DE102018107220A1

DE102018107220A1 - Verfahren zur Berechnung einer Rußmenge in einem Partikelfilter

Info

Publication number: DE102018107220A1
Application number: DE102018107220.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Görgen
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2018-08-02
Also published as: CN110307068B; CN110307068A; DE102019107501A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Berechnung einer Rußmenge Ms in einem Partikelfilter (2) berücksichtigt bei der Berechnung eine Rußreduktion Min dem Partikelfilter (2). Für die Berechnung der Rußreduktion Mwird eine erste Partikelfiltertemperatur Tund eine Sauerstoffmenge Mo berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Rußmenge Ms in einem Partikelfilter, ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Computerprogrammprodukt.
Die DE102014006692A1 offenbart einen Ottomotor mit Partikelfilter und Regenerationsstrategie und Verfahren dazu.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung einer Rußmenge Ms in einem Partikelfilter berücksichtigt bei der Berechnung eine Rußreduktion M_SR in dem Partikelfilter, und berücksichtigt bei der Berechnung der Rußreduktion M_SR eine erste Partikelfiltertemperatur T₁ und eine Sauerstoffmenge Mo.
Der Partikelfilter hat die Aufgabe Ruß aus einem Abgasstrom zu filtern. Der Abgasstrom wird durch eine Verbrennung erzeugt, beispielsweise durch eine Verbrennung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors. Der Ruß umfasst Partikel, welche als Nebenprodukt bei der Verbrennung entstehen. Der Ruß verbleibt im Partikelfilter, wodurch sich die Rußmenge Ms, welche sich im Partikelfilter befindet, erhöht. Der so gefilterte Ruß wird dadurch nicht von einem Abgasstrom stromabwärts des Partikelfilters umfasst.
Die Filterwirkung des Partikelfilters ist abhängig von der Rußmenge Ms, welche sich in dem Partikelfilter befindet. Für eine größere Rußmenge Ms im Partikelfilter erhöht sich die Filterwirkung des Partikelfilters. Für den Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere für die Einhaltung von gesetzlichen Regelungen zur Abgasreinheit, ist es daher vorteilhaft, die Rußmenge Ms und, darauf basierend, die Filterwirkung des Partikelfilters zu bestimmen und/oder zu berechnen.
Bei der Berechnung der Rußmenge Ms im Partikelfilter wird die Rußreduktion M_SR subtraktiv berücksichtigt. Eine Berechnung der Rußreduktion M_SR ist daher relevant für eine Bestimmung der Rußmenge Ms.
Beispielsweise bei längeren Schubphasen während des Betriebs des Verbrennungsmotors kommt es zu einer erhöhten Sauerstoffmenge Mo im Partikelfilter. Abhängig von der Partikelfiltertemperatur T₁ kommt es, durch den Abbrand des Rußes, zu einer Rußreduktion M_SR im Partikelfilter. Die Rußreduktion M_SR ist dabei die Menge an Ruß, die sich durch Abbrand des Rußes nicht mehr im Partikelfilter befindet. Dabei führen höhere Temperaturen T₁ zu einer Erhöhung der Rate des Abbrandes. Die Rate des Abbrandes ist höher, für eine schnellere Rußreduktion M_SR. Der Grund dafür ist, dass eine Erhöhung der Temperatur T₁ zu einer Beschleunigung von chemischen Reaktionen führt, die zum Abbrand des Rußes führen. Die Temperatur T₁ beschreibt dabei die Temperatur des Partikelfilters, die dieser zu Anfang des Abbrandes aufweist.
Bezogen auf die Sauerstoffmenge Mo, welche für die Rußreduktion M_SR zur Verfügung steht, ergibt sich eine Erhöhung der Rate des Abbrandes für eine Erhöhung der Sauerstoffmenge Mo bis zu einem Grenzwert für die Sauerstoffmenge. Für eine über den Grenzwert für die Sauerstoffmenge hinausgehende Sauerstoffmenge Mo bleibt die Rate des Abbrandes annährend konstant. Der Grund dafür ist, dass ab dem Grenzwert für die Sauerstoffmenge genug Sauerstoff für die Reaktion und damit den Abbrand des Rußes zur Verfügung steht. Ein zusätzliches Vorhandensein an Sauerstoff resultiert daher nicht in einer Erhöhung der Rate des Abbrandes.
Die Berücksichtigung von T₁ und M_O für die Rußreduktion M_SR ermöglicht eine genauere Berechnung der Rußmenge Ms im Partikelfilter, und damit eine genauere Berechnung der Filterwirkung. Eine genauere Berechnung bedeutet in diesem Fall, dass die Ergebnisse der Berechnungen für die Rußmenge Ms besser mit einer tatsächlichen Rußmenge, welche sich in dem Partikelfilter befindet, übereinstimmen. Dies ermöglicht einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors, da Verbrennungsmotorparameter, beispielsweise für die Dosierung eines Kraftstoffes für die Verbrennung, auf die tatsächliche Filterwirkung optimiert eingestellt werden können. Die tatsächliche Filterwirkung ist dabei die Filterwirkung des Partikelfilters, die sich aus der tatsächlichen Rußmenge ergibt, welche sich in dem Partikelfilter befindet.
Zudem wird für das Verfahren eine Temperatur T₂(M_S1) für die Berechnung der Rußreduktion M_SR berücksichtigt. Durch die chemischen Reaktionen, welche beim Abbrand von Ruß im Partikelfilter ablaufen, ändert sich die Temperatur des Partikelfilters. Diese Änderung wird in der Temperatur T₂(M_S1) berücksichtigt.
Die Erhöhung der Temperatur basiert auf Exothermie, welche beim Abbrand des Rußes auftritt. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Rate des Abbrandes. Um diese Erhöhung bei der Berechnung zu berücksichtigen, wird die durch Exothermie steigende Temperatur des Partikelfilters T₂ (M_S1) berücksichtigt. Dabei ergibt sich auch eine Abhängigkeit von einer vorhandenen ersten Rußbeladung M_S1. Für eine höhere erste Rußbeladung M_S1 ergibt sich eine höhere Temperatur T₂ (M_S1), da eine größere Menge an Ruß für den Abbrand zur Verfügung steht. Der Abbrand selbst hat durch Exothermie eine weitere Erhöhung der Temperatur T₂ (M_S1) zur Folge. Dadurch erhöht sich die Rate des Abbrandes.
Zudem steigt für das Verfahren die Temperatur T₂(M_S1) mit einer steigenden Dauer t_SR an. Die Dauer t_SR ist die Dauer, über welche der Abbrand des Rußes stattfindet. Für eine längere Dauer t_SR erhöht sich die Rate des Abbrandes bis zu einem Grenzwert für die Dauer. Danach sinkt die Rate des Abbrandes wieder, bezogen auf die Dauer t_SR.
Der Grenzwert für die Dauer ist gekennzeichnet durch die Rußreduktion M_SR. Sobald ein Teil der Rußmenge Ms abgebrannt ist, sinkt die Anzahl der Reaktionspartner für die folgende exotherme Reaktion, wodurch die Temperatur T₂ (M_S1) sinkt. Das zieht ein Sinken der Rate des Abbrandes nach sich.
Die zusätzliche Berücksichtigung der Parameter M_S1, T₂(M_S1) und t_SR ermöglicht eine Berechnung der Rußmenge M_S, welche besser übereinstimmt mit der tatsächlich im Partikelfilter befindlichen Rußmenge, da physikalische und chemische Prozesse, welche beim Abbrand des Rußes ablaufen, besser durch die Berechnung abgebildet werden. Dies ermöglicht eine zusätzlich erhöhte Genauigkeit für die Berechnung der Rußreduktion M_SR, und damit der Rußmenge Ms und der Filterwirkung des Partikelfilters.
Zusätzlich wird so eine genauere Bestimmung und/oder Berechnung der tatsächlichen Filterwirkung des Partikelfilters und dadurch einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht, da Verbrennungsmotorparameter, beispielsweise für die Verbrennung, auf die tatsächliche Filterwirkung optimiert gewählt werden können.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Steuerung für einen Partikelfilter und einen Partikelfilter, wobei die Steuerung eingerichtet ist, für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst ein Programm das, wenn es von einer erfindungsgemäßen Steuerung ausgeführt wird, die Steuerung veranlasst, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine genauere Berechnung der tatsächlichen Filterwirkung des Partikelfilters. Dadurch wird es der erfindungsgemäßen Steuerung, beispielsweise durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts ermöglicht, den Partikelfilter derart zu steuern, dass gesetzliche Regelungen zur Abgasreinheit nicht unterschritten werden. Zudem ermöglicht dies einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figur näher erläutert.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem 1, umfassend eine Steuerung 3 für einen Partikelfilter 2 und einen Partikelfilter 2. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung einer Rußmenge Ms in einem Partikelfilter 2 berücksichtigt bei der Berechnung eine Rußreduktion M_SR in dem Partikelfilter 2, wobei bei der Berechnung der Rußreduktion M_SR eine erste Partikelfiltertemperatur T₁ und eine Sauerstoffmenge Mo berücksichtigt werden.
Die Rußreduktion M_SR und damit der Abbrand sowie insbesondere die Rate des Abbrands von Ruß in einem Partikelfilter 2 sind abhängig von T₁ und M_O. Diese Abhängigkeit ist beispielsweise in einem ersten Kennfeld in der Steuerung 3 hinterlegt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren für die Berechnung eine zweite Partikelfiltertemperatur T₂ (M_S1), wobei T₂ (M_S1) abhängig von einer vorhandenen ersten Rußbeladung M_S1 ist.
Bei einer bloßen Berücksichtigung von T₁ und M_O bleibt unberücksichtigt, dass sich die Temperatur des Partikelfilters 2 während des Abbrandes durch Exothermie erhöht.
Diese Abhängigkeit ist beispielsweise in einem zweiten Kennfeld und/oder durch einem ersten Set an Polynomen und/oder einem ersten Set an Wertetabellen in der Steuerung 3 hinterlegt. Das zweite Kennfeld und/oder das erste Set an Polynomen und/oder das erste Set an Wertetabellen werden bei einer ersten Modulation des ersten Kennfeldes berücksichtigt. Die erste Modulation des ersten Kennfeldes ermöglicht dabei die Bedatung des ersten Kennfeldes mit genaueren Werten.
Dies ermöglicht eine zusätzlich erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung und/oder Berechnung der tatsächlichen Filterwirkung des Partikelfilters 2. Dies ermöglicht einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren für die Berechnung der Rußreduktion M_SR eine Dauer t_SR.
Es ergibt sich eine höhere Rate für den Abbrand für längere Dauern t_SR des Abbrandes bis zu einem Grenzwert für die Dauer des Abbrandes. Danach sinkt die Rate des Abbrandes bezogen auf die Dauer t_SR. Ein Grenzwert für die Dauer t_SR ist beispielsweise eine Zeit von etwa 20 s. In dieser Zeit kann der größte Teil des Rußes im Partikelfilter 2 abgebrannt sein. Dadurch reduziert sich die Menge an Ruß, welche für die folgende exotherme Reaktion zur Verfügung steht, wodurch die Temperatur T₂ (M_S1) sinkt. Das zieht ein Sinken der Rate des Abbrandes nach sich.
Die Abhängigkeit der Rate des Abbrandes von der Dauer t_SR ist dabei beispielsweise als zweites Polynom und/oder als zweite Wertetabelle in der Steuerung 3 hinterlegt, und wird bei einer zweiten Modulation des ersten Kennfeldes berücksichtigt. Die zweite Modulation des ersten Kennfeldes ermöglicht dabei die Bedatung des ersten Kennfeldes mit genaueren Werten.
Dies ermöglicht eine zusätzlich erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung und/oder Berechnung der tatsächlichen Filterwirkung des Partikelfilters 2. Dies ermöglicht einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine erste Aktion zur Rußreduktion im Partikelfilter 2 abgebrochen, wenn die Rußreduktion M_SR einen Grenzwert für die Rußreduktion übersteigt.
Die erste Aktion kann dabei eine Schubphase des Verbrennungsmotors sein. Dabei erhöht sich der Wert für Mo und bei einer genügend hohen Temperatur T1 kommt es zu einem Abbrand von Ruß im Partikelfilter 2. Da die Filterwirkung des Partikelfilters 2 von der Rußmenge Ms abhängt, welche sich im Partikelfilter 2 befindet, kann so eine minimale Filterwirkung ermittelt werden, für den Betrieb des Partikelfilters 2.
Basierend auf den Berechnungen zur Rußmenge Ms und zur Rußreduktion M_SR im Partikelfilter 2, können eine minimale Rußmenge Ms und/oder eine maximale Rußreduktion M_SR ermittelt werden, für die die minimale Filterwirkung erreicht wird. Beim Erreichen der minimalen Rußmenge und/oder der maximalen Rußreduktion wird die Schubphase des Verbrennungsmotors abgebrochen. Eine erste Abbruchbedingung umfasst diesen Abbruch.
Dadurch wird eine minimale Filterwirkung gewährleistet, was einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die erste Aktion abgebrochen, wenn die Dauer t_SR einen Grenzwert für die Dauer übersteigt. Eine zweite Abbruchbedingung umfasst diesen Abbruch.
Diese zweite Abbruchbedingung ist eine Alternative zur ersten Abbruchbedingung, und gewährleistet ebenfalls eine minimale Filterwirkung des Partikelfilters 2. Die Berechnung der Rußmenge Ms basiert auf der Dauer t_SR für den Abbrand. Dadurch kann eine maximale Dauer für den Abbrand ermittelt werden, so dass eine minimale Filterwirkung gewährleistet wird. Die zweite Abbruchbedingung kann dabei schneller ermittelt werden, als die erste Abbruchbedingung, da die Exothermie für den Abbrand nicht explizit mit berücksichtigt wird.
Vorteilhafterweise gewährleistet dies eine schnellere Berechnung einer minimale Filterwirkung, was einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren die Durchführung einer zweiten Aktion zum vollständigen Abbrand der Rußmenge Ms im Partikelfilter 2.
Nach dem vollständigen Abbrand von Ruß aus dem Partikelfilter 2 ergibt sich eine tatsächliche Rußmenge von Null im Partikelfilter 2. Dieser Wert kann für diesen Zeitpunkt, zu dem der vollständige Abbrand erfolgt, auch für die Berechnung der Rußmenge Ms übernommen werden. Dadurch wird eine Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Rußmenge im Partikelfilter 2 und der berechneten Rußmenge Ms erreicht. Dadurch können Fehler auf die Berechnung von Ms zurückgesetzt werden. Fehler können dabei aus der nicht exakten Abbildung von physikalischen und chemischen Prozessen durch die Berechnung folgen. Ein Zurücksetzen von Fehlern ermöglicht eine genauere Berechnung von Ms.
Beispielsweise kann die zweite Aktion auch aktiv von dem Steuergerät 3 getriggert werden, um Fehler auf die Berechnung von Ms zu reduzieren. Bei der zweiten Aktion kann es sich um eine Schubphase des Verbrennungsmotors handeln.
Eine genauere Berechnung von Ms ermöglicht einen umweltschonenderen Betrieb des Verbrennungsmotors, da Verbrennungsmotorparameter, beispielsweise für die Verbrennung, auf die tatsächliche Filterwirkung optimiert gewählt werden können.
Die beschrieben Ausführungsbeispiele können einzeln oder in Kombination ausgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 1 umfasst eine Steuerung 3 für einen Partikelfilter 1 und einen Partikelfilter 1, wobei die Steuerung 3 eingerichtet ist, für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst ein Programm das, wenn es von einer Steuerung 3 ausgeführt wird, die Steuerung 3 veranlasst, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014006692 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Berechnung einer Rußmenge Ms in einem Partikelfilter (2), wobei bei der Berechnung eine Rußreduktion M_SR in dem Partikelfilter (2) berücksichtigt wird, und wobei bei der Berechnung der Rußreduktion M_SR eine erste Partikelfiltertemperatur T₁ und eine Sauerstoffmenge Mo berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Berechnung der Rußreduktion M_SR eine vorhandene erste Rußbeladung M_S1 des Partikelfilters (2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Berechnung der Rußreduktion M_SR eine zweite Partikelfiltertemperatur T₂ (M_S1) berücksichtigt wird, und wobei T₂ (M_S1) abhängig von der ersten Rußbeladung M_S1 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Berechnung der Rußreduktion M_SR die Dauer t_SR der Rußreduktion M_SR berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Aktion zur Rußreduktion im Partikelfilter (2) abgebrochen wird, wenn die Rußreduktion M_SR einen Grenzwert für die Rußreduktion übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste Aktion abgebrochen wird, wenn die Dauer t_SR einen Grenzwert für die Dauer übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Aktion zum vollständigen Abbrand der Rußmenge Ms im Partikelfilter (2) durchgeführt wird.
Abgasnachbehandlungssystem (1), umfassend eine Steuerung (3) für einen Partikelfilter (2) und einen Partikelfilter (2), wobei die Steuerung (3) eingerichtet ist, für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Computerprogrammprodukt, umfassend ein Programm das, wenn es von einer Steuerung ausgeführt wird, die Steuerung veranlasst, ein erfindungsgemäßes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.