DE102007043168B4 - Regenerationssteuersystem für einen Partikelfilter - Google Patents

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Abstract

Regenerationssteuersystem (42) für einen Partikelfilter (32), umfassend: einen Luftmassensensor (44), der ein Luftströmungssignal (46) bestimmt; einen Sauerstoffsensor (52), der auf Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas ein Abgassauerstoffsignal (54) bestimmt; einen Temperatursensor (48), der die Temperatur des in den Partikelfilter (32) strömenden Abgases bestimmt; ein Zustandsmodul (74), das bestimmt, ob ein sauerstoffbegrenzendes Ereignis für den Partikelfilter (32) während eines Regenerationsereignisses erforderlich ist; und ein Sauerstoffniveau-Modul (76), das mit dem Zustandsmodul (74) kommuniziert und ein Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) während des Regenerationsereignisses selektiv begrenzt; dadurch gekennzeichnet, dass das Zustandsmodul (74) auf der Basis des Luftströmungssignals (46) einen maximalen Abgassauerstoffgehalt so bestimmt, dass der maximale Abgassauerstoffgehalt mit zunehmender Luftmasse zunimmt, und nur dann bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist, wenn das Abgassauerstoffsignal (54) größer ist als der maximale Abgassauerstoffgehalt und die Temperatur des in den Partikelfilter (32) strömenden Abgases eine Temperaturschwelle überschreitet.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regenerationssystem für einen Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Regenerationsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Derartige Systeme und Verfahren sind aus den Druckschriften DE 101 08 720 A1 und US 2005/007 21 41 A1 bekannt geworden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Während einer Verbrennung in einem Dieselmotor wird ein Luft/Kraftstoff-Gemisch innerhalb eines Zylinders verdichtet. Aus der Verdichtung erzeugte Wärme zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch, wobei die Gase innerhalb des Zylinders ausgedehnt werden, um einen Kolben anzutreiben. Abgase werden aus dem Zylinder in ein Abgassystem abgegeben.
  • Ein im Abgasstrom angeordneter Dieselpartikelfilter (DPF) filtert Rußpartikel im Abgas. Im Lauf der Zeit bauen sich die Rußpartikel im Inneren des DPF auf. Der DPF wird unter Verwendung eines Regenerationsverfahrens, das die Rußpartikel verbrennt, periodisch gereinigt.
  • Ein herkömmliches Regenrationsverfahren spritzt Dieselkraftstoff in den Zylinder nach einer Verbrennung ein. Nach einer Verbrennung eingespritzter Kraftstoff wird aus den Zylindern mit dem Abgas ausgestoßen und wird über Katalysatoren oxidiert. Die während der Oxidation freigesetzte Wärme erhöht die Abgastemperatur, die die in dem DPF eingeschlossenen Rußpartikel verbrennt. Allerdings kann eine Regeneration unter bestimmten Umständen Temperaturen erzeugen, die ausreichend hoch sind, um den DPF zu beschädigen, was zu einer thermischen Belastung und/oder einem Schmelzen führen kann.
  • Verschiedene Ansätze wurden verwendet, um Spitzentemperaturen innerhalb des DPF zu begrenzen. Bei einem Ansatz ist der nach einer Verbrennung eingespritzte Kraftstoff begrenzt. Allerdings ist dieser Ansatz unwirksam, da ein Aufbau von Rußpartikeln in dem DPF ausreichen kann, um eine exotherme Reaktion zu erzeugen, die die Temperatur erhöht.
  • Bei einem weiteren Ansatz erfolgt eine Regeneration öfter, um den Aufbau von Rußpartikeln zu begrenzen. Allerdings kann es bei einem Fahrzeug mit kurzen Fahrzyklen sein, dass die Temperatur der Abgase nicht hoch genug ist, um die Rußpartikel zu verbrennen. Es ist daher möglich, dass eine Regeneration bei Bedarf nicht stattfindet und Russpartikel können sich in dem DPF aufbauen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zumindest eine Realisierung anzugeben, mit der zuverlässig verhindert werden kann, dass es bei der Regeneration eines Partikelfilters zu einer temperaturbedingten Beschädigung des Partikelfilters kommt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird mit einem Regenerationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Das Zustandsmodul kann bestimmen, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist, wenn das Temperatursignal eine Temperaturschwelle überschreitet.
  • In noch weiteren Merkmalen begrenzt das Sauerstoffniveau-Steuermodul das Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter, wenn das Zustandsmodul bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist. Das Sauerstoffniveau-Steuermodul begrenzt das Sauerstoffniveau in dem PF mit einem Abgasrückführungsventil, einem Turbolader mit einer Turbine mit verstellbarer Düse und/oder einer Drossel.
  • In noch weiteren Merkmalen umfasst das Regenerationssteuersystem einen Zeitmesser, der eine Zeitmessung beginnt, wenn das Zustandsmodul bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist, und nach einer vorbestimmten Zeitspanne eine Deaktivierungssignal erzeugt. Das Zustandsmodul bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis nicht erforderlich ist, wenn das Deaktivierungssignal erzeugt wird. Das Sauerstoffniveau-Steuermodul begrenzt das Sauerstoffniveau in dem PF nicht, wenn das Deaktivierungssignal erzeugt wird.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten Beschreibung offensichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
  • 1 ein funktionelles Blockdiagramm eines Dieselmotorsystems ist, das ein Regenerationssteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 2 ein funktionelles Blockdiagramm des Regenerationssteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine beispielhafte Tabelle ist, die verwendet werden kann, um einen maximalen Abgassauerstoffgehalt zu bestimmen; und
  • 4 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte veranschaulicht, die von dem Regenerationssteuersystem ausgeführt werden, um den Sauerstoff in dem Dieselmotorsystem zu begrenzen.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul oder Vorrichtung auf einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (mehrfach genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung oder weitere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktion bereitstellen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können Sauerstoffniveaus in Abgasen begrenzt werden, um Temperaturen während einer Regenerierung in einem Partikelfilter (PF) reduzieren. Wenn Sauerstoffniveaus in den Abgasen reduziert sind, ist weniger Rußoxidation vorhanden, was die Temperatur innerhalb des PF reduziert.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhaftes Dieselmotorsystem 10 veranschaulicht. Es ist einzusehen, dass das Dieselmotorsystem 10 nur beispielhaft ist und dass das hierin beschriebene Regenerationssystem in verschiedenen Motorsystemen eingesetzt werden kann, die einen Partikelfilter enthalten. Solche Motorsysteme können Benzinmotorsysteme mit Direkteinspritzung, Motorsysteme mit verdichtetem Erdgas und Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird die Offenlegung im Kontext mit einem Dieselmotorsystem dargelegt.
  • Das Dieselmotorsystem 10 umfasst einen Dieselmotor 12, einen Einlasskrümmer 14, ein Kraftstoffeinspritzsystem 16 und ein Abgassystem 18. Der beispielhafte Motor 12 umfasst sechs Zylinder 20, die in nebeneinander liegenden Zylinderbänken 21, 22 in V-Anordnung konfiguriert sind. Obwohl 1 sechs Zylinder (N = 6) zeigt, ist einzusehen, dass der Motor 12 zusätzliche oder weniger Zylinder 20 umfassen kann. Beispielsweise werden Motoren mit 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 und 16 Zylindern in Betracht gezogen. Es ist auch einzusehen, dass die vorliegende Erfindung in Übereinstimmung mit einer Reihenzylinderkonfiguration oder einer beliebigen anderen im Stand der Technik bekannten Konfiguration verwendet werden kann.
  • Das Dieselmotorsystem 10 kann einen Turbolader 23 mit einer Turbine mit verstellbarer Düse (variable nozzle turbine = VNT) umfassen, der zusätzlich Luft zur Verbrennung in den Einlasskrümmer 14 pumpt. Eine Drossel 25 kann eingestellt sein, um eine Luftströmung von dem Einlasskrümmer 14 durch den Einlasskrümmer 14 und in die Zylinder 20 zu steuern. Kraftstoff wird mit dem Kraftstoffeinspritzsystem 16 in die Zylinder 20 eingespritzt. Aus verdichteter Luft erzeugte Wärme zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Die Abgase treten aus den Zylindern 20 in das Abgassystem 18 aus.
  • Das Abgassystem 18 umfasst Abgaskrümmer 29 und 30, Abgaskanäle 33 und 34, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 31 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 32. Die Abgaskrümmer 29, 30 leiten die Abgase von den entsprechenden Zylinderbänken 21, 22 in die Abgaskanäle 33, 34. Die Abgaskanäle 33, 34 führen zu einem Einlass 35 des VNT-Turboladers 23.
  • Die Strömung der Abgase durch den VNT-Turbolader 23 erzeugt in dem VNT-Turbolader 23 Energie, die ausreicht, um zusätzliche Luft in den Einlasskrümmer 14 hinein zu verdichten. Die erzeugte Energie kann durch Anpassen einer Querschnittsfläche des Einlasses 35 variiert werden, um die Strömungsrate des Abgases durch den VNT-Turbolader 23 und in den DOC 31 hinein zu steuern. Der DOC 31 oxidiert unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgasen über einem Katalysator. Wärme, die während der Oxidation der Kohlenwasserstoffe erzeugt wird, erhöht die Temperatur der Abgase. Die erwärmten Abgase verbrennen in dem DPF 32 eingeschlossene Russpartikel.
  • Ein Abgasrückführungssystem umfasst einen Rückführungskanal 36 und ein Abgasrückführungs (AGR)-Ventil 37. Das AGR-Ventil 37 führt Abgase in den Einlasskrümmer 14 zurück. Das AGR-Ventil 37 kann zwischen offenen und geschlossenen Positionen moduliert sein, um eine Teilströmung von Abgasen zuzulassen.
  • Ein Regenerations-Steuersystem 42 regelt den Betrieb des Dieselmotorsystems 10. Ein Luftmassen (MAF)-Sensor 44 spricht auf eine Luftmasse an und erzeugt auf deren Basis ein Luftmassenströmungssignal 46. Ein Temperatursensor 48 spricht auf die Temperatur der Abgase aus dem DOC 31 an und erzeugt auf deren Basis ein Temperatursignal 50. Ein Sauerstoffsensor 52 spricht auf eine Sauerstoffkonzentration in den Abgasen aus dem DOC 31 an und erzeugt auf deren Basis ein Abgas-Sauerstoffniveausignal 54. Das Regenerationssteuersystem 42 empfängt das Temperatursignal 50 und das Abgas-Sauerstoffniveausignal 54 erzeugt auf deren Basis ein Steuersignal. Alternativ kann das Steuersignal auf dem Luftmassenströmungssignal 46, dem Temperatursignal 50 und dem Abgas-Sauerstoffniveausensor 54 basieren.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 veranschaulicht ein funktionelles Blockdiagramm 70 das Regenerationssteuersystem 42 in größerem Detail. Das Regenerationssteuersystem 42 umfasst ein Zustandsmodul 74 und ein Sauerstoffniveau-Steuermodul 76. Das Zustandsmodul 74 erzeugt selektiv ein Luftströmungs-Reduktionssignal 80 auf der Basis des Luftmassenströmungssignals 46, des Temperatursignals 50 und des Abgas-Sauerstoffniveausignals 54. Im Spezielleren bestimmt das Zustandsmodul 74 einen maximalen Abgassauerstoffgehalt auf der Basis des Luftmassenströmungssignals des Abgassystems 18, ob das Temperatursignal 50 größer ist als eine Temperaturschwelle und ob das Abgas-Sauerstoffniveausignal 54 größer ist als der maximale Abgassauerstoffgehalt. Der maximale Abgassauerstoffgehalt, der zwischen 2 und 21% variiert, wird aus dem Luftmassenströmungssignal bzw. der MAF bestimmt und die Temperaturschwelle liegt bei 500°C. Eine beispielhafte Tabelle, die verwendet werden kann, um auf der Basis des Luftmassenströmungssignals des Abgassystems 18 den maximalen Abgassauerstoffgehalt zu bestimmen, ist in 3 gezeigt. Wenn der Abgassauerstoffgehalt größer als der maximale Abgassauerstoffgehalt auf der Basis des Luftmassenströmungssignals ist und das Temperatursignal 50 größer ist als die Temperaturschwelle, erzeugt das Zustandsmodul 74 das Luftströmungs-Reduktionssignal 80. Das Sauerstoffniveau-Steuermodul 76 erzeugt ein Steuersignal 82, wenn das Luftströmungs-Reduktionssignal 80 empfangen wird. Das Steuersignal 82 basiert auf dem Sauerstoffniveausignal 54 und kann verwendet werden, um das AGR-Ventil 37, den VNT-Turbolader 23 und/oder die Drossel 25 zu steuern und demzufolge das Sauerstoffniveau des DPF 32 zu steuern.
  • Das Motorsystem 10 kann nicht in einem bevorzugten Modus arbeiten, wenn das Sauerstoffniveau durch das Regenerationssteuersystem 42 begrenzt ist. Somit ist das Sauerstoffniveau nur für eine vorbestimmte Zeitspanne begrenzt. Ein Zeitmesser 84 wird zu Beginn eines Regenerationsereignisses gestellt, um eine verstrichene Zeit zu verfolgen. Der Zeitmesser erzeugt ein Deaktivierungssignal 86, das von dem Zustandsmodul 74 empfangen wird, wenn die verstrichene Zeit die vorbestimmte Zeitspanne überschreitet. Der Fachmann wird einsehen, dass andere Elemente, die in der Lage sind, einen Partikeloxidationsstatus zu erfassen, anstelle des Zeitmessers 84 verwendet werden können, um zu bestimmen, wann eine Begrenzung des Sauerstoffniveaus beendet werden soll. Die weiteren Elemente können empirisch basierte Modelle und/oder Modelle sein, die in der Lage sind, abzuschätzen, wann Zustände für eine Sauerstoffbegrenzung nicht mehr erforderlich sind. Wenn das Zustandsmodul 74 das Deaktivierungssignal 86 empfängt, wird das Luftströmungs-Reduktionssignal 80 nicht länger erzeugt und das Sauerstoffniveau-Steuermodul 76 begrenzt das Sauerstoffniveau nicht.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist ein Flussdiagramm veranschaulicht, das beispielhafte Schritte, die von dem Regenerationssteuersystem 42 ausgeführt werden, allgemein bei 100 bezeichnet. Die Steuerung beginnt in Schritt 101, wenn das Dieselmotorsystem 10 gestartet wird. In Schritt 102 bestimmt die Steuerung, ob eine Regenerierung aktiviert ist. Wenn eine Regenerierung nicht aktiviert wurde, endet die Steuerung bei Schritt 103. Wenn eine Regenerierung aktiviert wurde, bestimmt das Steuermodul 74 in Schritt 104, ob das Temperatursignal 50 (T) größer ist als die Temperaturschwelle (TTHR). Wenn das Temperatursignal 50 nicht größer ist als die Temperaturschwelle, endet die Steuerung bei Schritt 103.
  • In Schritt 105 startet die Steuerung den Zeitmesser 84. Das Zustandsmodul 74 misst in Schritt 106 die MAF und bestimmt dann in Schritt 107 den maximalen Abgassauerstoffgehalt auf der Basis der MAF. In Schritt 108 vergleicht die Steuerung das Sauerstoffniveausignal 54 (O2) mit dem in Schritt 107 bestimmten Abgassauerstoffgehalt (O2THR), um zu bestimmen, ob das Sauerstoffniveau im Abgas zu hoch ist. Wenn O2 größer ist als O2THR, schreitet die Steuerung zu Schritt 110 weiter. In Schritt 110 wird das Sauerstoffniveau in den Abgasen reduziert. Im Spezielleren wird das Sauerstoffniveau dadurch reduziert, dass die AGR mit dem AGR-Ventil 37 erhöht wird, der Einlass 35 des VNT-Turboladers 23 angepasst wird und/oder die Drossel 25 angepasst wird. Wenn O2 nicht größer ist als O2THR, schreitet die Steuerung zu Schritt 112 weiter.
  • In Schritt 112 bestimmt die Steuerung, ob der Zeitmesser 84 abgelaufen ist. Wenn der Zeitmesser 84 abgelaufen ist, erzeugt die Steuerung in Schritt 114 das Deaktivierungssignal 86, um das Zustandsmodul 74 zu deaktivieren, und die Steuerung endet in Schritt 103. Wenn der Zeitmesser 84 nicht abgelaufen ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 106 zurück.

Claims (10)

  1. Regenerationssteuersystem (42) für einen Partikelfilter (32), umfassend: einen Luftmassensensor (44), der ein Luftströmungssignal (46) bestimmt; einen Sauerstoffsensor (52), der auf Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas ein Abgassauerstoffsignal (54) bestimmt; einen Temperatursensor (48), der die Temperatur des in den Partikelfilter (32) strömenden Abgases bestimmt; ein Zustandsmodul (74), das bestimmt, ob ein sauerstoffbegrenzendes Ereignis für den Partikelfilter (32) während eines Regenerationsereignisses erforderlich ist; und ein Sauerstoffniveau-Modul (76), das mit dem Zustandsmodul (74) kommuniziert und ein Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) während des Regenerationsereignisses selektiv begrenzt; dadurch gekennzeichnet, dass das Zustandsmodul (74) auf der Basis des Luftströmungssignals (46) einen maximalen Abgassauerstoffgehalt so bestimmt, dass der maximale Abgassauerstoffgehalt mit zunehmender Luftmasse zunimmt, und nur dann bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist, wenn das Abgassauerstoffsignal (54) größer ist als der maximale Abgassauerstoffgehalt und die Temperatur des in den Partikelfilter (32) strömenden Abgases eine Temperaturschwelle überschreitet.
  2. Regenerationssteuersystem nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoffniveau-Modul (76) das Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) begrenzt, wenn das Zustandsmodul (74) bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist.
  3. Regenerationssteuersystem nach Anspruch 2, wobei das Sauerstoffniveau-Modul (76) das Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) mit einem Abgasrückführungsventil (37) und/oder einem Turbolader (23) mit einer Turbine mit verstellbarer Düse und/oder einer Drossel (25) begrenzt.
  4. Regenerationssteuersystem nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Zeitmesser (84), der eine Zeitmessung beginnt, wenn das Zustandsmodul (74) bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist, und der nach einer vorbestimmten Zeitspanne ein Deaktivierungssignal erzeugt.
  5. Regenerationssteuersystem nach Anspruch 4, wobei das Zustandsmodul (74) bestimmt, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis nicht erforderlich ist, wenn das Deaktivierungssignal erzeugt wird.
  6. Regenerationssteuersystem nach Anspruch 4, wobei das Sauerstoffniveau-Modul (76) das Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) nicht begrenzt, wenn das Deaktivierungssignal erzeugt wird.
  7. Verfahren zum Reduzieren der Temperatur in einem Partikelfilter (32), umfassend die Schritte, dass: eine Luftmassenströmung bestimmt wird; auf Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas ein Abgassauerstoffsignal (54) bestimmt wird; die Temperatur des in den Partikelfilter (32) strömenden Abgases bestimmt wird; bestimmt wird, ob ein sauerstoffbegrenzendes Ereignis für den Partikelfilter (32) während eines Regenerationsereignisses erforderlich ist; und ein Sauerstoffniveau des Partikelfilters (32) während des Regenerationsereignisses selektiv begrenzt wird; dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis der Luftmassenströmung ein maximaler Abgassauerstoffgehalt so bestimmt wird, dass dieser mit zunehmender Luftmassenströmung zunimmt, und nur dann bestimmt wird, dass das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist, wenn das Abgassauerstoffsignal (54) größer ist als der maximale Abgassauerstoffgehalt und die Temperatur des in den Partikelfilter (32) strömenden Abgases eine Temperaturschwelle überschreitet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den Schritt, dass das Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) begrenzt wird, wenn das sauerstoffbegrenzende Ereignis erforderlich ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt, dass das Sauerstoffniveau in dem Partikelfilter (32) mit zumindest einem Abgasrückführungsventil (37) und/oder einem Turbolader (23) mit einer Turbine mit verstellbarer Düse und/oder einer Drossel (25) begrenzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend den Schritt, dass das Sauerstoffniveau für eine vorbestimmte Zeitspanne begrenzt wird.
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