DE102015219777B4

DE102015219777B4 - Abgasbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102015219777B4
Application number: DE102015219777.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Nienhoff; Paul Rodatz; Hong Zhang; Hao Chen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: CN108138638A; US10808593B2; KR20180065024A; WO2017063987A1; US20180216514A1; DE102015219777A1; CN108138638B

Abstract

Verfahren (225) zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (155) für ein Abgas (145) eines Verbrennungsmotors (105) mit Katalysator (150), wobei das Verfahren (225) folgende Schritte umfasst:- Bestimmen (230) der Speicherfähigkeit (205) des Katalysators (150) für Sauerstoff; und- Bestimmen (235) der Partikelbeladung (210) des Partikelfilters (155) auf der Basis der bestimmten Speicherfähigkeit (205); und- Veranlassen der Regeneration, falls die Partikelbeladung (210) einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft die Abgasbehandlung eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Partikelfilter im Abgasstrom des Verbrennungsmotors.
Ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Hubkolbenmotor, der beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist, verbrennt ein Gemisch aus Kraftstoff und Sauerstoff. Dabei entsteht ein Abgas, das in einem Katalysator behandelt wird, um ausgestoßene Schadstoffe zu verringern. Um den Katalysator effizient betreiben zu können, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases bestimmt und der Verbrennungsmotor so gesteuert, dass ein vorbestimmtes Verbrennungsluftverhältnis (Lambda, λ) eingestellt wird. Um das Abgas noch weiter zu reinigen, kann zusätzlich ein Partikelfilter vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, Partikel im Abgas, hauptsächlich Ruß, aufzunehmen. Unter vorbestimmten Bedingungen, die insbesondere eine erhöhte Temperatur des Abgases oder eine bestimmte Menge verbleibenden Restsauerstoffs im Abgas umfassen können, regeneriert sich der Partikelfilter, wobei die Partikel verbrannt werden.
Wird der Verbrennungsmotor beispielsweise nur im Kurzzeitbetrieb verwendet, so stellen sich die nötigen Bedingungen nicht automatisch ein und eine Regeneration des Partikelfilters muss aktiv durch eine Änderung des Betriebspunkts des Verbrennungsmotors herbeigeführt werden. Unterbleibt die Anregung zur Regeneration, so kann bei hoher Rußbeladung eine spontane Regeneration eintreten, bei der es zu hohen Temperaturen und hohen Temperaturgradienten im Partikelfilter kommen kann. Diese können das Filtermaterial aufschmelzen oder zu hohen mechanischen Spannungen im Filtermaterial führen. Beide Effekte können den Filter irreversibel schädigen.
Um die Regeneration des Partikelfilters anzusteuern, wird üblicherweise dessen Beladung mit Partikeln anhand eines Modells bestimmt und eine Regeneration entsprechend bewirkt, bevor die Beladung einen vorbestimmten Wert übersteigt. Das Modell kann beispielsweise auf der Basis einer Motordrehzahl, einer Motorlast oder weiteren Parametern bestimmt werden. Da die Partikelbeladung des Partikelfilters auf diese Weise jedoch nicht gemessen, sondern nur nachvollzogen wird, können die tatsächlichen Verhältnisse von den bestimmten Verhältnissen abweichen. Die tatsächlichen Partikelemissionen des Verbrennungsmotors können sich über dessen Lebensdauer oder aufgrund eines Fehlers ändern, sodass eine signifikant falsche Partikelbeladung bestimmt werden kann.
US 2013 0 192 202 A1 betrifft eine passive Regenerierung eines Partikelfilters eines Ottomotors durch magere Verbrennung im Schiebebetrieb.
DE 10 2006 025 050 B4 schlägt vor, eine Sauerstoffmenge in einem Sauerstoffspeicher im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors zu bestimmen und den Verbrennungsmotor in Abhängigkeit der Sauerstoffmenge in einem Fett-Mager-Zyklus zu steuern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regeneration eines individuellen Partikelfilters verbessert zu steuern. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Ein Verbrennungsmotor stellt Abgas bereit, das mittels eines Katalysators und eines Partikelfilters behandelt werden kann. Ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelbeladung des Partikelfilters umfasst Schritte des Bestimmens der Speicherfähigkeit des Katalysators für Sauerstoff und des Bestimmens der Partikelbeladung des Partikelfilters auf der Basis der bestimmten Speicherfähigkeit.
Es wurde erkannt, dass die Partikelbeladung auf der Basis der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators und gegebenenfalls noch anderer Parameter, beispielsweise der Temperatur des Abgases oder seine Raumgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators wird üblicherweise regelmäßig bestimmt, beispielsweise vor oder während jedem Fahrzyklus. Dies kann erforderlich sein, um einen Fehler im Bereich des Katalysators oder des Sauerstoffsensors (Lambdasonde) zu diagnostizieren. Die Partikelbeladung des Partikelfilters kann daher mit geringem Aufwand und üblicherweise ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Sensoren bestimmt werden. Die bestimmte Partikelbeladung bezieht sich auf den individuell vorliegenden Partikelfilter, sodass Einflüsse der Alterung des Verbrennungsmotors, des Defekts einer seiner Komponenten, beispielsweise eines Injektors, oder eines anderen Fehlers die Bestimmungsgenauigkeit des Verfahrens nicht oder nur wenig beeinflussen können.
Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Verwendung an einem Ottomotor, da hier die Bestimmung der Partikelbeladung auf der Basis eines Differenzdrucks, anders als an einem Dieselmotor, aufgrund der geringen Differenzdrücke nur schwer oder gar nicht möglich ist.
Die Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators umfasst in einer Ausführungsform Schritte des Betreibens, in einer ersten Phase, des Verbrennungsmotors mit Kraftstoffüberschuss, um gegebenenfalls im Katalysator gespeicherten Sauerstoff zu reduzieren, des Betreibens, in einer zweiten Phase, des Verbrennungsmotors mit Sauerstoffüberschuss, um die Speicherung von Sauerstoff im Katalysator zu ermöglichen, und des Bestimmens der Speicherfähigkeit auf der Basis von Sauerstoff gehalten des Abgases vor und nach dem Katalysator während der zweiten Phase. Zur Umsetzung dieser Verfahrensschritte reichen im Wesentlichen eine erste Lambdasonde stromaufwärts des Katalysators und eine zweite stromabwärts aus. Die Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit kann einfach und rasch durchgeführt werden.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert ist.
Eine Steuervorrichtung für einen Partikelfilter für ein Abgas eines Verbrennungsmotors mit Katalysator umfasst eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Partikelbeladung des Partikelfilters auf der Basis der Speicherfähigkeit des Katalysators für Sauerstoff, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Regeneration des Partikelfilters zu veranlassen, falls die bestimmte Partikelbeladung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Die Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer umfassen, der bevorzugterweise dazu eingerichtet ist, beispielsweise mittels des oben beschriebenen Computerprogrammprodukts das weiter oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Regeneration des Partikelfilters kann veranlasst werden, indem eine entsprechende Nachricht an eine Steuervorrichtung für den Verbrennungsmotor bereitgestellt wird. In einer weiteren Ausführungsform sind die Steuervorrichtungen für den Partikelfilter und für den Verbrennungsmotor miteinander integriert, sodass die Regeneration des Partikelfilters unmittelbar bewirkt bzw. angesteuert werden kann.
Um die Regeneration des Partikelfilters durchzuführen, kann insbesondere der Verbrennungsmotor derart angesteuert werden, dass die Temperatur des Abgases angehoben und/oder der Verbrennungsmotor mit Sauerstoffüberschuss betrieben wird. Hierfür kann beispielsweise auf eine Menge eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit einer Luftmasse, die der Verbrennungsmotor aufnimmt, Einfluss genommen werden. In weiteren Ausführungsformen können auch Steuerzeiten für ein Einlass- oder Auslassventil, ein Zündzeitpunkt oder ein anderer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors geändert werden, um die Abgastemperatur anzuheben und/oder dafür zu sorgen, dass das Abgas eine vorbestimmte Menge Sauerstoff umfasst.
Ein System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors umfasst einen Partikelfilter und einen Katalysator für Abgas des Verbrennungsmotors, einen ersten Sauerstoffsensor (Lambdasonde) zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases stromaufwärts des Katalysators, einen zweiten Sauerstoffsensor (Lambdasonde) zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases stromabwärts des Katalysators, eine erste Steuervorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit eines der bestimmten Sauerstoffgehalte, und eine zweite Steuervorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Katalysator und der Partikelfilter miteinander integriert ausgeführt sind. Der Katalysator umfasst bevorzugterweise einen Dreiwegekatalysator, wobei in der Kombination mit dem Partikelfilter auch von einem Vierwegekatalysator gesprochen wird.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 ein System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors; und
2 einen Zusammenhang zwischen einer Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Katalysators und einer Partikelbeladung eines Partikelfilters des Systems von 1

1 zeigt ein System 100 zur Steuerung eines Verbrennungsmotors 105. Der Verbrennungsmotor 105 ist bevorzugterweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingerichtet und weiter bevorzugt als Ottomotor ausgebildet. Eine erste Steuervorrichtung 110 ist dazu eingerichtet, den Verbrennungsmotor 105, insbesondere einen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 105, zu steuern. Dazu kann Einfluss auf unterschiedliche Komponenten des Verbrennungsmotors 105 genommen werden, beispielsweise auf einem Injektor 115 zur Einspritzung einer vorbestimmten Menge Kraftstoff in einen Verbrennungsraum 120, eine Zündeinrichtung 125 zur Entzündung eines Gemischs von Kraftstoff und Sauerstoff im Verbrennungsraum 120 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, eine Einlassverstellung 130 zur Beeinflussung einer Einlasszeit von Luft in den Verbrennungsraum 120, eine Auslassverstellung 135 zur Beeinflussung einer Auslasszeit von Abgas aus dem Verbrennungsraum 120 und gegebenenfalls noch andere Komponenten. Die Steuerung kann auf der Basis von Messwerten am Verbrennungsmotor 105 erfolgen, beispielsweise einer Drehzahl einer Abtriebswelle 140, einer Temperatur einer Komponente des Verbrennungsmotors 105 oder einer Masse von Luft, die in den Verbrennungsmotor 105 bzw. den Verbrennungsmotor 120 eingelassen wird.
Bei der Verbrennung von Kraftstoff und Sauerstoff, der in der in den Verbrennungsraum 120 eingelassenen Luft enthalten ist, entsteht ein Abgas 145, das mittels des Systems 100 behandelt und insbesondere gereinigt werden kann. Das System 100 umfasst insbesondere einen Katalysator 150, der bevorzugterweise als Dreiwegekatalysator ausgeführt ist, und einen Partikelfilter 155, der in der dargestellten Ausführungsform integriert mit dem Katalysator 150 ausgeführt ist. In anderen Ausführungsformen können der Katalysator 150 und der Partikelfilter 155 auch beispielsweise bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases 145 auch in Serie geschaltet sein. Weiter umfasst das System 100 einen ersten Sauerstoffsensor 160 stromaufwärts des Katalysators 150 und einen zweiten Sauerstoffsensor 165 stromabwärts des Katalysators 150. Darüber hinaus ist eine zweite Steuervorrichtung 170 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Partikelbeladung des Partikelfilters 155 zu bestimmen. Die dort angelagerten Partikel werden aus dem Strom vom Abgas 145 aus dem Verbrennungsmotor 105 aufgenommen. Die zweite Steuervorrichtung 170 ist bevorzugterweise derart mit einem oder mehreren Sensoren und/oder mit der ersten Steuervorrichtung 110 verbunden, dass ihr ein Wert für die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 150 und bevorzugterweise auch für die Temperatur des Abgases 145 oder die Raumgeschwindigkeit des Abgases 145 vorliegen. Die Temperatur kann mittels eines dezidierten Temperatursensors 175 erfasst werden, der an unterschiedlichen Stellen der Abgasführung angebracht sein kann, oder von der ersten Steuervorrichtung 110 bezogen werden, die die Temperatur auf der Basis des Temperatursensors 175 oder aufgrund der Bestimmung anhand eines Modells bestimmen kann. Die Raumgeschwindigkeit des Stroms von Abgas 145 wird bevorzugterweise ebenfalls durch die erste Steuervorrichtung 110 bestimmt und der zweiten Steuervorrichtung 110 bereitgestellt.
Die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 150 wird bevorzugterweise bestimmt, indem in einer ersten Phase der Verbrennungsmotor 105 mit Kraftstoffüberschuss (λ <1) betrieben wird, um gegebenenfalls im Katalysator 150 gespeicherten Sauerstoff zu reduzieren, der Verbrennungsmotor 105 in einer anschließenden zweiten Phase mit Sauerstoffüberschuss (λ <1) betrieben wird, um die Speicherung von Sauerstoff im Katalysator 150 zu ermöglichen, und die Speicherfähigkeit des Katalysators 150 für Sauerstoff auf der Basis von Sauerstoffgehalten des Abgases 145 vor und nach dem Katalysator 150 während der zweiten Phase zu bestimmen. Diese Schritte können alternativ durch die erste Steuervorrichtung 110 oder die zweite Steuervorrichtung 170 durchgeführt werden, wozu die Sauerstoffsensoren 160 und 165 entsprechend mit der ersten Steuervorrichtung 110 oder der zweiten Steuervorrichtung 170 verbunden sind. Es ist außerdem bevorzugt, dass die erste Steuervorrichtung 110 den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 105 in Abhängigkeit wenigstens eines der mittels der Sauerstoffsensoren 160, 165 bestimmten Sauerstoffmengen steuert.
Die Speicherung von Partikeln aus dem Strom von Abgas 145 durch den Partikelfilter 155 ist eine Funktion der Partikelbeladung des Partikelfilters 155 und kann zusätzlich abhängig sein von der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Stroms von Abgas 145. Bevorzugterweise ist die zweite Steuervorrichtung 170 dazu eingerichtet, die Partikelbeladung des Partikelfilters 155 zu bestimmen und mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen. Übersteigt die bestimmte Beladung den Schwellenwert, so kann eine Regeneration des Partikelfilters 155 veranlasst werden, indem insbesondere der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 105 so verändert wird, dass das Abgas 145 eine erhöhte Temperatur aufweist und/oder sich eine vorbestimmte Menge Restsauerstoff im Strom von Abgas 145 befindet. Das Durchführen der Regeneration kann alternativ durch die erste Steuervorrichtung 110 oder die zweite Steuervorrichtung 170 gesteuert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Steuervorrichtungen 110 und 170 miteinander integriert ausgeführt.
2 zeigt einen qualitativen Zusammenhang zwischen einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 150 und einer Partikelbeladung des Partikelfilters 155 des Systems 100 von 1. In horizontaler Richtung ist ein zeitlicher Verlauf angetragen. In vertikaler Richtung sind, mit unterschiedlichen Ordinatenachsen, eine Sauerstoffspeicherfähigkeit 205 und eine Partikelbeladung 210 angetragen. Ein erster Verlauf 215 ist mit unterbrochener Linie dargestellt und betrifft die Sauerstoffspeicherfähigkeit 205 des Katalysators 150 und ein zweiter Verlauf 220 ist mit Strichpunkt-Linie dargestellt und betrifft den Verlauf der Partikelbeladung 210 des Partikelfilters 155. Zur verbesserten Darstellung sind die Verläufe 215, 220 in 2 vertikal versetzt angetragen.
In einem Verfahren 225 wird in einem ersten Schritt 230 zu einem Zeitpunkt t1 die Sauerstoffspeicherfähigkeit 205 des Katalysators 150 bestimmt. Zusätzlich können auch die Temperatur des Abgases 145 und/oder seine Raumgeschwindigkeit bestimmt werden. In einem zweiten Schritt 235 wird die Partikelbeladung 210 des Partikelfilters 155 mittels der zweiten Steuervorrichtung 170 auf der Basis der im ersten Schritt 230 erhobenen Informationen bestimmt. Die Bestimmung kann beispielsweise mittels eines Kennfelds erfolgen, wobei einzelne Werte des Kennfelds zuvor experimentell oder analytisch bestimmt wurden. In einer anderen Ausführungsform wird die Partikelbeladung 210 auf der Basis der Sauerstoffspeicherfähigkeit 205 und gegebenenfalls der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Stroms von Abgas 145 analytisch bestimmt, beispielsweise indem eine vorbestimmte, gegebenenfalls mehrparametrige Funktion verwendet wird. Die Funktion kann insbesondere polynomial angegeben sein. Andere Ausführungsformen für die Bestimmung der Partikelbeladung 210 auf der Basis der angegebenen Parameter sind ebenfalls möglich.
Bezugszeichenliste

100: System
105: Verbrennungsmotor
110: erste Steuervorrichtung
115: Injektor
120: Verbrennungsraum
125: Zündeinrichtung
130: Einlassverstellung
135: Auslassverstellung
140: Abtriebswelle
150: Katalysator
155: Partikelfilter
160: erster Sauerstoffsensor
165: zweiter Sauerstoffsensor
170: zweite Steuervorrichtung
175: Temperatursensor
205: Sauerstoffspeicherfähigkeit
210: Partikelbeladung
215: Verlauf der Sauerstoffspeicherfähigkeit
220: Verlauf der Partikelbeladung
225: Verfahren
230: erster Schritt: Bestimmen der Sauerstoffspeicherfähigkeit
235: zweiter Schritt: Bestimmen der Partikelbeladung

Claims

Verfahren (225) zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (155) für ein Abgas (145) eines Verbrennungsmotors (105) mit Katalysator (150), wobei das Verfahren (225) folgende Schritte umfasst: - Bestimmen (230) der Speicherfähigkeit (205) des Katalysators (150) für Sauerstoff; und - Bestimmen (235) der Partikelbeladung (210) des Partikelfilters (155) auf der Basis der bestimmten Speicherfähigkeit (205); und - Veranlassen der Regeneration, falls die Partikelbeladung (210) einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Verfahren (225) nach Anspruch 1, wobei die Partikelbeladung (210) ferner auf der Basis der Temperatur des Abgases (145) bestimmt wird.
Verfahren (225) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikelbeladung (210) ferner auf der Basis der Raumgeschwindigkeit des Abgases (145) bestimmt wird.
Verfahren (225) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (105) ein Ottomotor ist.
Verfahren (225) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (230) der Speicherfähigkeit des Katalysators (150) für Sauerstoff folgende Schritte umfasst: - Betreiben, in einer ersten Phase, des Verbrennungsmotors (105) mit Kraftstoffüberschuss, um gegebenenfalls im Katalysator (150) gespeicherten Sauerstoff zu reduzieren; - Betreiben, in einer zweiten Phase, des Verbrennungsmotors (105) mit Sauerstoffüberschuss, um die Speicherung von Sauerstoff im Katalysator (150) zu ermöglichen; und - Bestimmen der Speicherfähigkeit auf der Basis von Sauerstoffgehalten des Abgases (145) vor und nach dem Katalysator (150) während der zweiten Phase.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens (225) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert ist.
Steuervorrichtung (170) für einen Partikelfilter (155) für ein Abgas (145) eines Verbrennungsmotors (105) mit Katalysator (150), wobei die Steuervorrichtung (170) folgendes umfasst: - eine Verarbeitungseinrichtung (170) zur Bestimmung der Partikelbeladung (210) des Partikelfilters (155) auf der Basis der Speicherfähigkeit (205) des Katalysators (150) für Sauerstoff; - wobei die Verarbeitungseinrichtung (170) dazu eingerichtet ist, eine Regeneration des Partikelfilters (155) zu veranlassen, falls die bestimmte Partikelbeladung (210) einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Steuervorrichtung (170) nach Anspruch 7, wobei die Regeneration ein Ansteuern des Verbrennungsmotors (105) umfasst, um die Temperatur des Abgases (145) anzuheben und/oder um den Verbrennungsmotor (105) mit Sauerstoffüberschuss zu betreiben.
System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (105), umfassend - einen Partikelfilter (155) und einen Katalysator (150) für Abgas (145) des Verbrennungsmotors (105); - einen ersten Sauerstoffsensor (160) zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases (145) stromaufwärts des Katalysators (150); - einen zweiten Sauerstoffsensor (165) zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases (145) stromabwärts des Katalysators (150); - eine erste Steuervorrichtung (110) zur Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors (105) in Abhängigkeit eines der bestimmten Sauerstoffgehalte; und - eine zweite Steuervorrichtung (170) nach Anspruch 7 oder 8.
System nach Anspruch 9, wobei der Katalysator (150) und der Partikelfilter (155) miteinander integriert ausgeführt sind.