DE102007046524B4

DE102007046524B4 - Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102007046524B4
Application number: DE102007046524A
Authority: DE
Inventors: Rahul Rochester Hills Mital; Chad E. Plymouth Marlett; James R. Brighton Ireton jun.; Thomas E. Canton Wiseman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2027-09-29
Also published as: DE102007046524A1; US7758676B2; CN101219314A; US20080078236A1; CN101219314B

Abstract

Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (34), das umfasst, dass:
eine erste Druckdifferenz (88) über den Partikelfilter (34) am Ende einer Regenerationszeit eines Regenerationsvorgangs bestimmt wird;
eine zweite Druckdifferenz (98) über den Partikelfilter (34) nach dem Regenerationsvorgang bestimmt wird, welche aufgrund der aktuellen Rußbeladung in dem Filter (34) zunimmt;
die tatsächlich vorhandene Rußbeladung (96) des Partikelfilters (34) auf Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Druckdifferenz (88) und der zweiten Druckdifferenz (98) bestimmt wird; und
ein Regenerationsprozess für den Partikelfilter (34) ausgelöst wird, wenn die bestimmte Rußbeladung (96) ein vorgegebenes Schwellwertniveau erreicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters.
HINTERGRUND
Dieselmotoren weisen aufgrund eines erhöhten Verdichtungsverhältnisses und einer höheren Energiedichte von Dieselkraftstoff typischerweise einen höheren Wirkungsgrad auf als Benzinmotoren. Ein Dieselverbrennungszyklus erzeugt Partikel, die typischerweise durch einen Partikelfilter (PF) aus dem Dieselabgas herausgefiltert werden, welcher in dem Abgasstrom angeordnet ist. Mit der Zeit wird der PF voll und die gefangenen Dieselpartikel müssen entfernt werden. Während einer Regeneration werden die Dieselpartikel in dem PF verbrannt. Da die Emissionsstandards zunehmen, wird erwartet, dass Partikelfilter auch in Nicht-Diesel-Anwendungen verwendet werden können.
Herkömmliche Verfahren lösen eine Regeneration auf der Grundlage der gefahrenen Wegstrecke, der Zeit seit der letzten Regeneration, des verbrannten Kraftstoffs oder der vorhergesagten Rußbeladung aus. Neuere Verfahren beurteilen einen Druckabfall in dem Partikelfilter, um eine Regeneration auszulösen, wie dies beispielsweise in der DE 690 04 159 T2 beschrieben wird. Diese Verfahren können eine oder mehrere vorbestimmte Tabellen verwenden, um einen Druckabfall vorherzusagen.
Ferner ist es aus der DE 60 2004 000 466 T2 bekannt, in Abhängigkeit der Feststellung, ob ein Partikelfilter vollständig oder nur teilweise regeneriert wurde, unterschiedliche Kennlinientabellen zur korrekten Bestimmung der tatsächlichen Rußbeladung zu verwenden.
Da die in der DE 60 2004 000 466 T2 beschriebene Herangehensweise aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Kennlinientabellen, die benötigt werden, um den Beladungszustand vor der Regenerierung zu erfassen, nicht nur aufwändig ist, sondern den Beladungszustand nach der Regenerierung auch nur näherungsweise berücksichtigt, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein einfacheres und genaueres Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters anzugeben.
ZUSAMMENFASSUNG
Dementsprechend wird ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, wobei sich bevorzugte Ausführungsformen aus den abhängigen Ansprüchen ergeben.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier zur Verfügung gestellten Beschreibung ersichtlich.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung.
1 ist ein Funktionsblockschaltbild eines Fahrzeugs, das einen Partikelfilter aufweist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines monolithischen Wandströmungspartikelfilters.
3 ist ein Datenflussdiagramm, das ein adaptives Druckabfallmesssystem veranschaulicht.
4 ist ein Ablaufflussdiagramm, das ein adaptives Druckabfallmessverfahren veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden bezieht sich der Begriff Modul auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Nun auf 1 Bezug nehmend ist ein beispielhaftes Dieselmotorsystem 10 schematisch dargestellt. Das Dieselmotorsystem 10 ist lediglich beispielhafter Natur, was bedeutet dass das hier beschriebene Verfahren in verschiedenen Motorsystemen ausgeführt sein kann, die einen Partikelfilter verwenden. Derartige Systeme können Benzindirekteinspritzungsmo torsysteme und Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Zum leichteren Verständnis wird der Rest der Offenbarung in Zusammenhang mit einem Dieselmotorsystem beschrieben.
Ein Turbodieselmotorsystem 10 umfasst 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 hindurchtritt. Die Luft tritt durch den Luftfilter 14 hindurch und wird in einen Turbolader 18 eingesaugt. Der Turbolader 18 verdichtet die Frischluft, die in das System 10 eintritt. Je größer allgemein die Verdichtung der Luft ist, desto größer ist die Ausgangsleistung des Motors 12. Verdichtete Luft tritt dann durch einen Luftkühler 20 hindurch, bevor sie in einen Ansaugkrümmer 22 eintritt.
Luft in dem Ansaugkrümmer 22 wird in Zylinder 26 verteilt. Obwohl vier Zylinder 26 dargestellt sind, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch in Motoren angewendet werden, die mehr oder weniger Zylinder wie beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylinder aufweisen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch in einer V-artigen Zylinderkonfiguration angewendet werden. Kraftstoff wird durch Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28 in die Zylinder 26 eingespritzt. Wärme von der verdichteten Luft zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Eine Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs erzeugt Abgas. Abgas tritt aus den Zylindern 26 aus und in das Abgassystem ein.
Das Abgassystem umfasst einen Abgaskrümmer 30, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 32 und einen Partikelfilter (PF) 34. Optional führt ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Teil des Abgases in den Ansaugkrümmer 22 zurück. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 18 ge leitet, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine erleichtert die Verdichtung der Frischluft, die von dem Luftfilter 14 empfangen wird. Abgas strömt von dem Turbolader 18 durch den DOC 32 und den PF 34 hindurch. Der DOC 32 oxidiert das Abgas auf der Grundlage des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nach der Verbrennung. Das Ausmaß an Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases. Der PF 34 empfängt Abgas von dem DOC 32 und filtert jegliche in dem Abgas vorhandene Rußpartikel heraus.
Ein Steuermodul 44 steuert den Motor und die PF-Regeneration auf der Grundlage verschiedener erfasster Informationen. Ein erster Drucksensor erfasst eine Druckdifferenz der durch den PF 34 strömenden Abgase und erzeugt demgemäß ein erstes Drucksensorsignal. Wie einzusehen ist, können andere Sensoren und Verfahren eingesetzt werden, um eine Druckdifferenz in dem PF 34 zu erfassen oder zu ermitteln. Das Steuermodul 44 empfängt das Drucksensorsignal und ermittelt eine PF-Druckdifferenz auf der Grundlage von Abfallmessverfahren und -systemen, wie unten weiter diskutiert wird. Das Steuermodul 44 schätzt danach die Beladung des PF 34 auf der Grundlage der Druckdifferenz. Wenn die geschätzte Beladung ein Schwellenniveau (zum Beispiel 5 Gramm/Liter Partikelmaterial) erreicht und der Abgasvolumendurchfluss innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, wird der Regenerationsprozess ausgelöst. Die Dauer des Regenerationsprozesses variiert auf der Grundlage der Menge von Partikelmaterial, die in dem PF 34 befindlich ermittelt ist.
Unter spezieller Bezugname auf 2 ist ein beispielhafter PF 34 gezeigt. Der beispielhafte PF 34 ist eine monolithische Partikelfalle und weist abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle 50 und geöffnete Zellen/Kanäle 52 auf. Die Zellen/Kanäle 50, 52 sind typischerweise von rechteckigem Querschnitt und verlaufen axial durch das Teil hindurch. Wände 58 des PF 34 bestehen vorzugsweise aus einer porösen keramischen Bienenwabenwand aus Cordierit-Material. Es ist einzusehen, dass ein beliebiges keramisches Wabenmaterial innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird. Benachbarte Kanäle sind jeweils abwechselnd am Ende verstopft, wie bei 56 gezeigt ist. Dies drängt das Dieselaerosol durch die porösen Substratwände hindurch, die als mechanischer Filter wirken. Partikelmaterial wird in den geschlossenen Kanälen 50 abgelagert und Abgas tritt durch die geöffneten Kanäle 52 aus. Rußpartikel 59 strömen in den PF 34 und werden darin gefangen. Eine Anhäufung der Rußpartikel wirkt sich auf den Druckabfall in dem PF 34 aus.
Unter Bezugnahme auf 3 veranschaulicht ein Datenflussdiagramm verschiedene Ausführungsformen eines adaptiven Druckabfallmesssystems, das in das Steuermodul 44 eingebettet sein kann. Verschiedene Ausführungsformen von adaptiven Druckabfallmesssystemen können eine beliebige Anzahl von Submodulen umfassen, die in das Steuermodul 44 eingebettet sind. Die gezeigten Submodule können kombiniert und/oder weiter unterteilt sein, um in ähnlicher Weise einen Druckabfall des PF 34 zu messen. Eingaben in das System können von dem System 10 (1) erfasst werden, von anderen Steuermodulen (nicht gezeigt) in dem System 10 (1) empfangen werden und/oder durch andere Submodule (nicht gezeigt) in dem Steuermodul 44 ermittelt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Steuermodul 44 von 3 ein Modul 70 zum Schätzen eines Filtersbelegungsgrads, ein adaptives Lernmodul 72 und ein Rußvorhersagemodul 74.
Das Modul 70 zum Schätzen eines Filterbelegungsgrads überwacht Regenerationsvorgangsbedingungen, um zu ermitteln, wann der PF 34 sauber ist, und setzt dementsprechend ein Freigabestatusflag 76. Bei verschiedenen Ausführungsformen überwacht das Modul 70 zum Schätzen eines Filterbelegungsgrads eine Regenerationszeit 80, eine Regenerationstempe ratur 82 und einen Indikator 78 für einen abgeschlossenen Regenerationsstatus, um sicherzustellen, dass die Regeneration abgeschlossen ist und der PF 34 sauber ist. Zum Beispiel wird der PF 34, wenn der Regenerationsstatusindikator 78 angibt, dass die Regeneration abgeschlossen ist, die Regenerationszeit 80 angibt, dass die Regeneration für eine vorbestimmte Zeit stattgefunden hat, und die Regenerationstemperatur 82 angibt, dass die PF-Temperatur während der Regeneration gleich oder über einer vorbestimmten Temperaturschwelle war, als sauber erachtet und das Freigabestatusflag 76 wird auf WAHR gesetzt. Andernfalls bleibt das Freigabestatusflag 76 auf FALSCH gesetzt.
Das Modul 70 zum Schätzen eines Filterbelegungsgrads überwacht auch Motorsystemfreigabebedingungen, um eine angemessene Zeit zum Durchführen eines adaptiven Lernens zu ermitteln, sobald der PF 34 sauber ist. Derartige Motorsystemfreigabebedingungen können die Drehzahl 84 und die Last 86 umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel wird, wenn die Bedingungen für die Drehzahl 84 bzw. die Last 86 innerhalb vorbestimmter Bereiche liegen, das Freigabestatusflag 76 auf WAHR gesetzt. Andernfalls bleibt das Freigabestatusflag 76 auf FALSCH gesetzt.
Das adaptive Lernmodul 72 lernt, sobald es über das Freigabestatusflag 76 freigegeben ist, adaptiv die Druckdifferenzwerte 88 und speichert die Werte zur späteren Verwendung in dem Speicher 90. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird ein Druckdifferenzwert 91 für einen gegebenen Durchfluss 92 und eine gegebene PF-Temperatur 94 gemessen, sobald der PF 34 sauber ist. Die gemessene erste Druckdifferenz 91 wird dann als Druckdifferenz 88 für einen sauberen Filter 34 in einer zweidimensionalen ”sauber”-Druckabfall-Tabelle gespeichert, auf welche über die PF-Temperatur 94 und den Volumendurchfluss 92 zugegriffen wird. Das Rußvorhersagemodul 74 schätzt die Rußbeladung 96 in dem PF 34 auf der Grundlage eines gemessenen Gesamtdrucks des PF 98, Druckdifferenzwerten 88 aus der Drucktabelle für einen sauberen Filter, einer PF-Temperatur 94 und einem Abgasvolumendurchfluss 92. Genauer gesagt misst das Rußvorhersagemodul 74 eine Druckdifferenz 98 über dem PF 34 und ruft eine ”sauber”-Druckdifferenz 88 auf der Grundlage der PF-Temperatur 94 und des Abgasvolumendurchflusses 92 von der Tabelle für einen sauberen Filter ab. Auf der Grundlage der Druckdifferenz (TP) 98, der ”sauber”-Druckdifferenz (CP) 88 und des Abgasvolumendurchflusses (FR) 92 berechnet das Rußvorhersagemodul 74 einen Strömungswiderstand (RF), wie durch die folgende Gleichung gezeigt ist: RF = (TP – CP)/FR (1)
Das Rußvorhersagemodul 74 verwendet dann den berechneten Strömungswiderstand, um die Rußbeladung 96 zu ermitteln. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine Rußbeladung 96 auf der Grundlage einer zweidimensionalen Nachschlagetabelle geschätzt, die durch den Abgasvolumendurchfluss 92 und den Strömungswiderstand definiert ist.
Unter Bezugnahme auf 4 veranschaulicht ein Ablaufflussdiagramm verschiedene Ausführungsformen eines adaptiven Druckabfallmessverfahrens, das durch das Steuermodul 44 von 3 durchgeführt werden kann. Das Verfahren kann während des Motorbetriebs periodisch durchlaufen werden. Das Verfahren beginnt bei 100. Bei 110 werden Freigabebedingungen für eine abgeschlossene Regeneration beurteilt. Wenn bei 110 die Freigabebedingungen für eine abgeschlossene Regeneration WAHR sind, werden bei 120 Motorsystembetriebsbedingungen beurteilt. Andernfalls springt die Steuerung zurück und überwacht weiter bei 110 die Freigabebedingungen für eine abgeschlossene Regeneration. Wenn bei 120 die Motorsystembetriebsbedingungen WAHR sind, wird bei 140 die Druckdif ferenz für einen sauberen Filter 34 gemessen und in einem Speicher gespeichert. Andernfalls springt die Steuerung zurück und überwacht weiter bei 120 die Motorsystemfreigabebedingungen. Die Steuerung rückt, wenn die Steuerung zu lange weiterhin die Motorsystemfreigabebedingungen überwacht, nachdem die Regeneration abgeschlossen ist, um so Ruß in dem PF 34 anzuhäufen, bis zum Ende vor. Andernfalls schätzt die Steuerung, sobald bei 130 bzw. 140 die Druckdifferenz für einen sauberen Filter 34 gemessen und im Speicher gespeichert wird, bei 150 die Rußbeladung in dem PF 34 auf der Grundlage eines Strömungswiderstands und eines Abgasvolumendurchflusses, wie oben diskutiert ist. Die Rußschätzung kann zu verschiedenen Zeiten während des Motorbetriebs durchgeführt werden und ist nicht auf die sequenzielle Ausführung, wie in 4 gezeigt, beschränkt.

Claims

Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (34), das umfasst, dass: eine erste Druckdifferenz (88) über den Partikelfilter (34) am Ende einer Regenerationszeit eines Regenerationsvorgangs bestimmt wird; eine zweite Druckdifferenz (98) über den Partikelfilter (34) nach dem Regenerationsvorgang bestimmt wird, welche aufgrund der aktuellen Rußbeladung in dem Filter (34) zunimmt; die tatsächlich vorhandene Rußbeladung (96) des Partikelfilters (34) auf Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Druckdifferenz (88) und der zweiten Druckdifferenz (98) bestimmt wird; und ein Regenerationsprozess für den Partikelfilter (34) ausgelöst wird, wenn die bestimmte Rußbeladung (96) ein vorgegebenes Schwellwertniveau erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Rußbeladung (96) in dem Partikelfilter (34) auf einem Strömungswiderstand (RF) beruht, der aus der zweiten Druckdifferenz (98), der ersten Druckdifferenz (88) und einem Abgasvolumendurchfluss (92) geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Rußbeladung (96) ferner umfasst, dass sie auf der Grundlage von Werten in einer Nachschlagetabelle (90) bestimmt wird, auf welche über den Strömungswiderstand (RF) und den Abgasvolumendurchfluss (92) zugegriffen wird.