-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren, die mit einem Filter
zur Entfernung von im Abgas enthaltenen Partikeln ausgestattet sind.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration
eines in einem Dieselmotor vorgesehenen Partikelfilters hinsichtlich
dort angesammelter gasförmiger
Kohlenwasserstoffe und Wasser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
-
Zur
Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen sind
Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung bekannt. Konventionelle Vorrichtungen
zur Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren weisen insbesondere Partikelfilter,
Oxidationskatalysatoren und Stickoxid(NOx)-Katalysatoren
auf. Ein Problem bei bekannten Partikelfiltern besteht darin, dass überwiegend
aus Kohlenstoff bestehende Partikel dazu neigen, die Filter zu verstopfen,
was zu einem verringerten Abgasfluss führt. Zur regelmäßigen Filterregeneration
bzw. -spülung
(purging) und zur Entfernung der Partikel aus diesen ist es bekannt, Maßnahmen
vorzusehen, welche zu einem Anstieg der Abgastemperatur über ein
vorherbestimmtes Niveau hinaus (z. B. bis oberhalb von 450°C) führen, so dass
die Kohlenstoffpartikel, die sich im Filter angesammelt haben, verbrannt
bzw. verascht werden.
-
Ein
bekanntes Verfahren zur Erhöhung
der Abgastemperatur besteht in einer entsprechenden Steuerung einer
im Ansaugrohr des Motors vorgesehen Drosselklappe. Insbesondere
ist bekannt, dass die Abgastemperatur durch Drosselung bzw.
-
Schließen der
Drosselklappe erhöht
werden kann. Für
eine derartige Steuerung der Drosselklappe sind mehrere Verfahren
bekannt. So wird beispielsweise die Drosselklappe im Ansaugrohr
dadurch gesteuert, dass die Differenz zwischen einem berechneten
Zieldruck im Ansaugrohr und einem aktuellen Druck im Ansaugrohr
ausgewertet wird. Der Zieldruck im Ansaugrohr wird unter Berücksichtigung der
Motordrehzahl und der Last des Motors berechnet. Üblicherweise
wird eine Regeneration des Partikelfilters durch Erhöhung der
Abgastemperatur bei geringen Motorlasten durchgeführt. Der
Regenerationsprozess erfolgt dabei planmäßig unter Einsatz einer Software
für die
Motorsteuerung auf der Basis einer geschätzten Partikelbeladung.
-
Wenn
ein Dieselmotor für
einen längeren Zeitraum
mit der Leerlaufdrehzahl oder mit geringer Last betrieben wird,
sammeln sich in dem Partikelfilter gasförmige bzw. flüchtige Kohlenwasserstoffe (gaseous
hydrocarbons) sowie Wasser an, und zwar in erster Linie deshalb,
weil die Abgastemperatur auf ein relativ niedriges Niveau fällt, das
nicht ausreicht, die. Ablagerungen zu verdampfen. Größere Mengen abgelagerter
gasförmiger
Kohlenwasserstoffe bzw. größere Wassermengen
haben die Bildung von blauem oder weißem Rauch bzw. Dampf im Abgas
dann zur Folge, wenn der Motor von der Leerlaufdrehzahl ausgehend
wieder auf höhere
Drehzahlen beschleunigt wird, was höhere Abgastemperaturen zur
Folge hat. Diese Dampf- bzw. Rauchbildung ist höchst unerwünscht.
-
Aus
der
US 5 207 990 A ist
eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine bekannt,
welche einen katalytischen Konverter und eine Kraftstoff-Einspritzdüse aufweist,
die stromaufwärts
einer Partikelfalle in der Abgasleitung angeordnet sind. Durch die
Einspritzung von Kraftstoff stromaufwärts des katalytischen Konverters
wird Oxidations wärme
zur Erhöhung
der Abgastemperatur erzeugt, wenn die Abgastemperatur unter einer
vorbestimmten Regenerationstemperatur liegt. Die Partikelfalle kann
je nach ihrem Zustand sowie je nach Abgastemperatur über einen
Bypasskanal umgangen werden.
-
Aus
der
US 5 711 149 A ist
eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Dieselmotors bekannt,
welche einen im Abgassystem angeordneten Partikelfilter, einen stromaufwärts des
Partikelfilters angeordneten Oxidationskatalysator und eine Dieselkraftstoffzufuhreinrichtung
zum Zuführen
von Dieselkraftstoff zu dem Oxidationskatalysator, wenn der Partikelfilter
regeneriert werden muss, aufweist. Dabei erfolgt die Bestimmung,
ob der Partikelfilter regeneriert werden muss, entsprechend einem
unterschiedlichen Abgasdruck zwischen dem Abschnitt stromaufwärts des
Partikelfilters und dem Abschnitt stromabwärts des Partikelfilters.
-
Aus
der
US 5 974 791 A ist
eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem in der Abgasleitung angeordneten
NO
x-Absorptionsmittel
bekannt, wobei zum Erhöhen
der Temperatur des NO
x-Absorptionsmittels
eine SO
x-Auslöseeinrichtung vorgesehen ist, um
SO
x aus dem NO
x-Absorptionsmittel
auszulösen, bevor
die Temperatur des NO
x-Absorptionsmittels eine
vorbestimmte Temperatur erreicht, bei der Sulfatpartikel in dem
NO
x-Absorptionsmittel bei einem Abgas mit
magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu wachsen
beginnen.
-
Aus
der
US 5 716 586 A ist
ein Auspuff-Gas-Reiniger für
einen Dieselmotor bekannt, welcher einen im Auspuff-Rohr befindlichen
Partikelfilter, eine Heizeinrichtung, eine Luftzuführungseinrichtung
zur Zufuhr von Luft zwischen Motor und Partikelfilter sowie eine
Steuerungseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung
während
einer Regenerationsperiode die Luftdurchflussrate verändert.
-
Die
vorstehend beschriebenen bekannten Steuerungsverfahren zielen jedoch
nicht darauf ab, das Problem unerwünschter Rauch- bzw. Dampfemissionen
nach längeren
Leerlaufphasen zu beseitigen.
-
Der
Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, mittels dessen die Bildung unerwünschter Rauch- bzw. Dampfemissionen
nach einem Betrieb des Motors im Leerlauf oder mit geringer Last
reduziert bzw. vermieden werden kann.
-
Die
Lösung
der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Verfahrens mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
beschrieben.
-
Zur
Durchführung
des Verfahrens wird vorzugsweise ein Zählerwert für diejenige Zeitdauer gespeichert,
während
derer die Abgastemperatur niedriger als eine vorherbestimmte Temperatur
ist, unterhalb derer sich gasförmige
Kohlenwasserstoffe und Wasser in dem Filter ansammeln. Hierzu wird
ein Zeitgeber (timer) zur Speicherung der Zeitzählung inkrementiert, solange
sich der Motor im Leerlauf befindet oder mit niedriger Last betrieben
wird. Der Zeitgeber wird dagegen dekrementiert, wenn die Abgastemperatur
auf einen Wert oberhalb eines zweiten Schwellwertes ansteigt, bei
dem eine Regeneration des Filters erfolgt. Wenn der Zeitzählungswert
einen vorherbestimmten Wert übersteigt,
der einen Filterzustand anzeigt, der deutlich vor einem Filterzustand liegt, bei
dem der Filter eine derartige Menge von Kohlenwasserstoffen und
Wasser angesammelt haben kann, dass dies Rauch- bzw. Dampfemissionen zur Folge haben
könnte,
wird ein Regenerationsvorgang eingeleitet, um die gasförmigen Kohlenwasserstoffe
zu oxidieren und das Wasser zu verdampfen, wodurch die Gefahr von
Rauch- bzw. Dampfemissionen aus dem Auspuff reduziert wird.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren
zur Reduktion der Rauch- bzw. Dampfemissionen in dem Abgas eines
mit einem Dieselpartikelfilter ausgestatteten Dieselmotors mit folgenden
Schritten bereitgestellt: Ermitteln der Temperatur des in den Dieselpartikelfilter
eintretenden Abgases, Starten einer Zeitzählung dann, wenn die ermittelte
Abgastemperatur unterhalb eines vorherbestimmten Temperaturwertes
liegt und der Motor mit einer Drehzahl betrieben wird, welche einer
Leerlaufdrehzahl entspricht bzw. der unter Niedriglast betrieben
wird, Regeneration des Filters durch Erhöhung der Temperatur des Abgases
sowie Ermitteln der Temperatur des Abgases, welches den Filter verlässt und
Rücksetzen
der Zeitzählung,
wenn die gemessene Temperatur des aus dem Filter austretenden Abgases
einen zweiten, vorherbestimmten Temperaturwert überschreitet, welcher größer als
der erste Temperaturwert ist.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren
zur Steuerung eines Dieselmotors bereitgestellt wird, mit dem Rauch- bzw.
Dampfemissionen im Abgas reduziert werden.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
ein Verfahren bereitgestellt wird, mittels dessen eine Ansammlung
von gasförmigen
Kohlenwasserstoffen und Wasser in einem Dieselabgaspartikelfilter
während
des Leerlaufs oder eines Betriebes unter Niedriglast reduziert wird.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Motors und ein schematisches Blockdiagramm
einer mit diesem in Verbindung stehenden Steuereinrichtung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung,
-
2 das
Blockdiagramm der Steuereinrichtung gemäß 1, und
-
3 ein
Flussdiagramm, welches die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt,
die unter Einsatz von Programmbefehlen einer Computersoftware ausgeführt werden
können.
-
1 zeigt
ein Fahrzeug 10 mit einer Brennkraftmaschine, nachfolgend
Motor 12 genannt, und einer Mikrocontrollersteuerung 14.
Der Motor 12 ist als Dieselmotor ausgebildet und weist
ein Ansaugrohr 16, eine Drosselklappe 18, einen
Stellantrieb 20 für
die Drosselklappe 18, eine Kraftstoffeinspritzdüse 21,
einen Auspuffkrümmer 22,
eine Filteranordnung 24, einen Turbolader 26,
ein EGR-Ventil (EGR = exhaust gas recirculation, Abgasrückführung) 28,
einen Luftmassenstromsensor 30, einen Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18,
einen Drucksensor 34, einen Drehzahlsensor 36, einen
Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38 sowie
Drucksensoren 40, 42 auf.
-
Verdichtete
Luft aus dem Turbolader 26 wird von dem Ansaugrohr 16 aufgenommen
und den mit 44 bezeichneten Zylindern des Motors 12 zugeleitet. Der
Aufbau des Ansaugrohrs 16 kann abhängig von der Anzahl der Zylinder 44 variieren.
Die Drosselklappe 18 ist innerhalb des Ansaugrohrs 16 angeordnet.
-
Die
Drosselklappe 18 dient einer selektiven Verringerung des
durch das Ansaugrohr 16 strömenden Luftmassenstroms, um
hierdurch den Betrieb des Motors 12 und insbesondere die
Abgastemperatur des Motors 12 zu steuern. Wenn die Drosselklappe 18 gedrosselt
bzw. geschlossen wird, d. h. beispielsweise von einer voll geöffneten
Stellung in eine teilweise geschlossene Stellung bewegt wird, steigt die
Abgastemperatur an. Durch die Steuerung der Stellung der Drosselklappe 18 kann
daher eine Erhöhung
der Abgastemperatur über
eine vorherbestimmte Temperatur hinaus (z. B. über 450°C) bewirkt werden, um die Filteranordnung 24 zu
regenerieren. Das Verfahren zur Steuerung der Drosselklappe 18 zur Erhöhung der
Abgastemperatur wird weiter unten näher erläutert. Die Drosselklappe 18 weist
einen herkömmlichen
Aufbau auf und kann u. a. als herkömmliches Ventil ausgebildet
sein, mittels dessen eine Reduktion des Luftstroms durch das Ansaugrohr 16 bewirkt
werden kann. Die Drosselklappe 18 kann beispielsweise als
Butterfly-Ventil o. ä.
ausgebildet sein.
-
Die
Drosselklappe 18 wird mittels eines Stellantriebs 20 in
eine bestimmte Stellung bewegt. Bei dem Stellantrieb 20 handelt
es sich um einen konventionellen Stellantrieb, der beispielsweise
als pneumatisch gesteuerter Stellantrieb, als Schrittmotor-Stellantrieb
od. dgl. ausgebildet sein kann. Der Stellantrieb 20 reagiert
auf durch die Mikrocontroller steuerung 14 erzeugte elektrische
Signale, um die Stellung der Drosselklappe 18 einzustellen.
Hierdurch wird wiederum der Luftstrom durch das Ansaugrohr 16 verändert.
-
Bei
der Kraftstoffeinspritzdüse 21 handelt
es sich um eine herkömmliche
Einspritzeinrichtung, mittels derer Kraftstoff in einen der Zylinder 44 eingeleitet
wird. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass jeder der Zylinder 44 eine
zugeordnete Kraftstoffeinspritzdüse 21 aufweist,
obwohl hier aus Gründen
einer vereinfachten Darstellung nur eine einzige Kraftstoffeinspritzdüse 21 dargestellt
ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 21 erhält Kraftstoff
von einer hier nicht dargestellten Kraftstoffpumpe und spritzt eine
erste vorherbestimmte Kraftstoffmenge in einen der Zylinder 44 während eines
Arbeitshubes des entsprechenden Zylinders 44 ein. Die Kraftstoffeinspritzdüse 21 kann
ferner dazu verwendet werden, eine zweite vorherbestimmte Menge
an Kraftstoff in einer späten
Phase des Arbeitshubes des entsprechenden Zylinders 44 in
einen der Zylinder 44 einzuspritzen (Nacheinspritzung von
Kraftstoff), um darüber
hinaus die Abgastemperatur, wie weiter unten genauer erläutert, zu
steuern. Über
die Mikrocontrollersteuerung 14 können insbesondere Steuersignale
erzeugt werden, die bewirken, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 21 die
erste bzw. die zweite vorherbestimmte Menge an Kraftstoff jeweils
in einen der Zylinder 44 einspritzt.
-
Abgas
aus den Zylindern 44 wird vom Auspuffkrümmer 22 durch den
Turbolader 26 zu der Filteranordnung 24 geleitet.
Der Aufbau des Auspuffkrümmers 22 kann
abhängig
von der Anzahl der Zylinder 44 im Motor 12 variieren.
Die Filteranordnung 24 dient einer Verringerung von Emissionen
und Partikeln im Abgas, bevor dieses aus dem Motor 12 in die
Umgebung abgegeben wird. Die Filteranordnung 24 kann dabei
beispiels weise einen Oxidationskatalysator 46 und einen
Partikelfilter 48 aufweisen.
-
Der
Oxidationskatalysator wirkt dahingehend, dass die Abgastemperatur
des Motors 12 erhöht
wird, bevor das Abgas in den Partikelfilter 14 eintritt.
Dabei führt
insbesondere eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen oder
mehrere Zylinder 44 zum Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen
aus den Zylindern 44 in den Oxidationskatalysator 46.
Die Oxidation der Kohlenwasserstoffe im Oxidationskatalysator 46 stellt
eine exotherme Reaktion dar, die zu einer zusätzlichen Erhöhung der
Abgastemperatur führt.
Folglich ist die Temperatur des den Oxidationskatalysator 46 verlassenden
Abgases wesentlich höher
(beispielsweise bis zu 200°C)
als das in die Filteranordnung 24 eintretende Abgas. Das
Abgas in dem Oxidationskatalysator 46 wird vorzugsweise
auf mindestens 450°C
erhitzt, bevor es in den Partikelfilter 48 geleitet wird,
was eine Regeneration des Partikelfilters 48 zur Folge
hat.
-
Der
Partikelfilter 48 dient zu einer Aufnahme von Partikeln
bzw. Feststoffen, wie beispielsweise Kohlenstoffpartikeln, aus dem
Abgas. Der Partikelfilter 48 kann einen herkömmlichen
Aufbau aufweisen und beispielsweise als Stahlwollefilter, als Monolithkeramikfilter
oder als spulenförmiger
Keramikfilter ausgebildet sein. Wie vorstehend dargelegt, muss der
Partikelfilter 48 in gewissen Intervallen regeneriert bzw.
gereinigt werden, da sich der Partikelfilter 48 sonst mit
Kohlenstoffpartikeln aus dem Abgas zusetzen kann. Der Partikelfilter 48 kann
durch Drosselung mittels der Drosselklappe 18 und/oder
Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder 44 regeneriert werden,
da auf diese Weise die Abgastemperatur über eine vorherbestimmte Veraschungstempera tur (beispielsweise
450°C) der
Kohlenstoffpartikel hinaus erhöht
werden kann.
-
Der
Turbolader 26 verdichtet die in den Motor 12 eingeleitete
Luft. Der Turbolader 26 kann beispielsweise einen mit dem
Ansaugrohr 16 verbundenen Kompressor 50 und eine
zwischen dem Auspuffkrümmer 22 und
der Filteranordnung 24 angeordnete Turbine 52 aufweisen.
-
Das
EGR-Ventil 28 dient zur Reduktion der NOx-Emissionen
des Motors 12. Das EGR-Ventil 28 ist von herkömmlicher
Bauart und ist zwischen dem Ansaugrohr 16 und dem Auspuffkrümmer 22 angeordnet.
-
Der
Luftmassenstromsensor 30 erzeugt ein Signal VA,
welches den Luftmassenstrom im Ansaugrohr 16 anzeigt. Mittels
der Mikrocontrollersteuerung 14 kann das Signal VA und der Messwert für den Luftmassenstrom (MAF
= mass airflow) aus dem Signal VA abgeleitet
werden. Der Luftmassenstromsensor 30 ist von herkömmlichem
Aufbau und vorzugsweise in einer Einlassöffnung 54 stromaufwärts im Ansaugrohr 16 angeordnet.
-
Der
Positionssensor 32 für
die Drosselklappe 18, der von konventioneller Bauart sein
kann, erzeugt ein die Stellung der Drosselklappe 18 anzeigendes
Signal VV. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt
das Signal VV auf und leitet die Messwertposition
(measured position) THRM der Drosselklappe 18 aus
dem Signal VV ab. Bei einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung kann die Messwertposition THRM der
Drosselklappe 18 einen Bereich von 0 bis 1 annehmen, wobei
der Wert 0 einer vollständig
geöffneten
Stellung (d. h. keine Drosselung), und der Wert 1 einer vollständig geschlossenen
Stellung der Drosselklappe 18 entspricht. Die Drosselklappe
kann aber auch alternative Stellungen einnehmen. So kann die Stellung
der Drosselklappe 18 beispielsweise einem Prozentsatz der
vollständig
geöffneten
oder vollständig
geschlossenen Stellung entsprechen oder durch die Angabe einer Drehwinkelstellung
charakterisiert werden. Der Drucksensor 34 erzeugt ein Signal
VP1, welches den Druck innerhalb des Ansaugrohrs 16 anzeigt.
Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal VP1 auf und leitet daraus den gemessenen Wert
des Drucks P im Ansaugrohr 16 ab. Der Drucksensor 34 ist
als konventioneller Drucksensor ausgebildet.
-
Der
Drehzahlsensor 36 erzeugt ein Signal VN,
welches die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors 12 anzeigt.
Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt ein Signal VN auf und leitet daraus den gemessenen Wert
für die
Motordrehzahl N ab. Der Drehzahlsensor 36 ist ebenfalls
von herkömmlicher
Bauart.
-
Ein
Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38 erzeugt
ein Signal VAF, welches das Luft/Kraftstoffverhältnis im
Motor 12 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt
das Signal VAF auf und leitet hieraus den
gemessenen Wert des Luft/Kraftstoffverhältnisses AF ab.
Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38 ist von
herkömmlicher
Bauart und zwischen einer Turbine 52 und der Filteranordnung 24 angeordnet.
-
Ein
Temperatursensor 39 erzeugt ein Signal VT,
welches der Temperatur an der Auslassöffnung der Filteranordnung 24 entspricht.
Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal VT auf und leitet hieraus den gemessenen Wert
der Abgastemperatur T des in die Filteranordnung 24 eintretenden
Abgases ab. Drucksensoren 40, 42 erzeugen jeweils
Signale VP2 und VP3,
welche jeweils dem Druck an der Einlass- und der Auslassöffnung der
Filteranordnung 24 ansprechen. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt
die Signale VP2 und VP3 auf
und leitet hieraus jeweils die gemessenen Werte für die Einlass-
und Auslass-Drücke
PI und PO ab. In
alternativer Ausgestaltung der Erfindung können die Drucksensoren 40, 42 auch
durch einen einzelnen differenziellen Drucksensor (hier nicht dargestellt)
ersetzt werden, der ein Signal erzeugt, welches den Druckabfall über der
Filteranordnung 24 anzeigt. Mittels der Mikrocontrollersteuerung 14 kann – basierend
auf der Differenz zwischen den Einlass- und Auslassdrücken PI, PO – bestimmt
werden, ob eine Regeneration des Partikelfilters 48 erforderlich
ist.
-
Die
Mikrocontrollersteuerung 14 steuert den Motor 12 und
insbesondere die Drosselklappe 18. Die Mikrocontrollersteuerung 14 kann
als herkömmlicher
Mikrocontroller ausgebildet sein. Diese ist elektrisch mit dem Stellantrieb 20 für die Drosselklappe 18,
die Kraftstoffeinspritzdüse 21,
dem Luftmassenstromsensor 30, dem Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18,
dem Drucksensor 34, dem Drehzahlsensor 36, dem
Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38,
dem Temperatursensor 39 und den Drucksensoren 40, 42 verbunden.
Die Mikrocontrollersteuerung 14 beinhaltet einen hier nicht
dargestellten Lesespeicher (ROM = read only memory), in welchem
ein Softwareprogramm zur Ausführung
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung abgespeichert ist.
-
In 2 ist
die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung in Form eines Blockdiagramms dargestellt.
Eine Sensoranordnung 56 mit einer Vielzahl von Sensoren
ist zur Erfassung von Informationen aus dem Motor 12 und
hinsichtlich der Abgase vorgesehen. Die Sensoren der Sensoranordnung 56 übertragen
diese Information an ein Überwachungsglied 58 für die Beladung
des Filters mit Dieselpartikeln, wobei das Überwachungsglied 58 einen
Teil der die Mikrocontrollersteuerung 14 bildenden Hardware oder
Software umfassen kann. Die Sensoranordnung 56 beinhaltet
die zuvor beschriebenen Senso ren 30, 32, 34, 36, 38, 39, 40 und 42.
Das Überwachungsglied 58 für die Beladung
des Filters mit Dieselpartikeln (DPF = diesel particulate filter)
nimmt die Beladung des Partikelfilters 48 mit Dieselpartikeln
auf und speichert diese. Dieses Beladungsniveau entspricht im Wesentlichen
der Darstellung einer Beladung mit Partikeln, die als Funktion eines
vorherbestimmten, maximalen Beladungsniveaus aufgezeichnet wird, welches
mit einem vorherbestimmten Niveau des Staudrucks korrespondiert,
der auf das durch die Filteranordnung 24 strömende Abgas
einwirkt. Das Überwachungsglied 58 für die Beladung
kann in alternativer Ausgestaltung der Erfindung einen adaptiven
Algorithmus zur Berechnung der im Partikelfilter 48 angehäuften Asche
beinhalten. Eine Erfassung der Menge an Asche im Partikelfilter 48 ist
vorteilhaft, weil es sich bei Asche um ein inertes Material handelt,
welches nicht an den während
des Regenerationsprozesses ablaufenden exothermen Reaktionen beteiligt
ist, obwohl die Asche zu einem Anstieg des Staudrucks im Abgas beiträgt.
-
Die
abgeschätzte
Beladung des Partikelfilters 48 mit Dieselpartikeln (DPF-Beladung)
wird sowohl an ein Diagnosemodul 60 als auch an ein dynamisches
Schwellwert-Modul 62 übermittelt,
welche beide vorzugsweise durch in der Mikrocontrollersteuerung 14 gespeicherte
Softwareroutinen implementiert sind. Das Diagnosemodul 60 erhält ebenfalls
Informationen von den Sensoren 56 und sendet eine Warnmeldung
(warning MIL, wobei MIL = malfunction indicator lamp = Störungsanzeigeleuchte)
aus, wenn die DPF-Beladung einen kritischen Schwellwert überschritten
hat. Ein Überschreiten
dieses kritischen Schwellwerts kann dazu führen, dass die Filteranordnung 24 bei
Einleitung eines Regenerationsvorgangs schmilzt. Die Warnmeldung
(MIL) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine entsprechende
Leuchte im Armaturenbrett des Fahrzeugs eingeschaltet wird. Das
Diagnosemodul 60 kann in ähn licher Weise die gleiche
Warnung aussenden, wenn die Filteranordnung 24 Anzeichen
eines erheblichen Defektes anzeigt, wie beispielsweise ein Verstopfen
oder beginnendes Schmelzen des Filters in einem Ausmaß, dass
eine effektive Filterung nicht weiter gewährleistet ist. Das Diagnosemodul 60 setzt schließlich auch
einen Software-Merker (software flag), der einen laufenden Regenerationsvorgang
beendet, falls die Temperatur des Partikelfilters 48 eine gewisse
kritische Temperaturgrenze überschreitet, oberhalb
derer die strukturelle Integrität
der Filteranordnung 24 gefährdet ist.
-
Das
dynamische Schwellwert-Modul 62 wertet sowohl die Beladung
des Dieselpartikelfilters mit Partikeln als auch die Temperatur
an der Einlassöffnung
der Filteranordnung 24 aus und nimmt eine Bestimmung vor,
wann der Regenerationsvorgang eingeleitet werden muss. Wenn eine
Entscheidung für die
Durchführung
der Regeneration getroffen wurde, wird ein Merker (flag) gesetzt,
welcher an ein Steuermodul 64 weitergeleitet wird. Das
Steuermodul 64 ist zur Aussendung einer Reihe von Signalen
ausgebildet, die solche Komponenten des Motors 12 steuern, welche
zur Erhöhung
der Abgastemperatur auf den Schwellwert benötigt werden, der zur Regeneration des
mit Partikeln beladenen Partikelfilters 48 durch Verbrennung
der angesammelten Partikel erforderlich ist. Das Steuermodul 64 reagiert
weiterhin auf einen durch das Diagnosemodul 60 ausgesendeten Halt-Merker
(hold flag), was zu einer Beendigung eines laufenden Regenerationsvorgangs
führt.
Wenn der Merker zur Regeneration durch das Schwellwert-Modul 62 gesetzt
wird, sendet das Steuermodul 64 Signale an die entsprechenden
Steuerelemente des Motors 12, um die Abgastemperatur auf
das zur Einleitung der Regeneration des Partikelfilters 48 erforderliche
Niveau zu erhöhen.
So wird beispielsweise zunächst
ein Signal zum Schließen
des EGR-Ventils und einer Turbine mit Verstelldüse VNT (wenn vorgesehen) ausgesendet,
oder es wird ein Turbinenbypass auf eine feststehende Position oder
alternativ auf eine geöffnete
Position eingestellt. Das Steuermodul 64 sendet dann ein
Signal zur Steuerung des Stellantriebs 20 aus, der die
Drosselklappe 18 bewegt, um die Ansaugluftmenge zu drosseln. Diese
Drosselung bewirkt einen einleitenden Anstieg der Abgastemperatur
auf ein Niveau, welches erforderlich ist, um das Erreichen der sogenannten
Anspringtemperatur im Oxidationskatalysator 46 sicherzustellen.
Danach wird eine Nacheinspritzung in die Zylinder 44 eingeleitet,
um einen weiteren Anstieg der Temperatur an der Einlassöffnung der
Filteranordnung 24 zu erzielen. Für den Fall, dass ein Halt-Merker durch das
Diagnosemodul 60 ausgesendet wird, öffnet das Steuermodul 64 das
EGR-Ventil 28, welches daraufhin den Sauerstoffstrom in
die Filteranordnung 24 reduziert. Wenn die Ansaugluft des Motors
ernsthaft zurückgedrosselt
wird (beispielsweise um mehr als 500 mbar), ist die Effizienz des
Motors verringert, und es wird daher notwendig, den entstehenden
Drehmomentmangel auszugleichen. Die Mikrocontrollersteuerung 14 beinhaltet
daher ein Ausgleichsmodul 66 für das Drehmoment, welches eine
Software umfasst, die eine Erhöhung
der Menge des an den Motor 12 gelieferten Kraftstoffs veranlaßt. Diese
Software verwertet dabei Informationen von den Sensoren 56,
wie beispielsweise Informationen bezüglich des Ladedrucks, der Motordrehzahl
und des Kraftstoff-Grundbedarfs. Die Ausgangswerte der Sensoren 56 und
Module 58, 60 und 62 werden typischerweise
mit einer relativ niedrigen Wiederholfrequenz, beispielsweise einmal
pro Sekunde, abgetastet. Die Daten der Module 64 und 66 werden
dagegen mit einer relativ hohen Wiederholfrequenz, beispielsweise
16 ms, abgetastet.
-
Wenn
der Motor 12 für
längere
Zeit in einem relativ niedrigen Lastbereich betrieben wird, so z.
B. im Leerlaufbetrieb, sinkt die Abgastemperatur bis auf ein Niveau,
bei dem keine Oxidation gasförmiger Kohlenwasserstoffe
und keine Verdampfung von Wasser mehr erfolgen kann – z. B.
auf ein Niveau unterhalb von etwa 150°C – was zur Folge hat, dass sich
die gasförmigen
Kohlenwasserstoffe und das Wasser in der Filteranordnung 24 ansammeln.
Die in diesem Zusammenhang verwendete Bezeichnung ”Niedriglast” bedeutet,
dass der Motor derart betrieben wird, dass die Abgastemperatur unter
etwa 150°C
liegt. Es handelt sich dabei um Leerlaufbetriebszustände und
auch um geringfügig
darüber
liegende Betriebszustände;
dies ist im Einzelnen von einer Vielzahl von Betriebsparametern
abhängig.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das in 1 und 2 dargestellte
Steuersystem zur Überwachung
eingesetzt, wann der Abgastemperaturwert unter denjenigen Schwellwert
abfällt,
bei dem eine Ansammlung der gasförmigen
Kohlenwasserstoffe und von Wasser beginnen kann, sowie weiterhin
zum Aufzeichnen der Zeitdauer, während
derer der überwachte
Temperaturwert unterhalb des Schwellwertes bleibt, sowie weiterhin
zur Einleitung von Schritten zur Erhöhung der Abgastemperatur über den Schwellwert.
Auf diese Weise wird die Abgastemperatur nach Bedarf periodisch
angehoben, um sicherzustellen, dass sich keine übermäßige Menge von Kohlenwasserstoffen
und Wasser in der Filteranordnung 24 ansammelt, wenn der
Motor 12 im Leerlauf- oder Niedriglastbetrieb arbeitet.
Die Erhöhung
der Abgastemperatur kann durch vielfältige Methoden erfolgen, einschließlich der
vorstehend erläuterten,
insbesondere durch Einlassdrosselung und/oder Nacheinspritzung.
-
In 3 ist
ein Flussdiagramm dargestellt, in dem die grundlegenden Verfahrensschritte
gemäß der Erfindung
dargestellt sind, die bevorzugt durch Softwarebefehle implemen tiert
werden, die in der Mikrocontrollersteuerung 14 gespeichert
sind. Ein Teil dieser Software kann auch Softwareroutinen für die in 2 dargestellten
Module bilden.
-
Das
Verfahren beginnt mit Block 68, in dem das System initialisiert
wird. Ein Zeitgeber oder Timer, der sowohl Hardware als auch Software
umfassen kann, wird gemäß Block 70 auf
Null gesetzt. Wie bereits vorstehend erläutert, erfasst die Mikrocontrollersteuerung 14 kontinuierlich
die Temperatur des Abgases sowohl oberhalb als auch unterhalb der
Filteranordnung 24. In Schritt 72 erfolgt eine
Entscheidung, ob die Abgastemperatur oberhalb der Filteranordnung 24 höher als
ein vorherbestimmter Wert ist – beispielsweise
150°C –, der einem
Betriebszustand entspricht, bei dem sich der Motor im Leerlaufbetrieb oder
geringfügig
oberhalb des Leerlaufbetriebes (d. h. Niedriglast) befindet, und
sich gasförmige
Kohlenwasserstoffe und Wasser in dem Filter 48 ansammeln
können.
Wenn die ermittelte Abgastemperatur oberhalb des Filters den ersten
Schwellwert übersteigt,
so wird in Schritt 74 der Zeitgeber dekrementiert. Wenn
der Zeitgeber jedoch auf einen negativen Wert dekrementiert wird,
so wird er auf den Wert Null zurückgesetzt.
-
Wenn
andererseits die Abgastemperatur oberhalb des Filters niedriger
als der erste Temperaturschwellwert ist, so wird in Schritt 76 der
Zeitgeber inkrementiert, wonach in Schritt 78 eine Abfrage
erfolgt, ob die Temperatur des aus der Filteranordnung 24 austretenden
Abgases größer ist
als ein zweiter Schwellwert, der höher liegt als der erste Schwellwert,
beispielsweise bei 180°C.
Wenn die ermittelte Abgastemperatur unterhalb der Filteranordnung niedriger
liegt als der zweite Schwellwert, dann wird in einem Schritt 80 das
Steuermodul 64 (2) dazu veranlasst, Maßnahmen
zur Erhöhung
der Abgastemperatur einzuleiten, bis die ermittelte Temperatur des
aus der Filteranordnung 24 austretenden Abgases höher ist
als der zweite Schwellwert. Der in Block 80 angedeutete
Schritt der Temperaturerhöhung
des Abgases erfolgt nur dann, wenn der Zeitgeberwert einen Schwellwert überschreitet,
der einem Motorzustand entspricht, bei dem der Motor für eine vorherbestimmte
Zeitdauer im Leerlauf oder unter Niedriglast derart betrieben wurde,
dass sich Kohlenwasserstoffe bzw. Wasser in der Filteranordnung 24 hätten ansammeln
können.
-
Wenn
die ermittelte Temperatur des aus der Filteranordnung 24 austretenden
Abgases den zweiten, höheren
Schwellwert übersteigt,
wodurch angezeigt wird, dass der Filter hinsichtlich Wasser und gasförmigen Kohlenwasserstoffen
gespült
bzw. regeneriert wurde, wird der Zeitgeber in Schritt 82 auf
den Wert Null zurückgesetzt,
und der Ablauf wird mit einer Wiederholung der Schritte 72 bis 82 fortgesetzt.
-
Aus
vorstehenden Darlegungen ist ersichtlich, dass Rauch- oder Dampfemissionen
aus Dieselabgasen, die auf längeren
Leerlaufbetriebsphasen beruhen, wesentlich dadurch reduziert werden
können,
dass ermittelt wird, ob der Motor im Leerlauf oder mit Niedriglast
betrieben wird, und dass festgestellt wird, ob der Motor für eine vorherbestimmte Zeitdauer
im Leerlauf oder unter Niedriglast betrieben wurde, und dass die
Temperatur des in den Partikelfilter eintretenden Abgases in ausreichendem Maße derart
erhöht
wird, dass der Filter regeneriert wird, bevor der Motor einer derartigen
Lastanforderung ausgesetzt wird, bei der sonst auf den gasförmigen Kohlenwasserstoffen
oder dem Wasser in der Filteranordnung beruhender Rauch oder Dampf
entstehen würde.
Die gespeicherte Zeitzählung
wird bevorzugt mit einem vorherbestimmten Wert verglichen, der einem
Betriebszustand ent spricht, bei dem eine vorherbestimmte Menge gasförmiger Kohlenwasserstoffe
sowie von Wasser sich in dem Filter angesammelt hätte. Diese
Ansammlung hängt üblicherweise
von der Zeitdauer ab, während
derer der Motor im Leerlauf oder unter Niedriglast betrieben wurde. Das
Verfahren umfasst ferner eine Dekrementierung des Zeitgebers, wenn
die Temperatur des Abgases oberhalb der Filteranordnung einen vorherbestimmten
Wert übersteigt,
der Motordrehzahlen oberhalb der Leerlaufdrehzahl oder bei Niedriglastbetrieb
entspricht. Auf diese Weise wird über den Zeitgeber eine laufende
Zustandsermittlung hinsichtlich einer geschätzten Menge an in der Filteranordnung
angesammelten gasförmigen
Kohlenwasserstoffen und/oder Wasser realisiert.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das beschriebene
Verfahren besonders effektiv und ökonomisch arbeitet.
-
- 10
- Fahrzeug
- 12
- Motor
- 14
- Mikrocontrollersteuerung
- 16
- Ansaugrohr
- 18
- Drosselklappe
- 20
- Stellantrieb
- 21
- Kraftstoffeinspritzdüse
- 22
- Auspuffkrümmer
- 24
- Filteranordnung
- 26
- Turbolader
- 28
- EGR-Ventil
- 30
- Luftmassenstromsensor
- 32
- Positionssensor
- 34
- Drucksensor
- 36
- Drehzahlsensor
- 38
- Luft/Kraftstoffverhältnissensor
- 39
- Temperatursensor
- 40
- Drucksensor
- 42
- Drucksensor
- 44
- Zylinder
- 46
- Oxidationskatalysator
- 48
- Partikelfilter
- 50
- Kompressor
- 52
- Turbine
- 54
- Einlassöffnung
- 56
- Sensoren
- 58
- Überwachungsglied
- 60
- Diagnosemodul
- 62
- Schwellwertmodul
- 64
- Steuermodul
- 66
- Ausgleichsmodul
- 68–82
- Verfahrensschritte