DE102004017522A1

DE102004017522A1 - Computeralgorithmus zum Schätzen der Regenerationsgeschwindigkeiten von Partikelfiltern

Info

Publication number: DE102004017522A1
Application number: DE102004017522A
Authority: DE
Inventors: Michiel J. van Ann Arbor Nieuwstadt; Dominic Lincoln Park Trudell
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: US20040204818A1; US7031827B2; GB2402353A; JP2005002991A; JP4585787B2; GB0408130D0; DE102004017522B4

Abstract

Es wird ein System und ein Verfahren zum Ermitteln der Verschlechterung eines Dieselpartikelfilters in einer Motorabgasanlage beschrieben. Das Verfahren arbeitet mit Informationen über eine Regenerationsgeschwindigkeit, wie zum Beispiel die Regenerationsdauer. Daraus kann festgestellt werden, wann sich die Funktion des Partikelfilters verschlechtert hat.

Description

Dieselmotoren können mit Dieselpartikelfiltern (DPFs) ausgestattet werden, um den Standards für Schwer- und Leichtfahrzeuge gerecht zu werden. DPFs sind Filter, die Partikel (auch als Ruß bezeichnet) abfangen und zu einem erhöhten Gegendruck führen, wenn die Partikel gespeichert werden. In regelmäßigen Abständen, z.B. nach mehreren hundert gefahrenen Kilometern, wird der DPF regeneriert, indem die Abgastemperatur so weit angehoben wird, dass der Ruß mit Sauerstoff reagiert, um CO₂ und Wasser zu bilden. Der Ruß wird abgebrannt, und der DPF wird daher gereinigt, so dass er wieder Partikel speichern kann. Die Abgasemissionen werden infolgedessen gesenkt.

Es stehen Verfahren zum Überwachen, ob sich eine DPF verschlechtert hat, zur Verfügung. Ein Verfahren ist beschrieben in US 2002/0196153.

Die hierin auftretenden Erfinder haben mehrere Nachteile bei einer solchen Methode erkannt. Vor allem wird bei einem solchen Verfahren nicht berücksichtigt, ob die freigesetzten Partikel tatsächlich verbrannt wurden, oder ob sie freigesetzt wurden, ohne umgesetzt zu werden. Mit anderen Worten, die katalytischen Materialien in dem DPF können schlecht werden, so dass es nicht genügend Wirksamkeit gibt. Alternativ kann es während der Regenerierung eine mangelhafte Temperaturverteilung auf dem DPF geben, was zu einer ungleichmäßigen Reinigung von gespeicherten Partikeln führt.

Die obigen Nachteile werden überwunden durch ein System, das Folgendes umfasst:
ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Überwachen eines Partikelfilters in einem Dieselmotorauslass, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst:
einen Code zum Ermitteln eines Parameters für eine Regenerationsgeschwindigkeit des Partikelfilters; und
einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Partikelfilters anhand dieses Parameters.

Wenn man die Regenerationsgeschwindigkeit des DPF in Betracht zieht, d.h. die Geschwindigkeit der Rußreduzierung während der Regenerierung des DPF bzw. die Zeit, die es dauert, um von einem bestimmten Restriktionsniveau zu einem anderen, tieferen Restriktionsniveau zu gelangen, etc., ist es möglich, eine genauere Ermittlung der DPF-Wirksamkeit zu erhalten. Die Anzeige einer ungewöhnlich langsamen Regenerationsgeschwindigkeit deutet zum Beispiel auf mangelnde Wirksamkeit des katalytischen Materials auf dem Filter oder auf eine mangelhafte Temperaturverteilung hin. Die mangelnde katalytische Wirksamkeit kann auch durch einen Herstellungsfehler des Katalysatorlieferanten verursacht sein, oder durch das Zusammenbacken des katalytischen Materials infolge einer thermischen Alterung. Eine zu schnelle Regenerationsgeschwindigkeit kann als Vorstufe einer Verschlechterung des DPF ausgelegt werden.

Ferner liefern Veränderungen in der Regenerationsgeschwindigkeit nützliche Informationen für Wartungsmaßnahmen. Wenn die Regeneration langsamer stattfindet als erwartet, kann das bedeuten, dass der DPF oder ein Teil der zum Regenerieren des DPF verwendeten Injektionsvorrichtung ausgewechselt werden muss, selbst wenn er noch nicht ausgefallen ist.

Die hierin beschriebenen Vorteile werden besser verständlich, wenn man Beispiele einer Ausführungsform, bei der die Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet wird, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen liest; darin zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen eines Motors, bei dem die Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet wird;
2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Abgasreinigungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine beispielhafte Routine zur Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine beispielhafte Routine zur Überwachung des Partikelfilters;
5–6 graphische Darstellungen zur Veranschaulichung experimenteller Testdaten; und
7–8 graphische Darstellungen der Verwendung von Temperaturwerten zur Feststellung der DPF-Regenerationsgeschwindigkeiten.
Der Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern, von denen ein Zylinder in 1A dargestellt ist, wird durch das elektronische Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 umfasst einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32, wobei der Kolben 36 darin angeordnet und mit der Kurbelwelle 40 verbunden ist. Gemäß der Zeichnung steht der Brennraum 30 mit dem Ansaugkrümmer 44 und dem Auspuffkrümmer 48 über das Einlassventil 52 bzw. das Auslassventil 54 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 44 ist außerdem mit einem Kraftstoffeinspritzventil 80 dargestellt, das mit ihm verbunden ist, um flüssigen Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW von dem Steuergerät 12 zuzuführen. Sowohl die durch das Signal FPW gesteuerte Kraftstoffmenge als auch der Einspritzzeitpunkt sind einstellbar. Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 80 durch ein Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) zugeführt, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein Kraftstoff-Verteilerrohr umfasst. Bei dem Motor 10 wird hauptsächlich mit einer Verbrennung mittels Selbstzündung gearbeitet.
Das Steuergerät 12 ist in 1A als herkömmlicher Mikrocomputer dargestellt, der Folgendes umfasst: eine Mikroprozessoreinheit 102, Ein-/Ausgabeports 104, einen Nur-Lese-Speicher 106, einen Direktzugriffsspeicher 108 und einen herkömmlichen Datenbus. Gemäß der Zeichnung empfängt das Steuergerät 12 zu sätzlich zu den bereits erörterten Signalen verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbunden Sensoren, einschließlich: die Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von dem Temperatursensor 112, der mit der Kühlhülse 114 verbunden ist; eine Messung des Krümmerdruckes (MAP) von dem Drucksensor 116, der mit dem Ansaugkrümmer 44 verbunden ist; eine Messung der Krümmertemperatur (AT) von dem Temperatursensor 117; ein Motordrehzahlsignal (RPM) von dem Motordrehzahlsensor 118, der mit der Kurbelwelle 40 verbunden ist.
Ein Abgasreinigungssystem 20 ist mit einem Auspuffkrümmer 48 verbunden, und mehrere beispielhafte Ausführungsformen des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere anhand von 2A–2C beschrieben.
Anhand von 1B wird nun eine alternative Ausführungsform dargestellt, wo der Motor 10 ein Direkteinspritzmotor ist, bei dem das Einspritzventil 80 so angeordnet ist, dass Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 80 durch ein Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) zugeführt, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein mit hohem Druck arbeitendes Common Rail System umfasst.
In einem Beispiel ist der Motor 10 ein Dieselmotor, der mit Schichtladungsverbrennung unter Sauerstoffüberschuss arbeitet. Alternativ können die Einstellung des Einspritzzeitpunkts und eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen verwendet werden, um eine Verbrennung mittels Selbstzündung einer homogenen Ladung zu erhalten. Wenn mit einem Magerbetrieb gearbeitet wird, können die Motorbedingungen auch so eingestellt werden, dass man einen Betrieb mit einem stöchiometrischen oder fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhält.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann ein Turbolader über den Ansaug- und Auspuffkrümmer mit dem Motor 10 verbunden sein.
Gemäß 2 nun umfasst das Abgasreinigungssystem 20 fakultativ einen dem Partikelfilter 15 vorgeschalteten Katalysator 13. Es können verschiedene Arten von Katalysatoren optional verwendet werden, wie zum Beispiel: ein mittels selektiver katalytischer Reduktion arbeitender Katalysator (SCR-Katalysator) auf Harnstoffbasis, ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Absorber; oder diese Katalysatoren könnten mit dem Partikelfilter kombiniert werden. Im Falle eines SCR- Katalysators handelt es sich in einem Beispiel um eine Formulierung aus einem unedlen Metall und Zeolith mit einer optimalen NOx-Umwandlungsleistung im Bereich von 200–500°C. Reduktionsmittel wie zum Beispiel wässriger Harnstoff kann an Bord gespeichert werden und stromaufwärts von dem SCR-Katalysator in die Abgasanlage eingespritzt werden. Alternativ kann jede andere dem Fachmann bekannte Struktur für die Zufuhr von Reduktionsmittel zu einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung verwendet werden, wie zum Beispiel der Einspritzverzug bei einem Direkteinspritzmotor.
Alternativ umfasst der Katalysator 13 (getrennt oder zusätzlich zu dem SCR-Katalysator) einen Oxidationskatalysator, bei dem es sich um einen Edelmetallkatalysator handelt, vorzugsweise einen, der Platin enthält, zur raschen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NO) im Motorabgas. Der Oxidationskatalysator wird auch für die Wärmezufuhr in der Abgasanlage verwendet, wobei eine Exotherme erzeugt wird, wenn zusätzlicher Kohlenwasserstoff über den Oxidationskatalysator reduziert wird. Dies kann zum Beispiel über die Zylindereinspritzung während des Arbeits- oder des Auslasshubes des Motors (bei einem Direkteinspritzmotor) oder auch während beider Hübe oder durch jede beliebige einer Anzahl weiterer Alternativen erfolgen, wie zum Beispiel durch Spätverstellung des Einspritzzeitpunkts, Erhöhung der Abgasrückführung (AGR) und Drosselung am Einlass, oder durch jedes andere Mittel, von dem der Fachmann weiß, dass sich dadurch die HC-Konzentration im Abgas erhöht. Alternativ können Kohlenwasserstoffe unter Verwendung dem Fachmann bekannter Mittel direkt in den in den Oxidationskatalysator eintretenden Abgasstrom eingespritzt werden. Das Reduktionsmittelzuführsystem 19 kann verwendet werden, um HC von dem Kraftstofftank oder von einem Vorratsbehälter der Abgasanlage zuzuführen, um Wärme zum Erwärmen des Partikelfilters 15 zu Regenerationszwecken zuzuführen, wie nachfolgend beschrieben.
Der Partikelfilter 15, in einem Beispiel ein Dieselpartikelfilter (DPF), ist dem Katalysator nachgeschaltet und dient zum Zurückhalten von Partikeln (Ruß), die während des Fahrzyklus des Fahrzeugs erzeugt werden. Der DPF kann aus einer Vielzahl von Materialien einschließlich Cordierit, Siliciumcarbid und anderer für hohe Temperaturen geeigneter oxidkeramischer Stoffe hergestellt werden. Sobald die Ansammlung von Ruß ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, kann mit der Regenerierung des Filters gemäß der nachfolgenden Beschreibung begonnen werden. Die Regenerierung des Filters erfolgt durch Erwärmen des Filters auf eine Temperatur, bei der Rußpartikel schneller verbrannt werden, als neue Rußpartikel abgeschieden werden, zum Beispiel auf 400–600°C. Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung einer erhöhten Motorabgasproduktion zum Erhöhen der Temperatur des Partikelfilters auf eine Regenerierungstemperatur zu einem Wärmeschaden des vorgeschalteten Katalysators in der Systemkonfiguration der vorliegenden Erfindung führen kann. Demzufolge haben die Erfinder erkannt, dass der Filter bei einer alternativen Ausführungsform durch das Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff stromabwärts von dem Katalysator regeneriert werden könnte. Bei einer Methode ist ein Reduktionsmittelzuführsystem 19 zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter mit dem Abgaskrümmer verbunden, um eine dampfförmige Mischung von Kohlenwasserstoff (z.B. Dieselkraftstoff oder ein anderes Reduktionsmittel) und Luft dem Partikelfilter zuzuführen, wodurch Regenerierungstemperaturen erreicht werden. In einem Beispiel kann der DPF ein katalysierter Partikelfilter sein, der eine Zwischenschicht aus Edelmetall wie zum Beispiel Platin enthält, um die Rußverbrennungstemperatur zu senken und außerdem Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren.
Das Steuergerät 12 steuert im Allgemeinen die Menge und den Zeitpunkt der HC-Einspritzung gemäß Motorbetriebsparametern wie zum Beispiel der NOx-Menge im Abgas, der Abgastemperatur, der Katalysatortemperatur und verschiedene andere Parameter. Wenn eine Regenerierung des Partikelfilters erforderlich ist, steuert das Steuergerät 12 insbesondere die Menge und den Zeitpunkt der HC-Einspritzung stromaufwärts von dem Partikelfilter, um die Filtertemperatur auf eine gewünschte Regenerierungstemperatur anzuheben.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Abgasanlage nur den Partikelfilter umfassen. In diesem Fall kann mit einer druckluftunterstützten Einspritzung von Dieselkraftstoff (oder einem anderen geeigneten Reduktionsmittel) stromaufwärts von dem DPF über die Vorrichtung 19 gearbeitet werden.
Ferner sei angemerkt, dass der zusätzliche Temperatursensor 21 mit dem DPF verbunden ist. Der Sensor könnte dem Filter auch vor- oder nachgeschaltet sein, oder die DPF-Temperatur (oder Abgastemperatur) kann anhand von Betriebsbedingungen unter Verwendung eines Abgastemperaturmodells geschätzt werden.
Ferner können mehrere Temperatursensoren verwendet werden, z.B. einer stromaufwärts und einer stromabwärts von dem DPF.
Außerdem ist ein Differenzdrucksignal (ΔP) dargestellt, das von den Drucksensoren 124 und 126 ermittelt wird. Es sei angemerkt, dass auch ein einzelner Differenzdruck verwendet werden kann, um den Differenzdruck auf dem DPF 15 zu messen.
Bei noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der DPF an einer Stelle stromaufwärts angeordnet sein, wobei ein optionaler Katalysator (oder Katalysatoren) stromabwärts angeordnet ist.
Wie für einen Durchschnittsfachmann klar ist, können die nachfolgend in den Flussdiagrammen beschriebenen Routinen eine oder mehrere einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien wie zum Beispiel ereignisgesteuerte und unterbrechungsgesteuerte Strategien, Multitasking-Strategien, Multithreading-Strategien und dergleichen darstellen. An sich können verschiedene dargestellte Schritte oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt bzw. in manchen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der Erfindung zu erzielen, dient aber einer einfacheren Darstellung und Beschreibung. Wenngleich dies nicht explizit dargestellt ist, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass einer oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen je nach der speziell verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden können. Ferner ist in diesen Figuren ein in das computerlesbare Speichermedium in dem Steuergerät 12 zu programmierender Code graphisch dargestellt.
Anhand von 3 ist nun ein Beispiel für ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters dargestellt, das anstelle von oder zusätzlich zu der Partikelfilterregenerierung auf der Basis eines über dem Filter gemessenen Differenzdrucks verwendet werden kann (wobei die Filterregenerierung verlangt wird, wenn der gemessene Differenzdruck einen Schwellenwert erreicht, wobei der Schwellenwert anhand aktueller Betriebsbedingungen wie zum Beispiel Motordrehzahl und -last ermittelt wird).
Zunächst wird in Schritt 510 die in dem Partikelfilter gespeicherte Partikelgesamtmenge spa ermittelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Menge ständig aktualisiert, und sie basiert auf der aktuell gespeicherten Partikelmenge und der pro vorbestimmter Abtastzeit während des Verbrennungsprozesses erzeugten Zuwachsmenge an Partikeln, die anhand von Motorbetriebsbedingungen wie zum Beispiel der Kraftstoffeinspritzmenge und der Motordrehzahl ermittelt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 512, worin die Partikelfiltertemperatur T_f anhand des Sensors 21 geschätzt bzw. ermittelt wird. Bei einer Ausführungsform wird diese Temperatur anhand von Motorbetriebsbedingungen unter Verwendung von in einem Speicher gespeicherten vorgegebenen Kennfeldern geschätzt. Die Motorbetriebsparameter umfassen die Motordrehzahl, die Kraftstoffeinspritzmenge, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und die Motortemperatur. Jedes andere dem Fachmann bekannte Verfahren zum Schätzen einer Temperatur einer Abgasreinigungsvorrichtung kann bei der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden.
Als Nächstes wird in Schritt 514 ermittelt, ob der Partikelfilter regeneriert werden sollte. Vor allem wenn die gespeicherte Partikelmenge (spa) größer ist als die maximale Grenzmenge S2, oder wenn die Partikelfiltertemperatur T_f größer ist als der Temperaturgrenzwert T1 und spa größer ist als die Grenzmenge S1, ist eine Regenerierung angezeigt. Die vorliegende Erfindung nutzt also höhere Partikelfiltertemperaturen, die unter bestimmten Fahrbedingungen auftreten können, indem sie gespeicherte Partikel zu diesem Zeitpunkt beseitigt, selbst wenn die Gesamtmenge spa unter der maximalen Grenzmenge S2 liegt. Der Kraftstoffverbrauch wird also reduziert, indem der Partikelfilter opportunistisch regeneriert wird, weil geringere Mengen an Energie erforderlich sind, um die Filtertemperatur auf die Regenerierungstemperatur zu erhöhen. Wenn die Antwort auf Schritt 514 NEIN lautet, endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 514 JA lautet, d.h. eine Partikelfilterregenerierung angezeigt ist, geht die Routine weiter zu Schritt 516, wo festgestellt wird, ob T_f größer ist als T_ex, was die Temperatur ist, oberhalb der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff im Abgas exotherm reagieren werden. Wenn die Antwort auf Schritt 516 JA lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 518, worin eine dampfförmige Mischung von Kohlenwasserstoff und Luft in das über das Reduktionsmittelzuführsystem in den Partikelfilter eintretende Abgas eingespritzt wird. Alternativ kann jede andere dem Fachmann bekannte und von dieser Offenbarung vorgeschlagene Vorrichtung verwendet werden, um Reduktionsmittel einer Ab gasnachbehandlungsvorrichtung zuzuführen. Die resultierende Exotherme führt dann dazu, dass die Temperatur des Partikelfilters auf die Regenerierungstemperatur ansteigt. Die Menge des eingespritzten Kohlenwasserstoffs und die für eine vollständige Filterregenerierung erforderliche Länge der Einspritzzeit werden vorzugsweise anhand von Betriebsbedingungen wie spa, Filtertemperatur, Motordrehzahl, Kraftstoffeinspritzmenge, Differenzdruck, etc. ermittelt. Sobald die Filterregenerierung abgeschlossen ist, endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 516 NEIN lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 518, worin die Partikelfiltertemperatur über T_ex erhöht wird, indem die Temperatur des Abgasstromes stromaufwärts von dem Partikelfilter angehoben wird, indem zum Beispiel durch Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff eine exotherme Reaktion in dem Oxidationskatalysator 13 erzeugt wird, oder durch den Motor betreffende Maßnahmen wie zum Beispiel eine Spätverstellung des Einspritzzeitpunkts, eine Erhöhung der Abgasrückführung oder das Schließen eines Einlassdrosselventils. Die Routine läuft dann durch Schritt 516, bis T_ex erreicht ist.
Es ist also möglich, den Partikelfilter zu regenerieren, indem zunächst die Temperatur des stromaufwärtigen Abgases so eingestellt wird, dass die Temperatur des Partikelfilters auf eine Temperatur angehoben wird, oberhalb der Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff im Abgas exotherm reagieren wird, und indem dann durch Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff in den Filter Regenerierungstemperaturen erzielt werden.
FESTSTELLEN EINER VERSCHLECHTERUNG DES DPF
Vor einer Beschreibung der Einzelheiten der DPF-Überwachung werden zunächst die Einzelheiten der Filterregenerierung beschrieben. In mehreren Veröffentlichungen wurde ein Ausdruck für die Regenerationsgeschwindigkeit auf der Basis einer Arrhenius-Gleichung vorgeschlagen, wie nachfolgend in Gleichung (1) dargestellt:
Angenommen, die Sauerstoffkonzentration C(O₂) ist hoch genug, dann wird Sauerstoff durch die Reaktion auf nahe Null reduziert. Weiterhin angenommen, die Rußmasse M ist linear in der Beschränkung R, und die Temperatur kann durch ihren Durchschnittswert (T_av) über eine Regenerierung näherungsweise angegeben werden, dann kann diese Gleichung über eine Regenerierung integriert werden, um Gleichung (4)
oder, nach Umordnung, Gleichung (5) zu erhalten:
wobei t für die Zeit steht, T für die Temperatur steht, der Index 0 für Bedingungen am Beginn der Regenerierung steht und der Index f für Bedingungen am Ende der Regenerierung steht.
Um den Beginn der Regenerierung zu ermitteln, kann die Zeit verwendet werden, zu der die Temperatur vor dem DPF ein Maximum erreicht, oder alternativ das erste Mal, wo diese Temperatur einen kalibrierbaren Grenzwert übersteigt, bei dem logischerweise erwartet werden kann, dass mit der Regenerierung begonnen wurde. Noch eine weitere Methode kann den Beginn der Regenerierung nach einer Schwellenanzahl von Kraftstoffeinspritzungen in den Auslass oder einer Menge von Kraftstoffeinspritzungen in den Auslass (was ein Hinweis ist für eine im Auslass erzeugte Wärmemenge) ermitteln.
Um das Ende der Regenerierung zu ermitteln, kann die Zeit verwendet werden, zu der die Temperatur nach dem DPF (z.B. die stromabwärtige Temperatur) ein Maximum erreicht. Diese Temperaturen können unter Verwendung einer beliebigen Anzahl von Temperatursensoren im Auslass des Motors gemessen werden. Es gibt natürlich noch alternative Verfahren zur Ermittlung von Beginn und Ende der Regenerierung. Zum Beispiel kann man das Ende der Regenerierung feststellen, wenn der Strömungswiderstand des DPF unter ein bestimmtes Niveau (gemessen zum Beispiel durch den Abgasgegendruck oder den Differenzdruck auf dem DPF) gefallen ist. Indem man also feststellt, wann die Regenerierung beginnt und endet, kann man die Regenerationsgeschwindigkeit ermitteln und kann dadurch die Verschlechterung des DPF genau feststellen. Solche Verfahren werden nachfolgend anhand von 4 näher beschrieben.
5 zeigt, dass diese Verfahren zum Ermitteln von Beginn und Ende der Regenerierung eine akzeptable Möglichkeit für Beginn und Ende der Regenerierung sind. In 6 ist log(RR) gegenüber 1000/T_av für verschiedene Möglichkeiten für den Beginn der Regenerierung (Temperatur (x) vor dem DPF und erster Durchgang mit 550°C (o)) zusammen mit einer linearen Regression graphisch dargestellt. In den Ergebnissen gibt es eine gewisse Streuung, aber diese Metrik kann immer noch nützliche Informationen über die Regenerationsgeschwindigkeit liefern. Wenn die Metrik RR in Abhängigkeit von 1/T_av außerhalb eines Bandes um den Nennwert herum fällt, kann ein Diagnoseflag gesetzt werden, wie nachfolgend bei der Diagnoseroutine von 4 gezeigt. Mögliche Ursachen für diesen Zustand sind ein hoher Aschegehalt oder ein Weg, auf dem Wärme entweicht (beschädigte Isolierung).
Anhand von 4 wird nun eine Diagnoseroutine zum Ermitteln einer Verschlechterung des DPF anhand der Regenerationsgeschwindigkeit und zwecks Ergreifung geeigneter Maßnahmen beschrieben.
Zunächst ermittelt die Routine in Schritt 610, ob die Überwachung des DPF aufgrund verschiedener Betriebsbedingungen aktiviert wurde. Zum Beispiel wird die DPF-Überwachung im Allgemeinen nicht aktiviert beim Anlassen des Motors, bei niedrigen Umgebungstemperaturen und bei verschiedenen anderen Bedingungen. Wenn die Antwort auf Schritt 610 JA lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 612, um Betriebsbedingungen zu überwachen, die auf einen Beginn der DPF-Regenerierung hindeuten. Wie oben beschrieben, gibt es verschiedene Bedingungen, anhand derer festgestellt werden kann, ob die DPF-Regenerierung begonnen hat. Jedes dieser Verfahren, oder Kombinationen davon, kann in Schritt 612 verwendet werden. Als Nächstes stellt die Routine in Schritt 614 anhand der überwachten Bedingungen von Schritt 612 fest, ob die Regenerierung begonnen hat. Wenn die Antwort auf Schritt 614 NEIN lautet, überwacht die Routine dann noch, ob eine DPF-Regenerierung begonnen hat.
Wenn die Antwort auf Schritt 614 "JA" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 616, um Bedingungen zu überwachen, die auf das Ende der Partikelfilterregenerierung hindeuten. Wie oben beschrieben, gibt es auch hier wieder verschiedene Verfahren zum Ermitteln des Endes der Partikelfilterregenerierung, und jedes dieser Verfahren, oder Kombinationen davon, kann verwendet werden. Ferner verwendet die Routine einen Zähler zum Messen der Dauer der Partikelfilterregenerierung, der in Schritt 616 inkrementiert wird. Dieser Zähler kann die verstrichene Zeit, die zurückgelegte Entfernung, die abgelaufene Anzahl von Motorzyklen oder jede andere solche Zählmetrik angeben. Von Schritt 616 geht die Routine weiter zu Schritt 618 und stellt anhand der in Schritt 616 gewonnenen Informationen fest, ob die Regenerierung geendet hat. Wenn die Antwort auf Schritt 618 NEIN lautet, kehrt die Routine zu Schritt 616 zurück und überwacht weiterhin die Bedingungen und inkrementiert dabei den Zähler. Andernfalls, wenn die Antwort auf Schritt 618 JA lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 620.
In Schritt 620 berechnet die Routine die Regenerationsgeschwindigkeit anhand der in Schritt 612 und 616 erhaltenen Informationen über Beginn und Ende sowie weiterer Informationen, die fakultativ verwendet werden können, um eine genauere Ermittlung zu ermöglichen. Insbesondere verwendet die Routine in einem Beispiel Gleichung 5 zur Berechnung einer Regenerationsgeschwindigkeit. In einem alternativen Beispiel verwendet die Routine einfach die verstrichene Zeit des Regenerationszyklus als Parameter für die Regenerationsgeschwindigkeit. Noch eine weitere Möglichkeit, um einen Parameter für die Regenerationsgeschwindigkeit zu erhalten, besteht darin, die Zeit zu verwenden, die es dauert, bis sich das Restriktionsniveau in dem Partikelfilter von einem ersten Restriktionsniveau auf ein zweites Restriktionsniveau ändert.
In einem Beispiel kann das Restriktionsniveau gemäß der nun folgenden Beschreibung unter Verwendung eines über dem DPF gemessenen Differenzdrucks ermittelt werden.
Restriktionsgleichungen
Im Allgemeinen wird der Druckabfall (Δp) auf dem Dieselpartikelfilter (DPF) durch den Volumendurchsatz (F) und die Rußbelastung des DPF sowie andere Faktoren (die gewünschtenfalls mit eingeschlossen werden können) beeinflusst. Der Druck abfall besteht aus Kontraktions- und Expansionsverlusten, Reibungsverlusten der Strömung entlang den Wänden und Druckverlusten infolge der Strömung durch ein poröses Medium. Bei einem sauberen DPF kann die Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Strömung durch die Darcy-Forchheimer-Gleichung (6) näherungsweise angegeben werden: Δp = c0 + c1ν·F+c2ρ·F2 (6)
Die Rußmenge in dem DPF wirkt sich hauptsächlich auf den linearen Term in dieser Gleichung aus (siehe A.G. Konstandopoulos, E. Skaperdas, M. Masoudi, "Inertial contributions to the pressure drop of diesel particulate filters", SAE 2001-01-0909; und A.G. Konstandopoulos, M. Kostoglou, E. Skaperdas, E. Papaioannou, D. Zarvalis, E. Kladopoulou, "Fundamental studies of diesel particulate Filters: transient loading, regeneration and aging", SAE 2000-01-1016). Mit Hilfe dieser Information ist es möglich, die folgende Beziehung der Gleichung (7) zu bilden: Δp = R(Ruß)(c0 + c1ν·F)+c2ρ·F2 =: g(Ruß, F) (7)wobei F der Volumendurchsatz, ρ die Dichte und ν die Viskosität ist.
Die Koeffizienten c; kann man aus einem experimentellen Fließtest des DPF erhalten. Ferner können Dichte und Viskosität des Abgases anhand der Abgastemperatur und experimenteller Testdaten geschätzt werden. Die Beschränkung R(Ruß) ist eine monotone Funktion der Rußmenge in Gramm/Liter. In einem Beispiel kann festgestellt werden, dass die Regenerierung endet, wenn die Restriktion unter einen Schwellenwert fällt. In einem weiteren Beispiel kann die Regenerationsgeschwindigkeit korreliert werden mit der Zeit, die es dauert, bis das Restriktionsniveau von einem ersten Niveau auf ein zweites Niveau fällt.
Gemäß 4 nun weiterhin ermittelt die Routine in Schritt 622 die Funktionsfähigkeit des DPF anhand des berechneten Parameters bzw. der berechneten Parameter für die Regenerationsgeschwindigkeit. Wie oben beschrieben, kann dabei die Regenerationsgeschwindigkeit selbst berechnet werden, oder es kann eine Regenerationszeit verwendet werden, oder es kann auch jede andere oben beschriebene Information herangezogen werden, die auf die Regenerationsgeschwindigkeit hindeutet. In einem speziellen Beispiel wird die Regenerationsge schwindigkeit in Schritt 624 mit einer Schwellengeschwindigkeit verglichen, um festzustellen, ob sich der DPF verschlechtert hat. Wenn die Antwort auf Schritt 624 JA lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 626, um Standardmaßnahmen zu implementieren. Andernfalls endet die Routine.
Es sei angemerkt, dass verschiedene Arten von Standardmaßnahmen verwendet werden können, wie zum Beispiel die Unterbrechung von Regenerationszyklen, die Meldung an den Bediener über eine Kontrollleuchte/Lampe/LED oder die Begrenzung von Motordrehzahl und Lastbetrieb. Alternativ kann die Standardmaßnahme die Einstellung der Bedingungen umfassen, unter denen eine Regenerierung erforderlich ist. Zum Beispiel kann die Regenerierung bei höheren Temperaturen durchgeführt werden in dem Bemühen, eine wirksame Partikelfilterregenerierung zu erreichen, wodurch gespeicherter Ruß infolge einer besseren Temperaturverteilung wirksamer umgewandelt wird.
Anhand von 7–8 wird nun noch eine weitere alternative Methode zur Ermittlung der Regenerationsgeschwindigkeit des DPF beschrieben. Eine solche Methode kann allein verwendet werden, oder sie kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Methoden verwendet werden, um eine genauere Angabe der DPF-Regenerationsgeschwindigkeit zu erhalten. Wie nachfolgend beschrieben, können die Temperaturindikatoren also verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit der DPF-Verschlechterung während der Regenerierung und die Beeinträchtigung der Regenerationsfähigkeit vorherzusagen. Die folgenden Temperatursignale enthalten Informationen über die Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung:

– T_pre_dpf (Temperatur stromaufwärts von dem DPF)
– T_post_dpf (Temperatur stromabwärts von dem DPF)
– T_exo_dpf = T_post_dpf – T_pre-dpf (Hinweis auf einen Temperaturanstieg infolge einer exothermen Reaktion auf dem DPF)
– und die jeweiligen Raten dieser Temperaturen: d(T_pre_dpf)/dt, d(T_post_dpf)/dt und d(T_exo_dpf)/dt.

Wenn in einem Beispiel eines dieser 6 Signale hoch ist, dann ist dies ein Hinweis auf die Wahrscheinlichkeit, dass sich der DPF verschlechtert hat. Um diese Information zu verarbeiten, wird eine "Verschlechterungswahrscheinlichkeits"-Funktion d(.) der Signale verwendet. Diese Funktion ist eine Indikatorfunktion, die bei nied rigen Werten des Eingangsarguments 0 ist und bei hohen Werten des Eingangsarguments 1 ist. Eine solche Funktion ist in 7 dargestellt.
Eine Summe der Indikatoren wird dann verwendet, um zu einer Gesamteinschätzung der Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung zu kommen: D = d1(T_pre_dpf) + d2(T_post_dpf) + d3(T_exo_dpf) + d4(d(T_pre_dpf)/dt) + d5(d(T_po st_dpf)/dt) + d6(d(T_exo_dpf)/dt)
D nimmt Werte zwischen 0 und 6 an und ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung. Wenn D höher ist als ein bestimmter kalibrierbarer Grenzwert, wird ein Hinweis bereitgestellt, dass es zu einer Verschlechterung des DPF gekommen ist, und es kann eine Standardmaßnahme ergriffen werden. Ferner kann diese Information zu einem OBD-Executive (OBD = Onboard-Diagnose) weitergeleitet werden.
Unerwartet niedrige Werte von T_pre_dpf, T_post_dpf, T_exo_dpf und ihren Raten können dagegen anzeigen, dass die Regenerierung langsamer stattfindet als erwartet und können als Hinweis darauf verwendet werden, dass die katalytische Wirksamkeit nachgelassen hat oder die Wärmeisolierung unter einem vorgegebenen Wert liegt. Zu diesem Zweck können Indikatorfunktionen s(.) verwendet werden, die bei niedrigen Werten ihres Arguments 1 sind und bei hohen Werten 0 sind, wie es in 8 dargestellt ist.
Die Summe der Indikatoren wird dann verwendet, um zu einer Gesamteinschätzung der Wahrscheinlichkeit einer ungewöhnlich langsamen Regenerierung zu kommen: S = s1(T_pre_dpf) + s2(T_post_dpf) + s3(T_exo_dpf) + s4(d(T_pre_dpf)/dt) + s5(d(T_po st_dpf)/dt) + s6(d(T_exo_dpf)/dt)
S nimmt Werte zwischen 0 und 6 an und ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der katalytischen Wirksamkeit oder der Wärmeisolierung. Wenn S höher ist als ein bestimmter kalibrierbarer Grenzwert, dann erfolgt ein Hinweis, dass die Verschlechterung wahrscheinlich ist, und es kann mit einer Standardmaßnahme begonnen werden. Diese Information kann wieder zu einem OBD-Executive weitergeleitet werden.
Damit endet die Beschreibung der Erfindung. Wenn der Fachmann sie liest, werden ihm viele Änderungen und Modifikationen in den Sinn kommen, ohne dabei vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Demzufolge soll der Umfang der Erfindung durch die nun folgenden Ansprüche definiert werden.

Claims

System, das Folgendes umfasst: ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Überwachen eines Partikelfilters in einem Dieselmotorauslass, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: einen Code zum Ermitteln eines Parameters für eine Regenerationsgeschwindigkeit des Partikelfilters; und einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Partikelfilters anhand des Parameters.
System nach Anspruch 1, wobei der Parameter ein Betrag der Zeit ist, die zum Regenerieren des Partikelfilters gebraucht wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Parameter eine berechnete Regenerationsgeschwindigkeit bezogen auf die Abgastemperatur ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Parameter anhand einer gewichteten Summe einer Vielzahl von Abgastemperaturen und einer Vielzahl von Änderungsraten von Abgastemperaturen berechnet wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Parameter eine berechnete Regenerationsgeschwindigkeit ist, bezogen auf eine Änderung in der Strömungsbeschränkung des Partikelfilters.
System nach Anspruch 1, wobei ferner ein Temperatursensor in dem Auslass ein von dem Computerspeichermedium benutztes Signal bereitstellt.
System nach Anspruch 6, wobei der Temperatursensor dem Partikelfilter vorgeschaltet ist.
System nach Anspruch 6, wobei der Temperatursensor dem Partikelfilter nachgeschaltet ist.
System nach Anspruch 6, wobei der Temperatursensor in den Partikelfilter eingebaut ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Computerspeichermedium ferner einen Code zum Unterbrechen der DPF-Regenerierung in Reaktion auf die festgestellte Verschlechterung umfasst.
System, das Folgendes umfasst: ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Überwachen eines Partikelfilters in einem Dieselmotorauslass, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: einen Code zum Ermitteln eines Anfangspunkts einer Regenerierung des Partikelfilters; einen Code zum Ermitteln eines Endpunkts der Regenerierung des Partikelfilters; und einen Code zum Ermitteln einer Verschlechterung des Partikelfilters anhand des festgestellten Beginns und Endes.
System nach Anspruch 11, wobei der Anfangspunkt eine Startzeit einer Regenerierung des Partikelfilters ist.
System nach Anspruch 11, wobei der Endpunkt ferner eine Endezeit der Regenerierung des Partikelfilters ist.
System nach Anspruch 11, wobei der Startpunkt dann ist, wenn die Temperatur stromaufwärts von dem Partikelfilter einen Maximalwert erreicht.
System nach Anspruch 11, wobei der Startpunkt dann ist, wenn die Temperatur stromaufwärts von dem Partikelfilter einen Schwellenwert überschreitet.
System nach Anspruch 11, wobei der Endpunkt dann ist, wenn eine Strömungsbeschränkung des Partikelfilters einen Schwellenwert erreicht.
System nach Anspruch 11, wobei der Endpunkt dann ist, wenn die Temperatur stromabwärts von dem Partikelfilter einen Maximalwert erreicht.
System, das Folgendes umfasst: ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Überwachen eines Partikelfilters in einem Dieselmotorauslass, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: einen Code zum Ermitteln einer Zeitdauer, die zum Regenerieren des Partikelfilters gebraucht wird; und einen Code zum Ermitteln einer Verschlechterung des Partikelfilters anhand der ermittelten Zeitdauer.
System nach Anspruch 18, wobei die Zeitdauer auf die Abgastemperatur bezogen ist.
System nach Anspruch 19, wobei die Abgastemperatur stromaufwärts von dem Partikelfilter gemessen wird.
System nach Anspruch 19, wobei die Abgastemperatur stromabwärts von dem Partikelfilter gemessen wird.