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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rußbeladung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselpartikelfilters eines Dieselmotors, wobei eine im Partikelfilter akkumulierte Aschemenge sowie aus einer Druckdifferenz über den Partikelfilter ein Beladungswert für eine Rußbeladung des Partikelfilters bestimmt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Abgase von Dieselmotoren enthalten sowohl gasförmige Schadstoffe, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxyde (NOx) und Kohlenmonoxid (CO), als auch feststoffförmige Schadstoffe, die in der Hauptsache Rußpartikel umfassen. Der Ausstoß von Rußpartikeln soll jedoch soweit wie möglich reduziert bzw. vollständig eliminiert werden. Hierzu ist eine Nachbehandlung des Abgases in einer Abgasnachbehandlungsanlage des Dieselmotors mit einem Partikelfilter notwendig. Ein derartiger Filter wird in die Abgasanlage des Motors eingebaut und enthält Filterelemente aus porösem Keramikmaterial, die von dem Rußpartikel enthaltenen Abgas durchströmt werden. Die Filterelemente halten dabei die in dem Abgas enthaltenen Rußpartikel zurück. Im Verlauf des Motorbetriebs füllen sich diese Filterelemente mit Rußpartikeln, so dass sie schließlich verstopfen. Diese Verstopfung wird dadurch gelöst, dass die auf den Filterelementen angesammelten Rußpartikeln beim Betrieb des Motors verbrannt werden, was als Regenerierung bezeichnet wird. In Anwesenheit von Sauerstoff verbrennen diese Rußpartikel bei Temperaturen in der Größenordnung von 550°C bis 600°C.
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Der Rußbeladungszustand eines Dieselpartikelfilters (DPF) wird im Motorsteuergerät über die Bestimmung des Strömungswiderstandes durch Messung der thermodynamischen Zustandsgrößen im Dieselpartikelfilter (Abgasmassenstrom, Abgastemperatur, Abgasdruck, Druckverlust über DPF) ermittelt. Über die Lebensdauer des Dieselpartikelfilters lagert sich Asche aus dem Kraftstoffadditiv und dem Motoröl im Dieselpartikelfilter ab. Diese Ascheablagerungen beeinflussen den Strömungswiderstand des Dieselpartikelfilters und erschweren daher die Bestimmung des tatsächlichen Rußbeladungszustandes erheblich. Das Hauptproblem ist dabei, dass die Dichte der Asche und das Ablagerungsprofil, d. h. die Verteilung der Asche im Dieselpartikelfilter, in Abhängigkeit von der ”Geschichte” des Dieselpartikelfilters (Fahrprofil, Temperaturen etc.) stark variieren kann. Eine Vorhersage des Einflusses der Ascheablagerungen auf den Strömungswiderstand des Dieselpartikelfilters ist daher mit Hilfe herkömmlicher Modelle nicht möglich.
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Aus der
EP 1 387 051 A1 ist es bekannt, die Beladung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine mit nicht regenerierbaren Bestandteilen, wie beispielsweise anorganischen Stoffen in Form von Asche (Sulfatasche), zu ermitteln, wobei der Partikelfilter in Abhängigkeit von ermittelten Aschebeladungszuständen gewartet oder gewechselt wird. Weiterhin ist es aus der
EP 1 387 051 A1 bekannt, dass für eine zuverlässige und genaue Ermittlung der Rußbeladung aus dem Abgasgegendruck die Aschebeladung bekannt sein muss. Hierzu wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Bestimmung der Rußbeladung des Partikelfilters über einen gemessenen Abgasgegendruckes mit dem Wert für die Aschebeladung zu korrigieren. Die Aschebeladung des Partikelfilters wird beispielsweise über eine Auswertung von Kenngrößen des Schmieröls der Brennkraftmaschine ermittelt. Es wird vorgeschlagen, aus dem Schmierölverbrauch mittels einer Mengenbilanz eine Ermittlung der Aschebeladung des Partikelfilters abzuleiten. Alternativ oder in Ergänzung zur Schmierölauswertung wird vorgeschlagen, über eine Auswertung der aufsummierten, verschiedenen Betriebszustände und Betriebsdauern der Brennkraftmaschine die Aschebeladung des Partikelfilters zu ermitteln.
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Aus der
DE 102 52 732 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer einen Partikelfilter aufweisenden Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei wenigstens eine für den Beladungszustand des Partikelfilters charakteristische Größe aus Betriebskenngrößen des Partikelfilters ermittelt wird. Zum Erreichen einer erhöhten Genauigkeit bei der Beladungsbestimmung des Partikelfilters ist es vorgesehen, dass die räumliche Verteilung von Abgaspartikeln im Wesentlichen in Längsrichtung des Partikelfilters modelliert und mittels der modellierten räumlichen Verteilung der Abgaspartikel eine Korrektur der charakteristischen Größe durchgeführt wird.
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Aus der
DE 102 23 427 A1 ist ein Verfahren zum Regenerieren eines verstopften Diesel-Partikelfilters bekannt, wobei nach einer Regenerierung des Diesel-Partikelfilters ein auf den Abgasvolumenstrom bezogener Druck vor dem Diesel-Partikelfilter gemessen wird. Unter der Annahme, dass unmittelbar nach der Regeneration die Rußbeladung des Diesel-Partikelfilters im Wesentlichen null beträgt, ist diese unmittelbar nach einer Regenerierung gemessene ”Abgasdruckgröße” ein Maß für die im Diesel-Partikelfilter abgelagerte Aschemenge. Aus dem ”Gesamtströmungswiderstand” und dem durch die Aschemenge hervorgerufenen Strömungswiderstand kann dann für die nächste Regenerierung der durch Ruß hervorgerufene Strömungswiderstand bzw. die Rußmenge berechnet werden.
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Aus der
EP 1 467 071 A1 ist eine Motorabgasreinigungsvorrichtung bekannt, in der ein Filter zum Zurückhalten von in dem Abgas vorhandenen Partikeln enthalten ist. Ein Differenzdrucksensor bestimmt einen Differenzdruck über den Filter. Es wird aus dem Differenzdruck eine geschätzte Aschemenge berechnet. Aus einem Betriebszustand des Motors wird ein Ölverbrauch berechnet. Aus der verbrauchten Ölmenge und der Aschemenge wird eine Aschedichte berechnet. Aus der geschätzten Aschemenge und der Aschedichte wird eine Aschemenge des Filters berechnet.
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Im Dokument Gaiser, G. und Mucha, P. „Prediction of Pressure Drop in Diesel Particulate Filters Considering Ash Deposit and Partial Regenerations”, SAE Technical Paper 2004-01-0158, 2004, ist ein Modell zur Berechnung des Druckabfalls aufgrund Ruß- und Ascheablagerung in Dieselpartikelfiltern beschrieben, welches Einflüsse der Art der Ablagerung und der teilweisen Regeneration des Diselpartikelfilters einbezieht. Das Modell kann zur Auslegung von Dieselpartikelfiltern herangezogen werden, indem der Druckabfall bei einer gegebenen Laufleistung bestimmt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kompensation von Ascheeinflüssen auf den Druckabfall über einen Partikelfilter zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen, insbesondere für einen Dieselpartikelfilter eines Dieselmotors, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Änderung der Druckdifferenz über den Partikelfilteraufgrund der im Partikelfilter akkumulierten Aschemenge aus einem Modell für den Fall bestimmt wird, dass die im Partikelfilter akkumulierte Asche in einem derartigen Ablagerungszustand im Partikelfilter abgelagert ist, bei dem sich eine maximale Erhöhung der Druckdifferenz über den Partikelfilter aufgrund der akkumulierten Asche ergibt, dass ein Korrekturwert für den Beladungswert derart bestimmt und aus dem Korrekturwert und dem Beladungswert ein korrigierter Beladungswert derart berechnet wird, dass die zuvor aus dem Modell bestimmte Erhöhung der Druckdifferenz über den Partikelfilter aufgrund der akkumulierten Asche auf die Druckdifferenz über den Partikelfilter kompensiert wird, und dass für den Fall eines sich aus Beladungswert und Korrekturwert ergebenden negativen Wertes für den korrigierten Beladungswert ein Adaptionswert derart bestimmt und aus dem korrigierten Beladungswert und dem Adaptionswert ein adaptierter Beladungszustand derart berechnet wird, dass der adaptierte Beladungszustand null ist, wobei für alle folgenden Bestimmungen der Rußbeladung der Adaptionswert solange unverändert weiter verwendet wird, bis sich erneut ein negativer korrigierter Beladungswert ergibt.
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Dies hat den Vorteil, dass eine autoadaptive, d. h. selbstanpassende Kompensation des Einflusses von Ascheablagerungen im Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikefilter, auf die Ermittlung des Rußbeladungszustandes zur Verfügung steht, so dass eine genaue Bestimmung des tatsächlichen Rußbeladungszustandes im Partikelfilter trotz Ascheablagerungen in diesem möglich ist. Dies verbessert die Regeneration und hat Kraftstoffeinsparungen zur Folge. Es steht ein stabiler autoadaptiver (selbstlernender) Korrekturmechanismus des Einflusses von Ascheablagerungen auf das Strömungsverhalten des Partikelfilters zur Verfügung, der die Einflüsse der unterschiedlichen Ablagerungsarten der Asche im Partikelfilter berücksichtigt.
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In vorteilhafter Weise wird die akkumulierte Aschemenge aus einem kumulativen Kraftstoffverbrauch und/oder Ölverbrauch berechnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Druckdifferenz dpsim_leer über einen rußleeren sowie eine Druckdifferenz dpsim_voll über einen rußbeladenen Partikelfilter im aschefreien Zustand aus gemessenen thermodynamischen Eingangsgrößen des Partikelfilters in einer Simulation mit einem Partikelfilterbeladungsmodell bestimmt, eine tatsächlicher Druckdifferenz dpmess über den Partikelfilter gemessen und der Beladungswert B0 für die Rußbeladung des Partikelfilters gemäß der Formel B0 = 100· dpmess – dpsim_leer / dpsim_voll – dpsim_leer% berechnet. Hierbei werden als thermodynamische Eingangsgrößen beispielsweise Messwerte für einen Abgasmassenstrom eine Abgastemperatur und einen Abgasdruck verwendet.
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Zweckmäßigerweise wird der korrigierte Beladungswert als Summe aus Beladungswert und Korrekturwert mit negativem Vorzeichen und der adaptierte Beladungszustand als Summe aus korrigiertem Beladungswert und Adaptionswert berechnet.
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Als der Ablagerungszustand der Asche im Partikelfilter, bei dem sich eine maximale Erhöhung der Druckdifferenz über den Partikelfilter ergibt, wird eine homogen verteilte Ascheablagerung auf Kanalwandoberflächen des Partikelfilters gewählt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
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1a eine graphische Darstellung der Rußbeladung über die Filterlaufzeit,
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1b eine graphische Darstellung des Verlaufes einer Simulation und Adaption des Ascheeintrags über die Filterlaufzeit,
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2 eine graphische Darstellung des Druckabfalls über einen rußleeren Partikelfilter in Abhängigkeit von der Aschemasse auf dem Partikelfolter für verschiedene Ablagerungszustände der Asche und
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3 eine graphische Darstellung eines nicht korrigierten Rußbeladungskoeffizienten bei rußleerem Partikelfilter in Abhängigkeit von der Aschemasse auf dem Partikelfilter.
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Der Rußbeladungszustand eines Partikelfilters wird im Motorsteuergerät über die Bestimmung des Strömungswiderstandes durch Messung von thermodynamischen Zustandsgrößen im Filter, wie beispielsweise Abgasmassenstrom, Abgastemperatur, Abgasdruck, Druckverlust über Partikelfilter, ermittelt. Über die Lebensdauer des Partikelfilter lagert sich Asche aus dem Kraftstoffadditiv und dem Motoröl im Partikelfilter ab. Diese Ascheablagerungen beeinflussen den Strömungswiderstand des Partikelfilters und erschweren daher die Bestimmung des Rußbeladungszustandes erheblich. Das Hauptproblem ist dabei, dass die Dichte der Asche und das Ablagerungsprofil, d. h. die Verteilung der Asche im Partikelfilter, in Abhängigkeit von der ”Vorgeschichte” des Partikelfilters (Fahrprofil, Temperaturen etc.) stark variieren kann. Eine Vorhersage des Einflusses der Ascheablagerungen auf den Strömungswiderstand des Partikelfilters ist daher mit Hilfe herkömmlicher Modelle nicht möglich.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren mit autoadaptivem Modell zur Korrektur des Einflusses von Ascheablagerungen bei der Bestimmung der Rußbeladung in einem Partikelfilter, beispielsweise einem Diesel-Partikelfilter (DPF), unter Bezugnahem auf die 1a, 1b, 2 und 3 näher beschrieben. In 1a ist auf der vertikalen Achse 10 eine Rußbeladung in % und auf der horizontalen Achse 12 eine Filterlaufzeit aufgetragen. Ein Graph 14 veranschaulicht den Verlauf der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Teilschritt bestimmten Rußbeladung 10 (korrigierter Beladungswert) über die Filterlaufzeit 12. Mit 16 sind Stellen gekennzeichnet, an denen die bestimmte bzw. berechnete Rußbeladung negative Werte hat. In 1b ist auf der vertikalen Achse 18 ein Beladungsäquivalent der Asche in % und auf der horizontalen Achse 12 wiederum eine Filterlaufzeit aufgetragen. Ein Graph 20 veranschaulicht den Verlauf des Beladungsäquivalents gemäß einer Simulation des Ascheeintrags. Ein Graph 22 veranschaulicht den Verlauf des Beladungsäquivalents gemäß Simulation und Adaption des Ascheeintrags. Ein Graph 24 veranschaulicht den Verlauf des Beladungsäquivalents gemäß realem Ascheeintrag. In 2 ist auf der horizontalen Achse 26 eine im Partikelfilter abgelagerte Aschemasse und auf der vertikalen Achse 28 ein Druckverlust bzw. eine Druckdifferenz über den Partikelfilter in hPa aufgetragen. Ein Graph 30 veranschaulicht den Verlauf des Druckverlustes 28 über die Aschemasse 26 im Partikelfilter für den Grenzfall einer homogenen Verteilung der Asche im Partikelfilter. Ein Graph 32 veranschaulicht den Verlauf des Druckverlustes 28 über die Aschemasse 26 im Partikelfilter für den Grenzfall einer Stopfenbildung durch die Asche an Kanalenden im Partikelfilter. Ein Graph 34 veranschaulicht den Verlauf des Druckverlustes 28 über die Aschemasse 26 im Partikelfilter für den Realfall einer Mischablagerung der Asche im Partikelfilter gemäß der vorgenannten Grenzfälle. In 3 ist auf der horizontalen Achse 26 wiederum eine im Partikelfilter abgelagerte Aschemasse und auf der vertikalen Achse 36 ein nicht korrigierter Beladungskoeffizient aufgetragen. Ein Graph 38 veranschaulicht den Verlauf des Beladungskoeffizienten 36 über die Aschemasse 26 im Partikelfilter für den Grenzfall einer homogenen Verteilung der Asche im Partikelfilter. Ein Graph 40 veranschaulicht den Verlauf des Beladungskoeffizient 36 über die Aschemasse 26 im Partikelfilter für den Grenzfall einer Stopfenbildung durch die Asche an Kanalenden im Partikelfilter. Ein Graph 42 veranschaulicht den Verlauf des Beladungskoeffizient 36 über die Aschemasse 26 im Partikelfilter für den Realfall einer Mischablagerung der Asche im Partikelfilter gemäß der vorgenannten Grenzfälle.
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Die Steuerung der zyklisch notwendigen thermischen Regenerationen des Partikelfiltersystems erfolgt maßgeblich durch ein Partikelfilter-Rußbeladungsmodell, das aus dem Strömungswiderstand des Partikelfilters abgeleitet wird. Zur Bestimmung des Partikelfilter-Strömungswiderstandes werden die Zustandsgrößen des Abgases (Abgasmassenstrom, Abgastemperatur, Abgasdruck) durch Sensoren erfasst und in einem Modell weiterverarbeitet, das alle relevanten thermo- und aerodynamischen Einflüsse berücksichtigt.
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Das Kernstück dieses Modells ist eine Berechnung des Differenzdruck sowohl vom definiert beladenen als auch vom unbeladenen Partikelfilter auf Basis der dimensionslosen Ähnlichkeitszahlen von Euler und Reynolds. Der aktuell gemessene Differenzdruck wird zu diesen Werten in Relation gesetzt und definiert so die aktuelle Rußbeladung in Prozent. Das Rußbeladungsmodell wird durch eine Überwachung der Betriebszeit, des Kraftstoffverbrauchs und der gefahrenen Strecke plausibilisiert. Den Lebensdauereinflüssen infolge des Ascheeintrags in den Partikelfilter wird durch ein adaptives Kompensationsmodell Rechnung getragen. Der Mechanismus der Aschedeposition im Filter kann durch zwei Grenzfälle beschrieben werden, die sehr unterschiedlich zur Druckverlustzunahme beitragen. Partikelfilter im Niedrig- und Mittellastbetrieb, deren Russbeladungen zyklisch thermisch regeneriert werden, weisen nach einer gewissen Laufzeit Aschestopfen im hinteren Bereich der Kanäle auf (Graphen 32 und 40 in 2 und 3). Das andere Extrem, das erheblich stärker zum Druckverlust beiträgt, tritt auf, wenn der Filter durch sehr hochlastigen Betrieb über lange Strecken rußfrei gehalten wird. In diesem Fall ist eine homogene Ascheablagerung auf der Kanalwand über die gesamte Länge des Filters zu beobachten (Graphen 30 und 38 in 2 und 3). Die Mehrzahl der Filter im ”normalen Fahrbetrieb” weist eine Mischform der beschriebenen Phänomene auf (Graphen 34 und 42 in 2 und 3). Das erfindungsgemäße adaptive Kompensationsmodell nimmt den negativsten Fall der Druckverlustzunahme durch Asche an und korrigiert bei Bedarf diese Annahme nach einer Rußregeneration. Durch diese Funktion wird auch bei hohen Filterlaufzeiten die maximale Fahrstrecke zwischen zwei Filterregenerationen gewährleiste.
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Nachfolgend wird das Partikelfilterbeladungsmodell näher erläutert. Auf der Grundlage der Ähnlichkeitskennzahlen aero- bzw. hydrodynamischer Strömungen von Euler und Reynolds wird in Abhängigkeit der thermodynamischen Eingangsgrößen (Abgasmassenstrom, Abgastemperatur und Abgasdruck) der Druckverlust eines rußleeren und eines rußbeladenen Filters im Neuzustand, d. h. im unveraschten Zustand, simuliert. Die charakteristischen Strömungseigenschaften des unveraschten Filters werden dabei empirisch ermittelt. Der im Fahrzeug tatsächlich gemessene Druckverlust dpmess wird mit den simulierten Druckverlusten für das rußleere und rußbeladene Filter (dpsimleer, dpsimvoll) in Beziehung gesetzt. Der sich ergebende Beladungsquotient B0 korreliert mit dem Rußbeladungszustand des Partikelfilters. B0 = 100· dpmess – dpsim_leer / dpsim_voll – dpsim_leer%
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Aus der Verbrennung des Kraftstoffs und des Motoröls resultieren Aschen, die sich als chemische Endprodukte im Partikelfilter ablagern. Diese Ascheablagerungen beeinflussen den Strömungswiderstand des Partikelfilters über die Lebensdauer maßgeblich. Eine zuverlässige Korrektur der bedingten Änderungen der Strömungseigenschaften des Partikelfilters ist daher notwendige Grundlage für die genaue Bestimmung des Rußbeladungszustandes des Partikelfilters. Das Hauptproblem ist dabei, dass die Dichte der Asche und das Ablagerungsprofil, d. h. die Verteilung der Asche im Partikelfilter, in Abhängigkeit von der ”Vorgeschichte” des Partikelfilters (Fahrprofil, Temperaturen etc.) stark variieren kann Die Kenntnis der Masse der auf dem Filter akkumulierten Asche, die z. B. aus einer einfachen Integration des Kraftstoff- bzw. Ölverbrauchs abgeleitet werden kann, ist somit keine hinreichende Eingangsgröße zur Charakterisierung des Ascheeinflusses.
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Die Aschedeposition lässt sich durch zwei Grenzfälle charakterisieren: In dem ersten Grenzfall führt eine Stopfenbildung am Kanalende des Partikelfilters zu minimaler Zunahme des Druckverlustes bzw. Strömungswiderstandes (Graphen 32 und 40 der 2 und 3). In dem zweiten Grenzfall führt eine homogen verteilte Ascheablagerung auf den Kanalwandoberflächen des Partikelfilters zu maximaler Zunahme des Druckverlustes bzw. Strömungswiderstandes (Graphen 30 und 38 der 2 und 3). Die Mehrzahl der Filter weist im ”normalen Fahrbetrieb” eine Mischform der beschriebenen Grenzfälle auf. Um diesen beschriebenen unterschiedlichen Einflüssen der Ascheablagerung gerecht werden zu können, wird erfindungsgemäß ein selbstlernender Adaptionsmechanismus vorgeschlagen.
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Der selbstlernende Adaptionsmechanismus basiert auf einer einseitigen Adaption. Es wird zunächst der ungünstigste Fall für die Differenzdruck- bzw. Strömungswiderstandänderung (Grenzfall: homogene Verteilung der Asche, gemäß Graphen 30 und 38 in 2 und 3) in Abhängigkeit der im Partikelfilter eingelagerten Aschemasse simuliert (1b, Graph 20). Die Aschemasse als Modelleingangsgröße wird dabei beispielsweise im Motorsteuergerät in Abhängigkeit des kumulativen Kraftstoff- und Ölverbrauchs berechnet. Verwendet man diesen ungünstigsten Grenzfall (Graphen 30 und 38 in 2 und 3) zur Korrektur des Rußbeladungswertes, erfolgt also meist eine Überkompensation des Ascheeinflusses. Das würde bedeuten, dass für den rußleeren Filter negative Beladungswerte berechnet werden (Stellen 16 in 1a). Falls im Motorsteuergerät auf der Grundlage der aktuellen Aschekorrektur negative Beladungswerte erkannt werden (z. B. nach einer Regenerationsphase, siehe 1a, Stellen 16 von Graph 14), wird der simulierte Aschekorrekturwert mit einem Adaptionswert überlagert (siehe 1b, Graph 22). Der Adaptionswert berechnet sich dabei gerade so, dass sich der korrigierte Beladungswert im Ergebnis (unkorrigierter Wert + simulierte Korrektur (ungünstigster Grenzfall) + Adaptionswert) zu Null ergibt. (siehe 1a, Graph 20). Damit ergibt sich ein stabiler, autoadaptiver Korrekturmechanismus des Ascheeinflusses auf das Strömungsverhalten des Partikelfilters, der den Einflüssen der unterschiedlichen Depositionsarten (Stopfenbildung, homogene Verteilung) Rechnung trägt.
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Erfindungsgemäß steht somit ein autoadaptives Korrekturmodell mit einem selbstlernenden Algorithmus zur Verfügung, welcher die in einem Datenfeld gespeicherte Prognose an das tatsächliche Strömungsverhalten des Partikelfilters anpasst.
