DE102004052655A1 - Drucküberwachungsgerät für einen Dieselpartikelfilter - Google Patents

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Abstract

Es wird ein kostengünstiges Drucküberwachungssystem und -verfahren für einen Partikelfilter vorgestellt. Der Differenzdruck über dem Filter wird anhand eines Luftdrucks, eines gemessenen Absolutabgasdrucks stromaufwärts der ersten mit dem Motor verbundenen Schadstoffbegrenzungsvorrichtung und eines geschätzten Druckabfalls über allen anderen Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen geschätzt.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren für das Überwachen eines Partikelfilters (PF) und insbesondere das Schätzen des Differenzdrucks über dem PF anhand einer Absolutdruckmessung stromaufwärts der mit der Brennkraftmaschine gekoppelten ersten Einrichtung zur Schadstoffbegrenzung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Dieselmotoren können Partikelfilter (PF) zur Verringerung von Rußemissionen verwenden. Diese Filter filtern Ruß, der in den durch den Filter strömenden Abgasen enthalten ist. In regelmäßigen Abständen, wenn die Filter mit Ruß voll werden, werden sie durch Anheben der Abgastemperatur auf einen Punkt, bei dem der Ruß verbrannt wird, regeneriert. Auf diese Weise kann der Filter wieder Ruß zurückhalten, und die Rußemissionen insgesamt werden reduziert.
  • Die Filterregeneration kann anhand des über dem Filter gemessenen Differenzdrucks gesteuert werden. Je mehr Ruß sich ablagert, desto höher ist der gemessene Differenzdruck. Siehe zum Beispiel U.S. Patent 6,405,528, bei welchem der Differenzdruck über dem Filter anhand von Messungen ermittelt wird, welche durch ein Paar stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters positionierter Drucksensoren geliefert werden. Sobald die Rußablagerung einen vorbestimmten Wert erreicht hat, kann die Regeneration des Filters ausgelöst werden. Die Filterregeneration wird durch Aufheizen des Filters auf eine Temperatur, bei welcher Rußpartikel schneller verbrannt werden als sich neue Rußpartikel ablagern, zum Beispiel bei 400–600°C, verwirklicht.
  • Die Erfinder dieser Anmeldung haben beim vorbekannten Vorgehen einen Nachteil erkannt. Insbesondere müssen zur Ermittlung des Differenzdrucks über dem Partikelfilter entweder zwei Absolutdrucksensoren oder ein Differenzdrucksensor mit zwei Drucklaschen in der Nähe des Filters angeordnet werden, was zu hohen Material- und Einbaukosten führt. Weiterhin setzt die Unterboden-Anordnung der Drucksensoren diese äußeren Wettereinflüssen aus, wie zum Beispiel Regen, Schnee, Schmutz und kalte Temperaturen, und kann daher deren Leistung herabsetzen. Diese Sensorbeeinträchtigung kann zu einer fehlerhaften Druckmessung führen, was wiederum entweder eine zu häufige oder zu seltene Partikelfilterregeneration verursachen kann. Eine zu häufige Regeneration (aufgrund eines irrtümlich hohen Werts) kann zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch führen, da unnötig Energie für das Anheben der Abgastemperaturen aufgewendet wird. Analog kann eine zu seltene Regeneration (aufgrund eines irrtümlich niedrigen Werts) zu beeinträchtigtem Fahrverhalten führen. Weiterhin kann eine herabgesetzte Sensorleistung zu fehlerhaften Ermittlungen, dass der Partikelfilter selbst in seiner Leistung herabgesetzt ist, führen, wodurch unnötige Kosten für einen Ersatzfilter verursacht werden.
    •
  • Zusammenfassung der Ausgestaltungen der Erfindung
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Nachteile der vorbekannten Vorgehensweisen durch ein Diagnosesystem für ein Schadstoffbegrenzungssystem, welches stromabwärts eines Verbrennungsmotors angekoppelt ist, überwunden, wobei das Schadstoffbegrenzungssystem mindestens einen Partikelfilter umfasst, das Diagnosesystem Folgendes umfasst: einen Sensor, welcher ein einen Abgasdruck stromaufwärts des Schadstoffbegrenzungssystems anzeigendes Signal liefert, sowie ein Computerspeichermedium mit einem darin kodierten Computerprogramm, welches umfasst: einen Code für das Schätzen eines Druckabfalls über dem Partikelfilter anhand von mindestens dem Sensorsignal.
  • In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Schadstoffbegrenzungssystem ferner einen stromaufwärts des Partikelfilters angekoppelten Oxidationskatalysator sowie einen stromabwärts des Partikelfilters angekoppelten Mager-NOx-Filter.
  • In einer noch weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Differenzdruck über dem Partikelfilter weiterhin anhand des Luftdrucks und eines Modells des Differenzdrucks über dem Oxidationskatalysator, dem Mager-NOx-Filter und dem Schalldämpfer geschätzt.
  • Auf diese Weise werden die Einbau- und Materialkosten durch Verwendung von nur einem Sensor gesenkt. Weiterhin kann der Sensor in dem Motorraum stromaufwärts des Schadstoffbegrenzungssystems angeordnet werden und ist daher vor ungünstigen Wetterbedingungen geschützt. Somit können eine verbesserte Systemzuverlässigkeit und Schadstoffbegrenzung sowie Kostensenkungen verwirklicht werden.
    •
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die hierin beschriebenen Vorteile gehen bei Lesen der Beispiele einer Ausführung, bei welcher die Erfindung vorteilhaft eingesetzt wird, unter Bezug auf die Zeichnungen besser hervor. Hierbei zeigen:
  • Die 1A und 1B schematische Diagramme eines Motors, bei welchem die Erfindung vorteilhaft eingesetzt wird; und
  • 2 ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Schadstoftbegrenzungssystems.
  • Beschreibung der Ausführung(en)
  • Ein Verbrennungsmotor 10, welcher mehrere Zylinder umfasst, wovon ein Zylinder in 1A gezeigt wird, wird durch eine elektronische Motorregelung 12 geregelt. Der Motor 10 umfasst einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin angeordneten Kolben 36, welcher mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Der Brennraum 30 wird jeweils über ein Einlassventil 52 und ein Ablassventil 54 mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Abgaskrümmer 48 verbunden gezeigt. Der Ansaugkrümmer 44 wird ferner mit einem mit diesem gekoppelten Einspritzventil 80 für das Zuführen von flüssigem Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW von der Regelung 12 gezeigt. Sowohl die durch das Signal FPW gesteuerte Kraftstoffmenge als auch der Einspritzzeitpunkt sind verstellbar. Der Kraftstoff wird durch ein (nicht abgebildetes) Kraftstoffsystem mit einem Kraftstofftank, einer Kraftstoffpumpe und einem Verteilerrohr dem Einspritzventil 80 zugeführt. In dem Motor 10 wird vorrangig eine Selbstzündungsverbrennung verwendet.
  • Die Regelung 12 wird in 1A als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104, einen Festspeicher (ROM) 106, einen Arbeitsspeicher (RAM) 108 und einen herkömmlichen Datenbus. Die Regelung 12 wird gezeigt, wie sie zusätzlich zu den bereits erwähnten Signalen verschiedene Signale von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren empfängt, darunter: Kühlmitteltemperatur (ECT) von dem mit dem Kühlmantel 114 gekoppelten Temperatursensor 112; eine Messung des Krümmerdrucks (MAP) von dem mit dem Ansaugkrümmer 44 gekoppelten Drucksensor 116; eine Messung (AT) der Krümmertemperatur von dem Temperaturmessfühler 117; ein Motordrehzahlsignal (RPM) von dem mit der Kurbelwelle 40 gekoppelten Drehzahlgeber 118. Ferner empfängt die Regelung 12 ein Signal von einem Sensor 19, welcher stromaufwärts des Schadstoffbegrenzungssystems 20 mit einem Abgaskrümmer gekoppelt ist und ein den Abgasdruck stromaufwärts des Schadstoffbegrenzungssystems anzeigendes Signal liefert. In diesem Beispiel ist der Sensor 19 ein Absolutdrucksensor.
  • Ein Schadstoffbegrenzungssystem 20 ist mit einem Abgaskrümmer 48 gekoppelt und eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Systems wird unter besonderem Bezug auf 2 beschrieben.
  • Unter Bezug nun auf 1B wird eine alternative Ausführung gezeigt, bei welcher der Motor 10 ein Direkteinspritzer ist, wobei das Einspritzventil 80 so angeordnet ist, dass es Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 spritzt. Der Kraftstoff wird durch ein (nicht abgebildetes) Kraftstoffsystem mit einem Kraftstofftank, einer Kraftstoffpumpe und einem Hochdruck-Common-Rail-System dem Einspritzventil 80 zugeführt.
  • In einem Beispiel ist der Motor 10 ein mit Diesel betriebener Motor, welcher mit Schichtladungsverbrennung bei Sauerstoffüberschussbedingungen läuft. Alternativ können Änderungen der Kraftstoffeinspritzzeien und mehrfache Kraftstoffeinspritzungen eingesetzt werden, um eine Selbstzündungsverbrennung mit homogener Ladung zu erhalten. Zwar wird ein Magerbetrieb eingesetzt, doch ist es auch möglich, die Motorbedingungen so zu ändern, dass ein Betrieb bei einem stöchiometrischen oder fetten Kraftstoff-/Luftverhältnis erhalten wird.
  • In einer anderen alternativen Ausführung kann über die Ansaug- und Abgaskrümmer ein Turbolader mit dem Motor 10 gekoppelt sein.
  • Unter Bezug nun auf 2 umfasst das Schadstoffbegrenzungssystem 20 einen Partikelfilter 14, welcher stromabwärts eines Oxidationskatalysators 13 angekoppelt ist. Ein Katalysator 15 ist stromabwärts des Partikelfilters 14 angekoppelt gezeigt. Der Katalysator 15 ist in diesem Beispiel ein Mager-NOx-Filter (LNT), ein NOx-absorbierender Katalysator, welcher NOx in einer sauerstoffreichen Umgebung speichert und gespeichertes NOx in einer sauerstoffarmen Umgebung freisetzt/reduziert. In einer (nicht abgebildeten) alternativen Ausführung kann der Katalysator 15 ein SCR-Katalysator (sogenannte Selective Catalytic Reduction) auf Harnstoffbasis sein. In einer (nicht abgebildeten) noch weiteren alternativen Ausführung kann der Katalysator 15 stromaufwärts statt stromabwärts des Partikelfilters angeordnet sein und kann ein LNT oder ein SCR-Katalysator sein.
  • Der Oxidationskatalysator 13 ist ein Edelmetallkatalysator, vorzugsweise ein platinhaltiger Katalysator, für eine schnelle Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxid (NO) in den Motorabgasen. Der Oxidationskatalysator wird auch zur Zufuhr von Wärme für ein schnelles Aufwärmen des Partikelfilters 14 genutzt, welches durch Anheben der HC-Konzentration in den in den Oxidationskatalysator eindringenden Abgase erfolgt, wobei eine exotherme Reaktion erzeugt wird, wenn das zusätzliche HC über dem Oxidationskatalysator reduziert wird. Dies kann zum Beispiel durch Zylindereinspritzung während eines Arbeits- oder Auspufftakts des Motors oder während beider (bei einem Direkteinspritzer) oder durch eine Reihe von anderen Alternativen, zum Beispiel Verzögern des Einspritzzeitpunkts, Erhöhen der AGR und Einlassdrosselung oder ein anderes dem Fachmann bekanntes Mittel zum Anheben der HC-Konzentration in dem Abgas verwirklicht werden. Alternativ können Kohlenwasserstoffe direkt in den in den Oxidationskatalysator strömenden Abgasstrom eingespritzt werden, wobei dem Fachmann bekannte Mittel eingesetzt werden.
  • Der Partikelfilter (PF), in einem Beispiel ein Dieselpartikelfilter (DPF) 14, ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 13 angekoppelt und dient zum Filtern von Partikeln (Ruß), welche während des Fahrzyklus des Fahrzeugs erzeugt werden. Der PF kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter Cordierit, Siliziumkarbid und anderen Hochtemperaturoxidkeramikmaterialien. Der PF sammelt Ruß durch einen Wandfilterprozess. Es ist möglich, die Rußmenge in dem PF durch Überwachen des Druckabfalls über diesem zu überwachen. Der Druckabfall besteht aus Schrumpfungs- und Ausdehnungsverlusten, Reibungsverlusten des Stroms entlang der Wände und Druckverlusten aufgrund des Stroms durch ein poröses Medium. Sobald die Rußablagerung einen vorbestimmten Wert erreicht hat, kann die Regeneration des Filters ausgelöst werden. Die Filterregeneration wird durch Aufheizen des Filters auf eine Temperatur, bei welcher Rußpartikel schneller verbrannt werden als sich neue Rußpartikel ablagern, zum Beispiel bei 400–600°C, verwirklicht.
  • Die Erfinder dieser Anmeldung haben erkannt, dass der Druckabfall über dem Partikelfilter anhand einer Messung eines Abgasdrucks stromaufwärts des Schadstoffbegrenzungssystems 20, welche durch den Absolutdrucksensor 19 geliefert wird, geschätzt werden kann. Diese Messung Pabsolut gibt die Summe des Luftdrucks Patm und von ΔPtotal wieder: Pabsolut – Patm + ΔPtotal wobei die Luftdruckmessung Patm unabhängig ermittelt werden kann, zum Beispiel anhand eines MAP-Sensorswerts während des Fahrzeuganlassens, und ΔPtotal der kumulative Druckabfall über allen Vorrichtungen ist (wie zum Beispiel Oxidationsfilter, Partikelfilter, LNT und Schalldämpfer), die Teil des Schadstoffbegrenzungssystems 20 sind: ΔPtotal – ΔPox_kat + ΔPPF + ΔPLNT + ΔPSchalldämpfer
  • Da mit Ausnahme des Partikelfilters keine der Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen im Laufe der Zeit ihre Druckeigenschaften ändert, kann der Druckabfall über diesen Vorrichtungen als Funktion eines Volumenstroms (F) gemäß folgender Gleichung modelliert werden: ΔPVorrichtung = C0_Vorrichtung + C1_Vorrichtung·F + c2_Vorrichtung·F
  • Alternativ kann ein dem Fachmann bekanntes anderes Modell zum Modellieren des Druckabfalls über der Vorrichtung verwendet werden. Der Differenzdruckabfall über dem Partikelfilter kann wie folgt ausgedrückt werden: ΔPPF = Pabsolut – Patm – ΔPox_kat + ΔPLNT – ΔPSchalldämpfer
  • Daher ist es erfindungsgemäß möglich, eine direkte Differenzdruckmessung über dem Partikelfilter zu eliminieren. Stattdessen kann der Differenzdruck über dem Partikelfilter als Differenz zwischen einer Absolutdruckmessung stromaufwärts der ersten Schadstoffbegrenzungsvorrichtung in dem Schadstoffbegrenzungssystem, dem barometrischen Druck und einer Schätzung des Druckabfalls über dem Rest der Vorrichtungen in dem Schadstoffbegrenzungssystem geschätzt werden.
  • Dies schließt die Beschreibung der Erfindung ab. Bei Durchlesen werden einem Fachmann viele Änderungen und Abwandlungen einfallen, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäss soll der Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert sein.

Claims (24)

  1. Diagnosesystem mit: einem Schadstoffbegrenzungssystem, welches mindestens einen Partikelfilter umfasst, wobei das Schadstoffbegrenzungssystem stromabwärts eines Verbrennungsmotors angekoppelt ist; einem Sensor, welcher ein einen Abgasdruck stromaufwärts des Schadstoffbegrenzungssystems anzeigendes Signal liefert, und einem Computerspeichermedium mit einem darin kodierten Computerprogramm, welches umfasst: einen Code für das Schätzen eines Druckabfalls über dem Partikelfilter anhand von mindestens dem Sensorsignal.
  2. Diagnosesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.
  3. Diagnosesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Absolutdrucksensor ist.
  4. Diagnosesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schadstoffbegrenzungssystem weiterhin einen stromaufwärts des Partikelfilters angekoppelten Oxidationskatalysator umfasst.
  5. Diagnosesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schadstoffbegrenzungssystem weiterhin eine Vorrichtung zur NOx-Nachbehandlung umfasst.
  6. Diagnosesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur NOx-Nachbehandlung ein Mager-NOx-Filter (LNT) ist.
  7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der LNT stromabwärts des Partikelfilters angekoppelt ist.
  8. Diagnosesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der LNT stromaufwärts des Partikelfilters angekoppelt ist.
  9. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur NOx-Nachbehandlung ein SCR-Katalysator auf Harnstoffbasis ist.
  10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerspeichermedium weiterhin einen Code für das Liefern eines Hinweises, dass anhand des geschätzten Druckabfalls über dem Partikelfilter die Partikelfilterregeneration nötig ist, umfasst.
  11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen des Druckabfalls über dem Filter weiterhin auf einem Luftdruck beruht.
  12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen des Druckabfalls über dem Filter weiterhin auf einem Modell eines Druckabfalls über dem Oxidationskatalysator beruht.
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen des Druckabfalls über dem Filter weiterhin auf einem Modell eines Druckabfalls über dem Mager-NOx-Filter beruht.
  14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen des Druckabfalls über dem Filter weiterhin auf einem Modell eines Druckabfalls über einem Schalldämpfer beruht.
  15. Diagnoseverfahren für ein stromabwärts eines Verbrennungsmotors angekoppeltes Abgasnachbehandlungssystem, welches mindestens einen Partikelfilter umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Messen eines Abgasdrucks stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems und Schätzen eines Druckabfalls über dem Partikelfilter anhand mindestens des gemessenen stromaufwärtigen Abgasdrucks.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Dieselmotor ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem weiterhin einen stromaufwärts des Partikelfilters angekoppelten Oxidationskatalysator umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schadstoffbegrenzungssystem weiterhin eine NOx-Nachbehandlungsvorrichtung umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen weiterhin auf einem Luftdruck beruht.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen weiterhin auf einem Luftmassenstrom beruht.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen weiterhin auf einem Druckabfall über dem Oxidationskatalysator beruht.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen weiterhin auf einem Druckabfall über dem Mager-NOx-Filter beruht.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzen weiterhin auf einem Druckabfall über einem Schalldämpfer beruht.
  24. Schadstoffbegrenzungssystem für einen Dieselmotor mit: einem stromabwärts des Motors angekoppelten Oxidationskatalysator einem stromabwärts des Oxidationskatalysators angekoppelten Partikelfilter; einem stromabwärts des Partikelfilters angekoppelten Mager-NOx-Filter und einem Computer, welcher anhand mindestens einer Messung eines Abgasdrucks stromaufwärts des Oxidationskatalysators einen Hinweis liefert, dass eine Partikelfilterregeneration erforderlich ist, wobei der Computer weiterhin den Partikelfilter als Reaktion auf den Hinweis regeneriert.
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