DE10161461B4

DE10161461B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration von Partikelfiltern bei Dieselmotoren

Info

Publication number: DE10161461B4
Application number: DE10161461A
Authority: DE
Inventors: Brendan Patrick Carberry; David Arthur Chelmsford Ketcher; Paul Eduard Moraal
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: US6497095B2; DE10161461A1; US20020078684A1

Abstract

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters für Dieselabgase eines mit einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeugs, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
(A) Erfassen, wenn die Menge an Dieselkraftstoff in einem Kraftstofftank des Fahrzeugs (10) unterhalb eines ersten Schwellwertes liegt, der einen relativ niedrigen Kraftstofffüllstand repräsentiert;
(B) Hemmen der Regeneration des Partikelfilters (48), wenn der in Schritt (A) erfasste Kraftstoffstand unterhalb des ersten Schwellwerts liegt;
(C) Erfassen, wenn die Menge an Dieselkraftstoff in dem Kraftstofftank zwischen dem ersten Schwellwert und einem zweiten Schwellwert liegt, wobei der zweite Schwellwert höher als der erste Schwellwert liegt;
(D) Erfassen, wenn die Beladung des Partikelfilters (48) mit Partikeln zwischen einem ersten, relativ hohen Beladungsniveau und einem zweiten Beladungsniveau liegt, wobei das zweite Beladungsniveau höher als das erste Beladungsniveau ist, und wobei eine Regeneration des Partikelfilters (48) üblicherweise bei Erreichen des zweiten Beladungsniveaus erforderlich wäre;
(E) Regeneration des Partikelfilters (48), wenn der in Schritt...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Filter zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von Dieselmotoren und insbesondere Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltern eines mit einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen sind Vorrichtungen zur Abgasbehandlung bekannt. Konventionelle Vorrichtungen zur Abgasbehandlung bei Dieselmotoren weisen insbesondere Partikelfilter, Oxidationskatalysatoren und Stickoxid (NO_x)-Katalysatoren auf. Ein Problem bei bekannten Partikelfiltern besteht darin, dass überwiegend aus Kohlenstoff bestehende Partikel dazu neigen, die Filter zu verstopfen, was zu einem verringerten Abgasfluss führt. Zur regelmäßigen Filterregeneration und zur Entfernung der Partikel aus diesen ist es bekannt, Maßnahmen vorzusehen, welche zu einem Anstieg der Abgastemperatur über ein vorbestimmtes Niveau hinaus (z. B. bis oberhalb von 450°C) führen, so dass die Kohlenstoffpartikel, die sich im Filter angesammelt haben, verbrannt bzw. verascht werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur besteht in einer entsprechenden Steuerung einer im Ansaugrohr des Motors vorgesehen Drosselklappe. Insbesondere ist be kannt, dass die Abgastemperatur durch Drosselung bzw. Schließen der Drosselklappe erhöht werden kann. Für eine derartige Steuerung der Drosselklappe sind mehrere Verfahren bekannt. So wird beispielsweise die Drosselklappe im Ansaugrohr dadurch gesteuert, dass die Differenz zwischen einem berechneten Zieldruck im Ansaugrohr und einem aktuellen Druck im Ansaugrohr ausgewertet wird. Der Zieldruck im Ansaugrohr wird unter Berücksichtigung der Motordrehzahl und der Last des Motors berechnet. Der Regenerationsprozess erfolgt dabei planmäßig unter Einsatz einer Software für die Motorsteuerung auf der Basis einer geschätzten Partikelbeladung. Die Erhöhung der Abgastemperatur führt bei den bekannten Techniken zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauches während des Regenerationsprozesses. Dies kann vor allem dann in negativer Weise auf den Fahrer wirken, wenn der Regenerationsvorgang zu einem Zeitpunkt eingeleitet wird, bei dem der Kraftstofftank des Fahrzeugs fast leer ist, d. h., wenn die Kraftstoffwarnanzeige leuchtet. So kann es beispielsweise vorkommen, dass der Fahrer eine unerwartet schnelle Reduktion der verbleibenden Reichweite des Fahrzeugs zu einem kritischen Zeitpunkt feststellen muß. Diese genaue Prüfung des Kraftstoffverbrauchs durch den Fahrer zu einem Zeitpunkt, bei dem der Kraftstofftank fast leer ist, kann für den Fahrer den Eindruck erwecken, dass der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs unökonomisch ist. Im Extremfall kann der höhere Kraftstoffverbrauch darüber hinaus vor Erreichen der nächsten Tankstelle zu einem ”Liegenbleiben” des Fahrzeugs führen.
Die DE 93 13 112 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Dosierung von flüssigen Additiven zur Reinigung eines Rußfilters im Abgassystem einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine. Um ausreichende Reinigungsergebnisse zu erzielen, wird das Additiv mittels einer Dosiereinrichtung im geeigneten Verhältnis zum verbrauchten Kraftstoff, der mittels einer Füllstandsmesseinrichtung ermittelt wurde, dosiert.
DE 42 08 609 C2 beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung der Zeitdauer bis zum Erreichen der Betriebstemperatur einer im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung ohne einer nennenswerten Erhöhung der Schadstoffemission. Die Temperatur wird während dieser Zeitdauer stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung durch Verbrennen des Energieträgers Wasserstoff zusätzlich erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regeneration von Partikelfiltern bei Dieselmotoren zu schaffen, bei denen zur Vermeidung der genannten Nachteile eine Einleitung der Regeneration ausschließlich oberhalb niedriger Kraftstofffüllstände sichergestellt wird.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt durch Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 2 sowie durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 11.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise zunächst gemessen werden, ob der Kraftstofffüllstand unterhalb des ersten Schwellwertes und eines zweiten, höher liegenden Schwellwertes liegt. Wenn die Beladung des Filters mit Partikeln zwischen einem ersten, relativ hohen Beladungsniveau und einem zweiten, im Vergleich zum ersten Beladungsniveau höheren Beladungsniveau liegt, so wird dies ebenfalls erfasst. Der Partikelfilter wird dann regeneriert, wenn der gemessene Kraftstoff füllstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert und die erfasste Beladung des Filters zwischen dem ersten und dem zweiten Beladungsniveau liegt. Der Partikelfilter wird ferner regeneriert, wenn die Beladung des Filters mit Partikeln ein vorbestimmtes Beladungsniveau übersteigt. Die Regeneration erfolgt dabei durch Erhöhung der Abgastemperatur zumindest auf eine vorgewählte Abgastemperatur, oberhalb derer der Partikelfilter durch eine Oxidation der Partikel regeneriert wird. Die Abgastemperatur wird für eine vorbestimmte Zeitdauer oberhalb der vorgewählten Temperatur ge halten, wobei sich die Zeitdauer aus dem gewünschten Maß der Filterregeneration ergibt. Der Anstieg der Abgastemperatur kann dabei durch verschiedene Techniken bewirkt werden. Hierzu zählen eine Drosselung des Lufteinlasses des Motors und eine entsprechende Reduktion des Sauerstoffgehalts im Abgas, das Schließen eines EGR-Ventils (EGR = exhaust gas recirculation, Abgasrückführung) des Motors oder ein Voreinspritzen von Kraftstoff in die Zylinder des Motors.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters für Dieselabgase geschaffen, bei dem eine Regeneration dann unterbleibt, wenn die Kraftstoffversorgung des Motors einen relativ niedrigen Kraftstofffüllstand aufweist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird dabei die Regeneration des Filters nur dann eingeleitet, wenn die Beladung des Filters oberhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt. Hierdurch wird die Gefahr verringert, dass ein mit einem Dieselmotor betriebenes Fahrzeug aufgrund Kraftstoffmangels deshalb stehen bleibt, weil der Kraftstoffverbrauch bei niedrigem Kraftstofffüllstand aufgrund einer Einleitung eines Filterregenerationsvorganges ansteigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motors und ein schematisches Blockdiagramm einer mit diesem in Verbindung stehenden Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 das Blockdiagramm der Steuereinrichtung gemäß 1, und
3 ein Flussdiagramm, welches die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, die unter Einsatz von Programmbefehlen einer Computersoftware ausgeführt werden können.
1 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer Brennkraftmaschine, nachfolgend Motor 12 genannt, und einer Mikrocontrollersteuerung 14. Der Motor 12 ist als Dieselmotor ausgebildet und weist ein Ansaugrohr 16, eine Drosselklappe 18, einen Stellantrieb 20 für die Drosselklappe 18, eine Kraftstoffeinspritzdüse 21, einen Auspuffkrümmer 22, eine Filteranordnung 24, einen Turbolader 26, ein EGR-Ventil (EGR = exhaust gas recirculation, Abgasrückführung) 28, einen Luftmassenstromsensor 30, einen Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18, einen Drucksensor 34, einen Drehzahlsensor 36, einen Luft/Kraftstoffsensor 38 sowie Drucksensoren 40, 42 auf.
Verdichtete Luft aus dem Turbolader 26 wird von dem Ansaugrohr 16 aufgenommen und den mit 44 bezeichneten Zylindern des Motors 12 zugeleitet. Der Aufbau des Ansaugrohrs 16 kann abhängig von der Anzahl der Zylinder 44 variieren. Die Drosselklappe 18 ist innerhalb des Ansaugrohrs 16 angeordnet.
Die Drosselklappe 18 dient einer selektiven Verringerung des durch das Ansaugrohr 16 strömenden Luftmassenstroms, um hierdurch den Betrieb des Motors 12 und insbesondere die Abgastemperatur des Motors 12 zu steuern. Wenn die Drosselklappe 18 gedrosselt bzw. geschlossen wird, d. h. beispielsweise von einer voll geöffneten Stellung in eine teilweise geschlossene Stellung bewegt wird, steigt die Abgastemperatur an. Durch die Steuerung der Stellung der Drosselklappe 18 kann daher eine Erhöhung der Abgastemperatur über eine vorbestimmte Temperatur hinaus (z. B. über 450°C) bewirkt werden, um die Filteranordnung 24 zu regenerieren. Das Verfahren zur Steuerung der Drosselklappe 18 zur Erhöhung der Abgastemperatur wird weiter unten näher erläutert. Die Drosselklappe 18 weist einen herkömmlichen Aufbau auf und kann u. a. als herkömmliches Ventil ausgebildet sein, mittels dessen eine Reduktion des Luftstroms durch das Ansaugrohr 16 bewirkt werden kann. Die Drosselklappe 18 kann beispielsweise als Butterfly-Ventil o. a. ausgebildet sein.
Die Drosselklappe 18 wird mittels eines Stellantriebs 20 in eine bestimmte Stellung bewegt. Bei dem Stellantrieb 20 handelt es sich um einen konventionellen Stellantrieb, der beispielsweise als pneumatisch gesteuerter Stellantrieb, als Schrittmotor-Stellantrieb od. dgl. ausgebildet sein kann. Der Stellantrieb 20 reagiert auf durch die Mikrocontrollersteuerung 14 erzeugte elektrische Signale, um die Stellung der Drosselklappe 18 einzustellen. Hierdurch wird wiederum der Luftstrom durch das Ansaugrohr 16 verändert.
Bei der Kraftstoffeinspritzdüse 21 handelt es sich um eine herkömmliche Einspritzeinrichtung, mittels derer Kraftstoff in einen der Zylinder 44 eingeleitet wird. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass jeder der Zylinder 44 eine zugeordnete Kraftstoffeinspritzdüse 21 aufweist, obwohl hier aus Gründen einer vereinfachten Darstellung nur eine einzige Kraftstoffeinspritzdüse 21 dargestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 21 erhält Kraftstoff von einer hier nicht dargestellten Kraftstoffpumpe und spritzt eine erste vorbestimmte Kraftstoffmenge in einen der Zylinder 44 während eines Arbeitshubes des entsprechenden Zylinders 44 ein. Die Kraftstoffeinspritzdüse 21 kann ferner dazu verwendet werden, eine zweite vorbestimmte Menge an Kraftstoff in einer späten Phase des Arbeitshubes des entsprechenden Zylinders 44 in einen der Zylinder 44 einzuspritzen (Nacheinspritzung von Kraftstoff), um darüber hinaus die Abgastemperatur, wie weiter unten genauer erläutert, zu steuern. Über die Mikrocontrollersteuerung 14 können insbesondere Steuersignale erzeugt werden, die bewirken, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 21 die erste bzw. die zweite vorbestimmte Menge an Kraftstoff jeweils in einen der Zylinder 44 einspritzt.
Abgas aus den Zylindern 44 wird vom Auspuffkrümmer 22 durch den Turbolader 26 zu der Filteranordnung 24 geleitet. Der Aufbau des Auspuffkrümmers 22 kann abhängig von der Anzahl der Zylinder 44 im Motor 12 variieren. Die Filteranordnung 24 dient einer Verringerung von Emissionen und Partikeln im Abgas, bevor dieses aus dem Motor 12 in die Umgebung abgegeben wird. Die Filteranordnung 24 kann dabei beispielsweise einen Oxidationskatalysator 46 und einen Partikelfilter 48 aufweisen.
Der Oxidationskatalysator wirkt dahingehend, dass die Abgastemperatur des Motors 12 erhöht wird, bevor das Abgas in den Partikelfilter 14 eintritt. Dabei führt insbesondere eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen oder mehrere Zylinder 44 zum Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Zylindern 44 in den Oxidationskatalysator 46. Die Oxidation der Kohlenwasserstoffe im Oxidationskatalysator 46 stellt eine exotherme Reaktion dar, die zu einer zusätzlichen Erhöhung der Abgastemperatur führt. Folglich ist die Temperatur des den Oxidationskatalysator 46 verlassenden Abgases wesentlich höher (beispielsweise bis zu 200°C) als das in die Filteranordnung 24 eintretende Abgas. Das Abgas in dem Oxidationskatalysator 46 wird vorzugsweise auf mindestens 450°C erhitzt, bevor es in den Partikelfilter 48 geleitet wird, was eine Regeneration des Partikelfilters 48 zur Folge hat.
Der Partikelfilter 48 dient zu einer Aufnahme von Partikeln bzw. Feststoffen, wie beispielsweise Kohlenstoffpartikeln, aus dem Abgas. Der Partikelfilter 48 kann einen herkömmlichen Aufbau aufweisen und beispielsweise als Stahlwollefilter, als Monolithkeramikfilter oder als spulenförmiger Keramikfilter ausgebildet sein. Wie vorstehend dargelegt, muss der Partikelfilter 48 in gewissen Intervallen regeneriert bzw. gereinigt werden, da sich der Partikelfilter 48 sonst mit Kohlenstoffpartikeln aus dem Abgas zusetzen kann. Der Partikelfilter 48 kann durch Drosselung mittels der Drosselklappe 18 und/oder Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder 44 regeneriert werden, da auf diese Weise die Abgastemperatur über eine vorbestimmte Veraschungstemperatur (beispielsweise 450°C) der Kohlenstoffpartikel hinaus erhöht werden kann.
Der Turbolader 26 verdichtet die in den Motor 12 eingeleitete Luft. Der Turbolader 26 kann beispielsweise einen mit dem Ansaugrohr 16 verbundenen Kompressor 50 und eine zwischen dem Auspuffkrümmer 22 und der Filteranordnung 24 angeordnete Turbine 52 aufweisen.
Das EGR-Ventil 28 dient zur Reduktion der NO_x-Emissionen des Motors 12. Das EGR-Ventil 28 ist von herkömmlicher Bauart und ist zwischen dem Ansaugrohr 16 und dem Auspuffkrümmer 22 angeordnet.
Der Luftmassenstromsensor 30 erzeugt ein Signal V_A, welches den Luftmassenstrom im Ansaugrohr 16 anzeigt. Mittels der Mikrocontrollersteuerung 14 kann das Signal V_A und der Messwert für den Luftmassenstrom (MAF = mass airflow) aus dem Signal V_A abgeleitet werden. Der Luftmassenstromsensor 30 ist von herkömmlichem Aufbau und vorzugsweise in einer Einlassöffnung 54 stromaufwärts im Ansaugrohr 16 angeordnet.
Der Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18, der von konventioneller Bauart sein kann, erzeugt ein die Stellung der Drosselklappe 18 anzeigendes Signal V_V. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_V auf und leitet die Messwertposition (measured position) THR_M der Drosselklappe 18 aus dem Signal V_V ab. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Messwertposition THR_M der Drosselklappe 18 einen Bereich von 0 bis 1 annehmen, wobei der Wert 0 einer vollständig geöffneten Stellung (d. h. keine Drosselung), und der Wert 1 einer vollständig geschlossenen Stellung der Drosselklappe 18 entspricht. Die Drosselklappe kann aber auch alternative Stellungen einnehmen. So kann die Stellung der Drosselklappe 18 beispielsweise einem Prozentsatz der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Stellung entsprechen oder durch die Angabe einer Dreh- Winkelstellung charakterisiert werden. Der Drucksensor 34 erzeugt ein Signal V_P1, welches den Druck innerhalb des Ansaugrohrs 16 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_P1 auf und leitet daraus den gemessenen Wert des Drucks P im Ansaugrohr 16 ab. Der Drucksensor 34 ist als konventioneller Drucksensor ausgebildet.
Der Drehzahlsensor 36 erzeugt ein Signal V_N, welches die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors 12 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt ein Signal V_N auf und leitet daraus den gemessenen Wert für die Motordrehzahl N ab. Der Drehzahlsensor 36 ist ebenfalls von herkömmlicher Bauart.
Ein Luft/Kraftstoffsensor 38 erzeugt ein Signal V_AF, welches das Luft/Kraftstoffverhältnis im Motor 12 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_AF auf und leitet hieraus den gemessenen Wert des Luft/Kraftstoffverhältnisses A_F ab. Der Luft/Kraftstoffsensor 38 ist von herkömmlicher Bauart und zwischen einer Turbine 52 und der Filteranordnung 24 angeordnet.
Ein Temperatursensor 39 erzeugt ein Signal V_T, welches der Temperatur an der Auslassöffnung der Filteranordnung 24 entspricht. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_T auf und leitet hieraus den gemessenen Wert der Abgastemperatur T des in die Filteranordnung 24 eintretenden Abgases ab. Drucksensoren 40, 42 erzeugen jeweils Signale V_P2 und V_P3, welche jeweils dem Druck an der Einlass- und der Auslassöffnung der Filteranordnung 24 ansprechen. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt die Signale V_P2 und V_P3 auf und leitet hieraus jeweils die gemessenen Werte für die Einlass- und Auslass-Drücke P_I und P_o ab. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung können die Drucksensoren 40, 42 auch durch einen einzelnen differenziellen Drucksensor (hier nicht darge stellt) ersetzt werden, der ein Signal erzeugt, welches den Druckabfall über der Filteranordnung 24 anzeigt. Mittels der Mikrocontrollersteuerung 14 kann – basierend auf der Differenz zwischen den Einlass- und Auslassdrücken P_I, P_o – bestimmt werden, ob eine Regeneration des Partikelfilters 48 erforderlich ist.
Die Mikrocontrollersteuerung 14 steuert den Motor 12 und insbesondere die Drosselklappe 18. Die Mikrocontrollersteuerung 14 kann als herkömmlicher Mikrocontroller ausgebildet sein. Diese ist elektrisch mit dem Stellantrieb 20 für die Drosselklappe 18, die Kraftstoffeinspritzdüse 21, dem Luftmassenstromsensor 30, dem Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18, dem Drucksensor 34, dem Drehzahlsensor 36, dem Luft/Kraftstoffsensor 38, dem Temperatursensor 39 und den Drucksensoren 40, 42 verbunden. Die Mikrocontrollersteuerung 14 beinhaltet einen hier nicht dargestellten Lesespeicher (ROM = read only memory), in welchem ein Softwareprogramm zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung abgespeichert ist.
In 2 ist die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Eine Sensoranordnung 56 mit einer Vielzahl von Sensoren ist zur Erfassung von Informationen aus dem Motor 12 und hinsichtlich der Abgase vorgesehen. Die Sensoren der Sensoranordnung 56 übertragen diese Information an ein Überwachungsglied 58 für die Beladung des Filters mit Dieselpartikeln, wobei das überwachungsglied 58 einen Teil der die Mikrocontrollersteuerung 14 bildenden Hardware oder Software umfassen kann. Die Sensoranordnung 56 beinhaltet die zuvor beschriebenen Sensoren 30, 32, 34, 36, 38, 39, 40 und 42. Das Überwachungsglied 58 für die Beladung des Filters mit Dieselpartikeln (DPF = diesel particulate filter) nimmt die Beladung des Partikel filters 48 mit Dieselpartikeln auf und speichert diese. Dieses Beladungsniveau entspricht im Wesentlichen der Darstellung einer Beladung mit Partikeln, die als Funktion eines vorbestimmten, maximalen Beladungsniveaus aufgezeichnet wird, welches mit einem vorbestimmten Niveau des Staudrucks korrespondiert, der auf das durch die Filteranordnung 24 strömende Abgas einwirkt. Das Überwachungsglied 58 für die Beladung kann in alternativer Ausgestaltung der Erfindung einen adaptiven Algorithmus zur Berechnung der im Partikelfilter 48 angehäuften Asche beinhalten. Eine Erfassung der Menge an Asche im Partikelfilter 48 ist vorteilhaft, weil es sich bei Asche um ein inertes Material handelt, welches nicht an den während des Regenerationsprozesses ablaufenden exothermen Reaktionen beteiligt ist, obwohl die Asche zu einem Anstieg des Staudrucks im Abgas beiträgt. Die abgeschätzte Beladung des Partikelfilters 48 mit Dieselpartikeln (DPF-Beladung) wird sowohl an ein Diagnosemodul 60 als auch an ein dynamisches Schwellwert-Modul 62 übermittelt, welche beide vorzugsweise durch in der Mikrocontrollersteuerung 14 gespeicherte Softwareroutinen implementiert sind. Das Diagnosemodul 60 erhält ebenfalls Informationen von den Sensoren 56 und sendet eine Warnmeldung (warning MIL, wobei MIL = malfunction indicator lamp = Störungsanzeigeleuchte) aus, wenn die DPF-Beladung einen kritischen Schwellwert überschritten hat. Ein Überschreiten dieses kritischen Schwellwerts kann dazu führen, dass die Filteranordnung 24 bei Einleitung eines Regenerationsvorgangs schmilzt. Die Warnmeldung (MIL) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine entsprechende Leuchte im Armaturenbrett des Fahrzeugs eingeschaltet wird. Das Diagnosemodul 60 kann in ähnlicher Weise die gleiche Warnung aussenden, wenn die Filteranordnung 24 Anzeichen eines erheblichen Defektes anzeigt, wie beispielsweise ein Verstopfen oder beginnendes Schmelzen des Filters in einem Ausmaß, dass eine effektive Filterung nicht weiter gewährleistet ist. Das Diagnosemodul 60 setzt schließlich auch einen Software-Merker (software flag), der einen laufenden Regenerationsvorgang beendet, falls die Temperatur des Partikelfilters 48 eine gewisse kritische Temperaturgrenze überschreitet, oberhalb derer die strukturelle Integrität der Filteranordnung 24 gefährdet ist.
Das dynamische Schwellwert-Modul 62 wertet sowohl die Beladung des Dieselpartikelfilters mit Partikeln als auch die Temperatur an der Einlassöffnung der Filteranordnung 24 aus und nimmt eine Bestimmung vor, wann der Regenerationsvorgang eingeleitet werden muss. Wenn eine Entscheidung für die Durchführung der Regeneration getroffen wurde, wird ein Merker (flag) gesetzt, welcher an ein Steuermodul 64 weitergeleitet wird. Das Steuermodul 64 ist zur Aussendung einer Reihe von Signalen ausgebildet, die solche Komponenten des Motors 12 steuern, welche zur Erhöhung der Abgastemperatur auf den Schwellwert benötigt werden, der zur Regeneration des mit Partikeln beladenen Partikelfilters 48 durch Verbrennung der angesammelten Partikel erforderlich ist. Das Steuermodul 64 reagiert weiterhin auf einen durch das Diagnosemodul 60 ausgesendeten Halt-Merker (hold flag), was zu einer Beendigung eines laufenden Regenerationsvorgangs führt. Wenn der Merker zur Regeneration durch das Schwellwert-Modul 62 gesetzt wird, sendet das Steuermodul 64 Signale an die entsprechenden Steuerelemente des Motors 12, um die Abgastemperatur auf das zur Einleitung der Regeneration des Partikelfilters 48 erforderliche Niveau zu erhöhen. So wird beispielsweise zunächst ein Signal zum Schließen des EGR-Ventils und einer Turbine mit Verstelldüse VNT (wenn vorgesehen) ausgesendet, oder es wird ein Turbinenbypass auf eine feststehende Position oder alternativ auf eine geöffnete Position eingestellt. Das Steuermodul 64 sendet dann ein Signal zur Steuerung des Stellantriebs 20 aus, der die Dros selklappe 18 bewegt, um die Ansaugluftmenge zu drosseln. Diese Drosselung bewirkt einen einleitenden Anstieg der Abgastemperatur auf ein Niveau, welches erforderlich ist, um das Erreichen der sogenannten Anspringtemperatur im Oxidationskatalysator 46 sicherzustellen. Danach wird eine Nacheinspritzung in die Zylinder 44 eingeleitet, um einen weiteren Anstieg der Temperatur an der Einlassöffnung der Filteranordnung 24 zu erzielen. Für den Fall, dass ein Halt-Merker durch das Diagnosemodul 60 ausgesendet wird, öffnet das Steuermodul 64 das EGR-Ventil 28, welches daraufhin den Sauerstoffstrom in die Filteranordnung 24 reduziert. Wenn die Ansaugluft des Motors ernsthaft zurückgedrosselt wird (beispielsweise um mehr als 500 mbar), ist die Effizienz des Motors verringert, und es wird daher notwendig, den entstehenden Drehmomentmangel auszugleichen. Die Mikrocontrollersteuerung 14 beinhaltet daher ein Ausgleichsmodul 66 für das Drehmoment, welches eine Software umfasst, die eine Erhöhung der Menge des an den Motor 12 gelieferten Kraftstoffs veranlaßt. Diese Software verwertet dabei Informationen von den Sensoren 56, wie beispielsweise Informationen bezüglich des Ladedrucks, der Motordrehzahl und des Kraftstoff-Grundbedarfs. Die Ausgangswerte der Sensoren 56 und Module 58, 60 und 62 werden typischerweise mit einer relativ niedrigen Wiederholfrequenz, beispielsweise einmal pro Sekunde, abgetastet. Die Daten der Module 64 und 66 werden dagegen mit einer relativ hohen Wiederholfrequenz, beispielsweise 16 ns, abgetastet.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, wird erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise ein Steuerverfahren zur Bestimmung der Partikelbeladung des Partikelfilters 48 geschaffen, in dessen Verlauf die Abgastemperatur erhöht wird, um bei Bedarf einen Start einer Verbrennung der Partikel zu erreichen. Wie zuvor dargelegt, kann die Einleitung einer Regene ration des Filters zu einem Zeitpunkt, zu dem der Kraftstofftank des Fahrzeugs 10 relativ leer ist, zu unerwünschten Konsequenzen führen. Hierunter fallen unter anderem eine unnötige Warnung des Fahrers des Fahrzeugs oder ein erhöhter Kraftstoffverbrauch, was zu einem vollständigen Verbrauch des Kraftstoffs im Fahrzeug 10 führen kann, bevor dieses eine Tankstelle erreicht. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dagegen die Einleitung des Regenerationsvorgangs für den Filter sowohl mit dem Maß der Partikelbelastung des Filters als auch der im Kraftstofftank des Fahrzeugs 10 befindlichen Kraftstoffmenge koordiniert.
3 zeigt ein Flussdiagramm mit den einzelnen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren wird vorzugsweise durch eine Softwareroutine ausgeführt, die einen Teil der Mikrocontrollersteuerung 14 (1) bildet. Der Startpunkt der Routine wird durch Schritt 68 symbolisiert. In Schritt 70 wird zunächst bestimmt, ob der Kraftstofffüllstand, d. h. die Menge an Kraftstoff im Kraftstofftank des Fahrzeugs, geringer ist als ein erster, relativ niedriger Schwellwert. Dieser Schwellwert kann beispielsweise dem Kraftstofffüllstand entsprechen, bei dem eine ”wenig Kraftstoff”-Anzeige im Armaturenbrett des Fahrzeugs eingeschaltet wird. Wenn der Kraftstofffüllstand-Sensor des Fahrzeugs bestimmt, dass der gegenwärtige Kraftstofffüllstand niedriger als der erste Schwellwert ist, wird ein Merker für eine Hemmung der Regeneration gesetzt, welcher daraufhin die Einleitung eines Regenerationsvorgangs verhindert. Ein in Schritt 72 erzeugter Merker zur Hemmung der Regeneration hält somit das Steuermodul 64 davon ab, Steuervorgänge einzuleiten, die zu einem Anstieg der Abgastemperatur führen.
Wenn in Schritt 70 bestimmt wird, dass der erfasste Kraftstofffüllstand oberhalb des ersten Schwellwerts liegt, dann wird die Routine fortgesetzt. In Schritt 76 wird dann eine Bestimmung vorgenommen, ob der erfasste Kraftstofffüllstand niedriger als ein zweiter Schwellwert ist, welcher seinerseits wiederum größer als der erste Schwellwert ist. Wenn die Antwort ”Nein” ist, dann wird die Routine entweder beendet, oder die Routine geht zurück zu Schritt 70, falls der Motorbetrieb fortgesetzt wird. Wenn dagegen der in Schritt 76 erfasste Kraftstofffüllstand niedriger als der zweite Schwellwert ist, dann wird in Schritt 78 bestimmt, ob die Beladung des Partikelfilters 48 größer als ein erstes Partikel-Beladungsniveau ist. Dieses erste Beladungsniveau wird so gewählt, dass es leicht unterhalb des Niveaus liegt, bei dem der Partikelfilter 48 definitiv regeneriert werden müsste. Die Grenze des Schwellwerts könnte beispielsweise 90 Prozent der obersten Grenze der Partikelbeladung betragen. Wenn das erfasste aktuelle Partikel-Beladungsniveau höher liegt als die vorgewählte geringere Beladungsgrenze, dann wird in Schritt 80 ein Merker für die gesteuerte Regeneration ausgesendet, welcher daraufhin eine Regeneration des Partikelfilters 48 einleitet. Die durch die Schritte 76, 78 und 80 repräsentierte Logik bewirkt im Ergebnis die Einleitung eines Regenerationsvorgangs, wenn der Kraftstoffstand ein relativ niedriges Niveau aufweist, aber oberhalb des ersten Schwellwerts liegt, und darüber hinaus die Beladung des Partikelfilters 48 in der Nähe seines maximalen Beladungsniveaus liegt. Hieraus folgt, dass Situationen vermieden werden, bei denen ein voll beladener Partikelfilter 48 dann vorliegt, wenn der Kraftstofftank annähernd leer ist. Sollte das in Schritt 78 erfasste Partikel-Beladungsniveau niedriger als die vorbestimmte Beladungsgrenze sein, muss keine Maßnahme ergriffen werden, so dass der logische Ablauf in Schritt 82 fortgesetzt werden kann.
Wie vorstehend erläutert, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters 48 bereitgestellt, welches sich durch die folgenden besonders vorteilhaften Schritte auszeichnet. Zunächst wird erfasst, ob der Kraftstoffstand unterhalb eines ersten Schwellwertes liegt, welcher einen relativ niedrigen Kraftstofffüllstand repräsentiert. Anschließend wird der Filter durch Erhöhung der Abgastemperatur regeneriert. Schließlich wird der Regenerationsprozess gehemmt, wenn der erfasste Kraftstofffüllstand unterhalb des ersten Schwellwertes liegt. Das Verfahren beinhaltet weitere vorteilhafte Ausgestaltungen. Hierzu zählt ein Erfassen des Kraftstofffüllstandes im Tank, wenn dieser zwischen dem ersten Schwellwert und einem zweiten, höheren Schwellwert liegt. Es wird auch erfasst, wenn die Beladung mit Partikeln zwischen einem ersten, relativ hohen Beladungsniveau und einem zweiten, im Vergleich zum ersten Beladungsniveau höheren Beladungsniveau liegt. Bei dieser Ausführungsform wird in vorteilhafter Weise der Filter dann regeneriert, wenn der erfasste Kraftstoffstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegt, und die erfasste Beladung des Filters zwischen dem ersten und dem zweiten Beladungsniveau liegt. Schließlich wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Regenerationsprozess des Filters dann effektiv gehemmt, wenn der erfasste Kraftstofffüllstand im Kraftstofftank des Fahrzeugs unterhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem üblicherweise eine Warnung ausgegeben wird, durch die dem Fahrer des Fahrzeugs ein niedriger Kraftstofffüllstand angezeigt wird.

10: Fahrzeug
12: Motor
14: Mikrocontrollersteuerung
16: Ansaugrohr
18: Drosselklappe
20: Stellantrieb
21: Kraftstoffeinspritzdüse
22: Auspuffkrümmer
24: Filteranordnung
26: Turbolader
28: EGR-Ventil
30: Luftmassenstromsensor
32: Positionssensor
34: Drucksensor
36: Drehzahlsensor
38: Luft/Kraftstoffsensor
39: Temperatursensor
40: Drucksensor
42: Drucksensor
44: Zylinder
46: Oxidationskatalysator
48: Partikelfilter
50: Kompressor
52: Turbine
54: Einlassöffnung
56: Sensoren
58: Überwachungsglied
60: Diagnosemodul
62: Schwellwertmodul
64: Steuermodul
66: Ausgleichsmodul
68–82: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters für Dieselabgase eines mit einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeugs, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (A) Erfassen, wenn die Menge an Dieselkraftstoff in einem Kraftstofftank des Fahrzeugs (10) unterhalb eines ersten Schwellwertes liegt, der einen relativ niedrigen Kraftstofffüllstand repräsentiert; (B) Hemmen der Regeneration des Partikelfilters (48), wenn der in Schritt (A) erfasste Kraftstoffstand unterhalb des ersten Schwellwerts liegt; (C) Erfassen, wenn die Menge an Dieselkraftstoff in dem Kraftstofftank zwischen dem ersten Schwellwert und einem zweiten Schwellwert liegt, wobei der zweite Schwellwert höher als der erste Schwellwert liegt; (D) Erfassen, wenn die Beladung des Partikelfilters (48) mit Partikeln zwischen einem ersten, relativ hohen Beladungsniveau und einem zweiten Beladungsniveau liegt, wobei das zweite Beladungsniveau höher als das erste Beladungsniveau ist, und wobei eine Regeneration des Partikelfilters (48) üblicherweise bei Erreichen des zweiten Beladungsniveaus erforderlich wäre; (E) Regeneration des Partikelfilters (48), wenn der in Schritt (C) erfasste Kraftstofffüllstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegt und die in Schritt (D) erfasste Beladung des Partikelfilters (48) zwischen dem ersten und dem zweiten Beladungsniveau liegt.
Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters für Dieselabgase eines mit einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeugs, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (A) Erfassen, wenn die Menge an Dieselkraftstoff in einem Kraftstofftank des Fahrzeugs (10) unterhalb eines ersten Schwellwertes liegt, der einen relativ niedrigen Kraftstofffüllstand repräsentiert; (B) Hemmen der Regeneration des Partikelfilters (48), wenn der in Schritt (A) erfasste Kraftstoffstand unterhalb des ersten Schwellwerts liegt; (C) Erfassen, wenn die Menge an Dieselkraftstoff im Kraftstofftank zwischen dem ersten Schwellwert und einem zweiten Schwellwert liegt, wobei der zweite Schwellwert höher als der erste Schwellwert liegt; (D) Regeneration des Partikelfilters (48), wenn der in Schritt (C) erfasste Kraftstofffüllstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem Fahrer des Fahrzeugs (10) angezeigt wird, dass der in Schritt (A) erfasste Kraftstofffüllstand unterhalb des ersten Schwellwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige durch Aktivierung eines optisch erkennbaren Warnsignals erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Partikelfilters (48) bestimmt wird, ob das Maß der Beladung des Partikelfilters (48) durch Partikel ein vorbestimmtes Beladungsniveau überschreitet, und die Regeneration des Partikelfilters durch Erhöhen der Temperatur der dem Partikelfilter (48) zugeführten Abgase auf zumindest eine vorgewählte Abgastemperatur, oberhalb derer der Partikelfilter (48) durch Oxidation der Partikel regeneriert wird, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur in Abhängigkeit von einem gewünschten Maß der Regeneration des Partikelfilters (48) für eine vorgewählte Zeitdauer oberhalb der vorgewählten Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur des Abgases durch Drosselung der Ansaugluft des Motors (12) erfolgt, bis ein Oxidationskatalysator (46) des Partikelfilters (48) die Anspringtemperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur der Abgase mittels Nacheinspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungszylinder (44) des Motors (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem durch die Drosselung der Ansaugluft des Motors (12) die Effizienz des Motors (12) reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor (12) zusätzlicher Kraftstoff zugeführt wird, um diese Reduktion der Effizienz auszugleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Abgase solange durch Drosselung der Ansaugluft des Motors (12) erhöht wird, bis ein Oxidationskatalysator (46) des Partikelfilters (48) die Anspringtemperatur erreicht.
Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters für Dieselabgase eines mit einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.