messintervalls und Aufintegrieren der Partikelemissionen über dem Messintervall; c. Ermitteln der idealen Partikelemissionen mittels des Emissionsmodells während des Messin-45 tervalls und Aufintegrieren der idealen Partikelemissionen über dem Messintervall; d. Vergleichen der gemessenen tatsächlichen Partikelemissionen mit den ermittelten idealen Partikelemissionen; e. Bestimmen eines Korrekturfaktors aufgrund der Differenz zwischen den gemessenen tatsächlichen Partikelemissionen und den ermittelten idealen Partikelemissionen; so f. Berücksichtigen des Korrekturfaktors bei der Bestimmung der idealen Partikelemissionen aus dem Emissionsmodell.
Das erfmdungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, während der Messzeit des integrierenden Partikel-Sensors die Emissionen aus dem kennfeldbasierten Emissionsmodell zu integrieren 55 und mit dem Messwert zu vergleichen. Bei Abweichungen werden die Emissionen aus dem 3
AT 413 887 B kennfeldbasierten Modell mit einem Faktor so multipliziert, dass die Abweichungen reduziert werden.
In einer einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein einheitlicher Korrekturfak-5 tor für alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine gewählt wird. Im einfachsten Fall kann der Korrekturfaktor gleich dem Kehrwert des Verhältnisses von idealen und gemessenen Emissionen sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei jeder Messung der Korrekturfaktor nur wenig geändert wird, um Schwankungen zu glätten. io Um dies zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass der aktuelle Korrekturfaktor f_K aus einem alten Wert des Korrekturfaktors f_K_alt und dem Verhältnis soot_ratio zwischen den gemessenen tatsächlichen und den ermittelten idealen Partikelemissionen nach der Formel f_K = f1 * f_K_alt + (1 -f 1) / soot_ratio bestimmt wird, wobei der Faktor f1 ein Wert zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0,85 und 0,95, ist. Um bei Fehlmessungen eine Verfälschung zu 15 vermeiden, ist es weiters vorteilhaft, wenn die Korrektur nur dann durchgeführt wird, wenn sie innerhalb eines Plausibilitätsintervalls liegt.
Genauere Ergebnisse lassen sich erreichen, wenn unterschiedliche Korrekturfaktoren für unterschiedliche Betriebsbereiche gewählt werden, wobei vorzugsweise die unterschiedlichen Kor-20 rekturfaktoren aufgrund eines Korrekturkennfeldes bestimmt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Korrekturfaktoren unter Berücksichtigung der Häufigkeitsverteilung von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Der Bestimmung der Korrekturfaktoren wird dabei ein Histogramm zu Grunde gelegt, in welchem die Häufigkeit des Auftretens, beispielsweise von definierten Drehmoment- und Drehzahlintervallen beim Durchfahren verschiedener 25 Motorbetriebspunkte eingetragen wird.
Die Messungen werden zweckmäßigerweise mit zumindest einem Partikelsensor durchgeführt, der die Partikelemissionen über einen längeren Zeitraum, beispielsweise einige Minuten, misst und aufintegriert. Solche integrierenden Sensoren sind etwa aus der WO 03/006976 A2 be-30 kannt.
Durch verbesserte Schätzung der Partikelemissionen der Brennkraftmaschine kann die Beladung eines Partikelfilters besser bestimmt werden. Die verbesserte Kenntnis der Beladung des Partikelfilters ermöglicht es, eine Regeneration zielgerichteter auszulösen, da der Sicherheits-35 abstand zu einem überladenen Filter, das bei Regeneration thermisch geschädigt würde, verringert werden kann. Der Kraftstoffmehrverbrauch für die Regeneration des Diesel-Partikelfilters kann damit wesentlich reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert somit die Abschätzung der Partikelemissionen. 40 Eine genaue Kenntnis der Partikelemissionen ist wichtig, um Systeme zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Wall-Flow-Partikelfilter, bedarfsgerecht regenerieren zu können. In Verbindung mit einem geeigneten Beladungsmodell für den Partikelfilter kann so die Regenerationsfrequenz wesentlich reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Software in die Motorsteuerungseinheit implementiert werden. 45
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen schematisch Fig. 1 den Aufbau des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 einen relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuer-50 gerät, Fig. 3 ein einfaches Verfahren zur Korrektur des Emissionsmodells und Fig. 4 ein verbessertes Verfahren zur Korrektur des Emissionsmodells.
Fig. 1 zeigt zunächst den grundsätzlichen Aufbau des Systems: Im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors 1 ist ein Partikelfilter 2 angeordnet. Weiterhin ist im Abgasstrang 5, vorteilhafteres weise vor dem Partikelfilter 2, ein Partikelsensor 3 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 1 wird 4
AT 413 887 B von einem elektronischen Steuergerät ECU gesteuert. Auch der Partikelsensor 2 ist an das Steuergerät ECU angeschlossen. Weitere Sensoren wie z.B. ein Differenzdrucksensor sind möglich, aber nicht unbedingt erforderlich für das erfindungsgemäße Verfahren. 5 Fig. 2 zeigt den relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuergerät 4. Ein bekanntes Emissionsmodell EM liefert auf Basis von Motorbetriebsdaten wie etwa Drehzahl n, Drehmoment M etc. einen aktuellen idealen Wert für die vom Motor emittierte Partikelmasse m_soot(t). Dieser Wert wird einem Integrator I zugeführt. Dieser Integrator I weist neben dem Signaleingang für die Partikelmasse noch einen Steuerungseingang auf. 10
Weiterhin ist ein Steuerungsalgorithmus SP für den integrierenden Partikelsensor vorgesehen. Solche integrierenden Partikelsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass während eines Messintervalls Partikel auf dem Sensor gesammelt werden. Nach dem Ende des Messintervalls wird die Gesamtmasse m_soot_real an Partikeln auf dem Sensor bestimmt. Zudem ist meist eine 15 Regenerierung des Sensors erforderlich, wodurch der integrierende Partikelsensor für die Dauer dieser Regeneration nicht zur Messung in der Lage ist. Daher ist vorgesehen, dass der Steuerungsalgorithmus SP für den integrierenden Partikelsensor neben einem Ausgang für die Partikelmasse m_soot_real noch zumindest einen weiteren Signal-Ausgang aufweist, über den angezeigt wird, ob gerade eine Partikelmessung aktiv ist (Signal M_aktiv). Nach der Regenera-20 tion steht der integrierende Partikelsensor für eine weitere Messung zur Verfügung.
Dieses Signal wird nun dem Steuerungseingang des Integrators I zugeführt. Der Integrator ist dabei so ausgeführt, dass er das Eingangssignal während der Zeitspanne integriert, während der das Signal M_aktiv am Steuerungseingang anliegt. Liegt das Signal nicht mehr an, wird der 25 Wert des Integrators in der Variablen m_soot_ideal gespeichert und gleichzeitig der Wert des Integrators auf Null zurückgesetzt. Der integrierte Wert der Emissionen m_soot_ideal aus dem Emissionsmodell EM liegt nun am Ausgang des Integrators I an.
Sowohl dieser Wert als auch die vom integrierenden Partikelsensor während der Messdauer 30 gemessene reale integrierte Partikelmasse m_soot_real werden einem Vergleicher-Algorithmus V zugeführt. Dieser Vergleicher V bestimmt vorteilhafterweise nun das Verhältnis soot_ratio aus den Emissionen, die aus dem Emissionsmodell integriert werden und den realen vom Partikelsensor gemessenen Emissionen 35 soot_ratio = m_soot_ideal / m_soot_real.
Auch weitere mathematische Verfahren, um die Abweichung zwischen den realen und den aus dem Emissionsmodell ermittelten idealen Emissionen zu beschreiben, wie etwa die relative Differenz, sind hier möglich und auch im erfindungsgemäßen Verfahren enthalten. 40
Der Wert für die Abweichung, vorteilhafterweise also der Wert soot_ratio wird nun einem weiteren Algorithmus zur Korrektur MK des Emissionsmodells EM zugeführt. Für die Korrektur des Emissionsmodells gibt es mehrere Möglichkeiten, die im folgenden näher beschrieben werden. 45 Fig. 3 stellt ein sehr einfaches Verfahren zu dieser Korrektur MK dar. Aus der Abweichung, soot_ratio, wird ein Faktor f_K bestimmt, der mit dem Ausgang des Emissionskennfelds m_soot_roh(t) multipliziert wird. Die korrigierte geschätzte Partikel-Emission bestimmt sich so in jedem Betriebspunkt zur Zeit t zu: so m_soot(t) = m_soot_roh(t) * f_K.
Im einfachsten Fall ist dieser Korrekturfaktor gleich dem Kehrwert des zuvor bestimmten Verhältnisses von geschätzten und gemessenen Emissionen soot_ratio: 55 f K = 1/soot ratio = m soot real/m soot ideal 5
AT 413 887 B
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn bei jeder Messung der Korrekturfaktor auf Basis von soot_ratio nur wenig geändert wird, um Schwankungen zu glätten. Zu diesem Zweck wird der letzte Wert von f_K in einer Variablen f_K_alt gespeichert, um mit jeder Änderung von soot_ratio, die bei einer neuen Messung des integrierenden Partikelsensors auftritt, den Wert 5 f_K nach der Gleichung: f_K = f1 * f_K_alt + (1-f1) / soot_ratio zu bestimmen, wobei f1 ein Faktor zwischen 0 und 1 ist, bevorzugt zwischen 0,85 und 0,95. Die io Neuberechnung findet hier jeweils dann statt, wenn aus dem Signal Messung_aktiv erkannt wird, dass eine Partikelmessung abgeschlossen wurde.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Wert von f_K nur dann zu ändern, wenn soot_ratio innerhalb eines bestimmten Plausibilitätsintervalls liegt, um bei Fehlmessungen eine Verfälschung zu 15 verhindern. Die Grenzen dieses Plausibilitätsintervalls hängen von der Messgenauigkeit des integrierenden Partikelsensors ab, vorteilhaft sind hier Grenzwerte von 0,5 und 2.
Fig. 4 zeigt ein verbessertes Verfahren zur Korrektur des Emissionsmodells EM. Diesem verbesserten Verfahren zur Korrektur liegt der Gedanke zugrunde, dass die Abweichungen zwi-20 sehen den im Emissionskennfeld abgelegten Emissionen eines idealen Motors und den realen Emissionen vom Betriebspunkt des Motors abhängen können. Darum wird hier statt eines einheitlichen Faktors für alle Betriebspunkte ein Korrektur-Kennfeld KK eingesetzt, in dem betriebspunktabhängige Korrekturfaktoren abgelegt sind. Zur Bestimmung der Partikelemissionen m_soot(t) wird nun der Wert des Emissionsmodells m_soot_roh(t) mit dem aus dem Korrek-25 tur-Kennfeld KK abgelesenen vom aktuellen Betriebspunkt abhängigen Korrekturfaktor multipliziert. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Korrektur-Kennfeld KK über den gleichen Eingangsgrößen aufgespannt wird, die auch in das Emissionsmodell EM eingehen, also z.B. Drehzahl n und Drehmoment M des Motors. Es ist aber auch möglich, dass das Korrektur-Kennfeld über weniger Eingangsgrößen aufgespannt ist als das Emissions-Kennfeld. 30
Die Bestimmung der betriebspunktabhängigen Korrekturfaktoren wird nun erläutert: Während eine Messung des integrierenden Partikelsensors aktiv ist (Signal M_aktiv) wird in einem weiteren Kennfeld H ("Histogramm"), das über den gleichen Eingangsgrößen aufgespannt ist wie das Korrektur-Kennfeld KK, die relative Häufigkeit der Motorbetriebspunkte während der Dauer der 35 Messung des integrierenden Partikelsensors bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Korrektur-Kennfeld KK und das Histogramm H über den Größen Motordrehzahl und Drehmoment aufgespannt. Beide Achsen sind nun in Intervalle der Breite Δη für die Drehzahl und ΔΜ für das Drehmoment geteilt, z.B. Intervalle in einer Breite von 100 Umdrehungen pro Minute für die Motordrehzahl n und Intervalle in einer Breite von 5% des maximalen Motor-40 drehmoments M. Die Stützstellen und damit die Anzahl der Felder im Korrektur-Kennfeld KK sind dabei gleich wie im Histogramm H. in festen Zeitabständen At, z.B. alle 20 ms, während der Messdauer des integrierenden Partikelsensors wird nun dasjenige Intervall bestimmt, in dem der aktuelle Motorbetriebspunkt liegt. 45 Der Häufigkeitswert H_abs(n, M) dieses Intervalls wird dann um 1 erhöht. Nach dem Ende der Messdauer des integrierenden Partikelsensors wird der relative Häufigkeitswert h_rel(n, M) jedes Intervalls bestimmt, indem der absolute Häufigkeitswert H_abs(n, M) durch die Länge der Messung in Einheiten von At geteilt wird. so Weiterhin wird am Ende der Messdauer der Korrekturfaktor f_K nach der Gleichung f_K = 1/soot_ratio = m_soot_real/m_soot_ideal bestimmt. Für alle diejenigen Felder im Korrektur-Kennfeld KK, für die der Wert h_rel(n, M) im 55 korrespondierenden Feld des Histogramms H nun den Wert h_rel_min von z.B. 0,02 übersteigt,

Claims (6)

  1. 6 AT 413 887 B wird der Wert des Korrektur-Kennfeldes modifiziert. Wie oben bereits dargelegt, kann der Wert des Korrektur-Kennfeldes f_K(n, M) an diesen Stellen durch den Wert f_K ersetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, analog zu dem oben s für einen einzigen Parameter dargestellten Verfahren, die letzten Werte von f_K(n, M) für alle Felder des Korrektur-Kennfelds in einem neuen Kennfeld Korrektur_Kennfeld_alt zu speichern, das dann die Felder f_K_alt(n, M) enthält. Nach Abschluss einer Messung des integrierenden Partikelsensors wird dann für alle Felder im Korrekturkennfeld, für die der Wert h_rel(n, M) im korrespondierenden Feld des Histogramms den Wert h_rel_min von z.B. 0,02 übersteigt, der io Wert des Korrektur-Kennfeldes nach der Gleichung: f_K(n, M) = f1 * f_K_alt(n, M) + (1-f1) / soot_ratio bestimmt, wobei f1 ein Faktor zwischen 0 und 1 ist, bevorzugt zwischen 0,85 und 0,95. 15 Weiterhin werden nach der Neuberechung des Korrektur-Kennfelds KK alle Werte H_abs(n, M) im Histogramm auf Null zurückgesetzt. Das Steuerungsverfahren kann in das Motorsteuergerät implementiert werden. Alternativ ist es 20 auch möglich, das Steuerungsverfahren in ein externes Steuergerät, z.B. in einen "Fahrzeugführungsrechner", der vielfach in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, zu implementieren. Bei Einsatz von Sensoren, die zwischen brennbaren und nicht-brennbaren Partikeln unterscheiden können, kann das Verfahren separat für brennbare und nicht-brennbare Partikel 25 durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für Diesel- als auch für Ottomotoren. 30 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Bestimmen der Partikelemissionen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines kennfeldbasierten Emissionsmodells;
    35 - Messen der tatsächlichen Partikelemissionen im Abgasstrom während eines festen oder variablen Messintervalls und Aufintegrieren der Partikelemissionen über dem Messintervall; - Ermitteln der idealen Partikelemissionen mittels des Emissionsmodells während des Messintervalls und Aufintegrieren der idealen Partikelemissionen über dem Messinter- 40 vall; - Vergleichen der gemessenen tatsächlichen Partikelemissionen mit den ermittelten idealen Partikelemissionen; - Bestimmen eines Korrekturfaktors aufgrund der Differenz zwischen den gemessenen tatsächlichen Partikelemissionen und den ermittelten idealen Partikelemissionen;
    45 - Berücksichtigen des Korrekturfaktors bei der Bestimmung der idealen Partikelemissio nen aus dem Emissionsmodell.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Korrekturfaktoren für unterschiedliche Betriebsbereiche gewählt werden. 50
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Korrekturfaktoren aufgrund eines Korrekturkennfeldes bestimmt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfaktoren unter Berücksichtigung der Häufigkeitsverteilung von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 55 7 AT 413 887 B bestimmt werden, wobei Korrekturfaktoren im Korrekturkennfeld für Betriebspunkte, deren Häufigkeit einen definierten Wert übersteigen, modifiziert werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle 5 Korrekturfaktor f_K aus einem alten Wert des Korrekturfaktors f_K_alt und dem Verhältnis soot_ratio zwischen den gemessenen tatsächlichen und den ermittelten idealen Partikelemissionen nach der Formel f_K = f1 * f_K_alt + (1-f1) / soot_ratio bestimmt wird, wobei der Faktor f1 ein Wert zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0,85 und 0,95, ist. io
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur nur dann durchgeführt wird, wenn sie innerhalb eines Plausibilitätsintervalls liegt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 15 20 25 30 35 40 45 50 55
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