DE10033160A1 - Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeug - Google Patents
Brennkraftmaschine, insbesondere für KraftfahrzeugInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Abgasstrang, in dem ein regenerierbares Partikelfilter angeordnet ist, und mit Überwachungsmitteln, die den Beladungszustand des Partikelfilters überwachen. DOLLAR A Um die Regeneration des Partikelfilters zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß die Überwachungsmittel einen Strömungswiderstand-Signalwert generieren, der mit dem aktuellen Strömungswiderstand des Partikelfilters korreliert, und aus diesem Strömungswiderstand-Signalwert den aktuellen Beladungszustand des Partikelfilters bestimmen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Aus der EP 0 115 722 B1 ist eine derartige Brennkraftmaschine
bekannt, die einen Abgasstrang aufweist, in dem ein
regenerierbares Partikelfilter angeordnet ist. Die
Brennkraftmaschine weist außerdem Überwachungsmittel auf, die
den Beladungszustand des Partikelfilters überwachen. Die
Überwachungsmittel bestehen im wesentlichen aus einem
Meßfühler, der den Druckverlust über dem Partikelfilter mißt.
Des weiteren sind Mittel zum Vergleichen des gemessenen
Druckverlustes mit einem Schwellwert vorgesehen, wobei dann
ein Regenerationsvorgang gestartet wird, wenn dieser
Schwellwert erreicht ist. Der Beladungszustand des
Partikelfilters verhält sich jedoch nur bei einem konstanten
Betriebszustand der Brennkraftmaschine proportional zum
Druckverlust, der in der Abgasströmung bei der Durchströmung
des Partikelfilters auftritt. Zur Optimierung der Regeneration
des Partikelfilters wird bei der bekannten Vorrichtung der
jeweilige Betriebszustand der Brennkraftmaschine
berücksichtigt. Hierzu sind Schwellwertveränderungsmittel
vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Drehzahl und der
Belastung der Brennkraftmaschine den Schwellwert für den
Druckverlust verändern.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine
Ausführungsform anzugeben, die eine andere Möglichkeit zur
Optimierung der Regeneration des Partikelfilters angibt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur
Überwachung des Beladungszustandes des Partikelfilters den
Strömungswiderstand des Partikelfilters heranzuziehen. Die
Erfindung baut dabei auf der Erkenntnis auf, daß sich der
Strömungswiderstand des Partikelfilters etwa proportional zum
Beladungszustand des Partikelfilters verhält. Dabei ist der
Strömungswiderstand des Partikelfilters völlig unabhängig vom
Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Bei der Erfindung wird
somit ein mit dem Beladungszustand korrelierter Signalwert
generiert, auf den der jeweilige Betriebszustand der
Brennkraftmaschine keinen Einfluß hat. Da somit der
tätsächliche Beladungszustand des Partikelfilters genauer
vorliegt, kann die Regeneration des Partikelfilters verbessert
werden. Darüber hinaus ist es bei der Erfindung grundsätzlich
auch möglich, den aktuellen Beladungszustand auch während
einer Regeneration des Partikelfilters zu überwachen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform können die
Überwachungsmittel einen Abgasmassenstrom-Signalwert
generieren, der mit dem aktuellen, das Partikelfilter
durchströmenden Abgasmassenstrom korreliert, und mit diesem
Abgasmassenstrom-Signalwert den Strömungswiderstand-Signalwert
bestimmen. Bei dieser Ausführungsform wird zur Berechnung des
Strömungswiderstandes der Abgasmassenstrom herangezogen, wobei
dieser Abgasmassenstrom seinerseits gemessen oder berechnet
werden kann. Vorzugsweise berechnen die Überwachungsmittel den
Abgasmassenstrom aus dem aktuellen Luftmassenstrom und dem
aktuellen Kraftstoffmassenstrom. Hierbei greifen die
Überwachungsmittel auf Werte zu, die bei modernen
Brennkraftmaschinen in der Motorsteuerung ohnehin zur
Verfügung stehen oder ohne weiteres aus den in der
Motorsteuerung vorhandenen Daten bestimmt werden können.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform können die
Überwachungsmittel den Strömungswiderstand-Signalwert in
Analogie zu folgender Näherungsgleichung ermitteln:
wobei
ζF ≅ Strömungswiderstand des Partikelfilters,
pvF ≅ Abgasdruck vor dem Partikelfilter,
pnF ≅ Abgasdruck nach dem Partikelfilter,
Abgas ≅ Abgasmassenstrom,
TvF ≅ Abgastemperatur vor dem Partikelfilter.
ζF ≅ Strömungswiderstand des Partikelfilters,
pvF ≅ Abgasdruck vor dem Partikelfilter,
pnF ≅ Abgasdruck nach dem Partikelfilter,
Abgas ≅ Abgasmassenstrom,
TvF ≅ Abgastemperatur vor dem Partikelfilter.
Es ist klar, daß zur Erhöhung der Genauigkeit dieser
Näherungsgleichung zusätzlich konstante Faktoren,
multiplikative Korrekturen und additive Korrekturen
berücksichtigt werden können, um beispielsweise
Alterungseffekte, nicht regenerative Rückstände sowie
Nichtlinearitäten zu berücksichtigen. Außerdem kann
beispielsweise der Exponent des Abgasmassenstromes Abgas mit
einem Korrekturfaktor verändert sein.
Der Abgasmassenstrom Abgas wird beispielsweise aus dem
angesaugten Luftmassenstrom, aus dem rückgeführten Abgasstrom,
aus der regulär eingespritzten Kraftstoffmenge sowie aus der
gegebenenfalls zusätzlich eingespritzten Nacheinspritzmenge
berechnet.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine kann eine Steuerung vorgesehen sein, die
bei Erreichen eines oberen Grenzwertes der Filterbeladung eine-
Regeneration des Partikelfilters startet. Zweckmäßig wird
diese Steuerung außerdem so ausgebildet, daß sie bei Erreichen
eines unteren Grenzwertes der Filterbeladung die Regeneration
des Partikelfilters beendet. Die genannten Grenzwerte können
bei der Erfindung unabhängig vom Betriebszustand der
Brennkraftmaschine definiert werden. Eine derartige
Ausführungsform ist außerdem nur dadurch möglich, daß bei der
Erfindung die Filterbeladung auch während des
Regenerationsbetriebes überwacht werden kann. Durch diese
Maßnahme werden reproduzierbare Regenerationsvorgänge
durchgeführt, wodurch sich deren Qualität und Effektivität
verbessert.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor
ausgebildet. Der Partikelfilter ist zweckmäßig als Rußfilter
ausgebildet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der
zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die
nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den
Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine schematisierte Prinzipskizze
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Entsprechend Fig. 1 besitzt eine erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine 1, die vorzugsweise als Dieselmotor
ausgebildet ist, einen Ansaugstrang 2 mit einer
Frischluftzuführungsleitung 3 einen Frischluftsammler 4 und
mehreren Saugrohren 5. Die Brennkraftmaschine 1 ist außerdem
mit einer Einspritzeinrichtung 6 ausgestattet, die
beispielsweise über eine Kraftstoffhochdruckleitung 7
(sogenannte "Common-Rail") mehrere Einspritzventile 8 mit
Kraftstoff versorgt. Des weiteren ist die Brennkraftmaschine 1
mit einem Abgasstrang 9 ausgestattet, in den das von der
Brennkraftmaschine 1 erzeugte Abgas über Abgasrohre 10 in
einen Abgassammler 11 eintritt und von dort zunächst einen
ersten Abgaskatalysator 12, dann ein Partikelfilter 13, danach
einen zweiten Katalysator 14 sowie einen Schalldämpfer 15
durchströmt, bevor das Abgas durch einen Auspuff 16 in die
Umgebung austritt. Die Anordnung der Katalysatoren 12 und 14
sowie des Partikelfilters 13 ist hier rein exemplarisch
gewählt, so daß der Abgasstrang 9 grundsätzlich auch einen
anderen Aufbau aufweisen kann. Das Partikelfilter 13 ist
regenerierbar ausgestaltet und vorzugsweise als Rußfilter
ausgebildet.
An den Abgassammler 11 kann außerdem ein
Abgasrückführungsventil 17 angeschlossen sein, das über eine
Abgasrückführungsleitung 18 gezielt Abgas in den Ansaugstrang
2 einspeisen kann.
In der Frischluftzuführungsleitung 3 ist ein Luftmassensensor
19 angeordnet, det die angesaugte Frischluftmenge sensiert und
über eine entsprechende Signalleitung 20 an Überwachungsmittel
21 weitergeleitet wird. Im Abgasstrang 9 ist stromauf des
Partikelfilters 13 ein Temperatursensor 22 angeordnet, der die
Abgastemperatur ermittelt und diese über eine entsprechende
Signalleitung 23 an die Überwachungsmittel 21 weiterleitet.
Stromauf und stromab des Partikelfilters 13 sind außerdem ein
erster Drucksensor 24 und ein zweiter Drucksensor 25
angeordnet, die den Abgasdruck stromauf bzw. stromab des
Partikelfilters 13 ermitteln und diesen bzw. damit korrelierte
Signalwerte über entsprechende Signalleitungen 26 und 27 an
die Überwachungsmittel 21 weiterleiten. Anstelle von zwei
stromauf und stromab des Partikelfilters 13 angeordneten
Drucksensoren 24 und 25 kann auch ein Differenzdrucksensor
vorgesehen sein, wobei dann der Absolutdruck mit Hilfe des
Umgebungsdruckes berechnet werden kann, der z. B. im
Motorsteuergerät zur Verfügung steht.
Außerdem erhalten die Überwachungsmittel 21 beispielsweise von
der Einspritzeinrichtung 6 Signalwerte, die mit der aktuellen
eingespritzten Kraftstoffmenge korrelieren. Eine entsprechende
Signalleitung ist mit 28 bezeichnet. Des weiteren können die
Überwachungsmittel 21 über eine entsprechende Signalleitung 29
über die aktuelle Abgasrückführrate informiert sein.
Die Überwachungsmittel 21 weisen eine Steuerung 30 auf, in der
die eingehenden Signale verarbeitet werden. Diese Steuerung 30
kann außerdem eine Regeneration des Partikelfilters 13
veranlassen, wozu die Steuerung 30 beispielsweise auf die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 einwirkt. Eine entsprechende
Steuerleitung ist mit 31 bezeichnet. Es ist klar, daß die
Steuerung 30 bzw. die Überwachungsmittel 21 mit einer hier
nicht dargestellten Motorsteuerung zusammenwirken oder in
diese zumindest teilweise hardwaremäßig integriert oder in
diese zumindest teilweise softwaremäßig implementiert sind.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 arbeitet wie folgt:
Während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine 1
enthalten die im Betrieb erzeugten Abgase der
Brennkraftmaschine 1 Partikel, insbesondere Rußpartikel, die
im Partikelfilter 13 ausgefiltert werden. Dabei reichern sich
die Partikel im Partikelfilter 13 an. Durch die zunehmende
Ablagerung bzw. Anreicherung der Partikel im Partikelfilter 13
wird dieses mehr oder weniger verstopft, d. h. der
Strömungswiderstand des Partikelfilters 13 nimmt zu. Die
Überwachungsmittel 21 können aus der mit Hilfe des
Luftmassensensors 19 ermittelten Luftmasse sowie aus der von
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 mitgeteilten
Kraftstoffmenge einen Abgasvolumenstrom ermitteln. Es ist
klar, daß die Überwachungsmittel 21 bei einer anderen
Ausführungsform auch andere geeignete Maßnahmen zur Ermittlung
des Abgasmassenstroms Abgas durchführen können.
Des weiteren generieren die Überwachungsmittel 21 aus dem
Abgasmassenstrom Abgas, aus der Temperatur TvF der Abgase vor
dem Partikelfilter 13, aus dem Druck pvF vor dem Partikelfilter
13 sowie aus dem Druck pnF nach dem Partikelfilter 13 unter
Zuhilfenahme einer entsprechenden Näherungsgleichung einen
Signalwert, der mit einem Strömungswiderstand ζF des
Partikelfilters 13 korreliert. Dieser Strömungswiderstand ζF
verhält sich proportional zum Füllungsgrad des Partikelfilters
13. Die Überwachungsmittel 21 können somit anhand des
generierten Strömungswiderstandes ζF den Befüllungsgrad oder
Befüllungszustand des Partikelfilters 13 überwachen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist von besonderer Bedeutung,
daß der Strömungswiderstand ζF des Partikelfiltes 13
unabhängig ist vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1.
Dementsprechend ist der damit ermittelte Befüllungsgrad des
Partikelfilters 13 ebenso unabhängig vom aktuellen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 sowie unabhängig von
der jeweiligen Verbrennungseinstellung der Brennkraftmaschine
1.
In der Steuerung 13 ist beispielsweise ein oberer Grenzwert
für einen Befüllungsgrad bzw. für einen Strömungswiderstand ζF
gespeichert. Sobald die Überwachungsmittel 21 das Erreichen
dieses oberen Grenzwertes feststellen, wird eine Regeneration
des Partikelfilters 13 durchgeführt. Zu diesem Zweck kann die
Steuerung 30 beispielsweise so auf die Einspritzeinrichtung 6
einwirken, daß diese der Brennkraftmaschine 1 mehr Kraftstoff
zuführt, insbesondere durch entsprechende
Nacheinspritzvorgänge, als die Brennktaftmaschine für ihren
Betriebspunkt benötigt. Dadurch kann eine Temperaturerhöhung
der Abgase und somit des Abgasstrang 9 und seiner Komponenten
erzielt werden. Sobald im Partikelfilter 13 eine bestimmte
Temperatur erreicht ist, z. B. 550°C, kann die Regeneration
des Partikelfilters 13 ablaufen. Bei der hier gezeigten
Ausführungsform wird somit die Regeneration des
Partikelfilters 13 durch einen vom Normalbetrieb abweichenden
Regenerationsbetrieb der Brennkraftmaschine 1 erreicht. Zum
Beenden der Regeneration des Partikelfilters 13 wird die
Brennkraftmaschine 1 wieder in ihren Normalbetrieb
umgeschaltet. Hier zeigt sich ein weiterer wesentlicher
Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Denn der
Strömungswiderstand ζF, der mit dem Beladungszustand des
Partikelfilters 13 korreliert, kann auch während der
Regeneration des Partikelfilters 13 überwacht werden.
Dementsprechend kann in der Steuerung 30 ein unterer Grenzwert
für den Beladungszustand bzw. für den Strömungswiderstand ζF
gespeichert sein, so daß die Steuerung 30 bei Erreichen des
unteren Grenzwertes die Regeneration des Partikelfilters 13
beenden kann. Dementsprechend wird die Brennkraftmaschine 1
nur solange in ihrem Regenerationsbetrieb betrieben, wie dies
für eine vollständige Regenetation des Partikelfilters 13
erforderlich ist. Der Regenerationsvorgang wird dadurch
optimiert.
Claims (10)
1. Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit
inem Abgasstrang (9), in dem ein regenerierbares
Partikelfilter (13) angeordnet ist, und mit
Überwachungsmitteln (21), die den Beladungszustand des
Partikelfilters (13) überwachen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überwachungsmittel (21) einen Strömungswiderstand-
Signalwert generieren, der mit dem aktuellen
Strömungswiderstand ζF des Partikelfilters (13) korreliert, und
aus diesem Strömungswiderstand-Signalwert den aktuellen
Beladungszustand des Partikelfilters (13) bestimmen.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überwachungsmittel (21) einen Abgasmassenstrom-
Signalwert generieren, der mit dem aktuellen, das
Partikelfilter (13) durchströmenden Abgasmassenstrom (Abgas)
korreliert, und mit diesem Abgasmassenstrom-Signalwert den
Strömungswiderstand-Signalwert bestimmen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überwachungsmittel (21) den Abgasmassenstrom (Abgas)
dem aktuellen Luftmassenstrom und dem aktuellen
Kraftstoffmassenstrom berechnen.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überwachungsmittel (21) den Strömungswiderstand-
Signalwert in Analogie zu folgender Näherungsgleichung
ermitteln:
wobei
ζF ≅ Strömungswiderstand des Partikelfilters,
pvF ≅ Abgasdruck vor dem Partikelfilter,
pnF ≅ Abgasdruck nach dem Partikelfilter,
Abgas ≅ Abgasmassenstrom,
TvF ≅ Abgastemperatur vor dem Partikelfilter.
wobei
ζF ≅ Strömungswiderstand des Partikelfilters,
pvF ≅ Abgasdruck vor dem Partikelfilter,
pnF ≅ Abgasdruck nach dem Partikelfilter,
Abgas ≅ Abgasmassenstrom,
TvF ≅ Abgastemperatur vor dem Partikelfilter.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuerung (30) vorgesehen ist, die bei Erreichen
eines oberen Grenzwertes der Filterbeladung eine Regeneration
des Partikelfilters (13) startet.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung (30) bei Erreichen eines unteren Grenzwertes
der Filterbeladung die Regeneration des Partikelfilters (13)
beendet.
7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung (30) für eine Regeneration des
Partikelfilters (13) die Brennkraftmaschine (1) zur
Durchführung eines Regenerationsbetriebs betätigt.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (1) als Dieselmotor ausgebildet
ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (1) als Ottomotor ausgebildet ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Partikelfilter (13) als Rußfilter ausgebildet ist.
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