DE102004031321B4 - Verfahren zum Dosieren eines Brennstoffs in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Dosieren eines Brennstoffs in wenigstens einen Abgaskanal (20) einer Brennkraftmaschine (10), der in einer exothermen Reaktion zur Erhöhung der Temperatur eines zu beheizenden Partikelfilters (25) umgesetzt wird, bei dem eine Solltemperatur (TSW) des zu beheizenden Partikelfilters (25) vorgegeben wird, bei dem zum Erreichen der vorgegebenen Solltemperatur (TSW) die Dosiermenge (msHC) des Brennstoffs unter Einbeziehung eines Modells der exothermen Reaktion berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion in einem Partikelfilter (25) stattfindet und dass das Modell den Partikelfilter (25) berücksichtigt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Dosieren eines Brennstoffs in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Aus der Offenlegungsschrift EP 1 130 227 A1 ist ein System zur Unterstützung der Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Diesel-Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters bekannt geworden, bei dem die Abgastemperatur zum Starten und Aufrechterhalten der Partikelfilter-Regeneration durch Einbringung von Kohlenwasserstoffen in den Abgaskanal erhöht wird. Gemessen wird die Abgastemperatur vor einem Oxidations-Katalysator, nach einem zum Katalysator benachbart angeordneten Diesel-Partikelfilter sowie zwischen Katalysator und Partikelfilter. Ausgangspunkt ist eine vorgegebene Abgas-Solltemperatur, auf die der Diesel-Partikelfilter zum Einleiten der Regeneration gebracht werden muss. Die Erhöhung der Abgas-Solltemperatur erfolgt im Wesentlichen durch eine Nacheinspritzung von Diesel-Kraftstoff, die zu einem erhöhten HC-Anteil im Abgas führt, der im Oxidations-Katalysator exotherm reagiert. Die Nacheinspritzungen werden zumindest solange aufrechterhalten, bis die vorgegebene Abgas-Solltemperatur gemessen wird.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 44 26 020 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators bekannt geworden, das von zwei Temperatursignalen ausgeht. Das erste Temperatursignal wird stromabwärts des Katalysators gemessen. Das zweite Temperatursignal wird mit einem Modell ermittelt, das eine Temperaturerhöhung durch eine exotherme Reaktion von Kohlenwasserstoffen im Katalysator widerspiegelt. Im Anschluss daran wird in einem vorgegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein Abgleich der beiden Temperatursignale vorgenommen. Im anschließenden Betrieb der Brennkraftmaschine wird eine Diagnose des Katalysators durch Vergleich der beiden Temperatursignale durchgeführt.
  • In der nach veröffentlichten WO 2005/005797 A2 ist eine Vorgehensweise zur Dosierung von Kraftstoff in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine beschrieben, die vorgesehen ist, die Temperatur eines im Abgaskanal angeordneten Partikelfilters auf einen Wert anzuheben, bei dem eine Regeneration stattfinden kann. Die Dosierung wird anhand eines mathematischen Modells festgelegt, welches das Abgassystem beschreibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Dosieren eines Brennstoffs in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine möglichst exakte Dosierung ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht davon aus, dass ein Brennstoff in wenigstens einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine dosiert wird, der in einer exothermen Reaktion zur Erhöhung der Temperatur eines zu beheizenden Partikelfilters umgesetzt wird. Die zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters erforderliche Dosiermenge wird unter Einbeziehung eines Modells der exothermen Reaktion im Partikelfilter berechnet.
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die vorgesehene Soll-Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters mit einer minimalen Dosiermenge des Brennstoffs erreicht wird. Die gegenüber dem Stand der Technik erzielte Einsparung an Brennstoff wird dadurch erzielt, dass bei der Berechnung der Dosiermenge bereits eine anhand des Modells ermittelbare Temperaturerhöhung durch die exotherme Reaktion im Partikelfilter berücksichtigt wird. Eine Überdosierung des Brennstoffs wird dadurch vermieden.
  • Die Beheizung des Partikelfilters ermöglicht eine rasche Einstellung der erforderlichen Betriebstemperatur des Partikelfilters. Die Beheizung des Partikelfilters ist erforderlich, um eine Regeneration einzuleiten und anschließend aufrecht zu erhalten, bei der die eingelagerten Partikel verbrennen.
  • Das der Erfindung zugrunde zu legende Modell der exothermen Reaktion im Partikelfilter gibt an, welche Temperaturerhöhung im jeweiligen Betriebspunkt zu erwarten ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Dosiermenge in Abhängigkeit von wenigstens einem Maß für den Abgasmassenstrom berechnet wird.
  • Die erforderliche Dosiermenge an Brennstoff kann aus der erforderlichen Temperaturerhöhung, dem Brennwert des Brennstoffs, dem Maß für den Abgasmassenstrom, der spezifischen Wärmekapazität des Abgasmassenstroms sowie anhand des Modells berechnet werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Dosiermenge in Abhängigkeit von einem Maß der Abgastemperatur vor dem zu beheizenden Bauteil berechnet wird. Die erforderliche Brennstoffdosiermenge kann in Kenntnis des Maßes der Abgastemperatur vor dem zu beheizenden Bauteil noch genauer berechnet werden.
  • Der Abgasmassenstrom wird vorzugsweise aus bekannten Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine berechnet. Die Abgastemperatur kann ebenfalls aus bekannten Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine berechnet oder mit einem Abgas-Temperatursensor gemessen werden.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass bei der Berechnung der Dosiermenge eine Kenngröße einer vorgegebenen zeitlichen Änderung der Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters berücksichtigt wird. Als Kenngröße der vorgegebenen zeitlichen Änderung ist beispielsweise die Steigung und/oder die Krümmung des vorgegebenen zeitlichen Verlaufs der Temperatur vorgesehen, die der ersten bzw. zweiten Ableitung nach der Zeit entspricht. Mit dieser Maßnahme wird es möglich, einen Verlauf der Temperatur gezielt vorgeben zu können. Insbesondere ermöglicht die Maßnahme die Realisierung gezielt vorgegebener Änderungen im Anschluss an einen stationären Zustand. Bei Lastwechseln bzw. bei instationären Vorgängen ist mit dieser Maßnahme eine gezielte Anpassung der einzubringenden Brennstoffmenge möglich, um die vorgegebe Soll-Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters möglichst schnell und präzise zu erreichen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft im Wesentlichen ein Steuergerät, in welchem das Modell hinterlegt ist und die Berechnungen stattfinden. Die Vorrichtung betrifft weiterhin einen Datenträger, welcher das Modell und die Berechnungen codiert enthält. Der Datenträger kann beim Hersteller oder mit Datenfernübertragung, beispielsweise über Internet, beschrieben werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
  • Zeichnung
  • 1 zeigt ein technisches Umfeld gemäß dem Stand der Technik, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird, dessen Ablauf in 2 näher gezeigt ist.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, in deren Ansaugkanal 11 ein Luftsensor 12 und in deren Abgaskanal 20 eine Brennstoff-Einbringvorrichtung 21, ein erster Abgas-Temperatursensor 22, ein Katalysator 23, ein zweiter Abgastemperatursensor 24 sowie ein Partikelfilter 25 angeordnet sind. Zwischen dem Katalysator 23 und dem Partikelfilter 25 ist ein an den Katalysator 23 angrenzender vorgegebener Abgasbereich 26 vorhanden. Im Abgaskanal 20 tritt der Abgasmassenstrom msabg auf.
  • Der Brennkraftmaschine 10 ist eine Kraftstoff-Zumessvorrichtung 30 zugeordnet, die einem Steuergerät 31 ein Kraftstoffsignal mE zuführt. Das Steuergerät 31 gibt ein Steuersignal S an die Brennstoff-Einbringvorrichtung 21 ab.
  • Der Luftsensor 12 gibt an das Steuergerät 31 ein Luftsignal msL, die Brennkraftmaschine 10 eine Drehzahl N, der erste Abgas-Temperatursensor 22 eine erste Abgas-Isttemperatur TabgvK und der zweite Abgas-Temperatursensor 24 eine zweite Abgas-Isttemperatur TabgvPF ab. Dem Steuergerät 31 wird ein Drehmoment-Sollsignal Mfa zugeführt.
  • Der in 2 gezeigte Verfahrensablauf beginnt in einem ersten Schritt 50 mit der Festlegung einer Solltemperatur TSW. In einem zweiten Schritt 51 wird die erste und zweite Abgas-Isttemperatur TabgvK, TabgvPF ermittelt. In einem dritten Schritt 52 wird der Abgasmassenstrom msabg ermittelt. In einem vierten Schritt 53 wird eine Dosiermenge msHC berechnet. In einem fünften Schritt 54 wird die Dosiermenge msHC erstmals modifiziert und in einem sechsten Schritt 55 nochmals modifiziert. In einer anschließenden Abfrage 56 wird überprüft, ob die Solltemperatur TSW beibehalten oder geändert werden soll.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet folgendermaßen:
    Das Steuergerät 31 legt das Kraftstoffsignal mE zunächst in Abhängigkeit vom Drehmoment-Sollwert Mfa fest, der beispielsweise von der Position eines nicht näher gezeigten Fahrpedals eines Kraftfahrzeugs abhängt. Das Kraftstoffsignal mE veranlasst die Kraftstoff-Zumessvorrichtung 30 der Brennkraftmaschine 10 zu wenigstens einem vorgegebenen Zeitpunkt eine vorgegebene Menge Kraftstoff zuzuführen. Bei der Festlegung des Kraftstoffsignals mE kann das Steuergerät 31 gegebenenfalls zusätzlich das vom Luftsensor 12 bereitgestellte Luftsignal msL und/oder die von der Brennkraftmaschine 10 bereitgestellte Drehzahl N berücksichtigen.
  • Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird in wenigstens einem Abgaskanal 20 geführt. Im Abgaskanal 20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Katalysator 23 und der Partikelfilter 25 angeordnet. Der Katalysator 23 speichert und/oder konvertiert bestimmte Abgaskomponenten, während der Partikelfilter 25 die im Abgas enthaltenen Partikel einlagert.
  • Die im Katalysator 23 stattfindende katalytische Reaktion läuft innerhalb eines bekannten Temperaturbereichs optimal ab. Sofern ein Speicherkatalysator, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator eingesetzt wird, kann zur Regeneration ein gegenüber dem Speicherbetrieb erhöhter Temperaturbereich erforderlich sein.
  • Das Partikelfilter 25 erfordert in Abhängigkeit vom Beladungszustand eine Regeneration, die durch eine Verbrennung der Partikel vorgenommen wird. Zum Einleiten der Regeneration ist eine bestimmte Start-Temperatur erforderlich. Zum Aufrechterhalten der Regeneration ist im allgemeinen ebenfalls ein bestimmtes Temperaturniveau einzuhalten, das von der exothermen Oxidationsreaktion im Partikelfilter während der Regeneration nicht zuverlässig aufrechterhalten werden kann. Die Beheizung des Partikelfilters erfolgt durch ein Einbringen des Brennstoffs in den Abgaskanal 20 der Brennkraftmaschine 10, das in einer exothermen Reaktion im Partikelfilter zur Erhöhung der Temperatur des zu beheizenden Partikelfilter 25 auf die vorgegebene Solltemperatur TSW beiträgt. Die exotherme Reaktion kann unmittelbar in dem zu beheizenden Partikelfilter 25 stattfinden. Sofern das zu beheizende Partikelfilter 25 normalerweise keine katalytische Oberfläche aufweist, kann eine entsprechende katalytisch wirksame Beschichtung vorgenommen werden.
  • Das Modell modelliert die exotherme Reaktion im Partikelfilter 25.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann die vom ersten Temperatursensor 22 gemessene erste Abgas-Isttemperatur TabgvK als Ausgangspunkt für eine erforderliche Temperaturerhöhung herangezogen werden. Die vom zweiten Temperatursensor 24 gemessene zweite Abgas-Isttemperatur TabgvPF kann dann die vorzugebende Solltemperatur TSW sein, die hinter dem zu beheizenden Partikelfilter 25, idealerweise aber direkt im zu beheizenden Partikelfilter 25 gemessen wird.
  • Als Brennstoff sind beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kraftstoff oder brennbare Gase vorgesehen. Der Brennstoff kann innermotorisch erzeugt werden oder mit der Brennstoff-Einbringvorrichtung 21 in den Abgaskanal 20 eingebracht werden. Die innermotorische Einbringung des Brennstoffs kann dadurch erfolgen, dass die Kraftstoff-Zumessvorrichtung 30 wenigstens eine nach der Hauptverbrennung liegende nichtbrennende Kraftstoff-Einspritzung durchführt. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Brennstoff-Einbringvorrichtung 21 ist ein Beispiel für eine außermotorische Möglichkeit zur Realisierung der Einbringung des Brennstoffs in den Abgaskanal 20. Auch in diesem Fall legt das Steuergerät 31 den Zeitpunkt und die Menge mit dem Steuersignal S fest.
  • Der Verfahrensablauf startet mit der Festlegung der Solltemperatur TSW im ersten Schritt 50. In einer vereinfachten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann nach dem ersten Schritt 50 bereits der dritte Schritt 52 vorgesehen sein, in welchem ein Maß für den Abgasmassenstrom msabg ermittelt wird.
  • Gegebenenfalls ist der zweite Schritt vorgesehen, der die Ermittlung der Abgastemperatur vor dem beheizenden Partikelfilter 25 vorsieht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste Abgas-Isttemperatur TabgvK und/oder die zweite Abgas-Isttemperatur TabgvPF vorgesehen.
  • Im vierten Schritt 54 wird die Dosiermenge msHC zumindest in Abhängigkeit von der im ersten Schritt 50 festgelegten Solltemperatur TSW, von dem im dritten Schritt 52 ermittelten Maß für den Abgasmassenstrom msabg sowie in Abhängigkeit vom Modell der exothermen Reaktion festgelegt. Wesentlich ist hierbei insbesondere die Festlegung der Dosiermenge msHC in Abhängigkeit vom Modell. Gegenüber den bislang bekannt gewordenen Vorgehensweisen wird dadurch der Vorteil erzielt, dass die Auswirkungen von zu treffenden Maßnahmen bereits bei der Festlegung der Maßnahmen einkalkuliert werden können.
  • Vorteilhafterweise wird im vierten Schritt 53 die Dosiermenge msHC zusätzlich in Abhängigkeit von der ersten Abgas-Isttemperatur TabgvK und/oder der zweiten Abgas-Isttemperatur TabgvPF festgelegt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sieht vor, dass die Dosiermenge msHC in Abhängigkeit von einer Kenngröße einer Änderung der Solltemperatur TSW festgelegt wird. Mit dieser Maßnahme wird es möglich, den während und nach der exothermen Reaktion auftretenden Temperaturverlauf gezielt an einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Solltemperatur TSW anzupassen.
  • Im fünften Schritt 54 ist die Modifizierung der Dosiermenge msHC in Abhängigkeit von der ersten Ableitung des vorgegebenen zeitlichen Verlaufs der Solltemperatur TSW vorgesehen. Im sechsten Schritt 55 ist eine weitere Modifizierung in Abhängigkeit von der zweiten Ableitung des vorgegebenen zeitlichen Verlaufs der Solltemperatur TSW gegebenenfalls vorgesehen. Die erste Ableitung entspricht der Steigung und die zweite Ableitung der Krümmung des vorzugebenden zeitlichen Verlaufs der Solltemperatur TSW. Eine Realisierung der Bildung der Ableitungsfunktionen ist beispielsweise durch die Berechnung von Differenzenquotienten möglich, wobei in Gebieten von größeren Änderungen des vorzugebenden zeitlichen Verlaufs der Solltemperatur TSW mehrere Stützstellen als in Bereichen mit geringeren Änderungen vorgesehen werden können.
  • Nach dem sechsten Schritt 55 kann eine Überprüfung vorgesehen sein, ob die vorgegebene Solltemperatur TSW bereits erreicht wurde. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Solltemperatur TSW für eine vorgegebene Zeit oder bis zum Auftreten eines Ereignisses auf der vorgegebenen Solltemperatur TSW gehalten wird. Ein solches Ereignis ist beispielsweise ein Signal, welches das Regenerationsende des Partikelfilters 25 signalisiert.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist deshalb in der Abfrage 56 eine Überprüfung vorgesehen, ob eine Änderung der vorzugebenden Solltemperatur TSW vorzunehmen ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird die Solltemperatur TSW gehalten. Falls dies der Fall ist, wird die neue Solltemperatur TSW vorgegeben. Danach wird wieder zum ersten Schritt 50 zurückgesprungen. Der gesamte Verfahrensablauf wird ständig zyklisch durchlaufen.
  • Die Solltemperatur TSW kann durch eine reine Steuerung eingestellt werden, wobei die durch eine Änderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10 hervorgerufenen Änderungen im Abgaskanal 20 bei der Berechnung der Stellgröße berücksichtigt werden. Selbstverständlich kann auch eine Regelung auf die vorgegebene Solltemperatur TSW vorgesehen sein. Bei der Regelung wird die Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters 25 zweckmäßigerweise gemessen, um die Ist-Temperatur mit der gewünschten Soll-Temperatur TSW vergleichen zu können. Hilfsweise kann die Abgastemperatur stromabwärts nach dem zu beheizenden Partikelfilter 25 gemessen und als Maß für die Ist-Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters 25 gewertet werden.
  • Bei der Modellbildung können die Masse des Partikelfilters 25 und die spezifische Wärmekapazität des Partikelfilters 25 berücksichtigt werden. Ferner können die Wärmeübergänge zwischen dem Partikelfilter 25 zur Umgebung hin modelliert werden.
  • Die erforderliche Dosiermenge msHC an Brennstoff kann aus der erforderlichen Temperaturerhöhung, dem Brennwert des Brennstoffs, dem Maß für den Abgasmassenstrom msabg, der spezifischen Wärmekapazität des Abgasmassenstroms sowie anhand des hinterlegten Modells berechnet werden.
  • Das Maß für den Abgasmassenstrom msabg kann in einer einfachen Ausgestaltung bereits aus dem Luftsignal msL ermittelt werden, welches der im Ansaugkanal 11 der Brennkraftmaschine 10 angeordnete Luftsensor 12 bereitstellt. Gegebenenfalls kann das Kraftstoffsignal mE zusätzlich berücksichtigt werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Dosieren eines Brennstoffs in wenigstens einen Abgaskanal (20) einer Brennkraftmaschine (10), der in einer exothermen Reaktion zur Erhöhung der Temperatur eines zu beheizenden Partikelfilters (25) umgesetzt wird, bei dem eine Solltemperatur (TSW) des zu beheizenden Partikelfilters (25) vorgegeben wird, bei dem zum Erreichen der vorgegebenen Solltemperatur (TSW) die Dosiermenge (msHC) des Brennstoffs unter Einbeziehung eines Modells der exothermen Reaktion berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion in einem Partikelfilter (25) stattfindet und dass das Modell den Partikelfilter (25) berücksichtigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge (msHC) in Abhängigkeit von einem Maß für den Abgasmassenstrom (msabg) berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge (msHC) in Abhängigkeit von der Abgastemperatur (TabgvK, TabgvPF), die vor dem zu beheizenden Partikelfilter (25) auftritt, berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Dosiermenge (msHC) wenigstens eine Kenngröße einer Änderung der Solltemperatur (TSW) berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße einer Änderung der Solltemperatur (TSW) die Steigung und/oder die Krümmung des Verlaufs der Solltemperatur (TSW) berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas-Isttemperatur (TabgvK, TabgvPF) und/oder die Ist-Temperatur des zu beheizenden Partikelfilters (25) von wenigstens einem Temperatursensor (22, 24) erfasst wird.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergenden Ansprüche.
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