DE102018220615A1

DE102018220615A1 - Verfahren und Steuereinheit zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas durchströmten Partikelfilters, Computerprogrammprodukt und computerlesbarer Datenträger

Info

Publication number: DE102018220615A1
Application number: DE102018220615.5A
Authority: DE
Inventors: Maria Armiento; Mario Balenovic; Christoph Boerensen; Brendan Carberry; Robert Ukropec; Evgeny Smirnov; Jan Harmsen; Elmar Riesmeier; Dirk Römer; Martina Reichert
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas eines Verbrennungsmotors durchströmten Partikelfilters angegeben, das ein Bestimmen von Sauerstoffkonzentrationen im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters 02_preFilter, 02_postFilter, ein Ermitteln einer aktuellen Verbrennungsrate vfür Partikel im Partikelfilter aus zeitlichen Verläufen der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters O2_preFilter, O2_postFilter, ein Vergleichen der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate vmit einem Maximalwert für die Verbrennungsrate vund bei Übersteigen des Maximalwerts für die Verbrennungsrate vein Verringern der aktuellen Verbrennungsrate vmittels einer oder mehrerer Maßnahmen A, B, C aus einer Gruppe umfassend Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters T_abgas, A, Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters O2_preFilter, B und Ändern eines Abgasmassenstroms q_abgas, C, aufweist.Daneben werden eine Steuereinheit 8 zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas durchströmten Partikelfilters 5, ein Computerprogrammprodukt sowie computerlesbare Datenträger angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas eines Verbrennungsmotors durchströmten Partikelfilters, eine Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens, ein Computerprogrammprodukt und computerlesbare Datenträger.
Der Einsatz von Partikelfiltern zur Kontrolle der Partikelmission durch Verbrennungsmotoren ist hinreichend bekannt. Nachdem sich im Partikelfilter eine bestimmte Menge an Partikeln, z. B. in Form von Ruß und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen, angesammelt hat, muss der Partikelfilter durch zumindest teilweise Entfernung der zuvor aus dem Abgasstrom herausgefilterten Partikel regeneriert werden, um das Risiko einer Partikelfilterbeschädigung zu minimieren und zu hohen Gegendruck zu verhindern.
Zur Entfernung der Partikel sind zahlreiche Methoden bekannt, die vorwiegend auf der Oxidation der Partikel und deren Überführung in gasförmige Reaktionsprodukte beruhen. Eine solche Oxidation findet jedoch nur bei hohen Temperaturen von ca. 600 °C statt und stellt daher eine potentielle Gefahr für den Partikelfilter selbst dar. Zudem handelt es sich bei den Oxidationsreaktionen um exotherme Reaktionen, die zu einer weiteren Temperaturerhöhung beitragen, so dass der Partikelfilter thermisch geschädigt werden kann.
Die Kontrolle der Partikelbeladung des Partikelfilters stellt eine große Herausforderung dar, da einerseits bei einer zu hohen Partikelbeladung der Abgasgegendruck zu hoch wird und andererseits bei einer zu geringen Partikelbeladung die Filterwirkung nicht mehr ausreichend gegeben ist, da der sich aus den herausgefilterten Partikeln bildende Filterkuchen selbst zur Filterwirkung beiträgt. Ohne eine ausreichende Überwachung der Partikelbeladung und der Partikelfilterregeneration kann es daher zu unerwünschten Ereignissen kommen, wie z. B. zu hohe Temperaturen während der Regeneration, Verstopfung des Partikelfilters, zu häufige Partikelfilterregeneration etc., die zu weiteren Problemen wie z. B. Rissbildungen im Partikelfilter, geringe Filtereffizienz, Motorprobleme, hoher Kraftstoffverbrauch und hohe CO₂-Emission, Ölverdünnung etc. führen können.
Aus der US 7 299 626 B2 ist ein Überwachungsverfahren für einen Partikelfilter bekannt, das auf der Bestimmung der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters beruht. Aus der Differenz der Sauerstoffkonzentrationen kann die Verbrennungsrate der herausgefilterten Partikel ermittelt werden. Übersteigt die Verbrennungsrate einen Grenzwert, so ist eine Überhitzung des Partikelfilters zu befürchten und die Regeneration wird abgebrochen. Vorteilhafterweise kann eine zu hohe Verbrennungsrate anhand der Sauerstoffkonzentrationen deutlich frühzeitiger detektiert werden, als dies anhand von Temperaturmessungen der Fall wäre.
Ein Abbruch der Regeneration führt jedoch zu einer weiterhin eingeschränkten Funktionalität des Partikelfilters, da zu entfernende Partikel im Partikelfilter verbleiben. Folglich muss zeitnah eine erneute Regeneration durchgeführt werden, die sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt und zu einem früheren Verschleiß der Bauteile führen kann
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Möglichkeiten anzugeben, mit denen einerseits eine ausreichende Regeneration des Partikelfilters erreicht werden und andererseits eine Beschädigung des Partikelfilters verhindert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Anders als in dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß auf das Übersteigen eines Maximalwerts für die Verbrennungsrate nicht mit einem Abbruch der Regeneration reagiert, sondern die Regeneration wird so modifiziert, dass die Verbrennungsrate sinkt und der Maximalwert nicht mehr überstiegen wird, wofür ein oder mehrere Maßnahmen aus einer Gruppe von drei Maßnahmen genutzt werden.
Hierdurch kann einerseits die Regeneration so beeinflusst werden, dass der Maximalwert nicht überstiegen und eine thermische Beschädigung des Partikelfilters vermieden wird. Andererseits kann die Regeneration zumeist weitergeführt und zügig abgeschlossen werden, so dass der für die Temperaturerhöhung notwendige Kraftstoffmehrverbrauch verringert und die thermische Belastung der beteiligten Bauteile möglichst gering gehalten werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas eines Verbrennungsmotors durchströmten Partikelfilters weist ein Bestimmen von Sauerstoffkonzentrationen im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters, ein Ermitteln einer aktuellen Verbrennungsrate für Partikel im Partikelfilter aus zeitlichen Verläufen der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters, ein Vergleichen der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate mit einem Maximalwert für die Verbrennungsrate und bei Übersteigen des Maximalwerts für die Verbrennungsrate ein Verringern der aktuellen Verbrennungsrate mittels einer oder mehrerer Maßnahmen aus einer Gruppe umfassend Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters, Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters und Ändern eines Abgasmassenstroms auf.
Angegebene Strömungsrichtungen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor in Richtung Auspuff.
Mit anderen Worten werden aus den zur Verfügung stehenden Maßnahmen Verringern der Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters, Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters und Ändern des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abgasmassenstroms ein oder mehrere Maßnahmen ausgewählt und angewendet, um die Verbrennungsrate zu verringern. Die Regeneration des Partikelfilters kann also weiterhin durchgeführt werden, allerdings mit einer verringerten Verbrennungsrate, um einen zu hohen Temperaturanstieg im Partikelfilter und eine damit einhergehende thermische Schädigung des Partikelfilters vermeiden zu können.
Die Abgastemperatur kann beispielsweise verringert werden, indem die Menge des zur Temperaturerhöhung nacheingespritzten Kraftstoffs in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors oder in den Abgasstrang verringert wird. Der Abgasmassenstrom kann erhöht werden, indem z. B. eine Drosslung verringert wird und/oder der Anteil des rückgeführten Abgases verringert wird. Die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters kann beispielsweise erhöht werden, indem dem Verbrennungsmotor mehr Luft zugeführt wird, z. B. durch eine Erhöhung der Kompressionsleistung eines Turboladers mit variabler Geometrie oder externer Aufladung (elektrischer oder mechanischer Kompressor). Weiterhin ist eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration durch eine Verringerung der Abgasrückführungsrate möglich.
Bei dem Partikelfilter kann es sich beispielsweise um einen Rußpartikelfilter handeln, wie er beispielsweise im Abgasstrang von Dieselmotoren zur Filterung von Rußpartikeln aus dem Abgas eingesetzt wird.
Die Verbrennungsrate gibt an, welche Partikelmasse pro Zeiteinheit verbrannt wird. Von der Verbrennungsrate abhängig ist die Temperatur des Partikelfilters, d. h. je höher die Verbrennungsrate ist, desto mehr Energie wird während der Verbrennung freigesetzt und umso stärker erwärmt sich der Partikelfilter. Die aktuelle Verbrennungsrate kann mittels Integration der Differenz der beiden Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters über einen vorgegebenen Zeitraum ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bevorzugt computerimplementiert ausgeführt werden, d. h. die Schritte des Verfahrens können von einem Computer unter Nutzung eines entsprechenden Computerprogrammprodukts ausgeführt werden, wobei der Computer eine Steuereinheit oder ein Teil einer Steuereinheit sein kann. Zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentrationen können Sensorsignale von stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters angeordneten Sauerstoffsensoren verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ermitteln einer aktuellen Partikelbeladung und ein Abschätzen einer zukünftigen Temperatur des Partikelfilters anhand der ermittelten aktuellen Partikelbeladung und der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate aufweisen.
Anstelle des Vergleichs der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate mit dem Maximalwert für die Verbrennungsrate wird die abgeschätzte zukünftige Temperatur des Partikelfilters mit einem Maximalwert für die Temperatur des Partikelfilters verglichen. Bei Übersteigen des Maximalwerts für die Temperatur des Partikelfilters wird die aktuelle Verbrennungsrate verringert.
Anhand der Partikelbeladung kann die Zeitdauer der Regeneration abgeschätzt werden, d. h. die Zeitspanne während derer Partikel oxidiert und zusätzliche Wärmeenergie durch exotherme Reaktionen freigesetzt wird. Unter Berücksichtigung der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate kann dann die Temperatur des Partikelfilters zu einem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt abgeschätzt werden, d. h. es kann ermittelt werden, ob ein Maximalwert für die Temperatur des Partikelfilters überschritten werden wird und folglich der Partikelfilter einer zu hohen thermischen Belastung ausgesetzt werden würde. Ist dies zu befürchten, können die vorstehend genannten Maßnahmen ergriffen werden, um die aktuelle Verbrennungsrate zu senken.
Im Vergleich zu einer alleinigen Berücksichtigung der Verbrennungsrate hat die zusätzliche Berücksichtigung der Partikelbeladung den Vorteil, dass der zeitliche Verlauf der Regeneration berücksichtigt werden kann, während bei der alleinigen Berücksichtigung der Verbrennungsrate nur auf den aktuellen Zeitpunkt abgestellt wird. Ist beispielsweise die verbleibende Zeitdauer der Regeneration nur noch sehr kurz, so könnte die Regeneration trotz Übersteigen des Maximalwerts für die Verbrennungsrate mit gleichbleibender Verbrennungsrate fortgeführt werden, da sich der Partikelfilter nach dem Ende der Regeneration schnell abkühlt.
Durch die Berücksichtigung der zukünftigen Temperatur des Partikelfilters kann die Regeneration optimiert werden, so dass diese schneller abgeschlossen werden kann und der Kraftstoffmehrverbrauch sowie die thermische Belastung weiter gesenkt werden können.
Die aktuelle Partikelbeladung kann beispielsweise anhand der Rußemission des Verbrennungsmotors und dem Gegendruckverhalten ermittelt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ermitteln von aktuellen Betriebspunktparameterwerten der Betriebspunktparameter Drehzahl und Motorlast und ein Ermitteln von aktuellen Regenerationsparameterwerten der Regenerationsparameter Temperatur des Partikelfilters und Partikelbeladung des Partikelfilters aufweisen. Anschließend werden ein oder mehrere der Maßnahmen Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters, Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters und Ändern eines Abgasmassenstroms mittels eines Kennwertfelds, das einen Zusammenhang zwischen den Betriebspunktparametern, den Regenerationsparametern, den Maßnahmen und der zukünftigen Temperatur des Partikelfilters abbildet, ausgewählt. Anschließend wird die aktuelle Verbrennungsrate mittels der ausgewählten Maßnahmen verringert.
Mit anderen Worten wird das Kennwertfeld verwendet, um eine Auswahl aus der Gruppe der Maßnahmen zu treffen, da die Erfinder erkannt haben, dass bestimmte Maßnahmen unter bestimmten Bedingungen, d. h. bei einer bestimmten Motordrehzahl und/oder einer bestimmten Motorlast, nicht geeignet oder nicht anwendbar sind. Beispielsweise können bei gegebenen Betriebspunktparameterwerten nicht alle Maßnahmen oder alle Maßnahmenkombinationen verfügbar sein. Insbesondere besteht kein einfacher Zusammenhang zwischen dem Abgasmassenstrom und der Partikelfiltertemperatur, d. h. in Abhängigkeit der Betriebspunktparameterwerte und der übrigen Regenerationsparameterwerte kann eine Erhöhung des Abgasmassenstroms sowohl zu einer Erhöhung als auch zu einer Verringerung der Temperatur des Partikelfilters führen.
Die Motorlast ist das Verhältnis von abgegebener Arbeit W pro Arbeitsspiel zu Hubvolumen V_H eines Zylinders und wird auch als Mitteldruck p_m bezeichnet. $p_{m} = \frac{W}{V_{H}}$
Die aktuelle Temperatur des Partikelfilters kann anhand der Abgastemperatur stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters unter Berücksichtigung der thermischen Masse des Partikelfilters ermittelt werden.
Die Auswahl der Maßnahmen kann sowohl ein Festlegen einschließen, welche der drei Maßnahmen überhaupt genutzt werden sollen, als auch ein Festlegen, wie stark die Maßnahme(n) durchgeführt werden sollen, d. h. wie der Abgasmassenstrom geändert werden soll, wie stark die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters verringert werden soll und wie stark die Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters verringert werden soll.
Beispielsweise können die Maßnahmen mittels des Kennwertfeldes derart ausgewählt werden, dass sich die niedrigste zukünftige Temperatur des Partikelfilters ergibt, bei der eine Regeneration des Partikelfilters noch durchgeführt werden kann. Sollte sich für mehrere Maßnahmenkombinationen dieselbe zukünftige Temperatur ergeben, so kann die Auswahl der Maßnahmen unter Berücksichtigung von sekundären Anforderungen erfolgen. Derartige sekundäre Anforderungen können beispielsweise sein: geringerer Kraftstoffverbrauch und/oder geringere Ölverdünnung, so dass z. B. zunächst der Verbrennungsmotor gedrosselt wird, um die Temperatur zu erhöhen, und erst danach die Kraftstoffnacheinspritzung erhöht wird, weil dadurch weniger Kraftstoff verbraucht wird und sich keine Ölverdünnung ergibt. Diese Maßnahme wird aber wiederum dadurch begrenzt, dass der Motor noch die gewünschte Leistung erzeugen muss und die Rußproduktion nicht zu hoch werden darf.
Das Kennwertfeld kann experimentell und/oder mittels Simulation ermittelt werden. Das Kennwertfeld kann beispielsweise in Form einer Kennwerttabelle oder eines Kennlinienfeldes ausgebildet sein.
Mittels des Kennwertfeldes kann vorteilhaft erkannt werden, welche Strategie zur Beeinflussung der Verbrennungsrate unter den herrschenden Bedingungen günstig ist, da die zukünftige Temperatur des Partikelfilters vorhergesagt werden kann. Dies führt vorteilhaft zu einer genaueren Beeinflussung der Verbrennungsrate und dadurch zu einer Verbesserung der Regeneration, ohne dass die Gefahr einer thermischen Schädigung des Partikelfilters besteht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können als weitere Regenerationsparameter die Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters, der Abgasmassenstrom und die Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters berücksichtigt werden.
Das bedeutet, dass aktuelle Regenerationsparameterwerte auch für diese Regenerationsparameter ermittelt werden und die Maßnahmen mittels eines Kennwertfeldes ausgewählt werden, dass zusätzlich auch die Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters, der Abgasmassenstrom und die Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters berücksichtigt.
Diese weiteren Regenerationsparameter können bei der allgemeineren Variante des Kennwertfeldes nur indirekt berücksichtigt werden, da sie abhängig von den Betriebspunktparameterwerten sind. Die explizite Berücksichtigung der Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters, des Abgasmassenstroms und der Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters kann zu einer genaueren Vorhersage der zukünftigen Temperatur des Partikelfilters führen, so dass die Maßnahmen noch gezielter ausgewählt und die Regeneration weiter optimiert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können aktuelle Parameterwerte eines oder mehrerer der Betriebspunkt- und/oder Regenerationsparameter wiederholt oder fortlaufend ermittelt werden und bei einer Änderung der Parameterwerte die Maßnahmen erneut ausgewählt werden.
Hierdurch kann die Auswahl der Maßnahmen an sich ändernde Bedingungen angepasst werden, so dass die Regeneration stets unter optimierten Bedingungen durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann zunächst der Abgasmassenstrom geändert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt dann einer Verringerung der Sauerstoffkonzentration, da sich die Motordrehzahl und/oder die Motorlast zwischenzeitlich geändert haben.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ermitteln einer tatsächlich verbrannten Partikelmenge anhand der zeitlichen Verläufe der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters, ein Ermitteln einer theoretisch verbrannten Partikelmenge mittels des Kennwertfeldes, ein Vergleichen der ermittelten tatsächlich verbrannten Partikelmenge mit der theoretisch verbrannten Partikelmenge und bei Abweichung der ermittelten tatsächlich verbrannten Partikelmenge von der theoretisch verbrannten Partikelmenge ein Anpassen des Kennlinienfeldes aufweisen.
Beispielsweise kann ein Korrekturfaktor bestimmt und ggf. angepasst werden.
Wird eine Abweichung der ermittelten tatsächlich verbrannten Partikelmenge von der anhand des Kennwertfeldes theoretisch verbrannten Partikelmenge festgestellt, so kann daraus geschlussfolgert werden, dass die abgeschätzte Partikelbeladung des Partikelfilters zu Beginn der Regeneration nicht korrekt war und folglich eine Korrektur erforderlich ist. Eine Korrektur ist insbesondere bei einer abgeschätzten zu geringen Partikelbeladung der Fall, da ansonsten die Regeneration nur teilweise erfolgt und die Funktionstüchtigkeit des Partikelfilters nicht gewährleistet ist, mit der Folge, dass zu viele Partikel in die Umgebung freigesetzt werden.
Wird eine Abweichung festgestellt, so kann ein Korrekturfaktor eingeführt bzw. angepasst werden. Ein solcher Korrekturfaktor kann einen integrierenden Charakter aufweisen und zu- oder abnehmen, wenn die Abweichung bei mehreren aufeinanderfolgenden Regenerationen bestehen bleibt, da dies ein Hinweis darauf ist, dass der Verbrennungsmotor mehr oder weniger Partikel, insbesondere Ruß, erzeugt als ursprünglich angenommen. Eine solche Abweichung ergibt sich typischerweise durch Alterungsvorgänge des Motors, die von dem Nutzungsprofil abhängen und sich nur schwer vollständig vorhersagen lassen.
Durch die Einführung des Korrekturfaktors kann die den Verbrennungsmotor verlassende Partikelmenge besser abgeschätzt werden, so dass mit fortschreitender Zeitdauer eine immer geringere Anpassung notwendig ist. Der beschriebene Algorithmus trägt zu einer Erhöhung der Robustheit der Regenerationsüberwachung während der Lebensdauer des Verbrennungsmotors bei.
Eine erfindungsgemäße Steuereinheit zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas durchströmten Partikelfilters weist Mittel zur Ausführung eines der obenstehend erläuterten Verfahren auf.
Die Steuereinheit empfängt Sensorsignale von mehreren Sensoren, wie z. B. Sauerstoffsensoren, Temperatursensoren, einem Drehzahlsensor etc., verarbeitet diese Sensorsignale basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen und sendet Steuersignale an mehrere Aktuatoren, wie z. B. Kraftstoffeinspritzanlage, Turbolader, AGR-Ventil etc., in Reaktion auf die verarbeiteten Sensorsignale.
Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinheit Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinheit.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuereinheit entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
Die Steuereinheit kann Teil einer Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Neben der Steuereinheit weist eine solche Anordnung einen Verbrennungsmotor mit einem sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgasstrang zur Aufnahme eines vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgases, einen im Abgasstrang angeordneten Partikelfilter und stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters angeordnete Sauerstoffsensoren auf.
Unter einem Sauerstoffsensor ist ein Sensor zu verstehen, aus dessen Sensorsignal die Sauerstoffkonzentration des untersuchten Mediums ermittelt werden kann. Beispielsweise kann der Sauerstoffsensor als Lambda-Sonde oder als Stickoxidsensor ausgebildet sein, da letzterer neben einem Stickoxidsignal auch ein Lambda-Signal ausgibt, aus dem das Verbrennungsluftverhältnis und folglich die Sauerstoffkonzentration ermittelt werden kann.
Optional kann die Anordnung weitere Sensoren, z. B. einen Temperatursensor stromaufwärts des Partikelfilters, aufweisen, mit denen die aktuellen Werte von den genannten Betriebspunktparametern und Regenerationsparametern ermittelt werden können.
Weiter optional kann die Anordnung neben dem Partikelfilter weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren wie Dieseloxidationskatalysatoren, LNT-Katalysatoren, SCR-Katalysatoren etc. aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der obenstehend erläuterten Verfahren auszuführen.
Unter einem Computerprogrammprodukt ist ein auf einem geeigneten Medium gespeicherter und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode zu verstehen. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausführungsvarianten.
Auf einem erfindungsgemäßen computerlesbaren Datenträger ist ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen computerlesbaren Datenträgers entsprechen denen des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts.
Außerdem betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung einen computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Kennwertfeld, das einen Zusammenhang zwischen den Betriebspunktparametern Drehzahl und Motorlast, den Regenerationsparametern Temperatur des Partikelfilters und Partikelbeladung des Partikelfilters, den Maßnahmen Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters, Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters und Ändern eines Abgasmassenstroms und einer zukünftigen Temperatur eines Partikelfilters abbildet, gespeichert ist.
Ein solches Kennwertfeld kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausführungsvarianten genutzt werden. Es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Das Kennwertfeld ermöglicht vorteilhaft eine gezielte Auswahl von Maßnahmen, um ein Überschreiten eines Maximalwerts einer Verbrennungsrate und/oder ein Überschreiten eines Maximalwerts für die Temperatur des Partikelfilters, insbesondere während der Regeneration des Partikelfilters, zu verhindern. Eine thermische Schädigung des Partikelfilters kann somit vermieden und die Effizienz der Regeneration des Partikelfilters gesteigert werden.
Optional kann das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeicherte Kennwertfeld als weitere Regenerationsparameter eine Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters, einen Abgasmassenstrom und eine Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters berücksichtigen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 Darstellung der Abhängigkeit der Temperatur T des Partikelfilters von der Partikelbeladung während der Regeneration;
2 eine beispielhafte Anordnung mit einer Steuereinheit;
3 eine weitere beispielhafte Anordnung mit einer Steuereinheit;
4a eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kennwertfeldes; und
4b eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Kennwertfeldes.

1 zeigt die Abhängigkeit der Temperatur T eines Partikelfilters, hier eines Dieselpartikelfilters (DPF), mit verschiedenen Partikelbeladungen von 3,6 g/l bis 10,1 g/l in Abhängigkeit der Zeit während der Regeneration des Partikelfilters, die zum Zeitpunkt t = 0 s beginnt und unter sog. drop-to-idle-Bedingungen, d. h. Umschalten in den Leerlauf nach Regenerationsauslösung, durchgeführt wird. Zum Vergleich ist die Temperatur stromaufwärts des Partikelfilters dargestellt (gestrichelte Linie).
Deutlich zu erkennen ist eine Zunahme der maximalen Temperatur Tmax mit zunehmender Partikelbeladung.
Die in 2 gezeigte beispielhafte Anordnung 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 auf, der während seines Betriebs ein Abgas erzeugt, welches in den Abgasstrang 3 abgegeben wird. Der Verbrennungsmotor 2 kann beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet sein und eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern aufweisen. Optional kann dem Verbrennungsmotor 2 ein Turbolader nicht dargestellt) zugeordnet sein, mittels dem der Verbrennungsmotor 2 aufgeladen werden kann.
Der Abgasstrang 3 wird durch eine Abgasleitung gebildet, die vom Abgas durchströmt wird und in der mehrere Abgasnachbehandlungseinrichtungen und Sensoren angeordnet sind, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtungen ebenfalls vom Abgas durchströmt werden können und die Eigenschaften des Abgases, z. B. dessen Zusammensetzung, Temperatur etc., mittels der Sensoren bestimmt werden kann.
In der beispielhaften Anordnung 1 der 2 sind im Abgasstrang 3 zwei Katalysatoren 4a, 4b als Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet. Bei dem motornahen Katalysator 4a kann es sich beispielsweise um einen Dieseloxidationskatalysator oder einen LNT-Katalysator (engl. lean nitroxide trap, dt. Magerstickoxidfalle) handeln. Der motorferne Katalysator 4b kann beispielsweise als SCR-Katalysator (engl. selective catalytic reduction, dt. selektive katalytische Reduktion) ausgebildet sein.
Zwischen den beiden Katalysatoren 4a, 4b ist ein Partikelfilter 5 angeordnet, der der Entfernung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, aus dem Abgas dient. Dieser Partikelfilter 5 muss von Zeit zu Zeit regeneriert werden, indem die herausgefilterten Partikel zumindest teilweise verbrannt werden. Diese Regeneration erfordert hohe Temperaturen und verläuft exotherm. Sie birgt daher die Gefahr einer thermischen Schädigung des Partikelfilters 5 sowie ggf. stromabwärts des Partikelfilters 5 angeordneter Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
Weiterhin weist die Anordnung 1 zwei Sauerstoffsensoren 6a, 6b auf, die im Ausführungsbeispiel als Lambda-Sonden ausgebildet sind, jedoch auch anderweitig ausgeführt sein können. Die Sauerstoffsensoren 6a, 6b dienen der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration 02_preFilter, 02_postFilter im Abgas. Die Sauerstoffsensoren 6a, 6b sind unmittelbar stromaufwärts bzw. stromabwärts des Partikelfilters 5 angeordnet. Optional können die Sauerstoffsensoren 6a, 6b jedoch auch weiter stromaufwärts bzw. stromabwärts, also z. B. stromaufwärts des motornahen Katalysators 4a und stromabwärts des motorfernen Katalysators 4b, angeordnet sein.
Die Sauerstoffsensoren 6a, 6b sind signaltechnisch mit einer Steuereinheit 8 verbunden. Sie geben zwei Sensorsignale 9a, 9b an die Steuereinheit 8 aus, die die Sensorsignale 9a, 9b wie nachfolgend erläutert verarbeitet und ein Steuersignal 10 an den Verbrennungsmotor 2 ausgibt, das z. B. eine Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge bewirken kann.
Die Anordnung 1 der 3 unterscheidet sich von der Anordnung 1 der 2 lediglich darin, dass zusätzlich ein stromaufwärts des Partikelfilters 5 angeordneter Temperatursensor 7 vorhanden ist, mit dem die Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters T_abgas ermittelt werden kann. Der Temperatursensor 7 ist ebenfalls signaltechnisch mit der Steuereinheit 8 verbunden und gibt ein Sensorsignal 9c an die Steuereinheit 8 aus, welches von der Steuereinheit 8 verarbeitet wird und in die Erstellung des Steuersignals 10 mit einfließt.
4a zeigt ein beispielhaftes Kennwertfeld 11 in einer schematischen Darstellung. Das Kennwertfeld 11 bildet einen Zusammenhang zwischen den Betriebspunktparametern Drehzahl n und Motorlast p_m , den Regenerationsparametern Temperatur des Partikelfilters T und Partikelbeladung des Partikelfilters PB, den Maßnahmen A Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters T_abgas, B Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters 02_preFilter und C Ändern eines Abgasmassenstroms q_abgas sowie der zukünftigen Temperatur des Partikelfilters Tf ab.
Mittels des Kennwertfeldes 11 kann einerseits bei bekannten Betriebszustandsparameterwerten und bekannten Regenerationsparameterwerten die zukünftige Temperatur des Partikelfilters Tf für den Fall abgeschätzt werden, dass eine bestimmte Kombination der Maßnahmen A, B und/oder C ergriffen wird.
Andererseits kann mittels des Kennwertfelds 11 bei bekannten Betriebszustandsparameterwerten und bekannten Regenerationsparameterwerten diejenige Maßnahmenkombination aus den Maßnahmen A, B und/oder C ermittelt werden, mit der eine bestimmte zukünftige Temperatur des Partikelfilters Tf erreicht werden kann.
4b zeigt ein weiteres beispielhaftes Kennwertfeld 11 in einer schematischen Darstellung. Im Unterschied zum Kennwertfeld 11 der 4a werden 3 weitere Regenerationsparameter, nämlich die Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters T_abgas, der Abgasmassenstrom q_abgas und die Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters O2_preFilter berücksichtigt. Dies ermöglicht gegenüber dem Kennwertfeld 11 der 4a eine noch differenzierte Auswahl der Maßnahmen bzw. eine noch genauere Abschätzung der zukünftigen Temperatur des Partikelfilters Tf.
Soll ein Verfahren zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas eines Verbrennungsmotors 2 durchströmten Partikelfilters 5 durchgeführt werden, kann das Kennwertfeld 11, also z. B. das Kennwertfeld 11 der 4a oder 4b wie folgt verwendet werden.
Zunächst wird ermittelt, ob überhaupt mit einer zu hohen thermischen Belastung des Partikelfilters 5 zu rechnen ist. Dafür werden die Sauerstoffkonzentrationen im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters O2_preFilter, O2_postFilter bestimmt und es wird aus den zeitlichen Verläufen der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters O2_preFilter, O2_postFilter eine aktuelle Verbrennungsrate v_akt für Partikel im Partikelfilter 5 ermittelt. Diese ermittelte aktuelle Verbrennungsrate v_akt wird mit einem Maximalwert für die Verbrennungsrate v_max verglichen. Übersteigt die ermittelte aktuelle Verbrennungsrate v_akt den Maximalwert für die Verbrennungsrate v_max , ist eine thermische Schädigung des Partikelfilters 5 zu erwarten und es werden ein oder mehrere der Maßnahmen A, B, C ergriffen, um die Verbrennungsrate vakt zu senken.
Optional kann anstelle der aktuellen Verbrennungsrate v_akt die abgeschätzte zukünftige Temperatur des Partikelfilters Tf als Kriterium für das Ergreifen der Maßnahmen A, B, C genutzt werden. Hierfür wird außer der aktuellen Verbrennungsrate Vakt eine aktuelle Partikelbeladung des Partikelfilters PB_akt ermittelt. Die zukünftige Temperatur des Partikelfilters Tf wird anschließend anhand der ermittelten aktuellen Partikelbeladung des Partikelfilters PB_akt und der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate (v_akt ) ermittelt. Zeigt ein Vergleich der abgeschätzten zukünftigen Temperatur des Partikelfilters Tf mit einem Maximalwert für die Temperatur des Partikelfilters T_f,max, dass der Maximalwert für die Temperatur des Partikelfilters T_f,max überstiegen wird, so werden ein oder mehrere der Maßnahmen A, B, C ergriffen, um die Verbrennungsrate v_akt zu senken.
Welche Kombination der Maßnahmen A, B, C konkret ergriffen wird, wird mittels des Kennwertfelds 11 ermittelt. Dazu werden die aktuellen Betriebspunktparameterwerten n_akt , p_m,akt der Betriebspunktparameter Drehzahl n und Motorlast p_m sowie die aktuellen Regenerationsparameterwerte Takt, PB_akt der Regenerationsparameter Temperatur des Partikelfilters T und Partikelbeladung des Partikelfilters PB ermittelt. Optional können zusätzlich weitere aktuelle Regenerationsparameterwerte, nämlich die Regenerationsparameterwerte der der Regenerationsparameter Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters T_abgas, Abgasmassenstrom q_abgas und Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters 02_preFilter ermittelt werden, sofern diese im Kennwertfeld 11 berücksichtigt sind.
Nun werden für die ermittelten aktuellen Betriebspunktparameterwerte und Regenerationsparameterwerte diejenigen Maßnahmen A, B, C ausgewählt, mit denen gemäß den Kennwertfeld 11 eine gewünschte zukünftige Temperatur des Partikelfilter Tf erreicht werden kann, indem die Verbrennungsrate v_akt mittels der ausgewählten Maßnahmen verringert wird. Eine thermische Schädigung des Partikelfilters 5 kann vermieden werden.
Bezugszeichenliste

A: Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters (Maßnahme)
B: Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters (Maßnahme)
C: Ändern eines Abgasmassenstroms (Maßnahme)
n: Drehzahl (Betriebspunktparameter)
n_akt: aktuelle Drehzahl
O2_preFilter: Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters (Regenerationsparameter)
O2_postFilter: Sauerstoffkonzentration im Abgas stromabwärts des Partikelfilters
deltaO2: Differenz der Sauerstoffkonzentrationen
PB: Partikelbeladung des Partikelfilters (Regenerationsparameter)
PB_akt: aktuellen Partikelbeladung des Partikelfilters
p_m: Motorlast (Betriebspunktparameter)
p_m,akt: aktuelle Motorlast
PM_tat: tatsächlich verbrannte Partikelmenge
PM_theo: theoretisch verbrannte Partikelmenge
q_abgas: Abgasmassenstrom (Regenerationsparameter)
T: Temperatur des Partikelfilters (Regenerationsparameter)
T_akt: aktuelle Temperatur des Partikelfilters
T_f: zukünftige Temperatur des Partikelfilters
T_max: Maximalwert für die Temperatur des Partikelfilters
T_abgas: Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters (Regenerationsparameter)
v_akt: aktuelle Verbrennungsrate
v_max: Maximalwert für die Verbrennungsrate
1: Anordnung
2: Verbrennungsmotor
3: Abgasstrang
4a, 4b: Katalysator
5: Partikelfilter
6a, 6b: Sauerstoffsensor
7: Temperatursensor
8: Steuereinheit
9a, 9b, 9c: Sensorsignale
10: Steuersignal
11: Kennwertfeld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7299626 B2 [0005]

Claims

Verfahren zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas eines Verbrennungsmotors (2) durchströmten Partikelfilters (5), aufweisend: - Bestimmen von Sauerstoffkonzentrationen im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (02_preFilter, 02_postFilter), - Ermitteln einer aktuellen Verbrennungsrate (v_akt) für Partikel im Partikelfilter aus zeitlichen Verläufen der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (O2_preFilter, O2_postFilter), - Vergleichen der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate (v_akt) mit einem Maximalwert für die Verbrennungsrate (v_max) und - bei Übersteigen des Maximalwerts für die Verbrennungsrate (v_max), Verringern der aktuellen Verbrennungsrate (v_akt) mittels einer oder mehrerer Maßnahmen (A, B, C) aus einer Gruppe umfassend Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters (T_abgas, A), Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters (02_preFilter, B) und Ändern eines Abgasmassenstroms (q_abgas, C).
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend: - Ermitteln einer aktuellen Partikelbeladung des Partikelfilters (PB_akt) und - Abschätzen einer zukünftigen Temperatur des Partikelfilters (Tf) anhand der ermittelten aktuellen Partikelbeladung des Partikelfilters (PB_akt) und der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate (v_akt), wobei anstelle des Vergleichs der ermittelten aktuellen Verbrennungsrate (v_akt) mit dem Maximalwert für die Verbrennungsrate (v_max) die abgeschätzte zukünftige Temperatur des Partikelfilters (T_f) mit einem Maximalwert für die Temperatur des Partikelfilters (T_f,max) verglichen wird und die aktuelle Verbrennungsrate (v_akt) bei Übersteigen des Maximalwerts für die Temperatur des Partikelfilters (T_max) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - Ermitteln von aktuellen Betriebspunktparameterwerten (n_akt, p_m,akt) der Betriebspunktparameter Drehzahl (n) und Motorlast (p_m), - Ermitteln von aktuellen Regenerationsparameterwerten (T_akt, PB_akt) der Regenerationsparameter Temperatur des Partikelfilters (T) und Partikelbeladung des Partikelfilters (PB), - Auswählen der Maßnahmen (A, B, C) mittels eines Kennwertfelds (11), das einen Zusammenhang zwischen den Betriebspunktparametern, den Regenerationsparametern, den Maßnahmen (A, B, C) und der zukünftigen Temperatur des Partikelfilters (T_f) abbildet und - Verringern der aktuellen Verbrennungsrate (v_akt) mittels der ausgewählten Maßnahmen (A, B, C).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei als weitere Regenerationsparameter die Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters (T_abgas), der Abgasmassenstrom (q_abgas) und die Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters (02_preFilter) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Maßnahmen mittels des Kennwertfeldes (11) derart ausgewählt werden, dass sich die niedrigste zukünftige Temperatur des Partikelfilters (Tf) ergibt, bei der eine Regeneration des Partikelfilters (5) noch durchgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei aktuelle Parameterwerte eines oder mehrerer der Betriebspunkt- und/oder Regenerationsparameter wiederholt oder fortlaufend ermittelt werden und bei einer Änderung der Parameterwerte die Maßnahmen (A, B, C) erneut ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - Ermitteln einer tatsächlich verbrannten Partikelmenge (PMtat) anhand der zeitlichen Verläufe der Sauerstoffkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (02_preFilter, 02_postFilter), - Vorhersagen einer theoretisch verbrannten Partikelmenge (PM_theo) mittels des Kennwertfeldes (11), - Vergleichen der ermittelten tatsächlich verbrannten Partikelmenge (PMtat) mit der theoretisch verbrannten Partikelmenge (PM_theo) und - bei Abweichung der ermittelten tatsächlich verbrannten Partikelmenge (PMtat) von der theoretisch verbrannten Partikelmenge (PM_theo), Anpassen des Kennwertfeldes (11).
Steuereinheit (8) zur Überwachung der Regeneration eines von einem Abgas durchströmten Partikelfilters (5), aufweisend Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Kennwertfeld (11), das einen Zusammenhang zwischen den Betriebspunktparametern Drehzahl (n) und Motorlast (p_m), den Regenerationsparametern Temperatur des Partikelfilters (T) und Partikelbeladung des Partikelfilters (PB), den Maßnahmen (A, B, C) Verringern einer Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters (T_abgas, A), Verringern der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters (O2_preFilter, B) und Ändern eines Abgasmassenstroms (q_abgas, C) und einer zukünftigen Temperatur eines Partikelfilters (Tf) abbildet, gespeichert ist.
Computerlesbarer Datenträger nach Anspruch 11, wobei das Kennwertfeld (11) als weitere Regenerationsparameter eine Temperatur des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters (T_abgas), einen Abgasmassenstrom (q_abgas) und eine Sauerstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters (02_preFilter) berücksichtigt