AT501102B1 - Verfahren zum ermitteln des partikeleintrages in einem im abgasstrom einer brennkraftmaschine angeordneten partikelfilter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Partikeleintrages in einem im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilter.

Um eine effektive Partikelfilterregeneration durchführen zu können, ist eine möglichst genaue 5 Kenntnis des Beladungszustandes des Partikelfilters und/oder der Partikelemissionen erforderlich. Ein Verfahren, 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. Hierzu ist es bekannt, Partikelemissionen aus Kennfeldern abzuschätzen, in welche die Betriebsdaten des Motors, wie Drehzahl, Drehmo-15 ment, etc., eingehen.

Bekannte Beladungsmodelle für den Partikelfilter bilden die Realität allerdings nur unzureichend ab, da der oxidierende Einfluss von Stickoxiden auf Rußpartikel nicht berücksichtigt wird. Eine Schätzung der im Partikelfilter akkumulierten Partikelmasse lediglich auf Basis der im Abgas-20 sträng vorhandenen Partikel ohne Berücksichtigung der Stickoxide und deren Aktivität kann aber zu groben Abweichungen führen. Insbesondere wird so die im Partikelfilter akkumulierte Partikelmasse zu hoch abgeschätzt, was zu mehr Regenerationen des Partikelfilters und somit zu erhöhtem Kraftstoff-Verbrauch führt. 25 Die EP 1 333 165 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der in einem Partikelfilter akkumulierten Partikelmenge, wobei die gesamte abgelagerte Masse an Partikeln aus dem Gegendruck über eine sehr komplexe Formel, die von der Vergangenheit abhängt, bestimmt wird. In diesem Zusammenhang erfolgt auch die Berücksichtigung einer ΝΟχ-basierten spontanen Regeneration im Zuge einer partiellen Regeneration. Die zeitlich begrenzte partielle Regenera-30 tion erfolgt bei einem Motorbetriebszustand mit erhöhter Temperatur, um die Regeneration zu ermöglichen. Die partielle Regeneration ist bei der EP 1 333 165 A1 somit ein begrenztes Ereignis, bei der zu Beginn und am Ende eine Partikelmasse bestimmt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf Basis einer Abschätzung 35 der im Abgas vorhandenen Stickoxide die Schätzung der im Partikelfilter abgelagerten Partikel zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird dies durch die folgenden Schritte erreicht: 40 - Bereitstellen eines vorzugsweise kennfeldbasierten Emissionsmodells für Partikel;

Bereitstellen zumindest eines vorzugsweise kennfeldbasierten Emissionsmodells für Stickoxide;

Bereitstellen eines vorzugsweise temperaturabhängigen Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide; 45 - Bestimmen der theoretischen Partikelmasse und/oder Partikelkonzentration aufgrund des

Emissionsmodells für Partikel für zumindest einen Betriebspunkt;

Bestimmen der Stickoxide aufgrund des Emissionsmodells für Stickoxide für zumindest einen Betriebspunkt;

Bestimmen eines negativen Partikel-Äquivalenz und/oder -konzentration aufgrund des so Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide für die bestimmten Stickoxide;

Bestimmen der effektiven Partikelmasse und oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel und der negativen Partikel-Äquivalenz und Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration in ein Modell des Partikelfilters. 55 3 AT 501 102 B1

Die Erfindung geht von dem Faktum aus, dass die im Abgas vorhandenen Rußpartikel im Abgasstrand und/oder im Partikelfilter durch die gleichzeitig vorhandenen Stickoxide oxidiert werden und sich somit nicht im Partikelfilter festsetzen. Die Oxidation der Partikel durch Stickoxide ist als sogenannter CRT-Effekt (Continuous Regeneration Trap) bekannt und hängt stark von 5 der Temperatur des Partikelfilters ab. Um diesen Umstand zu berücksichtigen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Partikelfiltertemperatur an zumindest einer Stelle ermittelt wird und die negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder die negative Partikel-Äquivalenzkonzentration in Abhängigkeit der Partikelfiltertemperatur bestimmt wird, wobei vorzugsweise die Partikelfiltertemperatur durch Messen der Abgastemperatur vorzugsweise stromaufwärts des Partikelfilters io bestimmt wird. Dabei können auch unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen Stellen des Partikelfilters berücksichtigt werden.

Eine noch genauere Abschätzung des Partikeleintrages lässt sich realisieren, wenn getrennte kennfeldbasierte Emissionsmodelle für die NO- und N02-Emissionen bereitgestellt werden und 15 dass für den zumindest einen Betriebspunkt die NO- und/oder N02-Emissionen bestimmt werden und dass aufgrund der NO- und N02-Emissionen effektive Partikelmassen und/oder Konzentrationen bestimmt wird. Damit wird berücksichtigt, dass Stickoxide, wie NO oder N02 die Rußpartikel unterschiedlich stark oxidieren. 20 Eine weitere Verbesserung der Abschätzung lässt sich erreichen, wenn bei der Bestimmung der effektiven Partikelmasse berücksichtigt wird, dass die im Abgasstrang vorhandenen Stickoxide, die aktuell im Abgas befindlichen Rußpartikel besser oxidieren als im Partikelfilter abgelagerte Rußpartikel. 25 Da zu den Rußpartikeln aus dem Emissionsmodell die negativen äquivalenten Partikel addiert werden, können sich für die effektiven Partikel auch negative Werte ergeben. Um zu berücksichtigen, dass auch bei hohem Überschuss von Stickoxiden gegenüber Partikeln die bereits im Partikelfilter abgelagerten Partikel nur sehr langsam abgebaut werden, kann vorgesehen sein, dass der Wert für die effektive Partikelmasse nach unten begrenzt wird. 30

Statt der Massenströme der Komponenten im Abgas können die entsprechenden Konzentrationen und der Volumenstrom an Abgas verwendet werden.

Durch verbesserte Schätzung der Partikelemissionen der Brennkraftmaschine kann die Bela-35 düng eines Partikelfilters besser bestimmt werden. Die verbesserte Kenntnis der Beladung des Partikelfilters ermöglicht es, eine Regeneration zielgerichteter auszulösen, da der Sicherheitsabstand 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. 40

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert somit die Abschätzung der in einem Partikelfilter abgelagerten Masse an Rußpartikeln. Eine genaue Kenntnis der abgelagerten Partikelmasse ist wichtig, um Systeme zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Wall-Flow-Partikelfilter, bedarfsgerecht regenerieren zu können. In Verbindung mit einem geeigneten Algorithmus für 45 die Auslösung einer Partikelfilter-Regeneration kann so die Regenerationsfrequenz wesentlich reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Software in die Motorsteuerungseinheit implementiert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 50

Es zeigen schematisch Fig. 1 den Aufbau des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 ein einfaches Verfahren zur Ermittlung des Partikeleintrages gemäß der Erfindung und Fig. 3 ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Partikeleintrages. 55 Fig. 1 zeigt zunächst den grundsätzlichen Aufbau des Systems: Im Abgasstrang 15 eines 4 AT 501 102 B1

Verbrennungsmotors 11 ist ein Partikelfilter 12 angeordnet. Weiters ist im Ausführungsbeispiel im Abgasstrang 15 vor dem Partikelfilter 12 ein Oxidations-Katalysator 16 angeordnet. Der Oxidationskatalysator kann aber auch gegebenenfalls entfallen. Zur Bestimmung der Temperatur des Partikelfilters 12 ist zumindest ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der vor oder nach 5 dem Partikelfilter 12 angebracht sein kann, evtl, auch vor dem Oxidationskatalysator 16.

Der Verbrennungsmotor wird von einem elektronischen Steuergerät 14 gesteuert. Auch der zumindest eine Temperatursensor 13 ist an das Steuergerät 14 angeschlossen. Weitere Sensoren wie z.B. ein Differenzdrucksensor sind möglich, aber nicht unbedingt erforderlich für das io erfindungsgemäße Verfahren.

Im elektronischen Steuergerät 14 ist auch ein Modell vorhanden, das aus dem Signal des zumindest einen Temperatursensors und weiteren Größen zumindest eine mittlere Temperatur des Partikelfilters 12 berechnet. Ein komplexeres Modell, das Temperaturen an mehreren Stel-15 len des Partikelfilters 12 (z.B. Eingang, Mitte, Ausgang) berechnet ist möglich, aber nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 2 zeigt den relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuergerät 14. Ein bekanntes Emissionsmodell EMP für Partikel liefert einen Wert für die vom Motor 11 emittierte 20 Partikelmasse m_soot. Ein weiteres Emissionsmodell EMNOX liefert einen Wert für die im Abgasstrom vor dem Eingang des Partikelfilters 12 vorliegende Masse an Stickoxiden, m_NOx. In einfachen Fällen entspricht die Größe m_soot und/oder m_NOX jeweils einem festen Wert, in anderen Ausführungsformen wird dieser Wert einem Kennfeld über Motorbetriebsdaten wie etwa Drehzahl n und Drehmoment M entnommen. Auch komplexere Modelle, in die noch weite-25 re Motorbetriebsdaten eingehen, sind hier möglich.

In einer besonderen Ausführungsform wird ein Emissionsmodell verwendet, welches statt einer einzigen Masse an Stickoxiden zwei getrennte Massen für NO (Stickstoffoxid) und N02 (Distickstoffoxid) bestimmt. 30

Weiterhin ist in den Steuerungsalgorithmen ein Modell CRT-M für die Oxidation der Rußpartikel durch NOx vorgesehen, welches einen Faktor f_CRT bestimmt, in welchem Maße die Stickoxide im Partikelfilter 12 die im Abgas vorhandenen Partikel oxidieren. Dieser Faktor hängt in erster Linie von der Temperatur des Partikelfilters 12 ab. So findet bei Temperaturen von unter-35 halb ca. 200°C keine Oxidation durch NOx statt.

In einer einfachen Ausführungsform besteht dieses Modell CRT-M aus einer Kennlinie über der Temperatur des Partikelfilters 12, welche bei tiefen Temperaturen den Wert Null annimmt und bei hohen Temperaturen einem festen Wert entspricht. Dieser feste Wert berücksichtigt auch 40 die unterschiedliche (mittlere) molekulare Masse von Stickoxiden und Ruß und entspricht somit dem Kehrwert des experimentell bestimmbaren Verhältnisses von NOx zu Partikeln (ΝΟχ-Soot-Ratio) ab welchem keine Ruß-Partikel mehr im Partikelfilter abgelagert werden.

In weiteren Ausführungsformen können in diesem Modell CRT-M auch unterschiedliche Tempe-45 raturen an unterschiedlichen Stellen des Partikelfilters 12 und/oder eine Trennung der Stickoxide in NO und N02 berücksichtigt werden.

Dieses Modell CRT-M kann gleichermaßen für unbeschichtete Partikelfilter wie für Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung eingesetzt werden. Bei katalytisch beschichteten Partikelfiltern so 12 werden in der Regel die Faktoren f_CRT bei gleicher Temperatur höher sein als bei unbeschichteten Partikelfiltern.

Durch Multiplikation dieses Faktors f_CRT mit der aus dem NOx-Emissionsmodell EMNOx bestimmten Masse an Stickoxiden m_NOx wird dann eine negative Partikel-Äquivalentmasse 55 m_soot_neg bestimmt, welche ausdrückt, welche Masse an im Abgas vorhandenen Rußparti-

Claims (5)

1. 5 AT 501 102 B1 kein bei der aktuellen Temperatur des Partikelfilters 12 durch NOx oxidiert werden kann. In einem weiteren Rechenschritt werden die mit dem Emissionsmodell EMP abgeschätzte Partikelmasse m soot und die negative Partikel-Äquivalentmasse m_soot_neg addiert, um so 5 die effektive Masse m_soot_eff an Partikeln zu bestimmen, die sich im Partikelfilter 12 absetzen kann. Diese effektive Partikelmasse m_soot_eff wird nun einem Rechenmodell eines Partikelfilters DPF-M zugeführt. In einer einfachen Ausführung besteht dieses Modell lediglich aus einem io einfachen Integrator, der die in das Filter 12 eingetragenen Partikel einfach aufintegriert. In weiteren Ausführungsformen kann auch ein komplexeres Modell eines Partikelfilters 12 eingesetzt werden, z.B. ein Modell, das über mehrere Zellen in Strömungsrichtung des Abgases verfügt. 15 Fig. 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens: Hierbei wird noch berücksichtigt, dass die im Abgasstrang 15 vorhandenen Stickoxide die aktuell im Abgas befindlichen Rußpartikel sehr viel besser oxidieren als solche Partikel, die bereits im Partikelfilter 12 abgelagert sind. Nach der oben hergeleiteten Berechnungsvorschrift für m_soot_eff können sich für diese Größe bei einem sehr hohen Verhältnis von NOx zu Partikeln 20 im Abgasstrom ja negative Werte ergeben. Um zu berücksichtigen, dass auch bei hohem Überschuss von NOx gegenüber Partikeln die bereits im Partikelfilter 12 abgelagerten Partikel nur sehr langsam abgebaut werden, ist demnach vorgesehen, einen Rechenblock Be einzusetzen, der den Wert der in die Berechnung der Filterbeladung eingehenden effektiven Partikelmasse auf den nur leicht negativen Wert m_soot_eff_lim begrenzt. 25 Anstelle der in den Ausführungsbeispielen und den Figuren verwendeten Massenströme der Komponenten im Abgas können auch die entsprechenden Konzentrationen und der Volumenstrom an Abgas verwendet werden. 30 Das Steuerungsverfahren kann in das Motorsteuergerät implementiert werden. Alternativ ist es auch möglich, das Steuerungsverfahren in ein externes Steuergerät, z.B. in einen "Fahrzeugführungsrechner", der vielfach in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, zu implementieren. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für Diesel- als auch für Otto-Motoren. 35 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Ermitteln des Partikeleintrages in einem im Abgasstrom einer Brennkraft-40 maschine angeordneten Partikelfilter, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines vorzugsweise kennfeldbasierten Emissionsmodells für Partikel: Bereitstellen zumindest eines vorzugsweise kennfeldbasierten Emissionsmodells für Stickoxide: Bereitstellen eines vorzugsweise temperaturabhängigen Modells für die Oxidation der 45 Rußpartikel durch Stickoxide: Bestimmen der theoretischen Partikelmasse und/oder Partikelkonzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel für zumindest einen Betriebspunkt; Bestimmen der Stickoxidmasse und/oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Stickoxide für zumindest einen Betriebspunkt: so - Bestimmen einer negativen Partikel-Äquivalentmasse und/oder -konzentration aufgrund des Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide für die bestimmte Stickoxidmasse und/oder -konzentration; Bestimmen einer effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel und der negativen Partikel-Äquivalentmasse und/oder 55 -konzentration und 6 AT 501 102 B1 Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration in ein Modell des Partikelfilters.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte kennfeldbasierte 5 Emissionsmodelle für die NO- und N02-Emissionen bereitgestellt werden und dass für den zumindest einen Betriebspunkt die NO- und/oder N02-Emissionen bestimmt werden und dass aufgrund der NO- und N02-Emissionen effektive Partikelmassen und/oder Konzentrationen bestimmt wird. io
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfiltertemperatur an zumindest einer Stelle ermittelt wird und die negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder die negative Partikel-Äquivalentkonzentration in Abhängigkeit der Partikelfiltertemperatur bestimmt wird, wobei vorzugsweise die Partikelfiltertemperatur durch Messen der Abgastemperatur vorzugsweise stromaufwärts des Partikelfilters bestimmt wird. 15
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der effektiven Partikelmasse berücksichtigt wird, dass die im Abgasstrang vorhandenen Stickoxide die aktuell im Abgas befindlichen Rußpartikel besser oxidieren als im Partikelfilter abgelagerte Rußpartikel. 20
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für die effektive Partikelmasse nach unten begrenzt wird. 25 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 55