DE102005057450A1 - Verfahren und System zum Bestimmen von Temperatur-Sollwerten in Systemen einschließlich von Partikelfiltern mit Regenerationsfähigkeiten - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren, ein System und eine Steuervorrichtung zum Bestimmen eines Temperatursollwerts für die Verwendung bei der Steuerung der Regeneration eines Partikelfilters angegeben. Das Verfahren, das System und die Steuervorrichtug können für Systeme mit einem Motor angewandt werden, der Abgase mit Partikeln ausstößt, die durch das Partikelfilter aufgefangen werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Bestimmen von Temperatur-Sollwerten in Systemen einschließlich von Partikelfiltern mit Regenerationsfähigkeiten.
  • Ein Partikelfilter ist eine Einrichtung zum Auffangen von Partikeln in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor. In einigen Systemen, die ein Partikelfilter verwenden, kann es vorteilhaft sein, die aufgefangenen Partikeln in einem allgemein als Regeneration bezeichneten Prozess zu oxidieren bzw. zu verbrennen. Die Regeneration der Partikeln hängt von den Temperaturen an dem Partikelfilter ab, die durch die Kraftstoffmengen in den Abgasen und die Abgastemperaturen beeinflusst werden können.
    •
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf für die Steuerung der Kraftstoffmengen in den Abgasen und der Abgastemperaturen an dem Partikelfilter, um die Regeneration der durch das Partikelfilter aufgefangenen Partikeln zu unterstützen.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Bestimmen eines Partikelfilter-Temperatursollwerts (Tset) für ein Partikelfilter. Der Wert Tset spezifiziert allgemein gewünschte Temperaturen an einem Partikelfilter, die für die Regeneration von darin aufgefangenen Partikeln während eines Regenerationsprozesses geeignet sind, wobei die Temperaturen an dem Partikelfilter zu Tset erhöht werden, um eine Regeneration einzuleiten.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Steuereinrichtung oder eine andere Einrichtung konfiguriert sein, um den Wert Tset zu bestimmen und dadurch die Regeneration zu unterstützen, wobei der Systembetrieb gesteuert wird, um die Temperaturen an dem Partikelfilter zu den durch den Wert Tset spezifizierten Temperaturen zu erhöhen, indem etwa die Abgastemperaturen, die Kraftstoffmengen in den Abgasen und ähnliches gesteuert werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Wert Tset in Abhängigkeit von einem kritischen Temperaturwert (Tc) und einem Temperatureinstellungswert (Ta) für das Partikelfilter bestimmt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Wert Tc einer maximalen Temperatur entsprechen, der das Filter während einer Regeneration ausgesetzt werden kann, ohne eine Überhitzung zu riskieren, und kann der Wert Ta der thermischen Trägheit des Filters während der Regeneration entsprechen, sodass der Wert Tset die kritische Temperatur des Partikelfilters und dessen thermische Trägheit berücksichtigt.
    •
  • Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
  • 1 zeigt ein System gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Temperatursollwerts gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Kurvendiagramm mit einer Anzahl von C/V-Kurven gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • Das in 1 gezeigte Fahrzeug-Leistungsübertragungssystem 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine Leistung zum Antrieben eines Kraftfahrzeugs, eines Lastkraftfahrzeugs, einer Baumaschine, eines Schiffes, eines stationären Generators, einer Zugmaschine oder ähnlichem vor.
  • Das System 10 ist ein Verbrennungsmotorsystem, bei dem ein Kraftstoff wie etwa Benzin oder Diesel in einem Verbrennungsmotor 14 mit einer Funkenzündung oder einer Kompressionszündung verbrannt wird. Der Motor 14 kann ein Dieselmotor sein, der eine Anzahl von Zylindern 18 umfasst, in die Kraftstoff und Luft für die Zündung eingespritzt werden. Der Motor 14 kann ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einer Kompressionszündung wie etwa ein Dieselmotor mit 4, 6, 8, 12, 16 oder 24 Zylindern sein. Es ist jedoch zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Motor oder Kraftstoff beschränkt ist.
  • Die durch den Motor 14 während der Verbrennung erzeugten Abgase können über ein Abgassystem 20 ausgestoßen werden. Das Abgassystem 20 kann verschiedene Einrichtungen wie einen Abgaskrümmer und Leitungen umfassen, um die Abgase zu einer Partikelfilteranordnung 30 zu führen, die im Fall eines Dieselmotors gewöhnlich als Dieselpartikelfilter bezeichnet wird. Optional kann das System 20 einen Turbolader in der Nähe des Abgaskrümmers umfassen, um die Frischluftzufuhr in den Motor 14 zu verdichten. Der Turbolader kann zum Beispiel eine Turbine 32 und einen Verdichter 34 wie etwa einen Turbolader mit einer variablen Geometrie (VGT) und/oder eine Turbocompound-Leistungsturbine umfassen. Natürlich ist die vorliegende Erfindung aber nicht auf Abgassysteme einschließlich von Turboladern oder ähnliches beschränkt.
  • Die Partikelfilteranordnung 30 kann konfiguriert sein, um während des Verbrennungsprozesses erzeugte Partikeln aufzufangen. Insbesondere kann die Partikelfilteranordnung 30 einen Oxidationskatalysatorkanister 36 mit einem darin enthaltenen Oxidationskatalysator 38 und einen Partikelfilterkanister 42 mit einem darin enthaltenen Partikelfilter 44 umfassen. Die Kanister 36, 42 können separate Komponenten sein, die durch eine Klemme oder eine andere Einrichtung miteinander verbunden sind, sodass die Kanister 36, 42 für eine Wartung oder andere Arbeiten voneinander getrennt werden können. Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beispielhafte Konfiguration der Partikelfilteranordnung 30 beschränkt. Vielmehr sieht die vorliegende Erfindung eine Partikelfilteranordnung vor, die auch mehr oder weniger als diese Komponenten und Einrichtungen umfassen kann. Insbesondere gibt die vorliegende Erfindung eine Partikelfilteranordnung 30 vor, die nur das Partikelfilter 44, aber nicht unbedingt den Oxidationskatalysatorkanister 36 oder das Substrat 38 umfasst, wobei das Partikelfilter 44 auch in anderen Teilen des Abgassystems 20 wie etwa vor der Turbine 32 angeordnet sein kann.
  • Der Oxidationskatalysator 38, der bei Dieselmotoren allgemein als Dieseloxidationskatalysator bezeichnet wird, kann Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den Abgasen oxidieren, um die Temperaturen an dem Partikelfilter 44 zu erhöhen. Das Partikelfilter 44 kann Partikeln in den Abgasen wie etwa Kohlenstoff, Ölpartikeln, Asche und ähnliches auffangen und die aufgefangenen Partikeln verbrennen, wenn die assoziierten Temperaturen ausreichend hoch sind. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht eine Aufgabe der Partikelfilteranordnung 30 darin, schädliche kohlehaltige Partikeln in den Abgasen aufzufangen und diese Substanzen zu speichern, bis die Temperaturen an dem Partikelfilter 44 eine Oxidation der aufgefangenen Partikeln zu einem Gas unterstützen, das in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann.
  • Der Oxidationskatalysatorkanister 36 und der Partikelfilterkanister 42 können Einlässe und Auslässe mit definierten Querschnittflächen umfassen, wobei dazwischen Erweiterungsteile vorgesehen sind, um den Oxidationskatalysator 38 und das Partikelfilter 44 aufzunehmen. Die vorliegende Erfindung sieht jedoch vor, dass die Kanister 36, 42 verschiedene Konfigurationen und Anordnungen zum Oxidieren von Emissionen und zum Auffangen von Partikeln aufweisen können. Die vorliegende Erfindung ist also nicht auf eine bestimmte Konfiguration für die Partikelfilteranordnung 30 beschränkt.
  • Um die Oxidation der aufgefangenen Partikeln zu unterstützen, kann eine Dosierungseinrichtung 50 vorgesehen sein, die Kraftstoff in die Abgase einführt, damit der Kraftstoff mit dem Oxidationskatalysator 38 reagiert und verbrennt, um die Temperaturen an dem Partikelfilter 44 zu erhöhen und dadurch die Regeneration zu unterstützen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Menge des durch die Dosierungseinrichtung eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit von den Temperaturen an dem Partikelfilter 44 sowie von anderen Systemparametern wie etwa dem Luftmassenfluss, den EGR-Temperaturen und ähnlichem gesteuert, um die Regeneration zu kontrollieren. Die vorliegende Erfindung sieht jedoch auch vor, dass Kraftstoff auf andere Weise wie etwa über eine Steuerung des Motors 14 in die Abgase eingeführt werden kann, um Kraftstoff zusammen mit den Abgasen auszustoßen.
  • Ein Lufteinlasssystem 52 kann vorgesehen sein, um Frischluft von einem Frischlufteinlass 54 über eine Luftleitung zu einem Einlasskrümmer zuzuführen, von dem aus sie dann in den Motor 14 geführt wird. Außerdem kann das System 52 einen Luftkühler bzw. Ladeluftkühler 56 zum Kühlen der Frischluft nach der Verdichtung durch den Verdichter 34 umfassen. Optional kann ein Drosseleinlassventil 58 vorgesehen sein, um den Fluss der Frischluft zu dem Motor 14 zu steuern. Das Drosselventil 58 kann ein manuell oder elektrisch betätigtes Ventil sein, das etwa auf die Pedalposition eines Drosselventils reagiert, das durch einen Fahrer des Fahrzeugs betätigt wird. Es sind viele Variationen für ein derartiges Lufteinlasssystem möglich, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Anordnung beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung sieht verschiedene Funktionen und Merkmale zum Zuführen von Frischluft zu den Einlasskrümmern und Zylindern vor, die mehr oder weniger als die zuvor genannten Einrichtungen umfassen können.
  • Ein Abgasrezirkulationssystem (EGR-System) 64 kann optional vorgesehen sein, um Abgas zu dem Motor 14 zurückzuführen und mit Frischluft zu mischen. Das EGR-System 64 kann wahlweise einen abgemessenen Teil der Abgase in den Motor 14 einführen. Das EGR-System 64 kann zum Beispiel die eingehende Luftladung verdünnen und die Spitzenverbrennungstemperaturen senken, um die während der Verbrennung erzeugte Menge an Stickstoffoxiden zu reduzieren. Die zu rezirkulierende Abgasmenge kann gesteuert werden, indem ein EGR-Ventil 66 und/oder andere Einrichtungen wie etwa ein Turbolader gesteuert werden. Das EGR-Ventil 66 kann ein elektronisch gesteuertes Ventil mit einem variablen Durchfluss sein. Es gibt viele mögliche Konfigurationen für das steuerbare EGR-Ventil 66, wobei die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf einen bestimmten Aufbau des EGR-Ventils 66 beschränkt sind.
  • Das EGR-System 64 kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine EGR-Kühlungsleitung 70 einschließlich eines Abgaskühlers 72 und eine nicht kühlende EGR-Umgehungsleitung 74 umfassen. Das EGR-Ventil 66 kann an dem Abgaskrümmer vorgesehen sein, um Abgas durch die EGR-Kühlungsleitung 70 und/oder die EGR-Umgehungsleitung 74 zu führen. Natürlich sieht die vorliegende Erfindung auch vor, dass das EGR-System 64 eine oder mehrere dieser Einrichtungen in verschiedenen Anordnungen entlang des EGR-Flusspfads sowie andere Einrichtungen zum Rezirkulieren von Abgas umfassen kann. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein bestimmtes EGR-System beschränkt und sieht auch die Verwendung von anderen Systemen vor, die eine oder mehrere der oben genannten Einrichtungen umfassen können, wie zum Beispiel ein EGR-System mit nur einer EGR-Kühlungsleitung oder nur einer EGR-Umgehungsleitung.
  • Ein Kühlsystem 80 kann vorgesehen sein, um die Temperatur des Motors 14 durch das Steuern des Flusses oder der Temperatur eines Kühlmittels zu steuern. Das Kühlmittel kann in einer ausreichenden Menge vorgesehen sein, um die durch den Motor 14 erzeugte Wärme fließend etwa über einen Motorkühler abzuleiten. Der Motorkühler kann eine Anzahl von Rippen umfassen, durch die das Kühlmittel fließt, um durch den Luftfluss gekühlt zu werden, der durch ein Motorgehäuse strömt und/oder durch einen Kühlventilator erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch mehr oder weniger als die oben genannten Einrichtungen in dem Kühlsystem 80 umfassen, wobei die Erfindung nicht auf das oben beschriebene beispielhafte Kühlsystem beschränkt ist.
  • Das Kühlsystem 80 kann in Verbindung mit einem Heizsystem 84 betrieben werden. Das Heizsystem 84 kann einen Heizkegel, ein Heizgebläse und ein Heizventil umfassen. Der Heizkegel kann ein erwärmtes Kühlmittel von dem Motor 14 über das Heizventil empfangen, sodass das Heizgebläse, das elektrisch durch die Insassen in einem Insassenbereich bzw. Insassenraum des Fahrzeugs bedient werden kann, die durch den Heizkonus erwärmte Luft zu den Insassen blasen kann. Zum Beispiel kann das Heizgebläse mit verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden, um die Menge der an dem Heizkonus entlang geblasenen und dadurch erwärmten Luft zu steuern, wobei die erwärmte Luft dann über ein Lüftungssystem zu den Insassen verteilt wird. Optional können Sensoren und Schalter 86 in dem Insassenbereich enthalten sein, um die Heizanforderungen der Insassen zu steuern. Die Schalter und Sensoren können analoge oder digitale Schalter zum Anfordern eines Heizbetriebs und Sensoren umfassen, die feststellen, ob der angeforderte Heizbetrieb erfüllt wird. Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass mehr oder weniger als die oben genannten Einrichtungen in dem Heizsystem enthalten sein können, wobei die Erfindung nicht auf das oben beschriebene beispielhafte Heizsystem beschränkt ist.
  • Eine Steuereinrichtung 92 wie etwa ein elektronisches Steuermodul oder ein Motorsteuermodul kann in dem System 10 enthalten sein, um verschiedene Operationen des Motors 14 und anderer damit assoziierter Systeme bzw. Subsysteme wie etwa der Sensoren in den Abgas-, EGR-, und Einlasssystemen zu steuern. Es können verschiedene Sensoren elektrisch über Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 94 mit der Steuereinrichtung kommunizieren. Die Steuereinrichtung 92 kann eine Mikroprozessoreinheit (MPU) 98 umfassen, die über einen Daten- und Steuerbus 100 mit verschiedenen Computer-lesbaren Speichermedien kommuniziert. Die Computer-lesbaren Speichermedien können eine Anzahl von bekannten Einrichtungen umfassen, die als ROM 102, RAM 104 und NVRAM 106 funktionieren. Eine Ein-/Ausgabeeinrichtung 108 für Daten-, Diagnose- und Programmierfunktionen kann wahlweise über einen Stecker mit der Steuereinrichtung verbunden werden, um verschiedene Informationen auszutauschen. Die Einrichtung 108 kann auch verwendet werden, um Werte in den Computer-lesbaren Speichermedien wie etwa Konfigurationseinstellungen, Kalibrierungsvariablen, Befehle für die Steuerung der EGR-, Einlass- und Abgassysteme und anderes zu ändern.
  • Das System 10 kann eine Einspritzungsmechanismus 114 zum Steuern der Kraftstoff- und/oder Lufteinspritzung für die Zylinder 18 umfassen. Der Einspritzmechanismus 114 kann durch die Steuereinrichtung 92 oder eine andere Steuereinrichtung gesteuert werden und kann eine Anzahl von Einrichtungen wie etwa Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff und/oder Luft in einen gemeinsamen Zylindereinlass sowie eine Einheit umfassen, die Kraftstoff und/oder Luft in jeden Zylinder einzeln einspritzt. Zum Beispiel kann der Einspritzmechanismus 114 separat und unabhängig die Menge an Kraftstoff und/oder Luft steuern, die in jeden Zylinder eingespritzt wird, sodass jeder Zylinder separat und unabhängig gesteuert wird und verschiedene Mengen an Kraftstoff und/oder Luft oder keinen Kraftstoff und keine Luft empfängt. Natürlich sieht die vorliegende Erfindung vor, dass der Einspritzmechanismus 114 mehr oder weniger als diese Einrichtungen umfassen kann, wobei die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Einrichtungen beschränkt ist.
  • Das System 10 kann einen Ventilmechanismus 116 zum Steuern der Ventilbetätigungszeiten der Zylinder 18 umfassen, um etwa den Luftfluss in und den Abgasfluss aus den Zylindern 18 zu steuern. Der Ventilmechanismus 116 kann durch die Steuereinrichtung 92 oder eine andere Steuereinrichtung gesteuert werden und kann eine beliebige Anzahl von Einrichtungen wie etwa Einrichtungen zum wahlweisen und unabhängigen Öffnen und Schließen von Einlass- und/oder Auslassventilen umfassen. Zum Beispiel kann der Ventilmechanismus 116 die Abgasventilzeiten für jeden Zylinder derart steuern, dass die Abgasventile und/oder Einlassventile unabhängig voneinander mit steuerbaren Intervallen wie etwa bei einem Verdichtungsbremsen geöffnet und geschlossen werden können. Natürlich sieht die vorliegende Erfindung vor, dass der Ventilmechanismus mehr oder weniger dieser Einrichtungen umfassen kann, wobei die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Einrichtungen beschränkt ist.
  • Während des Betriebs empfängt die Steuereinrichtung 92 Signale von verschiedenen Motor-/Fahrzeugsensoren und führt eine in Hardware und/oder Software eingebettete Steuerlogik zur Steuerung des Systems 10 aus. Die Computer-lesbaren Speichermedien können zum Beispiel gespeicherte Befehle umfassen, die durch die Steuereinrichtung 92 ausgeführt werden können, um Verfahren zum Steuern der Einrichtungen und Subsysteme in dem System 10 durchzuführen. Die Programmbefehle können durch die Steuereinrichtung in der MPU 98 ausgeführt werden, um die verschiedenen Systeme und Subsysteme des Motors und/oder des Fahrzeugs über die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 94 zu steuern. Allgemein geben die Strichlinien in 1 die optionale Sensor- und Steuerkommunikation zwischen der Steuereinrichtung und den verschiedenen Komponenten in dem Leistungsübertragungssystem wieder. Weiterhin ist zu beachten, dass eine beliebige Anzahl von Sensoren und Einrichtungen mit jeder Einrichtung in dem System assoziiert sein kann, um deren Betrieb zu überwachen und zu steuern.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung 92 eine DDEC-Steuereinrichtung von der Detroit Diesel Corporation, Detroit, Michigan sein. Verschiedene andere Einrichtungen in dieser Steuereinrichtung sind im Detail in einer Anzahl von US-Patenten der Detroit Diesel Corporation beschrieben. Weiterhin kann die Steuereinrichtung eine Anzahl von Programmier- und Verarbeitungstechniken bzw. entsprechende Strategien zur Steuerung der Einrichtungen in dem System 10 umfassen. Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung vor, dass das System eine oder mehrere Steuereinrichtungen wie etwa separate Steuereinrichtungen zum Steuern von Systemen oder Subsystemen einschließlich einer Systemsteuereinrichtung zum Steuern der Abgastemperaturen, der Massenflussraten oder anderer damit assoziierter Merkmale umfasst. Diese Steuereinrichtungen können wiederum andere Steuereinrichtungen neben der oben beschriebenen DDEC-Steuereinrichtung umfassen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinrichtung vorzugsweise konfiguriert, um eine mit der Regeneration des Partikelfilters 44 assoziierte Temperatur zu bestimmen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 92 konfiguriert sein, um verschiedene Betriebsbedingungen und andere mit der Regeneration des Partikelfilters 44 assoziierte Faktoren zu bewerten und einen entsprechenden Temperaturwert zu wählen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der entsprechende Temperaturwert als ein Temperatur-Sollwert (Tset) bezeichnet werden.
  • Insbesondere umfasst die Regeneration einen Prozess, in dem durch das Partikelfilter 44 aufgefangene Partikeln oxidiert oder auf andere Weise verbrannt werden, wenn die Temperaturen an dem Partikelfilter 44 ausreichen, um die aufgefangenen Partikeln zu verbrennen. Der Wert Tset kann mit einem oder mehreren die Temperaturen an dem Partikelfilter 44 beeinflussenden Betriebsparametern korreliert werden, wie etwa mit den Abgastemperaturen und/oder den Kraftstoffmengen in den Abgasen, um die Temperaturen an dem Partikelfilter 44 zu den mit der Regeneration assoziierten Temperaturen zu steuern. Eine derartige Entsorgung der Partikeln kann vorteilhaft sein, um eine Verstopfung oder Füllung des Partikelfilters zu verhindern, sodass die Abgase mit einem minimalen Widerstand durch den Partikelfilter hindurchgehen können und weitere Partikeln aufgefangen werden können.
  • Das Bestimmen des Sollwerts Tset ist kritisch für den Regenerationsprozess, da eine ungenügende Regeneration auftreten kann, wenn der Sollwert Tset zu niedrig ist, und eine Überhitzung des Partikelfilters 44 auftreten kann, wenn der Sollwert Tset zu hoch ist. Weiterhin ist das Bestimmen des Sollwerts Tset wichtig, um die Regeneration in Entsprechung zu variierenden Betriebs- und Wärmebedingungen des Partikelfilters anzupassen, wobei die Oxidationsraten maximiert und eine Unter- oder Überhitzung des Partikelfilters 44 minimiert wird.
  • Mit Bezug auf das Flussdiagramm 130 von 2 wird im Folgenden ein Verfahren zum Bestimmen des Sollwerts Tset gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren wird vorzugsweise in Übereinstimmung mit einer Software ausgeführt, das in einer Steuereinrichtung enthalten ist oder in dieselbe eingegeben wird. Das Verfahren kann aber auch in Übereinstimmung mit einer anderen Logik und mithilfe von anderen Steuereinrichtungen wie etwa einer Regenerations-Systemsteuereinrichtung ausgeführt werden.
  • In Block 132 wird ein kritischer Temperaturwert (Tc) für ein Partikelfilter bestimmt. Der Wert Tc entspricht allgemein einer Maximaltemperatur, der das Partikelfilter während der Regeneration ausgesetzt werden darf, ohne eine Überhitzung zu riskieren. Der Wert Tc ist deshalb von den Material- und physikalischen Eigenschaften des Partikelfilters wie etwa der Größe, der Geometrie, den Materialeigenschaften und ähnlichem sowie von dem Fluss und der Zusammensetzung der Abgase durch den Partikelfilterkanister abhängig. Deshalb ist das Bestimmen des Werts Tc von der jeweiligen Anwendung abhängig und kann verschiedene Variablen umfassen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Wert Tc in Abhängigkeit von der Rußakkumulation des Filters, der Raumgeschwindigkeit der Abgase durch den Partikelkanister, der Sauerstoffkonzentration der Abgase, der Wärmekapazität der Abgase, dem Massenfluss der Abgase durch den Partikelfilterkanister und dem thermischen Widerstand des Partikelfilters bestimmt. Die Funktionsbeziehung dieser Variablen kann in eine Anzahl von Algorithmen, Logiken oder anderen Modellen integriert werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Steuereinrichtung vorzugsweise eine Tc-Wert-Nachschlagetabelle, die Tc-Werte mit einem ersten Verhältnis und mit einem zweiten Verhältnis korreliert, wobei das erste Verhältnis durch die Rußakkumulation des Filters und die Raumgeschwindigkeit der Abgase durch den Partikelkanister gekennzeichnet ist und das zweite Verhältnis durch die Sauerstoffkonzentration des Abgases und die thermischen Eigenschaften des Filters gekennzeichnet ist.
  • Insbesondere kann die Tc-Wert-Nachschlagetabelle Variablen enthalten, die in Entsprechung zu einer Anzahl von Eigenschaftskurven für die Modellierung des Tc-Werts in Abhängigkeit von den Betriebseigenschaften des Partikelfilters und den auf diesen wirkenden Kräften vorgesehen sind. 3 zeigt ein Kurvendiagramm 136 mit einer Anzahl von C/V-Kurven, die allgemein durch das Bezugszeichen 138 angegeben sind, wobei V die Raumgeschwindigkeit der Abgase durch den Partikelfilterkanister ist und C die Rußmassenakkumulation des Partikelfilters ist.
  • Wie in 3 gezeigt, umfasst eine vertikale Achse 140 in Grad Celsius (°C) definierte Tc-Werte und ist die horizontale Achse 142 in Übereinstimmung mit der folgenden Formel definiert: O2fractionMexhCpexhRthermal(MexhCpexhRthermal + 1)wobei O2fraction die Sauerstoffkonzentration der Abgase an dem Einlass eines Partikelkanisters ist, Mexh die Massenflussrate der Abgase ist, Cpexh die Wärmekapazität der Abgase ist und Rthermal der thermische Widerstand des Partikelfilters ist.
  • Die in 3 gezeigten Kurven sind lediglich beispielhaft und schränken den Erfindungsumfang der Erfindung nicht ein. Allgemein geben die Kurven jedoch wieder, dass bei einer Erhöhung des C/V-Verhältnisses wie durch die Linie 148 angegeben der Tc-Wert abnimmt, wenn alle anderen Parameter gleich bleiben, was auftreten kann, wenn eine Erhöhung der Rußakkumulation die Erhöhung der Raumgeschwindigkeit der Abgase übersteigt, wenn eine Erhöhung der Raumgeschwindigkeit der Abgase die Erhöhung der Rußakkumulation übersteigt und/oder aus anderen Gründen. Dies geschieht in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, um die Oxidationsraten des Partikelfilters bei hohen Verbrennungsbedingungen zu beschränken, etwa wenn die Rußmengen hoch sind und/oder wenn die Flussraten der Abgase durch den Partikelkanister niedrig sind, weil große Rußmengen zu Verbrennungsraten führen können, die schneller zunehmen als sie gesteuert werden können, und weil niedrige Flussraten die Fähigkeit des Partikelfilters zum Abgeben der Wärmeerzeugung während der Oxidation beschränken. Unter jeder dieser Bedingungen ist es vorteilhaft, den Tc-Wert zu beschränken, um die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung des Partikelfilters zu minimieren.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein niedrigerer Wert von Tc bestimmt, wenn die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen zunimmt, ohne dass kompensierende Änderungen der anderen Variablen vorliegen, weil eine höhere Sauerstoffkonzentration zu höheren Temperaturen und einer unkontrollierten Regeneration führen kann. Das Gegenteil ist jedoch der Fall, wenn sich die Sauerstoffkonzentration erhöht, wobei der Tc-Wert erhöht wird, weil eine durch die niedrigen Sauerstoffkonzentrationen verursachte Oxidation mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu einer unkontrollierten Regeneration führt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein niedrigerer Wert von Tc bestimmt, wenn die Rußakkumulation zunimmt und keine kompensierenden Änderungen der anderen Variablen vorliegen, weil höhere Rußmengen zu höheren Temperaturen und einer unkontrollierten Regeneration führen können. Das Gegenteil ist jedoch der Fall, wenn sich die Rußmengen verringern, wobei der Wert Tc erhöht wird, weil geringere Rußmengen mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu einer unkontrollierten Regeneration führen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein niedrigerer Wert von Tc bestimmt, wenn sich die Raumgeschwindigkeit erhöht und keine kompensierenden Änderungen der anderen Variablen vorliegen, weil eine größere Raumgeschwindigkeit die Wärme von dem Partikelfilter ableitet, sodass eine Regeneration bei höheren Temperaturen erfolgen kann, ohne dass eine unkontrollierte Regeneration riskiert wird. Das Gegenteil gilt jedoch, wenn sich die Raumgeschwindigkeit verringert, wobei der Wert Tc verringert wird, weil ein geringerer Massenfluss zum Ableiten der Regenerationswärme vorhanden ist.
  • In Block 150 wird ein Temperatureinstellungswert (Ta) für das Partikelfilter bestimmt. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Ta-Wert ein Parameter, der eine thermische Trägheit des Partikelfilters während einer Regeneration angibt. Wie oben im größeren Detail beschrieben, kann die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der thermischen Trägheit den Wert Tc in Übereinstimmung mit den Betriebs- und Materialeigenschaften des Partikelfilters anpassen, um maximale Temperaturen während der Regeneration zuzulassen, ohne eine Beschädigung des Partikelfilters oder eine unkontrollierte Regeneration zu riskieren. Dies kann vorteilhaft für schnelle Regenerationszyklen sein und beschränkt andere Beanspruchungen des Systems, die zur Erhöhung der Abgastemperatur erforderlich sein können.
  • Vorzugsweise gestattet eine derartige Anpassungsfähigkeit, dass der Wert Tc in Abhängigkeit von der thermischen Trägheit erhöht oder vermindert wird. Wenn zum Beispiel die thermische Trägheit kleiner als ein Schwellwert für die thermische Trägheit ist, erwärmt sich das Partikelfilter langsamer als erwünscht, sodass der Wert Tset über den Wert Tc erhöht wird, weil die niedrige thermische Trägheit des Partikelfilters mit geringer Wahrscheinlichkeit zu einer unkontrollierten Regeneration führt. Wenn die thermische Trägheit entsprechend größer als der Schwellwert für die thermische Trägheit ist, erwärmt sich der Partikelfilter schneller als erwünscht, sodass der Wert Tset unter dem Wert Tc gesetzt wird, weil die hohe thermische Trägheit zu einer unkontrollierten Regeneration und einer möglichen Beschädigung des Filters führen kann.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Wert Ta in Übereinstimmung mit der folgenden Formel bestimmt:
    Figure 00180001
    wobei Rthermal der thermische Widerstand des Filters ist, Cpexh die Wärmekapazität des Abgases ist, Mexh der Massenfluss des Abgases ist, Ti die Abgastemperatur an einem Einlass ist, durch den die Abgase in einen Partikelkanister eintreten, und Tf die Temperatur des Partikelfilters ist.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Wert der thermischen Trägheit positiv, um anzugeben, dass das Partikelfilter Temperaturen über dem Wert Tc ausgesetzt werden kann, wenn die Temperatur (Tf) des Partikelfilters größer als die Abgastemperatur (Ti) an dem Einlass zu dem Partikelfilter ist. Entsprechend ist der Wert der thermischen Trägheit negativ, um anzugeben, dass das Partikelfilter keinen Temperaturen über dem Wert Tc ausgesetzt werden darf, wenn die Temperatur des Partikelfilters (Tf) kleiner als die Abgastemperatur an dem Einlass zu dem Partikelfilter (Ti) ist.
  • Weiterhin kann Ta in Übereinstimmung mit dem thermischen Widerstand des Filters (Rthermal), der Wärmekapazität der Abgase (Cpexh) und der Massenflussrate der Abgase (Mexh) gefiltert werden. Dies geschieht, um den Beitrag der thermischen Trägheit zu den Betriebseigenschaften des Regenerationssystems und des Partikelfilters zu beschränken.
  • In Block 152 wird der Wert Tset in Abhängigkeit von dem Wert Tc und dem Wert Ta bestimmt. Wie oben beschrieben kann der Wert Tset verwendet werden, um den Betrieb des Motors und anderer Komponenten in dem Leistungsübertragungssystem zu steuern, um die Regeneration des Partikelfilters zu steuern. Dabei ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung der Wert Tset proportional zu dem Wert Tc, nachdem dieser in Übereinstimmung mit der thermischen Trägheit des Partikelfilters, d.h. mit dem Wert Ta angepasst wurde.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Wert Tset anhand der folgenden Formel bestimmt: Tset = Tc + Ta
  • In Block 154 wird der Betrieb des Regenerationssystems zum Regenerieren des Partikelfilters in Abhängigkeit von dem Wert Tset gesteuert. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet das Regenerationssystem eines oder mehrere der oben beschriebenen Funktionen, um die Temperaturen an dem Partikelfilterkanister oder den damit assoziierten Einheiten zu steuern.
  • Gemäß der Erfindung werden also eine oder mehrere der Funktionen vorgesehen, um die Temperaturen an dem Partikelfilter zu dem Wert Tset zu führen und dadurch die Regeneration des Partikelfilters zu unterstützen. Zum Beispiel können die Abgastemperaturen wie folgt gesteuert werden: Steuern eines Kühlerventilators, um die Last für den Motor und dadurch die Temperatur der aus demselben ausgestoßenen Abgase zu steuern; Steuern einer Anzahl von nicht mit Kraftstoff versorgten Zylindern in dem Motor, um die Last für die mit Kraftstoff versorgten Zylinder und dadurch die Temperatur der aus denselben ausgestoßenen Abgase zu steuern; und Steuern des zu dem Partikelkanister über eine Dosierungseinrichtung oder direkt aus dem Motor eingespritzten Kraftstoffs durch eine Steuerung der Einspritzzeiten oder ähnliches.
  • Es wurden Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben, wobei zu beachten ist, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr ist die Beschreibung beispielhaft und nicht einschränkend, wobei verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Sollwerts Tset für die Temperatur an einem Partikelfilter, wobei der Sollwert Tset verwendet wird, um die Regeneration von durch das Partikelfilter aufgefangenen Partikeln zu steuern, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines kritischen Temperaturwerts Tc für das Filter, wobei der Wert Tc einer maximalen Temperatur entspricht, der das Filter während der Regeneration ausgesetzt werden kann, ohne eine Überhitzung zu riskieren, Bestimmen eines Temperatureinstellwerts Ta für das Filter, wobei der Wert Ta die thermische Trägheit des Filters während der Regeneration wiedergibt, und Bestimmen des Sollwerts Tset in Abhängigkeit von den Werten Tc und Ta.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen des Werts Tc in Abhängigkeit von dem Filter, der Filtergeometrie und den Filtermaterialeigenschaften.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen des Werts Tc in Abhängigkeit von der Rußakkumulation des Filters, der Raumgeschwindigkeit der Abgase durch einen Partikelkanister, der Sauerstoffkonzentration der Abgase, der Wärmekapazität der Abgase, der Massenflussrate der Abgase durch den Partikelkanister und dem thermischen Widerstand des Filters.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen eines niedrigeren Werts von Tc, wenn sich die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen erhöht.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen eines höheren Werts von Tc, wenn sich die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen verringert.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen eines niedrigeren Werts von Tc, wenn sich die Rußakkumulation erhöht.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen eines höheren Werts von Tc, wenn sich die Rußakkumulation verringert.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen eines niedrigeren Werts von Tc, wenn sich die Raumgeschwindigkeit erhöht.
  9. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen eines höheren Werts von Tc, wenn sich die Raumgeschwindigkeit verringert.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen des Werts Tc aus einer Nachschlagetabelle, die Werte von Tc in Übereinstimmung mit einem ersten Verhältnis und einem zweiten Verhältnis korreliert, wobei das erste Verhältnis durch eine Rußakkumulation des Filters und eine Raumgeschwindigkeit der Abgase durch einen Partikelkanister gekennzeichnet ist und das zweite Verhältnis durch eine Sauerstoffkonzentration des Abgases und thermische Eigenschaften des Filters gekennzeichnet ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verhältnis durch C/V definiert ist, wobei V die Raumgeschwindigkeit der Abgase ist und C die Rußmassenakkumulation des Filters ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verhältnis wie folgt definiert ist: O2fractionMexhCpexhRthermal(MexhCpexhRthermal + 1)wobei O2fraction die Sauerstoffkonzentration der Abgase an dem Einlass eines Partikelkanisters ist, Mexh die Massenflussrate der Abgase ist, Cpexh die Wärmekapazität der Abgase ist und Rthermal der thermische Widerstand des Filters ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen des Werts Ta anhand der folgenden Formel:
    Figure 00240001
    wobei Rthermal der thermische Widerstand des Filters ist, Cpexh die Wärmekapazität der Abgase ist, Mexh der Massenfluss der Abgase ist, Ti die Abgastemperatur an einem Einlass ist, durch den die Abgase in einen Partikelkanister eintreten, und Tf die Temperatur des Partikelfilters ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen des Werts Ta in Abhängigkeit von dem thermischen Widerstand des Filters, der Abgastemperatur an einem Einlass, durch den die Abgase in einen Partikelkanister eintreten, und der Temperatur des Filters.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass Tset größer als der Wert Tc bestimmt wird, wenn der Wert Ta angibt, dass die thermische Trägheit des Filters unter einem Schwellwert für die thermische Trägheit liegt, wobei der Schwellwert für die thermische Trägheit einer gewünschten Erhöhungsrate für die Temperatur an dem Filter entspricht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert Ta angibt, dass die Rate der Temperaturänderung an dem Filter unter dem Schwellwert für die thermische Trägheit liegt, wenn eine Temperatur an einem Einlass, durch den die Abgase in den Partikelkanister strömen, kleiner als die Temperatur des Filters ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Bestimmen von Tset unterhalb des Werts Tc, wenn der Wert Ta angibt, dass die thermische Trägheit des Filters größer als ein Schwellwert für die thermische Trägheit ist, wobei der Schwellwert für die thermische Trägheit einer gewünschten Erhöhungsrate für die Temperatur an dem Filter entspricht.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert Ta angibt, dass die Rate der Temperaturänderung an dem Filter über dem Schwellwert für die thermische Trägheit liegt, wenn eine Temperatur an einem Einlass, durch den die Abgase in den Partikelkanister strömen, größer als die Temperatur des Filters ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern der Temperaturen der zu dem Partikelkanister ausgestoßenen Abgase in Abhängigkeit von dem Wert Tset.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern eines Kühlerventilators, um die Temperaturen der zu dem Partikelkanister ausgestoßenen Abgase zu steuern.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern einer Anzahl von nicht mit Kraftstoff versorgten Zylindern in dem Motor, um die Temperaturen der zu dem Partikelkanister ausgestoßenen Abgase zu steuern.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern des in den Partikelkanister eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit von dem Wert Tset.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern einer Dosierungseinrichtung vor dem Partikelkanister, um die Temperaturen der zu dem Partikelkanister ausgestoßenen Abgase zu steuern.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern der Kraftstoffeinspritzung aus einem oder mehreren Zylindern des Motors in die zu dem Filter ausgestoßenen Abgase, um die Temperaturen der zu dem Partikelkanister ausgestoßenen Abgase zu steuern.
  25. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Steuern des Kraftstoffeinspritzung in den Partikelkanister und der Temperaturen der zu dem Partikelkanister ausgestoßenen Abgase in Abhängigkeit von dem Wert Tset.
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