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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung von Regenerationsvorgängen in einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Solche
Regenerationsvorgänge
sind insbesondere in NOx-Speicherkatalysatoren
notwendig, welche zur Absorption und Speicherung von Stickoxiden
eingesetzt werden, die von Dieselmotoren im Magerbetrieb emittiert
werden. Wenn ein NOx-Speicherkatalysator mit Stickoxidmolekülen gesättigt ist, ist
zur Regeneration eine Betriebsphase mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erforderlich.
Zur verbesserten Regeneration ist unter anderem das Verfahren der
Kraftstoff-Nacheinspritzung bekannt, bei dem im Anschluß an die
Kraftstoff-Haupteinspritzung noch während des Expansionshubes zusätzlicher
Kraftstoff in einen oder mehrere der Zylinder eingespritzt wird
und mittels dem eine Erhöhung
der Abgastemperatur erzielt und ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt
werden kann.
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Bei
der Anwendung der Kraftstoff-Nacheinspritzung tritt jedoch das Problem
auf, daß sich
ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes mit dem Ölfilm auf der
Zylinderwand vermischt und so zu einer unerwünschten Verdünnung des
Motoröls
mit Kraftstoff führt.
Eine solche Verdünnung
des Motoröls
mit Kraftstoff ändert
die Schmiereigenschaften des Motoröls und wirkt sich somit negativ
auf den Motorverschleiß des
Kraftfahrzeuges aus. Sofern diesem Problem durch häufige Öl-wechselintervalle
begegnet wird, führt
dies zu einer Erhöhung
der Betriebskosten und insbesondere des Motorölverbrauchs.
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Vor
dem obigen Hintergrund ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Regenerationsvorgängen in
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitzustellen, mittels derer
ohne Beeinträchtigung der
Wirksamkeit der Regeneration eine Senkung des Motorölverbrauchs
erzielbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruchs 10 gelöst.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Ein
Verfahren zur Steuerung von Regenerationsvorgängen in einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung
in einem über
einen Verbrennungsmotor antreibbaren Kraftfahrzeug weist folgende
Schritte auf:
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- – Berechnen,
auf Basis aktueller Werte und Änderungsraten
von Motorbetriebsparametern, eines prognostizierten zeitlichen Verlaufs
für zukünftige Werte
dieser Motorbetriebsparameter;
- – Ermitteln,
unter der Annahme eines bei Einhaltung des prognostizierten zeitlichen
Verlaufs der Motorbetriebsparameter erfolgenden Regenerationsvorganges
in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, eines ersten Vorhersagewertes
für die Zunahme
des Kraftstoffverbrauchs und eines zweiten Vorhersagewertes für die Verdünnungsrate
des Motoröls
mit Kraftstoff infolge dieses Regenerationsvorganges; und
- – Erzeugen
einer Regenerationsanforderung, wenn der erste Vorhersagewert und
der zweite Vorhersagewert jeweils unterhalb vorbestimmter Schwellenwerte
liegen.
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Gemäß der Erfindung
erfolgt somit eine zeitliche Steuerung von Regenerationsvorgängen unter Anwendung
einer modell-basierten, prädiktiven
Steuerungsstrategie dahingehend, daß die Regenerationsvorgänge bei
günstigen
Betriebsbedingungen erfolgen, unter denen die Motorölverdünnungsrate
und der Kraftstoffverbrauch, welche aus der Durchführung von
Kraftstoff-Nacheinspritzungen zur Unterstützung von Regenerationsvorgängen in
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung resultieren, sich auf vergleichsweise
niedrigem Niveau befinden. Infolge dessen wird ohne Beeinträchtigung
der Wirksamkeit der Regeneration eine Senkung des Motorölverbrauchs
erzielt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
das Verfahren ferner den Schritt auf: Ermitteln einer unter der
Annahme der Einhaltung des prognostizierten zeitlichen Verlaufs
der Motorbetriebsparameter zu erwartenden Regenerationsdauer der
Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wobei das Ermitteln des ersten
Vorhersagewertes für
die Zunahme des Kraftstoffverbrauchs und des zweiten Vorhersagewertes
für die
Verdünnungsrate
des Motoröls
mit Kraftstoff jeweils basierend auf dieser zu erwartenden Regenerationsdauer
erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
das Verfahren ferner die Schritte auf: Ermitteln einer unter der
Annahme eines bei Einhaltung des prognostizierten zeitlichen Verlaufs
der Motorbetriebsparameter erfolgenden Regenerationsvorganges zu erwartenden
NOx-Umwandlungsrate, und Erzeugen der Regenerationsanforderung,
wenn die zu erwartende NOx-Umwandlungsrate
oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
das Verfahren ferner den Schritt auf: Ermitteln einer unter der
Annahme der Einhaltung des prognostizierten zeitlichen Verlaufs
der Motorbetriebsparameter zu erwartenden Verweildauer, während welcher
sich der Verbrennungsmotor in einem Betriebsmodus mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis befindet, wobei
das Ermitteln des Vorhersagewertes der NOx-Umwandlungsrate
auf Basis dieser zu erwartenden Verweildauer erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Erzeugen der Regenerationsanforderung nur, wenn die Menge an
gespeichertem NOx (angegeben als prozentualer
Anteil der maximalen Speicherkapazität bei der aktuellen Speichertemperatur) oberhalb
eines Schwellenwertes liegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Ermitteln des ersten Vorhersagewertes für die Zunahme des Kraftstoffverbrauchs
und/oder des zweiten Vorhersagewertes für die Verdünnungsrate des Motoröls mit Kraftstoff
jeweils ba sierend auf der seit dem letzten Regenerationsvorgang
zurückgelegten
Fahrtstrecke.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Ermitteln des zweiten Vorhersagewertes für die Verdünnungsrate des Motoröls mit Kraftstoff basierend
auf der seit dem letzten Regenerationsvorgang vergangenen Zeitspanne.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
die Festlegung des Schwellenwertes für den Kraftstoffverbrauch auf
Basis eines über
eine Anzahl zurückliegender
Regenerationsvorgänge
gemittelten Kraftstoffverbrauchs.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
die Festlegung des Schwellenwertes für die Verdünnungsrate des Motoröls mit Kraftstoff
auf Basis einer über
eine. Anzahl zurückliegender
Regenerationsvorgänge
gemittelten Verdünnungsrate
des Motoröls
mit Kraftstoff.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Steuerung von Regenerationsvorgängen in
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einem über einen Verbrennungsmotor
antreibbaren Kraftfahrzeug. Zu bevorzugten Ausgestaltungen wird
auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Diagramm, in welchem die Abhängigkeit
der Strömungsrate
von Kraftstoff in das Motoröl
(in g/s) vom angezeigten Drehmoment (in Nm) während der Verbrennung mit fettem
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
und für
unterschiedliche Drehzahlen dargestellt ist;
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2 ein
Diagramm, in welchem die Anstiegsrate des Kraftstoffverbrauchs bei
Verbrennung mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (in g/s) in Abhängigkeit
vom angezeigten Drehmoment (in Nm) bei Verbrennung mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und für. unterschiedliche
Drehzahlen dargestellt ist;
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3 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung der
erfindungsgemäßen Strategie;
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4 ein
Diagramm, in welchem ein erfindungsgemäß festgelegter Kraftstoffverbrauchsgrenzwert
für den
nächsten
Regenerationsvorgang (in %) in Abhängigkeit von einem über die
letzten n Regenerationsvorgänge
gemittelten Kraftstoffverbrauch (in %) aufgetragen ist; und
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5 ein
Diagramm, in welchem ein erfindungsgemäß festgelegter Motorölverdünnungsgrenzwert
für den
nächsten
Regenerationsvorgang (in %) in Abhängigkeit von der über die
letzten n Regenerationsvorgänge
gemittelten, vorhergesagten Motorölverdünnung aufgetragen ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in einem Kraftfahrzeug realisierbar, welches einen Verbrennungsmotor
und ein zur Kraftstoff-Nacheinspritzung ausgelegtes Kraftstoffeinspritzsystem
aufweist, bei welchem somit zusätzlicher
Kraftstoff im Anschluß an
die Kraftstoff-Haupteinspritzung und noch während des Expansionshubes eingespritzt
werden kann. Das Kraftfahrzeug ist mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung
versehen, in der zur Durchführung
von Regenerationsvorgängen
eine wiederholte bzw. periodische Herbeiführung erhöhter Betriebstemperaturen (z.
B. zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters) oder von Betriebszuständen mit
fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
(z. B. für
die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators)
realisierbar ist.
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Gemäß 1 steigt
die Strömungsrate
von Kraftstoff in das Motoröl
bei Verbrennung mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ < 1) als Funktion der Motorlast (in 1 angegeben
als "angezeigtes
Drehmoment") dramatisch
an, wobei dieses Verhältnis
bei hohen Motorlasten nahezu unabhängig von der Motordrehzahl
ist.
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Außerdem ist
im Bereich niedriger Motorlasten die Rate der Motorölverdünnung höher für geringere
Motordrehzahlen.
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Gemäß 2 ist
ferner die Anstiegsrate des Kraftstoffverbrauchs bei Verbrennung
mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
in Betriebszuständen
mit geringer bis mittlerer Motorlast höher als in Betriebszuständen mit
mittlerer bis hoher Motorlast.
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Wie
somit aus 1 und 2 ersichtlich ist,
kann mittels einer Steuerungsstrategie, bei der eine zeitliche Steuerung
der Regenerationsvorgänge bei
fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
dahingehend erfolgt, daß diese
bei mittlerer bis höherer
Motorlast (z. B. bei einer Motorlast von mehr als 100 Nm) stattfinden,
eine Reduzierung der Rate der Motorölverdünnung um bis zu 75% erzielt
werden im Vergleich zu einer Durchführung der Regenerationsvorgänge bei fettem
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
in Betriebszuständen von
geringerer Motorlast (z. B. bei weniger als 30 Nm). Es ist somit
ersichtlich, daß ein
großes
Potential hinsichtlich der Reduzierung der Motorölverdünnung besteht, wenn eine zeitliche
Steuerung der Regenerationsvorgänge
im Hinblick auf geeignete Betriebsbedingungen erfolgt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Konzept
wird nun ein modell-basiertes, prädiktives Steuerungsverfahren
zur zeitlichen Steuerung von Regenerationsvorgängen mit dem Ziel bereitgestellt,
daß die
Regenerationsvorgänge
nur unter besonders günstigen Betriebsbedingungen
stattfinden, so daß die
Rate der Verdünnung
des Motoröls
mit Kraftstoff begrenzt und eine Minimierung der erforderlichen
Motorölwechselintervalle
erzielt wird. Dabei wird insbesondere das Ausmaß der Motorölverdünnung mit Kraftstoff so gesteuert,
daß dieses
unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf das Blockdiagramm von 3 die
Funktionalität
der einzelnen, gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzten Blöcke
bzw. Module erläutert:
Ein
Funktionsblock 10 (mit "PurgeAbility" bezeichnet) wertet
den Betriebszustand (Drehzahl, Motorlast, eingelegter Gang, Kupplungsbetätigung,
Bremsbetätigung) betreffende
Eingangssignale, die betreffende Fahreranforderung und deren zeitliche
Ableitung aus, um den künftigen
Verlauf der Motorbetriebsparameter (im Folgenden auch als "Bahnkurve" bezeichnet) vorauszusagen.
Außerdem
wird die Verweilzeit in einem Betriebsbereich, in welchem der Verbrennungsmotor
mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
betrieben werden kann, abgeschätzt.
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Des
Weiteren wird durch den Funktionsblock 10 auch der thermische
Zustand der Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie weiterer Komponenten im
Abgassystem ausgewertet, um die Möglichkeit einer sofortigen
Regeneration zu ermitteln. Dabei wird unter einer "sofortigen Regeneration" eine Regeneration
verstanden, welche ohne die vorherige Vornahme zusätzlicher
Maßnahmen
zu Einstellung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung vor Auslösung des
Regenerationsvorganges erfolgen kann, was z. B. gegeben ist, wenn
sich eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Form eines Oxidationskatalysators
oberhalb der Anspringtemperatur für die Umwandlung von THC- und
CO-Emissionen befindet und sich der thermische Zustand der Abgasnachbehandlungsvorrichtung
im für
die NOx-Umwandlung optimalen Fenster befindet.
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Der
Funktionsblock 10 gibt den Wert für die vorhergesagte Verweildauer
im Betriebsmodus mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (in 3 als "PredictTotRichModeTime" bezeichnet) auf
Basis der aktuellen Bahnkurve aus. Basierend auf der aktuellen Motordrehzahl,
der aktuellen Motorlast und der Änderungsrate
wird außerdem
eine vorhergesagte Bahnkurve für
die einzelnen Motorbetriebsparameter (Motordrehzahl, Motorlast,
Abgasmassenströmung, Abgastemperatur
etc.) berechnet.
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Ein
Funktionsblock 20 (in 3 als "NOxModel" bezeichnet) dient
zur Berechnung der vorhergesagten Regenerationsdauer (= "PredictPurgeRichModeTime") als Funktion des
Abgasmassenstroms, der gespeicherten NOx-Menge,
der Speichertemperatur, der Umgebungstemperatur und der Abgaskonzentration
(NOx, CO, THC) für den Regenerationsmodus. Dabei
bezeichnet die vorhergesagte Regenerationsdauer diejenige Zeitspanne,
welche erforderlich ist, um basierend auf der aktuellen Bahnkurve bzw.
der vorhergesagten Bahnkurve die gespeicherte NOx- Menge während der
durch den Funktionsblock 10 vorhergesagten Verweildauer
im Betriebsmodus mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, d. h. wenn der Verbrennungsmodus
entweder bei der gegenwärtigen
oder der vorhergesagten Bahnkurve auf ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis umschaltet,
umzuwandeln. Diese Verweildauer ist in 3 als "PredictTotRichModeTime" bezeichnet. Der
Funktionsblock 20 berechnet außerdem einen Vorhersagewert für die Umwandlungsrate
(= "PredictPercNOxConversion") zur Umwandlung
der gespeicherten NOx-Menge.
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Ein
Funktionsblock 30 (in 3 mit "DeltaFuelConsumptionPurge" bezeichnet) dient
dazu, den Anstieg des Kraftstoffverbrauchs (in 3 mit "PredictFuelConsPenalty" bezeichnet) als
Funktion der vorhergesagten Regenerationsdauer (= "PredictPurgeRichModeTime") und der seit dem
letzten Regenerationsvorgang zurückgelegten
Fahrtstrecke für
den Fall zu berechnen, daß der
Regenerationsvorgang unter Einhaltung der aktuellen bzw. vorhergesagten Bahnkurve
stattfindet.
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Ein
Funktionsblock 40 (in 3 mit "DeltaOilDilutionPenaltyPurge" bezeichnet) wird
dazu verwendet, eine vorhergesagte Verdünnungsrate des Motoröls mit Kraftstoff
als Funktion der Anzahl künftiger
Regenerationsvorgänge
(berechnet auf Basis der seit dem letzten Regenerationsvorgang vergangenen Zeitspanne
und der Zeitspanne bis zum nächsten Ölwechsel)
zu berechnen, und die gesamte Strömung des Kraftstoffs in Motoröl als Funktion
der vorhergesagten Regenerationsdauer (= "PredictPurgeRichModeTime") zu berechnen, wenn
ein Regenerationsvorgang bei der gegenwärtigen (bzw. vorhergesagten)
Bahnkurve erfolgt.
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Ein
Funktionsblock 50 (in 3 mit "ActivationRule" bezeichnet) dient
dazu, eine Regenerationsanforderung bei Vorliegen der folgenden
Bedingungen zu erzeugen bzw. zu aktivieren:
- (a)
der vorhergesagte Kraftstoffverbrauch für die Regeneration liegt unterhalb
eines Schwellenwertes;
- (b) die vorhergesagte Verdünnung
des Motoröls mit
Kraftstoff liegt unterhalb eines Schwellenwertes;
- (c) die Menge an gespeichertem NOx (angegeben als
prozentualer Anteil der maximalen Speicherkapazität bei der
aktuellen Speichertemperatur) liegt oberhalb eines Schwellenwertes;
und
- (d) die vorhergesagte NOx-Umwandlungsrate
(als prozentualer Anteil von der ursprünglichen NOx-Beladung)
liegt oberhalb eines Schwellenwertes.
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Dabei
erfolgt gemäß 4 die
Festlegung des Schwellenwertes des Kraftstoffverbrauchs für den jeweils
folgenden Regenerationsvorgang auf Basis des langfristigen Kraftstoffverbrauchs,
welcher gemittelt über
eine gewisse Anzahl zurückliegender Regenerationsvorgänge, z.
B. 5 Regenerationsvorgänge,
erhalten wird.
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Entsprechend
erfolgt gemäß 5 die
Festlegung des Schwellenwertes der Verdünnungsrate des Motoröls mit Kraftstoff
auf Basis der langfristigen Verdünnung
des Motoröls
mit Kraftstoff, welche gemittelt über eine Anzahl zurückliegender
Regenerationsvorgänge,
z. B. ebenfalls 5 Regenerationsvorgänge, erhalten wird.