DE102006029737B4

DE102006029737B4 - System und Verfahren zum Regeln einer Nacheinspritzung für die Regeneration eines Dieselpartikelfilters

Info

Publication number: DE102006029737B4
Application number: DE102006029737A
Authority: DE
Inventors: Chad E. Marlett; Julian C. Tan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: US20070000238A1; CN1891988A; DE102006029737A1; US8261535B2; CN100543279C

Abstract

Nacheinspritzungssteuersystem zur Regelung einer Dieselpartikelregeneration eines Dieselpartikelfilters (34) mit einem Dieselmotor (12), das umfasst: einen Temperatursensor (40, 42), der die Temperatur eines Abgases erfasst und ein Abgastemperatursignal erzeugt; gekennzeichnet durch: einen Luftmassensensor (36), der ein Luftmassensignal erzeugt; und ein Steuermodul (44), das eine Nacheinspritzung bei einem Nacheinspritzwert, der aus dem Luftmassensignal bestimmt wird, und bei einer Nacheinspritzrate, die aus dem Abgastemperatursignal bestimmt wird, befiehlt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nacheinspritzungssteuerungssystem zur Regelung einer Dieselpartikelregeneration gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Solch ein System bzw. Verfahren ist beispielsweise aus der EP 1 533 500 A1 bekannt geworden. Ferner beschreibt die DE 100 56 016 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasbehandlungssystems, bei dem wenigstens eine Zustandsgröße, die den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems charakterisiert, ermittelt wird, wobei abhängig von der Zustandsgröße ein Sonderbetriebszustand eingeleitet und die Temperatur des Abgasbehandlungssystems abhängig vom Zustand des Abgasnachbehandlungssystems und/oder der Brennkraftmaschine gesteuert wird.
Dieselmotoren besitzen typischerweise einen höheren Wirkungsgrad als Benzinmotoren wegen eines erhöhten Verdichtungsverhältnisses und einer höheren Energiedichte von Dieselkraftstoff. Ein Dieselverbrennungszyklus erzeugt Partikel, die typischerweise durch einen Dieselpartikelfilter (DPF), der in dem Abgasstrom angeordnet ist, aus einem Dieselabgas herausgefiltert werden. Im Laufe der Zeit wird der DPF voll und die eingeschlossenen Dieselpartikel müssen entfernt werden. Während einer Regeneration werden die Dieselpartikel innerhalb des DPF verbrannt.
Ein Ansatz für die Regeneration sieht das Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder nach einer Verbrennung vor. Nach einer Verbrennung eingespritzter Kraftstoff tritt aus dem Motor mit dem Abgas aus und wird durch in den Abgasstrom angeordnete Dieseloxidationskatalysatoren verbrannt. Die durch die Verbrennung freigesetzte Wärme in den Katalysatoren erhöht die Abgastemperatur, die die Partikel in dem DPF verbrennt. Dieser Ansatz nutzt das Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem und benötigt keine zusätzlichen Kraftstoffeinspritzungs-Hardware. Allerdings kann dieser Ansatz bei einer ungenauen Steuerung sichtbaren weinen Rauch und/oder unangenehmen Geruch verursachen, was als Kohlenwasserstoff(HC)-Durchbruch bekannt ist.
Um einen HC-Durchbruch zu verhindern, kann die während einer Nacheinspritzung gelieferte Menge von Kraftstoff auf der Basis einer Motordrehzahl und Motorlast gesteuert werden. Allerdings berücksichtigt dieser Ansatz transiente Zustande nicht. Das Steuerverfahren muss auch jedes Mal neu kalibriert werden, wenn sich das Verhältnis von Luftdurchsatz und Temperatur zu Motordrehzahl und Motorlast ändert.
Bei einem weiteren Ansatz werden Nacheinspritzungs-Freigabezeitsteuerungen verwendet, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Die Nacheinspritzungs-Freigabezeitsteuerungen ermöglichen eine Nacheinspritzung nach einem voreingestellten Zeitlimit. Wenn eine Nacheinspritztemperatur jedoch nicht auf einem ausreichend hohen Niveau ist und eine Nacheinspritzung stattfindet, kann ein HC-Durchbruch auftreten. Der Zeitbetrag, der erforderlich ist, um ein Abgassystem zu erhitzen, ist abhängig von Fahrbedingungen, Umgebungslufttemperatur und dem Alter der Abgassystemkomponenten. Infolgedessen berücksichtigt der Ansatz eines voreingestellten Zeitlimits Schwankungen in Fahrbedingungen nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regeneration eines Dieselpartikelfilters dahingehend zu verbessern, dass keine HC-Durchbrüche auftreten und auch Schwankungen in den Fahrbedingungen berücksichtigt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 11 aufweist, gelöst.
Demgemäß umfasst ein Nacheinspritzungssteuersystem zur Regelung einer Dieselpartikelregeneration eines Dieselpartikelfilters (DPF) mit einem Dieselmotor einen Luftmassensensor, der ein Luftmassensignal erzeugt. Ein Temperatursensor erfasst die Temperatur eines Abgases und erzeugt ein Abgastemperatursignal. Und ein Steuermodul befiehlt eine Nacheinspritzung bei einem Nacheinspritzwert, der aus dem Luftmassensignal bestimmt wird, und bei einer Nacheinspritzrate, die aus dem Abgastemperatursignal bestimmt wird.
In einem Merkmal bestimmt das Steuermodul einen Soll-Nacheinspritzwert und befiehlt eine Nacheinspritzung auf der Basis des Soll-Nacheinspritzwerts, wenn der Soll-Nacheinspritzwert kleiner als der Nacheinspritzwert ist.
In weiteren Merkmalen umfasst das System einen Vorkatalysator, der ein Abgas mit der Nacheinspritzung von dem Dieselmotor aufnimmt, und wobei der Temperatursensor die Temperatur eines aus dem Vorkatalysator austretenden Abgases erfasst.
In einem noch weiteren Merkmal umfasst das System einen Motordrehzahlsensor, der die Drehzahl Dieselmotors erfasst, und wobei der Nacheinspritzwert aus dem Luftmassensignal, dem Motordrehzahlsignal, einer Zylinderanzahl, einem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis, einem Sauerstoffminimalwert, einer Konstante, einem Motordrehmoment-Kraft-stoffeinspritzwert und einem Nacheinspritzungs-Wirkungsgradwert bestimmt wird.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, wobei
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Dieselmotorsystems ist, das ein Dieselpartikelfilter(DPF)-Regenerationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ein Flussdiagramm ist, das die verbesserte Dieselpartikelfilter(DPF)-Nacheinspritzungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine Gleichung veranschaulicht, die zur Berechnung eines Gesamtkraftstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4 eine Gleichung veranschaulicht, die zur Berechnung eines Nacheinspritzwerts während transienter Motorbetriebszustände verwendet wird; und
5 eine Gleichung veranschaulicht, die zur Berechnung eines Nacheinspritzwerts während stationärer Motorbetriebszustände verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zum besseren Verständnis werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugsziffern verwendet, um gleiche Elemente zu kennzeichnen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (mehrfach genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder weitere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktion bereitstellen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 umfasst ein Turbodiesel-Motorsystem 10 einen Motor 12, der ein Luft- und Kraftstoffgemisch verbrennt, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Luft tritt in das System ein, indem sie durch einen Luftfilter 14 strömt. Nach dem Durchströmen des Luftfilters 14 wird die Luft in einen Turbolader 18 hinein gesaugt. Der Turbolader 18 verdichtet die in das System 10 eingetretene Frischluft. Je größer die Verdichtung der Luft allgemein ist, desto größer ist die Leistung des Motors 12. Die verdichtete Luft strömt dann durch einen Luftkühler 20, bevor sie in einen Einlasskrümmer 22 eintritt. Eine Drosselklappe 24 steuert die Strömung der in den Einlasskrümmer 22 hinein freigesetzten Luft.
Die Luft innerhalb des Einlasskrümmers 22 wird in Zylinder 26 hinein verteilt. Obwohl vier Zylinder 26 veranschaulicht sind, ist einzusehen, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung in Motoren ausgeführt sein können, die eine Vielzahl von Zylindern, einschließlich 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylindern, nicht jedoch darauf beschränkt, aufweisen. Es ist ebenfalls einzusehen, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung in einer Zylinderkonfiguration mit V-Anordnung ausgeführt sein können. Kraftstoff wird durch Kraftstoffeinspritzdüsen 28 in die Zylinder 26 eingespritzt. Hitze von der verdichteten Luft zündet das Luft/Kraftstoffgemisch. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoffgemisches erzeugt ein Abgas. Das Abgas tritt aus den Zylindern 26 in das Abgassystem hinein aus.
Das Abgassystem umfasst einen Abgaskrümmer 30, einen Vorkatalysator 31, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 32 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 34. Optional kann ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Teil des Abgases zurück in den Einlasskrümmer 22 führen. Das verbleibende Abgas wird in den Turbolader 18 geleitet, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine ermöglicht die Verdichtung der von dem Luftfilter 14 aufgenommenen Frischluft. Das Abgas strömt von dem Turbolader 18 durch den Vorkatalysator 31, den DOC 32 und den DPF 34. Der DOC 32 oxidiert das Abgas auf der Basis des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nach der Verbrennung. Das Ausmaß der Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases. Der DPF 34 nimmt Abgas von dem DOC 32 auf und filtert jegliche in dem Abgas vorhandene Rußpartikel.
Ein Luftmassen(MAF)-Sensor 36 misst den Durchsatz von Luft in das System und erzeugt ein MAF-Signal. Ein Motordrehzahlsensor 38 erfasst die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM) und erzeugt ein RPM-Signal. Ein Temperatursensor 40 erfasst die Temperatur des aus dem Vorkatalysator 31 strömenden Abgases und erzeugt ein Vorkatalysator-Auslasstemperatursignal. Alternativ erfasst ein Temperatursensor 42 die Temperatur des Abgases, bevor es in den DPF 34 eintritt und erzeugt ein DPF-Einlasstemperatursignal.
Ein Steuermodul 44 steuert eine DPF-Regeneration auf der Basis der oben erwähnten Signale. Das Steuermodul schätzt die Menge von in dem DPF 34 vorhandenen, ausgestoßenen Rußpartikel. Wenn die Steuerung bestimmt, dass der DPF voll ist, leitet das Steuermodul eine Oxidation der in dem DPF vorhandenen Rußpartikel ein, indem es eine Konzentration von Kraftstoff und Sauerstoff befiehlt, die in dem Abgas vorhanden sein soll.
Eine DPF-Regeneration erfordert eine DPF-Betriebstemperatur von mehr als 450 Grad Celsius. Um diese Betriebstemperatur beizubehalten, befiehlt das Steuermodul 44 den Kraftstoffeinspritzdüsen 28, Kraftstoff während der Auslassphase in die Zylinder 26 einzuspritzen. Der Vorgang wird auch als Nacheinspritzung (Pol) bezeichnet. Der zusätzliche Kraftstoff in dem Abgas erzeugt höhere Verbrennungstemperaturen in dem DOC 32, wodurch die Temperatur des Abgases erhöht wird, das in den DPF 34 hinein strömt. Das Steuermodul 44 gemäß der vorliegenden Erfindung steuert das Niveau des Luftdurchsatzes in das System und die Pol bei einem Wert und einer Rate, die ausreichend sind, um sichtbaren weißen Rauch und unangenehmen Geruch zu verhindern.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 veranschaulicht ein Flussdiagramm die Schritte, die von dem Steuermodul für das verbesserte Nacheinspritzungssteuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. In Schritt 100 bestimmt die Steuerung eine Ziel-MAF auf der Basis aktueller Motorbetriebszustände. In Schritt 110 bestimmt die Steuerung einen Soll-Pol-Wert auf der Basis der Ziel-MAF von Schritt 100. In Schritt 120 wird ein Gesamtkraftstoffwert auf der Basis der in 3 gezeigten Gleichung berechnet. Der Gesamtkraftstoffwert TOT_FUEL stellt dar, wie viel Kraftstoff in einem Zylinder 26 (1) eingespritzt werden kann, ohne die Pol unter ein Minimum zu reduzieren. O₂_MIN stellt einen Sauerstoffminimalgehalt dar, der in dem Abgas vorhanden sein sollte, um die Pol zu oxidieren, mit fünf bis zehn Prozent Sauerstoffüberschuss für eine Rußoxidation in dem DPF 34 (1). Das Minimum kann wählbar sein. AFR stellt ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis dar. CYL_NUM stellt die Anzahl von Zylindern 26 (1) in dem Motor 12 (1) dar. RPM ist die von dem Motor 12 (1) erfasste Motordrehzahl. K ist eine Konstante, die optional verwendet wird, um die Gleichung in die geeigneten Einheiten umzuwandeln. Und MAF ist die durch den MAF-Sensor 36 (1) erfasste Luftmasse.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 2 wird in Schritt 130 ein Pol-Wert aus einem Minimum einer berechneten Pol für transiente Betriebszustände und einer berechneten Pol für stationäre Betriebszustände bestimmt. Eine Pol für transiente Betriebszustände, Pol_VALUE_TRNS, wird auf der Basis des berechneten TOT_FUEL-Werts von Schritt 110 und der in 4 gezeigten Gleichung berechnet. TRQ_FUEL stellt die befohlene Kraftstoffmenge zum Erzeugen eines Motordrehmoments dar. Und Pol_EFF stellt die POL-Menge dar, die in dem Zylinder 26 (1) verbrannt wird, und ist auch als der Nacheinspritzungs-Wirkungsgrad bekannt. Eine Pol für stationäre Betriebszustände, Pol_VALUE_SS, wird gleich der in Schritt 100 bestimmten Soll-Pol gesetzt, wie in 5 gezeigt.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 2 kann die Steuerung, sobald der Pol-Wert bestimmt ist, die Rate, bei der Kraftstoff eingespritzt wird, auf der Basis einer Temperatur des Abgases begrenzen. Das DPF-Einlasstemperatursignal kann in Schritt 150 verwendet werden oder das Vorkatalysator-Auslasstemperatursignal kann in Schritt 160 verwendet werden, um die Rate zu begrenzen, bei der Kraftstoff eingespritzt wird. Sobald der Wert und die Rate bestimmt sind, befiehlt die Steuerung Pol in Schritt 170.

Claims

Nacheinspritzungssteuersystem zur Regelung einer Dieselpartikelregeneration eines Dieselpartikelfilters (34) mit einem Dieselmotor (12), das umfasst: einen Temperatursensor (40, 42), der die Temperatur eines Abgases erfasst und ein Abgastemperatursignal erzeugt; gekennzeichnet durch: einen Luftmassensensor (36), der ein Luftmassensignal erzeugt; und ein Steuermodul (44), das eine Nacheinspritzung bei einem Nacheinspritzwert, der aus dem Luftmassensignal bestimmt wird, und bei einer Nacheinspritzrate, die aus dem Abgastemperatursignal bestimmt wird, befiehlt.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (44) die Nacheinspritzung während transienter Betriebszustände befiehlt.
System nach Anspruch 2, wobei das Steuermodul (44) einen Soll-Nacheinspritzwert bestimmt und eine Nacheinspritzung auf der Basis des Soll-Nacheinspritzwerts während stationärer Betriebszustände befiehlt.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul einen Soll-Nacheinspritzwert bestimmt und eine Nacheinspritzung auf der Basis des Soll-Nacheinspritzwerts befiehlt, wenn der Soll-Nacheinspritzwert kleiner als der Nacheinspritzwert ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Vorkatalysator (31), der ein Abgas mit der Nacheinspritzung von dem Dieselmotor (12) aufnimmt, und wobei der Temperatursensor (40) die Temperatur eines aus dem Vorkatalysator (31) austretenden Abgases erfasst.
System nach Anspruch 4, ferner umfassend einen Dieselpartikelfilter (34), der Abgas von dem Dieselmotor (12) aufnimmt, wobei der Dieselpartikelfilter (34) Rußpartikel oxidiert, die in dem Dieselpartikelfilter (34) eingeschlossen sind, und wobei der Temperatursensor (42) die Temperatur des in den Dieselpartikelfilter (34) eintretenden Abgases erfasst.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Motordrehzahlsensor (38), der die Drehzahl des Dieselmotors (12) erfasst, und wobei der Nacheinspritzwert aus dem Luftmassensignal, dem Motordrehzahlsignal, einer Zylinderanzahl, einem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis und einem Sauerstoffminimalwert bestimmt wird.
System nach Anspruch 7, wobei der Nacheinspritzwert ferner aus einer Konstanten bestimmt wird und wobei die Konstante auf der Basis einer gewünschten Einheit wählbar sein kann.
System nach Anspruch 7, wobei der Sauerstoffminimalwert auf der Basis eines Sauerstoffgehalts wählbar ist, der notwendig ist, um die gesamte Nacheinspritzung zu oxidieren, während ein Sauerstoffüberschuss für eine Rußoxidation verbleibt.
System nach Anspruch 7, wobei der Nacheinspritzwert ferner aus einem Motordrehmoment-Kraftstoffeinspritzwert und einem Nacheinspritzungs-Wirkungsgradwert bestimmt wird.
Verfahren zum Regeln einer Nacheinspritzung in einem Dieselmotor (12) für eine Dieselpartikelregeneration, umfassend die Schritte: Bestimmen einer Temperatur eines Abgases von einem Temperatursensor (40, 42); gekennzeichnet durch Bestimmen einer Luftmasse von einem Luftmassensensor; Bestimmen eines Nacheinspritzwerts auf der Basis der Luftmasse; Bestimmen einer Nacheinspritzrate auf der Basis der Temperatur; und Befehlen einer Nacheinspritzung in Übereinstimmung mit dem Nacheinspritzwert und der Nacheinspritzrate.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren nach Anspruch 11 während eines transienten Zustands des Dieselmotors ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend die Schritte: Bestimmen einer Ziel-Luftmasse; Bestimmen eines Soll-Nacheinspritzwerts auf der Basis der Ziel-Luftmasse; Steuern einer Drosselklappe (24) auf der Basis der Ziel-Luftmasse; und Befehlen einer Nacheinspritzung in Übereinstimmung mit dem Soll-Nacheinspritzwert; und wobei die Schritte des Steuerns und Befehlens während eines stationären Zustands des Dieselmotors (12) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Befehlens einer Nacheinspritzung in Übereinstimmung mit dem Soll-Nacheinspritzwert ausgeführt wird, wenn der Soll-Nacheinspritzwert kleiner als der Nacheinspritzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend die Schritte: Erfassen und Erzeugen eines Temperatursignals von Abgas, das aus einem Dieseloxidationskatalysator (32) herausströmt, und wobei der Schritt des Bestimmens der Temperatur das Bestimmen der Temperatur von Abgas aus dem Temperatursignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend die Schritte: Erfassen und Erzeugen eines Temperatursignals von Abgas, das in einen Dieselpartikelfilter (34) hinein strömt, und wobei der Schritt des Bestimmens der Temperatur das Bestimmen der Temperatur von Abgas aus dem Temperatursignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Bestimmens des Nacheinspritzwerts ferner den Schritt umfasst: Bestimmen eines Gesamtkraftstoffs (TOT_FUEL) auf der Basis der Luftmasse (MAF), eines Sauerstoffminimalwerts (O₂_MIN), eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (AFR), einer Zylinderanzahl (CYL_NUM), einer Motordrehzahl (RPM) und einer Konstante K gemäß der folgenden Gleichung: TOT_FUEL = MAF/(O₂_MIN·AFR·CYL_NUM·RPM·K).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Bestimmens des Nacheinspritzwerts ferner den Schritt umfasst: Subtrahieren eines Motordrehmoment-Kraftstoffeinspritzwerts (TRQ_FUEL) und eines Nacheinspritzungs-Wirkungsgradwerts (Pol_EFF) von dem Gesamtkraftstoff (TOT_FUEL) gemäß der folgenden Gleichung: Pol_VALUE = TOT_FUEL – TRQ_FUEL – Pol-EFF.