DE102011002438A1

DE102011002438A1 - Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102011002438A1
Application number: DE102011002438A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumann; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei mittels einer Druckerhöhungseinrichtung in den Abgaskanal vor dem Partikelfilter ein Gasstrom eingebracht werden kann und wobei mit einem ersten Drucksensor vor dem Partikelfilter der Gasdruck bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters mittels der Druckerhöhungseinrichtung ein Gasstrom in den Abgaskanal vor dem Partikelfilter eingebracht wird, dass aus der Differenz der Gasdrücke vor und nach dem Partikelfilter dessen Beladung bestimmt wird und dass als Druckerhöhungseinrichtung eine Sekundärluftpumpe verwendet wird. Wird die Brennkraftmaschine in Teillast betrieben, liegt ein geringer Abgasstrom vor und die Beladungserkennung aus der Differenz der Gasdrücke vor und nach dem Partikelfilter kann unzureichend genau sein. Wird erfindungsgemäß durch die Zumischung eines zusätzlichen Gasstroms, beispielhaft von zusätzlicher von außen angesaugter Luft, der Massenstrom im Abgaskanal erhöht, wird somit der Druckabfall über dem Partikelfilter erhöht und es werden somit Unterschiede genauer bestimmbar. Die für die beschleunigte Aufheizung der Katalysatoren beim Start der Brennkraftmaschine vorgesehene Sekundärluftpumpe kann als erfindungsgemäße Druckerhöhungseinrichtung während der Beladungserkennung verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei mittels einer Druckerhöhungseinrichtung in den Abgaskanal vor dem Partikelfilter ein Gasstrom eingebracht werden kann und wobei mit einem ersten Drucksensor vor dem Partikelfilter der Gasdruck bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Partikelfilter werden zur Reduzierung der Partikelemission von mit Benzin oder Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt. Das Abgas der Brennkraftmaschine wird durch den Partikelfilter geleitet, der die in dem Abgas befindlichen Feststoffpartikel abscheidet und in einem Filtersubstrat zurückhält. Durch die in dem Filtersubstrat eingelagerten Rußmassen setzt sich der Partikelfilter mit der Zeit zu, was sich in einer Erhöhung des Strömungswiderstands und damit des Abgasgegendrucks bemerkbar macht. Aus diesem Grund muss die eingelagerte Rußmasse von Zeit zu Zeit ausgetragen werden. Hierzu kann die Abgastemperatur, beispielhaft durch innermotorische Maßnahmen, so weit angehoben werden, dass die Rußpartikel oxidieren. In jedem Fall ist es erforderlich, zu erkennen, inwiefern die Beladung des Partikelfilters so hoch ist, dass eine Reinigung erforderlich ist. Gemäß dem Stand der Technik wird aus dem Differenzdruck der Abgase vor und nach dem Partikelfilter abgeleitet, ob die Beladung so weit fortgeschritten ist, dass eine Reinigung des Partikelfilters erforderlich ist. Bei kleinem Abgasvolumenstrom ist die Druckdifferenz jedoch so gering, dass die Beladungserkennung unzureichend genau sein kann.
Zur Abgasreinigung bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen werden Katalysatoren eingesetzt, die beim Start möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden sollen. Aus der DE2216705C3 ist hierzu ein Verfahren zum Entgiften der Abgase einer Brennkraftmaschine, an deren Abgas-Sammelleitung in Reihenschaltung ein erster, zur Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids dienender Reaktor, und ein zweiter, zur Reduktion der Stickoxide dienender Reaktor, angeschossen sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mit Hilfe eines ersten Regelkreises, der als Messglied einen Temperaturfühler enthält, die Temperatur der Reaktoren durch Zugabe von Zusatzluft geregelt wird und dass mit Hilfe eines zweiten Regelkreises, der als Messglied einen Sauerstoff-Messfühler enthält, das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff über ein Gemischdosiersystem geregelt wird. In der Schrift wird weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Sekundärluftpumpe vorgesehen ist, welche über ein Rückschlagventil und eine Druckleitung mit den Abgasleitungen verbunden ist.
Aus der DE 101 00 418 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems bekannt, wobei bei Vorliegen erster Betriebszustände der Brennkraftmaschine eine den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems charakterisierende Zustandsgröße ausgehend von wenigstens einer Druckdifferenz zwischen dem Druck vor und dem Druck nach dem Abgasnachbehandlungssystem vorgebbar ist und bei Vorliegen zweiter Betriebszustände, die das Abgasnachbehandlungssystem charakterisierende Zustandsgröße ausgehend von wenigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine simuliert wird. Als Betriebskenngröße wird hierbei vorzugsweise eine Größe verwendet, die vom Abgasvolumenstrom, der Drehzahl, der eingespritzten Kraftstoffmenge, der zugeführten Frischluftmenge oder dem Fahrerwunsch abhängt. Bei diesem Abgasnachbehandlungssystem wird der Beladungszustand des Partikelfilters ausgehend von der Druckdifferenz zwischen dem Druck vor und dem Druck nach dem Abgasnachbehandlungssystem ermittelt. Dies ist in den ersten Betriebszuständen wegen des dort auftretenden hohen Differenzdrucks präzise möglich. In den zweiten Betriebszuständen hingegen ist der Abgasvolumenstrom und damit der Differenzdruck für eine präzise Bewertung der Beladung des Partikelfilters zu gering und es erfolgt eine Simulationsrechnung zur Bestimmung der Beladung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das bei einem erweiterten Bereich von Betriebszuständen eine Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters aus der Druckdifferenz zwischen dem Druck vor und dem Druck nach dem Partikelfilter ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters mittels der Druckerhöhungseinrichtung ein Gasstrom in den Abgaskanal vor dem Partikelfilter eingebracht wird, dass aus der Differenz der Gasdrücke vor und nach dem Partikelfilter dessen Beladung bestimmt wird und dass als Druckerhöhungseinrichtung eine Sekundärluftpumpe verwendet wird. Wird die Brennkraftmaschine in Teillast betrieben, liegt ein geringer Abgasstrom vor und die Beladungserkennung aus der Differenz der Gasdrücke vor und nach dem Partikelfilter kann unzureichend genau sein. Wird erfindungsgemäß durch die Zumischung eines zusätzlichen Gasstroms, beispielhaft von zusätzlicher von außen angesaugter Luft, der Massenstrom im Abgaskanal erhöht, wird somit der Druckabfall über dem Partikelfilter erhöht und es werden somit Unterschiede genauer bestimmbar. Hierdurch verringert sich der Messfehler der auf dem Druckabfall beruhenden Beladungserkennung. Die für die beschleunigte Aufheizung der Katalysatoren beim Start der Brennkraftmaschine vorgesehene Sekundärluftpumpe kann als erfindungsgemäße Druckerhöhungseinrichtung während der Beladungserkennung verwendet werden. Für die Bestimmung des Gasstroms durch den Partikelfilter wird der Luftmassenstrom in die Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik mit einem Luftmassenmesser bestimmt. Weiterhin wird die eingespritzte Kraftstoffmenge berücksichtigt. Hinzu kommt der erfindungsgemäß zudosierte Gasstrom, der aus der Drehzahl oder Betriebsspannung der Sekundärluftpumpe oder dem Luftdruck im Sekundärluftpfad bestimmt wird. Der Gasstrom aus der Brennkraftmaschine kann auch indirekt aus deren Drehzahl und dem Ladedruck unter Berücksichtigung der zudosierten Kraftstoffmenge bestimmt werden.
Die Vorrichtung zur Bestimmung des Differenzdrucks über dem Partikelfilter kann vereinfacht werden, indem statt zwei Druckmessern vor und hinter dem Partikelfilter oder einem Differenzdruckmesser zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters der Gasdruck hinter dem Partikelfilter aus dem Atmosphärendruck bestimmt wird oder indem der Gasdruck vor dem Partikelfilter aus dem Gasdruck am Ausgang der Druckerhöhungseinrichtung bestimmt wird. Im zweiten Fall kann bei bekanntem Druckabfall an einem geöffneten Sekundärluftventil und dem Gasstrom der Druck vor dem Partikelfilter bestimmt werden und es kann ein Druckmesser eingespart werden.
Ist eine Brennkraftmaschine im Schubbetrieb, wird kein Kraftstoff eingespritzt und es werden kein zusätzliches Kohlenmonoxid oder unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch die Katalysatoren im Abgaskanal geleitet. Bei der erfindungsgemäßen Zudosierung von Außenluft findet daher keine zusätzliche exotherme Reaktion im Katalysator statt, die diesen beschädigen könnte. Im Volllast-Betrieb ist der Gasstrom aus der Brennkraftmaschine besonders groß, so dass, zusammen mit dem erfindungsgemäß zusätzlich eingebrachten Gasstrom der Differenzdruck über dem Partikelfilter besonders hoch ist. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Bestimmung der Beladung des Partikelfilters im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere vor Schubabschaltung nach Volllast vorgenommen wird.
Eine Überhitzung eines Dreiwege-Katalysators kann besonders wirkungsvoll verhindert werden, indem der Massenstrom des Gasstroms in Abhängigkeit der Temperatur einer Abgasreinigungseinrichtung gewählt wird. Wird der Massenstrom des Gasstroms in Abhängigkeit vom Differenzdruck über dem Partikelfilter gewählt, kann ein optimierter Messbereich für Beladungserkennung erreicht werden. Über die Sekundärluftzufuhr kann zusätzlicher Sauerstoff für Regeneration des Partikelfilters in Abhängigkeit von dessen Temperatur eingebracht werden und so dessen Regeneration gesteuert werden. Wird der Partikelfilters zu heiß, kann über die Drehzahl der Sekundärluftpumpe der Massenstrom vermindert werden, wird er zu kalt, kann Sekundärluft den exothermen Abbrand er Rußpartikel unterstützen. Vorteilhaft ist, dass in diesem Fall die Brennkraftmaschine weiter mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Lambda = 1 betrieben werden kann.
Eine Erkennung eines fehlerhaften Einbaus oder ein Fehlen des Partikelfilters läßt sich bewirken, indem aus der Differenz der Gasdrücke vor und nach dem Partikelfilter auf dessen korrekten Einbau geschlossen wird.
Die Temperatur der Katalysatoren im Abgaskanal der Brennkraftmaschine kann in deren optimalen Arbeitsbereich gehalten werden, indem die Temperatur des Gasstroms aus der Druckerhöhungseinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgasreinigungsanlage eingestellt wird. Hierbei kann der Gasstroms mittels Wärmetauschern gekühlt oder geheizt werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst, indem während der Bestimmung der Beladung des Partikelfilters die Druckseite der Druckerhöhungseinrichtung mit dem Abgaskanal vor dem Partikelfilter verbunden ist und indem die Druckerhöhungseinrichtung als Sekundärluftpumpe ausgebildet ist. Der hier einbringbare zusätzliche Gasstrom kann bei Bedarf den Gasstrom aus der Brennkraftmaschine ergänzen, so dass der Gesamt-Gasstrom so hoch ist, dass die daraus resultierende Druckdifferenz über dem Partikelfilter so hoch ist, dass eine Beladungserkennung verbessert wird. Die Stelle der Zudosierung kann dabei bereits vor einem in Abgasrichtung vor dem Partikelfilter angeordneten Katalysator angeordnet sein. Eine Sekundärluftpumpe zur verbesserten Aufheizung von Katalysatoren ist bereits in der Nähe der Auslass-Ventile der Brennkraftmaschine mit dem Abgaskanal verbunden. Diese läßt sich somit erfindungsgemäß zur Verbesserung der Beladungserkennung verwenden.
Eine Überhitzung eines Dreiwege-Katalysators durch die Zuluft läßt sich vermeiden, wenn die Druckerhöhungseinrichtung mit dem Abgaskanal zwischen einem in Abgasrichtung vor dem Partikelfilter angeordneten Katalysator und dem Partikelfilter verbunden ist.
Ist die Zuluftseite der Druckerhöhungseinrichtung mit dem Abgaskanal hinter dem Partikelfilter verbunden, wird kein zusätzlicher Sauerstoff in den Dreiwege-Katalysator geleitet und die Gaszusammensetzung bleibt im optimalen Konvertierungsbereich. Weiterhin kann die Auskühlung von Katalysator und Partikelfilter vermindert werden, da das zugeführte Gasgemisch bereits in der Nähe der Temperatur der Abgase ist. Zur Umsetzung der Vorrichtung kann ein zusätzliches Umschaltventil an der Eingangsseite der Sekundärluftpumpe für Frischluft und Abgas für die Funktionen „Aufheizen mit Sekundärluft” und „Beladungserkennung” vorgesehen sein.
Elektrische Energie für den Antrieb der Sekundärluftpumpe kann eingespart werden, indem die Zuluftseite der Druckerhöhungseinrichtung mit der Ausgangsseite eines Turboladers verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Abgaskanal angeordneten Partikelfilter.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 11 mit einer Verbrennungsluftzuführung 10 und einem Abgaskanal 12, in dem ein Dreiwege-Katalysator 17 und ein Partikelfilter 18 zur Reinigung des Abgases vorgesehen sind, das über einen Abgasauslass 19 abgeführt wird. Zur beschleunigten Aufheizung des Dreiwege-Katalysators 17 beim Start der Brennkraftmaschine 11 ist es vorgesehen, dass diese mit einem fetten Gemisch betrieben werden kann und dass über eine Sekundärluftpumpe 13, ein Sekundärluftventil 14 und eine erste Sekundärluftzuführung 15 sowie eine zweite Sekundärluftzuführung 16 Luft in der Nähe der Auslassventile der Zylinder der Brennkraftmaschine 11 zudosiert werden kann. Beim Start der Brennkraftmaschine 11 wird so für etwa 20 bis 90 Sekunden Luft für eine Nachverbrennung von fettem Abgas im Dreiwege-Katalysator 17 bereitgestellt.
Der Partikelfilter 18 dient zur Rückhaltung von Rußpartikeln im Abgas der Brennkraftmaschine 11. Erreicht dieser eine vorgegebene Beladung, müssen die Rußpartikel durch Abbrennen ausgetragen werden. Zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters 18 dienen ein erster Drucksensor 21 und ein zweiter Drucksensor 22, mittels derer der Differenzdruck der Abgase vor und nach dem Partikelfilter 18 und aus diesem bei bekanntem Gasstrom in einer Auswerteeinrichtung 20 die Beladung bestimmt werden kann. Der erste und zweite Drucksensor 21, 22 können durch einen Differenzdrucksensor ersetzt werden.
Wird die Brennkraftmaschine 11 bei Volllast betrieben, ist die Differenz der Druckwerte am ersten Drucksensor 21 und am zweiten Drucksensor 22 in der Auswerteeinrichtung 20 gut bestimmbar und eine Beladungserkennung kann präzise durchgeführt werden. Im Teillastbetrieb dagegen ist der Gasstrom im Abgaskanal 12 wesentlich geringer, so dass die Beladungserkennung weniger präzise erfolgt. Ist in einem solchen Betriebsbereich eine Beladungserkennung erforderlich, wird erfindungsgemäß über die Sekundärluftpumpe 13 und das Sekundärluftventil 14 zusätzlich Luft in den Abgaskanal 12 zudosiert und der Gesamt-Gasstrom erhöht, so dass die Differenz der Drucke an dem ersten Drucksensor 21 und dem zweiten Drucksensor 22 über dem Partikelfilter 18 vergrößert wird.
In einer Erweiterung der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung kann während der Regeneration des Partikelfilters 18 über die Sekundärluftpumpe 13 zusätzlich Sauerstoff aus der Umgebungsluft zudosiert werden um dem Rußabbrand zu unterstützen. Mittels einer variablen Drehzahl der Sekundärluftpumpe 13 kann dies dosiert werden, so dass der Rußabbrand bei der gewünschten Temperatur und mit der gewünschten Geschwindigkeit stattfindet. Die Brennkraftmaschine kann dabei mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Lambda = 1 betrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2216705 C3 [0004]
DE 10100418 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters 18 im Abgaskanal 12 einer Brennkraftmaschine 11, wobei mittels einer Druckerhöhungseinrichtung in den Abgaskanal 12 vor dem Partikelfilter 18 ein Gasstrom eingebracht werden kann und wobei mit einem ersten Drucksensor 21 vor dem Partikelfilter 18 der Gasdruck bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters 18 mittels der Druckerhöhungseinrichtung ein Gasstrom in den Abgaskanal 12 vor dem Partikelfilter 18 eingebracht wird, dass aus der Differenz der Gasdrucke vor und nach dem Partikelfilter 18 dessen Beladung bestimmt wird und dass als Druckerhöhungseinrichtung eine Sekundärluftpumpe 13 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters 18 der Gasdruck hinter dem Partikelfilter 18 aus dem Atmosphärendruck bestimmt wird oder dass der Gasdruck vor dem Partikelfilter 18 aus dem Gasdruck am Ausgang der Druckerhöhungseinrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dass die Bestimmung der Beladung des Partikelfilters im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 11, insbesondere vor Schubabschaltung nach Volllast vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Gasstroms in Abhängigkeit der Temperatur einer Abgasreinigungseinrichtung und/oder in Abhängigkeit vom Differenzdruck über dem Partikelfilter 18 gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz der Gasdrucke vor und nach dem Partikelfilter 18 auf dessen korrekten Einbau geschlossen wird.
Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine wobei mittels einer Druckerhöhungseinrichtung in den Abgaskanal vor der Abgasreinigungsanlage ein Gasstrom eingebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gasstroms in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgasreinigungsanlage eingestellt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters 18 im Abgaskanal 12 einer Brennkraftmaschine 11, wobei dem Abgaskanal 12 eine Druckerhöhungseinrichtung zugeordnet ist, mit der ein Gasstrom vor dem Partikelfilter 18 in den Abgaskanal 12 eingebracht werden kann und wobei im Abgaskanal 12 ein erster Drucksensor 21 vor dem Partikelfilter 18 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestimmung der Beladung des Partikelfilters 18 die Druckseite der Druckerhöhungseinrichtung mit dem Abgaskanal 12 vor dem Partikelfilter 18 verbunden ist und wobei die Druckerhöhungseinrichtung als Sekundärluftpumpe 13 ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungseinrichtung mit dem Abgaskanal 12 zwischen einem in Abgasrichtung vor dem Partikelfilter 18 angeordneten Katalysator und dem Partikelfilter 18 verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftseite der Druckerhöhungseinrichtung mit dem Abgaskanal 12 hinter dem Partikelfilter 18 verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftseite der Druckerhöhungseinrichtung mit der Ausgangsseite eines Turboladers verbunden ist.