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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) in einem Abgasrohr, und sie bezieht sich insbesondere auf das Abgasreinigungsgerät, mit dem ein Überhitzen des Dieselpartikelfilters während dessen Regenerationsbetrieb verhindert wird.
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Ein Abgasreinigungsgerät, in dem Abgas von einer Kraftmaschine durch einen Katalysator oder einen Filter so behandelt wird, dass eine Emission von in Hinsicht auf den Umweltschutz schädlichen Komponenten unterdrückt wird, hat an Bedeutung gewonnen. Beispielsweise ist im Stand der Technik ein Abgasreinigungsgerät bekannt, in dem ein Dieselpartikelfilter (DPF) in einem Abgasrohr einer Kraftmaschine vorgesehen ist, um die von der Kraftmaschine emittierten Partikel zu fangen. Der Dieselpartikelfilter wird regeneriert, indem die angesammelten Dieselpartikel auf Grundlage der Menge von angesammelten Dieselpartikeln, die aus einem Differentialdruck an dem Dieselpartikelfilter abgeschätzt werden kann, periodisch abgebrannt werden.
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In einem solchen Abgasreinigungsgerät wurde ein Überhitzen des Dieselpartikelfilters zum Problem. Das Überhitzen des Dieselpartikelfilters kann sich aus einer schnellen Verbrennung der in dem Dieselpartikelfilter angesammelten Dieselpartikel ergeben und es kann ein Problem verursachen, dass in Folge der schnellen Temperaturzunahme des Dieselpartikelfilters ein Schaden an dem Dieselpartikelfilter oder eine Verschlechterung des an dem Dieselpartikelfilter getragenen Katalysators auftreten kann. Das Überhitzen des Dieselpartikelfilters tritt mit hoher Wahrscheinlichkeit dann ein, wenn die Temperatur des in den Dieselpartikelfilter einströmenden Abgases während einem Hochlastbetrieb der Kraftmaschine hoch ist, oder wenn die Temperatur des Dieselpartikelfilters durch einen Temperaturerhöhungsbetrieb des Dieselpartikelfilters für dessen Regenerationsbetrieb extrem erhöht wird. Wie in 6 gezeigt ist, ist es bekannt, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit der Dieselpartikel exponentiell zunimmt, wenn die Temperatur des Dieselpartikelfilters höher wird. Dementsprechend ist es nötig, die Temperatur des Dieselpartikelfilters auf einen Wert zu unterdrücken, der niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (bspw. 600°C) ist, um das Überhitzen des Dieselpartikelfilters zu vermeiden.
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Es ist jedoch nicht möglich, die Temperaturen an einer Innenseite des Dieselpartikelfilters direkt durch einen Temperatursensor zu erfassen. Temperaturen an einer Vorderseite und einer Rückseite des Dieselpartikelfilters können erfasst werden, wenn an der Vorderseite und der Rückseite des Dieselpartikelfilters Temperatursensoren vorgesehen sind. Jedoch findet die Wärmeerzeugung in Folge der Verbrennung der Dieselpartikel und der in dem Abgas enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) im Inneren des Dieselpartikelfilters statt und außerdem ist in Folge einer Wärmekapazität des Dieselpartikelfilters zwischen der Wärmeerzeugung im Inneren des Dieselpartikelfilters und einer durch die Wärmeerzeugung verursachten und an der Rückseite des Dieselpartikelfilters auftretenden Temperaturänderung eine große zeitliche Verzögerung vorhanden (siehe 3A). Es ist daher nötig, mit einer hohen Genauigkeit die Temperatur im Inneren des Dieselpartikelfilters abzuschätzen, da die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur nicht einfach als die Temperatur des Dieselpartikelfilters angenommen werden kann, wie dies vorstehend erläutert ist.
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2003 254 038 A offenbart ein Abgasreinigungsgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und somit ein Verfahren zum Abschätzen der Dieselpartikelfiltertemperatur, gemäß dem der Dieselpartikelfilter in einem konzentrierten Parametersystem behandelt wird, und ein Wärmeplan (Wärmeübertragung mit dem Abgas, Wärmeerzeugungsleistung durch die Dieselpartikel, Wärmeerzeugungsleistung durch die Kohlenwasserstoffe usw.) des gesamten Dieselpartikelfilters berechnet wird, um die Temperatur abzuschätzen.
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Der aus Keramiken als Grundmaterial gefertigte Dieselpartikelfilter ha die Eigenschaft, dass die Wärmeleitfähigkeit gering ist, und dass es wahrscheinlich ist, dass ein Wärmepunkt auftritt, an dem die Temperatur eines Teils des Dieselpartikelfilters lokal erhöht ist. In dem Fall, dass die Temperatur des Zentralabschnitts des Dieselpartikelfilters in Folge der Verbrennung der in einem solchen Abschnitt angesammelten Dieselpartikel schnell zunimmt, tritt zu einem Zeitpunkt A aus 3A eine große Temperaturdifferenz auf. In diesem Fall sind die Temperatur an den anderen Abschnitten, die sich von dem Zentralabschnitt unterscheiden, niedriger als die des Zentralabschnitts, wie dies durch eine durchgezogene Linie in 3B gezeigt ist. Die lokal erhöhten Temperaturen werden jedoch mit den anderen niedrigeren Temperaturen gemittelt, und daher ist es nicht möglich, eine Temperatur des Dieselpartikelfilters durch das herkömmliche Verfahren, in dem der Dieselpartikelfilter als das konzentrierte Parametersystem behandelt wird, präzise abzuschätzen, wie in 3B gezeigt ist.
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Ein weiteres Abgasreinigungsgerät sowie zugehöriges Verfahren sind in
DE 694 22 833 T2 offenbart.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Hinsicht auf die vorher mit Bezug auf den gattungsgemäßen Stand der Technik genannten Probleme getätigt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Abgasreinigungsgerät zu schaffen, in dem eine Temperatur eines Inneren des Dieselpartikelfilters an einer Vielzahl von Punkten präzise abgeschätzt werden kann und eine maximale Temperatur unter den abgeschätzten Temperaturen bei der Vielzahl von Punkten so gesteuert wird, dass sie niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, so dass eine Überhitzung des Dieselpartikelfilters verhindert werden kann.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die Temperaturen des Dieselpartikelfilters im Vorfeld an einer Vielzahl von Temperaturabschätzpunkten abgeschätzt und seine maximale Temperatur wird so gesteuert, dass sie niedriger als sein vorbestimmter Wert ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine repräsentative Temperatur des Dieselpartikelfilters aus der Vielzahl von an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten abgeschätzten Temperaturen berechnet und die repräsentative Temperatur wird so gesteuert, dass sie niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die Temperaturen an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten auf Grundlage einer an einer vorderen oder einer hinteren Seite des Dieselpartikelfilters erfassten Temperatur korrigiert, so dass die Temperatur des Dieselpartikelfilters noch präziser abgeschätzt werden kann.
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Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die Temperaturen der jeweiligen Temperaturabschätzpunkte aus der Abgasinformation, etwa einer Menge und einer Temperatur des in den Dieselpartikelfilter einströmenden Abgases und aus der internen Information, etwa einer abgeschätzten Menge der in dem Dieselpartikelfilter angesammelten Dieselpartikel abgeschätzt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Dieselpartikelfilter hypothetisch in eine Vielzahl von Zellen in einer Gasströmungsrichtung unterteilt und ein Wärmeplan für die jeweiligen Zellen wird so berechnet, dass die Temperaturen an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten abgeschätzt werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Temperaturabschätzpunkte in einer vorderen Hälfte des Dieselpartikelfilters größer als in einer hinteren Hälfte des Dieselpartikelfilters festgelegt.
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Die vorher genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung ersichtlicher, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben ist.
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In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Ansicht, die ein Abgasreinigungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 eine schematische Perspektivansicht, die einen Dieselpartikelfilter (DPE) zeigt, in dem Positionen von zehn Temperaturabschätzpunkten angegeben sind;
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3A ein Zeitdiagramm ist, das die Temperaturänderungen des Dieselpartikelfilters im Fall seiner Überhitzung zeigt;
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3B ein Graph, der eine Temperaturverteilung ebenso wie gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschätzte Temperaturen mit Bezug auf eine Gasströmungsrichtung zeigt, und der ferner einen abgeschätzten Wert gemäß einem herkömmlichen Verfahren zeigt;
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4A eine schematische Perspektivansicht, die den Dieselpartikelfilter zeigt, der hypothetisch in eine Vielzahl von Zellen aufgeteilt ist;
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4B eine schematische Perspektivansicht, die eine der unterteilten Zellen zeigt, und die schematisch eine Berechnung des Wärmeplans für die Zelle zeigt;
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5 ein schematischer Graph, der eine Temperaturverteilung mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung zeigt, und der zeigt, dass die Abschätzungsgenauigkeit erhöht wird, wenn die Anzahl geteilter Zellen größer wird;
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6 ein schematischer Graph, der eine Verbrennungsgeschwindigkeit der Dieselpartikel (PM) mit Bezug auf die Temperatur zeigt;
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7 ein schematischer Graph, der ein Verfahren zum Korrigieren der abgeschätzten Temperaturen zeigt, die auf Grundlage von durch einen Abgastemperatursensor erfassten Temperaturen abgeschätzt sind;
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8 auch ein schematischer Graph, der Temperaturen des Dieselpartikelfilters mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung zeigt, und der zeigt, dass die Temperatur des Dieselpartikelfilters an Punkten höher wird, die sich an einer weiter stromabwärts liegenden Seite befinden, selbst wenn die im Inneren des Dieselpartikelfilters erzeugte Wärmemenge konstant ist;
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9 ein weiterer schematischer Graph, der die Partikelverbrennungsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Partikelansammlungsmenge zeigt, und der zeigt, dass die Partikelverbrennungsgeschwindigkeit höher wird, wenn die Partikelansammlungsmenge größer wird;
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10 ein Graph, der die Temperatur des Dieselpartikelfilters an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten zeigt, und der zeigt, dass die Überhitzung des Dieselpartikelfilters an allen Abschnitten (allen Zellen) verhindert werden kann, wenn eine maximale Temperatur unter den an der Vielzahl von Punkten abgeschätzten Temperaturen auf eine Solltemperatur gesteuert ist;
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11 ein Ablaufdiagramm, das einen Basisprozess eines Regenerationsbetriebs durch eine ECU gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess zum Berechnen des Wärmeplans für die jeweiligen Zellen zeigt;
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13 ein schematisches Diagramm eines Modellierungssystems zum Berechnen des Wärmeplans;
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14A ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess zum Korrigieren der abgeschätzten Temperaturen zeigt;
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14B ein Graph, der einen Temperaturkorrekturkoeffizienten an den jeweiligen Zellen zum Korrigieren der Temperaturen der Basiszellenmaterialien zeigt;
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15A ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess zum Berechnen einer repräsentativen Temperatur des Dieselpartikelfilters zeigt;
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15B ein Graph, der einen Gewichtungsfaktor für die jeweiligen Zellen zeigt, der beim Berechnen der repräsentativen Temperaturen verwendet wird; und
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16 ein Ablaufdiagramm, der einen Prozess zum Berechnen einer Solltemperatur für einen Regenerationsbetrieb zeigt.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Abgasreinigungsgerät für eine Dieselkraftmaschine erklärt, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird.
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1 ist eine schematische Ansicht, die ein Abgasreinigungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Dieselpartikelfilter (im weiteren auch als DPF bezeichnet) ist zwischen Abgasrohren 2a und 2b vorgesehen, die einen Abgasdurchlass 2 einer Dieselkraftmaschine 1 bilden. Der Dieselpartikelfilter 3 ist ein Keramikfilter mit einer wohl bekannten Struktur, beispielsweise einer Bienenwabenstruktur, die aus wärmewiderstandsfähiger Keramik, etwa Cordierit oder dergleichen ausgebildet ist, und die eine Vielzahl von Zellen zum Ausbilden von Gasdurchlässen hat, wobei die Einlassseiten und Auslassseiten der Zellen alternierend geschlossen sind. Das Abgas von der Kraftmaschine 1 strömt zu einer stromabwärtigen Seite, wobei es poröse Trennwände des Dieselpartikelfilters 3 passiert. Die Dieselpartikel (PM) werden durch den Dieselpartikelfilter 3 gefangen und allmählich darin angesammelt.
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Durch den Dieselpartikelfilter 3 ist im wesentlichen ein Oxidationskatalysator getragen. Dadurch werden dem Abgasdurchlass 2 zugeführte Kohlenwasserstoffe (HT) katalytisch verbrannt, und die Temperatur des Abgases wird erhöht, so dass der Dieselpartikelfilter 3 erwärmt wird. Die Verwendung der Katalyse (der katalytischen Reaktion) hat einen Vorteil darin, dass die Temperaturerhöhung bei einer geringen Kraftstoffmenge effektiv durchgeführt werden kann. Der Oxidationskatalysator muss nicht notwendigerweise vorgesehen sein, oder er kann als separater Katalysator angeordnet sein, der stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 3 vorgesehen ist.
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In den Abgasrohren 2a und 2b, die stromaufwärts und stromabwärts des Dieselpartikelfilters 3 vorgesehen sind, sind jeweils Abgastemperatursensoren 51 und 52 vorgesehen. Die Temperatursensoren 51 und 52 sind an eine elektronische Steuereinheit (ECU) 6 angeschlossen, so dass die Temperaturen des Abgases an der Einlassseite und der Auslassseite des Dieselpartikelfilters 3 erfasst und zu der ECU 6 ausgegeben werden. In einem Einlasskrümmer 4 der Kraftmaschine 1 ist ein Luftmassenmesser 41 vorgesehen, um eine erfasste Einlassluftmenge zu der ECU 6 auszugeben. In dem Einlasskrümmer 4 und stromabwärts des Luftmassenmessers 41 ist ein Drosselventil 42 vorgesehen, um eine Menge der Einlassluft in Übereinstimmung mit einem Befehlssignal von der ECU 6 zu steuern (zu erhöhen oder zu verringern). Der Einlasskrümmer 4 ist durch ein Abgasrückführungsrohr 71, in dem ein Abgasrückführungsrohr 7 zum Steuern einer Menge des in Übereinstimmung mit einem Befehlssignal von der ECU 6 in den Einlasskrümmer rückzuführenden Gases (einer Abgasrückführmenge) vorgesehen ist, mit dem Abgasrohr 2a wirk verbunden.
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Ein Differentialdrucksensor 8 ist an den Auslassrohren 2a und 2b vorgesehen, um an dem Dieselpartikelfilter 3 einen Differentialdruck zu erfassen, so dass eine Menge von in dem Dieselpartikelfilter 3 gefangenen Dieselpartikeln (eine Ansammlungsmenge PM) erfasst werden kann. Der Differentialdrucksensor 8 ist an seinem einen Ende an dem Abgasrohr 2a und an seinem anderen Ende an dem Abgasrohr 2b jeweils durch Rohrabschnitte 81 und 82 angeschlossen und gibt ein dem Differentialdruck entsprechendes Signal zu der ECU 6 aus.
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Verschiedene Sensoren (nicht gezeigt), wie zum Beispiel ein Sensor für ein Beschleunigungspedal, ein Sensor für eine Kraftmaschinendrehzahl und so weiter sind an der ECU 6 angeschlossen, die einen Betriebszustand der Kraftmaschine erfasst und eine optimale Kraftstoffeinspritzmenge, Kraftstoffeinspritzzeitgebung, Kraftstoffeinspritzdruck usw. berechnet, um die Kraftstoffeinspritzung für die Kraftmaschine 1 zu steuern. Die Einlassluftmenge wird durch Einstellendes Öffnungsgrads des Drosselventils 42 gesteuert und die Abgasrückführmenge wird durch Einstellen des Öffnungsgrads des Abgasrückführungsventils 7 gesteuert.
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Die ECU 6 steuert zudem eine Regeneration des Dieselpartikelfilters 3. Die ECU 6 steuert eine Erhöhung der Temperatur des Dieselpartikelfilters 3 auf Grundlage einer abgeschätzten Partikelansammlungsmenge der Dieselpartikel, die beispielsweise aus dem durch den Sensor 8 erfassten Differentialdruck des Dieselpartikelfilters 3 abgeschätzt werden kann, so dass die angesammelten Dieselpartikel abgebrannt werden können. Eine Nacheinspritzung, eine nachgerückte Kraftstoffeinspritzzeitgebung, ein Drosseln der Einlassluft durch das Drosselventil 42 oder eine Erhöhung der Abgasrückführmenge durch das Abgasrückführungsventil 7 können als ein Mittel zum Erhöhen der Temperatur des Dieselpartikelfilters 3 verwendet werden. In einer solchen Kraftmaschine, die für die Einlassluft einen Zwischenkühler hat, kann die Dieselpartikelfiltertemperaturerhöhung in einer Weise durchgeführt werden, dass die Einlassluft um den Zwischenkühler herumgeführt wird. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden durch die vorgenannten Steuerungen dem Abgasdurchlass 2 zugeführt, die Temperatur des Abgases wird in Folge einer Wärmeerzeugung durch die Oxidationsreaktion weiter erhöht oder das von der Kraftmaschine 1 emittierte Abgas wird mit dem Ergebnis erhöht, dass zu dem Dieselpartikelfilter 3 ein Hochtemperaturabgas zugeführt wird. Das Verfahren zum Erhöhen der Temperatur des Abgases kann aus einem der vorgenannten Verfahren ausgewählt werden oder kann aus dieser Vielzahl von Verfahren kombiniert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur des Dieselpartikelfilters 3 an verschiedenen Punkten abgeschätzt und dadurch wird die maximale Temperatur innerhalb des Dieselpartikelfilters 3 aus der Temperaturverteilungsinformation abgeschätzt, um eine Überhitzung des Dieselpartikelfilters 3 zu verhindern (dies entspricht einer Maximaltemperaturabschätzungseinrichtung). Das Überhitzen wird auf eine solche Art und Weise verhindert, dass die vorstehend genannte (abgeschätzte) maximale Temperatur so gesteuert wird, dass sie niedriger als eine vorbestimmte Regenerationssolltemperatur wird (dies entspricht einer Temperatursteuereinrichtung).
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur des Dieselpartikelfilters 3 im Vorfeld durch die Temperaturabschätzung an zehn (10) verschiedenen Punkten (Temperaturabschätzpunkten) abgeschätzt, wie in 2 gezeigt ist, so dass eine lokale Temperaturzunahme im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 erfasst werden kann. Die Temperaturabschätzpunkte sind entlang einer Linie einer Abgasströmung in dem Dieselpartikelfilter 3 angeordnet. Dies liegt daran, dass die Temperaturdifferenz in einer Umfangsrichtung klein ist, da die Temperaturdifferenzen lediglich durch die Wärmeleitung erzeugt werden, wohingegen die Temperaturdifferenz in der Abgasströmungsrichtung groß ist, da sich die Wärmemenge im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 zusammen mit dem Abgasstrom von der Vorderseite zur Rückseite bewegen kann.
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Die Temperaturabschätzung an einem vorderen Halbabschnitt des Dieselpartikelfilters 3 wird intensiver als an einem hinteren Halbabschnitt durchgeführt. Dies wird zu dem Zweck gemacht, einen Fehler in einem Modellierungssystem zu verringern, indem die Anzahl der Temperaturabschätzpunkte in dem vorderen Halbabschnitt, an dem eine Temperaturänderung größer als am hinteren Halbabschnitt ist, erhöht wird.
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3A zeigt Temperaturänderungen an drei unterschiedlichen Punkten, d. h., an dem vorderen Halbabschnitt, dem hinteren Halbabschnitt und dem mittleren Abschnitt, mit Bezug auf die Zeit. Wie in 3A gezeigt ist, ist die Temperaturverteilung im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 von Abschnitt zu Abschnitt in der Gasströmungsrichtung in Folge der Zeitverzögerung der Temperaturänderungen oder der Innenwärmeerzeugung stark unterschiedlich. Die Temperaturverteilung kann jedoch aus den Temperaturen an der Vielzahl von Abschätzpunkten präzise abgeschätzt werden, wie in 3B gezeigt ist.
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Genauer gesagt wird der Dieselpartikelfilter 3 hypothetisch in eine Vielzahl von Abschnitten (im weiteren Verlauf auch als Zellen bezeichnet) aufgeteilt, so dass jeder der Temperaturabschätzpunkte in einer der Zellen enthalten ist, wie dies in 4a gezeigt ist. Wie in 4B gezeigt ist, wird ein abgeschätzter Wert an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten durch Berechnung eines Wärmeplans für die jeweilige Zelle abgeschätzt. In der Berechnung des Wärmeplans werden eine Wärmeübertragungsmenge zwischen der Zelle und dem durch die Zelle strömenden Gas, eine Wärmeleitleistung zwischen den Zellen, ein Kohlenwasserstofferwärmungswert durch die Wärmeerzeugung der Kohlenwasserstoffe in den Zellen und ein Partikelerwärmungswert durch das Abgas berechnet. Eine Wärmemenge, die von den Zellen abgegeben und durch die Zellen aufgenommen wird, wird aus der Gesamtwärmeleistung berechnet. Dann wird die Temperatur abgeschätzt, indem der Temperaturerhöhungsbetrag aus der Wärmekapazität der Zelle berechnet wird. Wie in 5 gezeigt ist, wird eine Abschätzungsgenauigkeit stärker erhöht, wenn die Anzahl der unterteilten Zellen größer ist, so dass die abgeschätzten Temperaturen näher an eine tatsächliche Temperaturverteilung herankommen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dieselpartikelfilter 3 hypothetisch in zehn (10) Zellen unterteilt, die den 10 Temperaturabschätzpunkten entsprechen.
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Wie vorstehend erwähnt ist, können die Temperaturen an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten aus der Abgasinformation (der Außeninformation), wie zum Beispiel dem Wärmeübertragungsbetrag zwischen den Zellen und dem Abgas, und aus der Inneninformation des Dieselpartikelfilters 3, beispielsweise der durch Verbrennung der Dieselpartikel in dem Dieselpartikelfilter 3 erzeugten Wärme abgeschätzt werden. Da die Temperaturen an den jeweiligen Punkten in Abhängigkeit von den vorstehend erwähnten Außenparametern und den Innenparametern variieren, werden die Temperaturen anhand dieser Außen- und Innenparameter abgeschätzt.
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Bei der Berechnung des Wärmeübertragungsbetrags zwischen den Zellen und dem durch die Zellen strömenden Gas wird ein solcher Wärmeübertragungskoeffizient verwendet, mit dem die Temperatur der Zellen und die Temperatur des Abgases gleich zueinander werden. Der Wärmeübertragungskoeffizient ist im allgemeinen als eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit wiedergegeben. Jedoch ist im Fall des Dieselpartikelfilters die Kontaktfläche mit dem Gas groß und dadurch kann die Wärmeübertragung zufriedenstellend innerhalb eines Strömungsdurchsatzbereichs des Abgasstroms der allgemeinen Kraftmaschine getätigt werden. Daher wird in den meisten Fällen die Temperatur der Zellen gleich zu der des Abgases. In einem solchen Fall wird der Wärmeübertragungskoeffizient verwendet, mit dem die Temperaturen der Zellen und die des Abgases gleich miteinander werden, so dass der Berechnungsprozess einfacher wird.
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Die aus der Temperaturverteilung, die auf die vorstehende Art und Weise abgeschätzt ist, abgeschätzte maximale Temperatur wird so gesteuert, dass sie niedriger als eine solche Temperatur ist, bei der eine schnelle Verbrennung der Dieselpartikelfilter nicht auftreten kann, wie in 6 gezeigt ist. Genauer gesagt wird aus der abgeschätzten Temperaturverteilung eine repräsentative Temperatur des Dieselpartikelfilters 3 berechnet (dies entspricht einer repräsentativen Temperaturberechnungseinrichtung) und ein Temperaturerhöhungsbetrieb wird durch die Temperaturerhöhungseinrichtung so gesteuert (dies entspricht einer Temperaturerhöhungssteuereinrichtung), das die repräsentative Temperatur nahe an die gewünschte Sollregenerationstemperatur heran kommt.
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Dies liegt daran, dass im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 die große Temperaturdifferenz erzeugt wird und dass das Überhitzen selbst dann auftreten kann, wenn die Temperatur des bestimmten Abschnitts des Dieselpartikelfilters 3 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert ist, das heißt, dass das Überhitzen an den anderen Abschnitten des Dieselpartikelfilters 3 auftreten kann.
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Dies liegt ferner daran, dass die Temperatur an einer weiter stromabwärts liegenden Seite des Dieselpartikelfilters 3 selbst dann höher wird, wie in 8 gezeigt ist, wenn die im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 erzeugte Wärmemenge an jedem Abschnitt konstant ist und da es eine Zeit braucht, bis die Wärme an dem vorderen Endabschnitt zu der stromabwärtigen Seite übertragen wird. Außerdem liegt dies daran, dass eine Überhöhung der Temperatur (die Überhitzung) mit hoher Wahrscheinlichkeit auftritt, wenn die Partikelansammlungsmenge der Dieselpartikel größer wird, wie dies in 9 gezeigt ist. Jedoch kann eine Überhöhung der Temperatur (die Überhitzung) sicher verhindert werden, wenn die repräsentative Temperatur unter Berücksichtigung der vorstehenden Tatsachen festgelegt wird, und die Temperatur auf Grundlage der repräsentativen Temperatur gesteuert wird.
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Wie in 7 gezeigt ist, können die abgeschätzten Temperaturen auf Grundlage von zumindest einem von der Eingangstemperatur an dem vorderen Ende des Dieselpartikelfilters 3 und der Ausgangstemperatur an dem hinteren Ende des Dieselpartikelfilters 3, die jeweils durch die Temperatursensoren 51 und 52 erfasst werden, so korrigiert werden, dass die Abschätzungsgenauigkeit verbessert werden kann. Bei diesem Korrekturprozess ist der Korrekturbetrag an den jeweiligen Punkten so eingestellt, dass der Korrekturbetrag umso größer ist, je näher die Abschätzpunkte an dem Temperatursensor liegen, wie in 7 gezeigt ist, wobei der Korrekturbetrag auf Grundlage der Temperatur an dem Temperatursensor 52 an der hinteren Seite des Dieselpartikelfilters 3 entschieden wird.
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Wie vorstehend beschrieben ist, wird die maximale Temperatur unter den abgeschätzten Temperaturen an der Vielzahl von Punkten so gesteuert, dass sie niedriger als die vorbestimmte Sollregenerationstemperatur ist, wie dies in 10 gezeigt ist, und dadurch kann das Überhitzen aller Abschnitte des Dieselpartikelfilters 3 verhindert werden.
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Genauer gesagt wird die aus der abgeschätzten Temperaturverteilung berechnete repräsentative Temperatur so gesteuert, dass sie niedriger als die vorbestimmte Sollregenerationstemperatur ist.
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Die Partikelansammlungsmenge der Dieselpartikel kann auf Grundlage des durch den Sensor 8 erfassten Differentialdrucks an dem Dieselpartikelfilter 3, der aus der durch den Luftmassenmesser 41 erfassten Einlassluftmenge zu berechnenden Abgasmenge, und der auf die vorstehend beschriebene Art und Weise abgeschätzten Temperaturverteilung berechnet werden (dies entspricht einer Partikelansammlungsmengenabschätzeinrichtung). Die Abgasmenge (volumetrische Menge) ist eine Funktion der Temperatur des durch den Dieselpartikelfilter 3 strömenden Abgases, und eine präzise volumetrische Gasmenge kann in dem Fall, in dem im Inneren des Dieselpartikelfilters die Temperaturdifferenz vorherrscht, nicht berechnet werden. Jedoch kann die präzise volumetrische Gasmenge berechnet werden, wenn die volumetrische Gasmenge auf Grundlage der Temperaturverteilungsinformation des Dieselpartikelfilters 3 korrigiert wird. Die Sollregenerationstemperatur wird bevorzugterweise als ein solcher Wert ausgewählt, der innerhalb eines Bereichs, in dem die Überhitzung nicht verursacht wird, so hoch wie möglich ist, so dass sowohl die Sicherheit als auch die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchsverhältnisses realisiert werden können. Genauer gesagt wird die Sollregenerationstemperatur an einem niedrigeren Wert ausgewählt, wenn die Temperatur auf Grundlage der abgeschätzten Temperaturverteilung an dem hinteren Ende des Dieselpartikelfilters 3 höher wird.
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11 bis 16 zeigen durch die ECU 6 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durchzuführende Ablaufdiagramme. 11 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Basisbetrieb für die Temperaturabschätzung und die Regenerationssteuerung des Dieselpartikelfilters 3 zeigt.
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Zunächst wird bei einem Schritt S100 die Temperaturverteilung im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 abgeschätzt. 12 zeigt ein ausführliches Ablaufdiagramm für den Prozess des Abschätzens der Temperaturverteilung, wobei der Wärmeplan für die jeweiligen Zellen, d. h., für die zehn (10) Zellen, wie sie in 4 aufgeteilt sind, bei jedem der Schritte S101 bis S110 auf Grundlage der zehn (10) in dem Dieselpartikelfilter 3 vorgesehenen Temperaturabschätzpunkte, wie sie in 2 gezeigt sind, berechnet wird.
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Der Wärmeplan für die jeweiligen Zellen wird unter Verwendung eines in 13 gezeigten Modellierungssystems für den Wärmeplan berechnet. Das Modellierungssystem aus 13 ist das Modellierungssystem für die (i)-te Zelle, gezählt vom vorderen Ende des Dieselpartikelfilters 3.
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Der Wärmeübertragungsbetrag zwischen einem Dieselpartikelfilterbasismaterial der Zelle und dem durch die Zelle hindurchströmenden Gases, der Kohlenwasserstofferwärmungswert durch die Wärmeerzeugung der Kohlenwasserstoffe in der Zelle, der Partikelerwärmungsbetrag durch das Abgas und die Wärmeleitleistung zwischen den benachbarten Zellen (die die (i – 1)-te Zelle und die (i + 1)-te Zelle sind) auf Grundlage der Temperaturen des Basiszellenmaterials werden berechnet. Der Temperaturerhöhungsbetrag wird aus der Wärmemenge, die von der Zelle abgegeben und durch sie aufgenommen wird, und von der Wärmekapazität der Zelle berechnet. Dann wird eine Temperatur „Ti” des Basiszellenmaterials berechnet. Zur selben Zeit werden der Kohlenwasserstoffverringerungsbetrag, der Partikelverringerungsbetrag und der Sauerstoffverbrauchsbetrag berechnet, um die Partikelansammlungsmenge „MPMi” für die jeweiligen Zellen zu erfassen bzw. zu registrieren.
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Die Eingangswärmemenge und die Wärmeabstrahlmenge können aus der Abgasinformation, beispielsweise der Menge und der Temperatur des durch den Dieselpartikelfilter 3 strömenden Abgases berechnet werden. In dem Fall, dass die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe während dem Regenerationsbetrieb des Dieselpartikelfilters 3 erhöht wird, ist es notwendig, die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zusätzlich zu der Abgasinformation zu berücksichtigen, da die Temperaturzunahme in Folge der Wärmeerzeugung durch die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zunimmt. Die im Inneren des Dieselpartikelfilters 3 erzeugte Wärmemenge kann aus der Inneninformation des Dieselpartikelfilters 3, etwa den abgeschätzten Temperaturen an den jeweiligen Punkten, der Kohlenwasserstoffmenge und der Menge der angesammelten Dieselpartikel berechnet werden. Die Verbrennungsgeschwindigkeiten der Kohlenwasserstoffe und der Dieselpartikel variieren in Abhängigkeit von der Temperatur des Dieselpartikelfilters 3. Dementsprechend wird der durch die Wärmeerzeugungen der Kohlenwasserstoffe und der Dieselpartikel an den jeweiligen Temperaturabschätzpunkten zu verursachende Betrag der Temperaturzunahme auf Grundlage der abgeschätzten Temperaturen an den jeweiligen Punkten berechnet. Da die Verbrennungsgeschwindigkeiten der Kohlenwasserstoffe und der Dieselpartikel ferner in Abhängigkeit der Kohlenwasserstoffdichte und der Ansammlungsdichte der Dieselpartikel variieren, kann eine genauere Temperaturabschätzung möglich sein, wenn die Menge der Kohlenwasserstoffe und die Ansammlungsmenge der Dieselpartikel für die jeweiligen Temperaturabschätzpunkte individuell berechnet werden.
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Die vorgenannte Berechnung für den Wärmeplan wird für die jeweiligen Zellen durchgeführt, um die Temperaturen „T1” bis „T10” der Basiszellenmaterialien zu berechnen, wobei die Temperatur „T1” die abgeschätzte Temperatur an der Zelle des vorderen Endes ist, wohingegen die Temperatur „T10” die abgeschätzte Temperatur an der Zelle des hinteren Endes ist. Die Gasströmungsmenge, die Gastemperatur an der stromabwärtigen Seite der Zelle 1 und die Kohlenwasserstoffmenge an der stromabwärtigen Seite der Zelle 1 werden jeweils aus den erfassten Beträgen des Luftmassenmessers 41, des stromaufwärtigen Temperatursensors 51 und der Betriebsbedingung berechnet.
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Die abgeschätzten Temperaturen „T1” bis „T10” werden bei Schritt S200 in 11 auf Grundlage einer erfassten Temperatur „THEX” des Auslassgases von dem Dieselpartikelfilter 3, die durch den stromabwärtigen Temperatursensor 52 erfasst wird, korrigiert. 14 zeigt ein detailliertes Ablaufdiagramm zum Ausüben der Korrektur der abgeschätzten Temperaturen „T1” bis „T10”, wobei eine Abweichung „TERR” zwischen der abgeschätzten Temperatur „T10” der Zelle des hinteren Endes des Dieselpartikelfilters und der abgeschätzten Temperatur „THEX” des Auslassgases bei einem Schritt S202 berechnet wird und dann die korrigierten Temperaturen „TH1” bis „TH10” der jeweiligen Zellen unter Verwendung der vorgenannten Abweichung „TERR” bei Schritten S203 bis S212 berechnet werden. Die korrigierte Temperatur für die jeweiligen Zellen wird in einer solchen Art und Weise berechnet, dass die abgeschätzte Temperatur „Ti” an der (i)-ten Zelle mit der Abweichung „TERR” und einem Korrekturkoeffizienten „Wi” multipliziert wird, der bei den jeweiligen Zellen festgelegt wird („Wi” ist der Korrekturkoeffizient für die „i”-te Zelle). Wie in 14B gezeigt ist, ist der Korrekturkoeffizient „Wi” umso größer, je näher die entsprechende Zelle an dem hinteren Ende des Dieselpartikelfilters liegt, d. h., je näher sie an dem stromabwärtigen Temperatursensor 52 liegt.
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Die Partikelansammlungsmenge „MPM” wird bei einem Schritt S300 in 11 aus dem Differentialdruck an dem Dieselpartikelfilter 3 und der Abgasmenge berechnet (abgeschätzt), wobei der Differentialdruck durch den Drucksensor 8 erfasst wird und die Abgasmenge aus dem erfassten Wert des Luftmassenmessers 41 berechnet wird.
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Die Partikelansammlungsmenge „MPM” wird, wie vorstehend, aus dem Differentialdruck an dem Dieselpartikelfilter 3 und der Abgasmenge abgeschätzt. Bei diesem Abschätzungsverfahren wird im Vorfeld eine Beziehung zwischen dem Differentialdruck an dem Dieselpartikelfilter 3 und der durch den Dieselpartikelfilter 3 hindurch strömenden volumetrischen Abgasmenge ermittelt und die Partikelansammlungsmenge „MPM” wird auf Grundlage einer solchen Beziehung abgeschätzt. Die volumetrische Menge des Abgases ist eine Funktion der Temperatur des durch den Dieselpartikelfilter hindurch strömenden Abgases und daher kann die volumetrische Menge nicht präzise berechnet werden, wenn im Inneren des Dieselpartikelfilters eine Temperaturdifferenz vorherrscht.
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Dementsprechend wird die volumetrische Abgasmenge bei der Berechnung durch die korrigierten Temperaturen „TH1” bis „TH10”, die bei Schritt S200 berechnet wurden, korrigiert, so dass die präzise volumetrische Menge des Abgases berechnet werden kann.
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Die so berechnete Partikelansammlungsmenge „MPM” kann ferner unter Verwendung der Partikelansammlungsmengen „MPM1” bis „MPM10”, die in dem vorangehenden Prozess berechnete Werte sind, korrigiert werden.
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Die bei Schritt S300 berechnete Partikelansammlungsmenge „MPM” wird bei Schritt S400 mit einem Partikelansammlungswert „MPMH” für die Regeneration des Dieselpartikelfilters 3 verglichen. In dem Fall, dass die Partikelansammlungsmenge „MPM” größer als der Partikelansammlungswert „MPMH” für die Regeneration ist, wird bestimmt, dass der Regenerationsbetrieb nötig ist, und der Ablauf schreitet zu Schritt S500 vor. In dem Fall, dass die Partikelansammlungsmenge „MPM” kleiner als der Partikelansammlungswert „MPMH” für die Regeneration ist, schreitet der Prozess zu Schritt S600 vor. Ein Merker „XRGN” zum Durchführen des Regenerationsbetriebs wird bei Schritt S500 auf „AN” gesetzt und der Prozess schreitet zu einem Schritt S700 weiter, bei dem der Regenerationsbetrieb gestartet wird. Bei Schritt S600 wird bestimmt, ob der Merker „XRGN” zum Durchführen des Regenerationsbetriebs „AN” ist oder nicht, und der Prozess geht zu Schritt S600 weiter, wenn der Merker „XRGN” zum Durchführen des Regenerationsbetriebs „AN” ist. In dem Fall, dass der Merker „XRGN” zum Durchführen des Regenerationsbetriebs nicht „AN” ist (d. h. „AUS” ist), wird der Prozess bei Schritt S600 beendet, ohne den Regenerationsbetrieb durchzuführen.
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Bei dem Schritt S700 wird die repräsentative Temperatur „Tref” berechnet. Ein Prozess zum Berechnen der repräsentativen Temperatur „Tref” ist in 15A gezeigt. Die Partikelansammlungsmenge „MPM” wird bei Schritt S701 mit einem vorbestimmten Wert verglichen, der größer als der Partikelansammlungswert „MPMH” für die Regeneration ist. In dem Fall, dass der Partikelansammlungswert „MPM” größer als der vorbestimmte Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S702 vor, bei dem die repräsentative Temperatur „Tref” für den Fall, in dem die Partikelansammlungsmenge groß ist, berechnet wird. Andererseits geht der Prozess für den Fall, in dem die Partikelansammlungsmenge „MPM” kleiner als der vorbestimmte Wert ist, zu einem Schritt S703, bei dem die repräsentative Temperatur „Tref” des Falls berechnet wird, in dem die Partikelansammlungsmenge klein ist. Genauer gesagt wird die repräsentative Temperatur durch eine lineare Kombination erhalten, d. h., sie wird auf eine solche Art und Weise berechnet, dass die abgeschätzte Temperatur für die jeweiligen Abschätzpunkte mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wird, der einer Position des jeweiligen Abschätzpunkts entspricht.
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Bei Schritt S702 wird die repräsentative Temperatur „Tref” für den Fall, in dem die Partikelansammlungsmenge groß ist, wie vorstehend erwähnt berechnet. Für den Fall, dass die Partikelansammlungsmenge „MPM” relativ groß ist, wird die repräsentative Temperatur bevorzugterweise so berechnet, dass den hinteren Abschnitten des Dieselpartikelfilters 3 eine höhere Priorität eingeräumt wird, indem der Gewichtungsfaktor für die hinteren Abschnitte größer gemacht wird. Dies liegt daran, dass in dem Fall einer relativ großen Partikelansammlungsmenge „MPM” die Verbrennungsgeschwindigkeit schneller werden würde und ein Risiko einer möglichen Überhitzung des Dieselpartikelfilters steigen würde. Und das heißt, die korrigierten Temperaturen „TH1” bis „TH10” der Zellen, die in Schritten S203 bis S212 von 14A berechnet werden, werden durch die in 15B gezeigten Gewichtungsfaktoren „KB1” bis „KB10” multipliziert, um die repräsentative Temperatur „Tref” zu erhalten.
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Bei Schritt S703 wird die repräsentative Temperatur „Tref” für den Fall, in dem die Partikelansammlungsmenge klein ist, auf dieselbe Art und Weise berechnet. Für den Fall, dass die Partikelansammlungsmenge „MPM” relativ klein ist, wird die repräsentative Temperatur „Tref” bevorzugterweise berechnet, in der die Temperaturen des gesamten Dieselpartikelfilters 3 reflektiert wird, indem eine Differenz zwischen den benachbarten Gewichtungsfaktoren kleiner als die für den Fall einer großen Partikelansammlungsmenge gemacht wird. Das heißt, die in den Schritten S203 bis S212 von 14A berechneten korrigierten Temperaturen „TH1” bis „TH10” der Zellen werden mit den in 15B gezeigten Gewichtungsfaktoren „KA1” bis KA10” multipliziert, um die repräsentative Temperatur „Tref” zu erhalten.
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In einem Schritt S800 aus 11 wird die Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb berechnet. Die Solltemperatur „THTRG” wird kleiner gemacht, wenn die Temperatur an den hinteren Abschnitten des Dieselpartikelfilters 3 höher ist, so dass eine Sicherheit mit Bezug auf das Überhitzen erhöht werden kann. Ein ausführlicher Prozess dieses Schritts S800 ist in 16 gezeigt. Zunächst wird bei Schritt S801 eine Basissolltemperatur „THTRGBASE” für den Regenerationsbetrieb berechnet. Bei einem Schritt S802 wird aus den korrigierten Temperaturen „TH7” bis „TH10” der Zellen ein maximaler Wert als die maximale Temperatur „TRREARMAX” an den hinteren Abschnitten des Dieselpartikelfilters 3 ausgewählt. Dann wird bei einem Schritt S803 eine Abweichung „ΔTHTRG” zwischen der Basissolltemperatur „THTRGBASE” für den Regenerationsbetrieb und der maximalen Temperatur „TRREARMAX” an den hinteren Abschnitten des Dieselpartikelfilters 3 berechnet. Bei einem Schritt S804 wird die Abweichung „ΔTHTRG” mit einem vorbestimmten Wert verglichen. In dem Fall, dass die Abweichung „ΔTHTRG größer als ein vorbestimmter Wert ist, geht der Prozess zu einem Schritt S805, bei dem die Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb niedriger gemacht wird. In dem Fall, dass die Abweichung „ΔTHTRG” kleiner als der vorbestimmte Wert ist, geht der Prozess zu einem Schritt S806.
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Bei dem Schritt S805 wird die Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb in Übereinstimmung mit der nachstehenden Gleichung (1) berechnet: „THTRG” = „THTRGBASE – „ΔTHTRG” (1)
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Bei Schritt S806 wird die Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb in Übereinstimmung mit der nachstehenden Gleichung (2) berechnet: „THTRG” = „THTRGBASE” (2)
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Bei einem Schritt S900 aus 11 wird der Temperaturerhöhungsbetrieb in so einer Art und Weise durchgeführt, dass die bei Schritt S700 berechnete repräsentative Temperatur „Tref” bei in etwa der bei Schritt S800 berechneten Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb beibehalten werden kann. Der Temperaturerhöhungsbetrieb wird beispielsweise durchgeführt, indem eine Menge von unverbranntem HC (Kohlenwasserstoffen) durch die Nacheinspritzung erhöht und dadurch die Temperatur des Dieselpartikelfilters 3 durch die katalytische Reaktion des HC (der Kohlenwasserstoffe) erhöht wird. In einem solchen Fall wird eine korrigierte Menge für die Nacheinspritzung erhöht, wenn die Abweichung zwischen der Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb und der repräsentativen Temperatur „Tref” größer wird, so dass die repräsentative Temperatur „Tref” näher an die Solltemperatur „THTRG” für den Regenerationsbetrieb heran kommt.
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Bei einem Schritt S1000 wird die Partikelansammlungsmenge „MPM” mit einem Regenerationsstoppwert „MPML” verglichen. In dem Fall, dass die Partikelansammlungsmenge „MPM” größer als der Regenerationsstoppwert „MPML” wird, geht der Prozess zu Schritt S1100, bei dem der Merker „XRGN” AUS gestellt wird, um den Prozess der Regenerationsbetriebs zu beenden.
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In einem Abgasreinigungsgerät für eine Dieselkraftmaschine (1) mit einem in einem Abgasrohr (2) vorgesehenen Dieselpartikelfilter (DPF) (3) wird eine Temperatur des Dieselpartikelfilters indirekt erfasst (abgeschätzt), um ein Überhitzen des Dieselpartikelfilters während seines Regenerationsbetriebs zu verhindern. Für diesen Zweck wird der Dieselpartikelfilter hypothetisch in eine Mehrzahl von Zellen aufgeteilt, die Temperatur an den jeweiligen Zellen wird auf Grundlage eines Wärmeplans der Zelle abgeschätzt und die maximale Temperatur aus dieser Vielzahl von abgeschätzten Temperaturen wird so gesteuert, dass sie niedriger als ein vorbestimmter Wert wird.
