DE102007047762A1

DE102007047762A1 - Sauerstoffbasierte Partikelfilterregenerationsstrategie

Info

Publication number: DE102007047762A1
Application number: DE102007047762A
Authority: DE
Inventors: Frank Troy Ament; David B. Brighton Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: DE102007047762B4; CN101220760B; CN101220760A; US20080083212A1; US7478528B2

Abstract

Ein Partikelfilterregenerationsverfahren für ein Verbrennungsmotorsystem wird zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst, dass ein Auslasstemperatursignal empfangen wird, das einer Temperatur an einem Auslass eines Partikelfilters entspricht; ein Sauerstoffsignal empfangen wird, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas, welches aus dem Partikelfilter strömt, entspricht; und die Luftströmung und/oder der Kraftstoff auf der Grundlage des Sauerstoffniveaus derart gesteuert wird bzw. werden, dass die Auslasstemperatur innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Partikelfilter und insbesondere Verfahren und Systeme zum Steuern der Temperatur eines Partikelfilters während einer Regeneration.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Dieselpartikelfilter (DPF) werden an Dieselmotoren verwendet, um Emissionen von Partikelmaterial (Ruß) zu verringern, die während eines heterogenen Verbrennungsprozesses erzeugt werden. Diese Filter müssen gereinigt oder "regeneriert" werden, wenn ermittelt wird, dass der Filter voll Ruß ist. Ein Motorsteuerungssystem kann die DPF-Anhäufung schätzen und ermitteln, wann der Filter eine Regeneration benötigt. Sobald ermittelt wird, dass der Filter voll ist, aktiviert das Steuersystem eine Regeneration durch Modifizieren des Verbrennungsprozesses und/oder Einspritzen von Kraftstoff in das Abgassystem, um die Temperatur des Abgases, das in den DPF einströmt, zu erhöhen. Die erhöhten Abgastemperaturen lösen eine Oxidation des gespeicherten Rußes in dem DPF aus.
Normalerweise ist dieser Prozess gut gesteuert und hat akzeptierbare Filtertemperaturen und eine akzeptierbare Filterhaltbarkeit zur Folge. Unter einigen Bedingungen kann der Filter jedoch mit Partikeln überladen werden oder während Bedingungen regeneriert werden, die unkontrollierbare Temperaturen zur Folge haben. Diese übermäßig hohen Temperaturen können einen Filterausfall aufgrund eines Brechens durch thermische Belastung oder sogar eines Schmelzens des Filtersubstrats zur Folge haben.
Um die DPF-Haltbarkeit zu verbessern, sollten Spitzentemperaturen in dem DPF gesteuert werden. Ein Verfahren zum Steuern von Spitzentemperaturen umfasst das Begrenzen der Partikelbeladung. Dies kann aufgrund von Kundenfahrzyklen, Umgebungsbedingungen und/oder Variationen der Motorbetriebsarten nicht immer garantiert werden. Ein anderes Verfahren umfasst das Begrenzen des Wärmeeintrags in den DPF durch den Kraftstoffeinspritzprozess. Dies ist ebenfalls nicht immer effektiv, da die gespeicherte Partikelmasse oft ausreichend ist, um zu hoch exothermen Reaktionen zu führen, welche das DPF-Material beschädigen können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend wird ein Partikelfilterregenerationsverfahren für ein Verbrennungsmotorsystem zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst, dass: ein Auslasstemperatursignal empfangen wird, das einer Temperatur an einem Auslass eines Partikelfilters entspricht; ein Sauerstoffsignal empfangen wird, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas, welches aus dem Partikelfilter strömt, entspricht; und die Luftströmung und/oder der Kraftstoff auf der Grundlage des Sauerstoffniveaus derart gesteuert wird bzw. werden, dass die Auslasstemperatur in einem gewünschten Bereich liegt.
Gemäß anderen Merkmalen wird ein System zum Steuern der Regeneration eines Partikelfilters zur Verfügung gestellt. Das System umfasst: einen Auslasstemperatursensor, der eine Temperatur an einem Auslass des Partikelfilters erfasst und ein Temperatursignal auf der Grundlage der Auslasstemperatur erzeugt; einen Luft-Kraftstoff-Sensor, der ein Sauerstoffni veau in dem Abgas, welches aus dem Partikelfilter strömt, erfasst und ein Sauerstoffsignal auf der Grundlage des Sauerstoffniveaus erzeugt; und ein Steuermodul, welches das Auslasstemperatursignal und das Sauerstoffsignal empfangt und die Regeneration des Partikelfilters auf der Grundlage des Auslasstemperatursignals und des Sauerstoffsignals steuert.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgend gegebenen detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sollte zu verstehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele, obgleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung gedacht sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der Erfindung einzuschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden, wobei:
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Dieselmotorsystems ist, welches ein erfindungsgemäßes Partikelfilterregenerationssystem umfasst;
2 ein Flussdiagramm ist, welches das erfindungsgemäße sauerstoffbasierte Partikelfilterregenerationsverfahren veranschaulicht; und
3 eine graphische Darstellung ist, die einen Steuerbereich der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch einzuschränken. Zu Zwecken der Klarheit werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, fest verschaltet oder Gruppen-) 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 erfindungsgemäßes Dieselmotorsystem 10 schematisch dargestellt. Es ist einzusehen, dass das Dieselmotorsystem 10 lediglich beispielhafter Natur ist und dass das hier beschriebene Partikelfilterregenerationssystem in verschiedenen Motorsystemen ausgeführt sein kann, die einen Partikelfilter verwenden. Derartige Motorsysteme können Benzindirekteinspritzungsmotorsysteme und Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Für eine leichtere Diskussion wird die Offenbarung in Zusammenhang mit einem Dieselmotorsystem diskutiert.
Das Dieselmotorsystem 10 umfasst einen Dieselmotor 12, einen Ansaugkrümmer 14, ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem 16 und ein Abgassystem 18. Der beispielhafte Motor 12 umfasst acht Zylinder 20, die in nebeneinander befindlichen Zylinderreihen 22, 24 in V-artiger Anordnung konfiguriert sind. Obwohl 1 acht Zylinder (N = 8) darstellt, kann ein gesehen werden, dass der Motor 12 zusätzliche oder weniger Zylinder 20 umfassen kann. Zum Beispiel werden Motoren mit 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 und 16 Zylindern in Erwägung gezogen. Man kann sich auch vorstellen, dass die Partikelfilterregenerationssteuerung der vorliegenden Erfindung in einer reihenartigen Zylinderkonfiguration ausgeführt sein kann.
Luft wird durch eine Drosselklappe (nicht gezeigt) in den Ansaugkrümmer 14 eingesaugt. Die Luft wird von dem Ansaugkrümmer 14 in die Zylinder 20 eingesaugt und wird darin verdichtet. Kraftstoff wird durch das Common-Rail-Einspritzsystem 16 in Zylinder 20 eingespritzt und die Wärme der verdichteten Luft zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Die Abgase werden von den Zylindern 20 in das Abgassystem 18 abgelassen. In einigen Fällen kann das Dieselmotorsystem 10 einen Turbolader umfassen, der eine abgasbetriebene Turbine 26 verwendet, um einen Kompressor 27 anzutreiben, der die Luft, welche in den Ansaugkrümmer 14 eintritt, verdichtet. Die verdichtete Luft tritt typischerweise durch einen Luftkühler (nicht gezeigt) hindurch, bevor sie in den Ansaugkrümmer 14 eintritt.
Das Abgassystem 18 umfasst Abgaskrümmer 28, 30, Abgasleitungen 29, 31 und 36, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 38 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 40. Die Abgaskrümmer 28, 30 leiten das Abgas, das aus entsprechenden Zylinderreihen 22, 24 austritt, in die Abgasleitungen 29, 31. Das Abgas wird in den Turbolader geleitet, um die Turbine 26 anzutreiben. Ein kombinierter Abgasstrom strömt von dem Turoblader durch die Abgasleitung 36, den DOC 38 und den DPF 40 hindurch. Der DPF 40 filtert Partikel aus dem kombinierten Abgasstrom, während dieser in die Atmosphäre strömt.
Ein Steuermodul 42 reguliert den Betrieb des Dieselmotorsystems 10 gemäß dem sauerstoffbasierten Partikelfilterregenerationsverfahren der vor liegenden Erfindung. Genauer gesagt kommuniziert das Steuermodul 42 mit einem DPF-Auslasstemperatursensor, einem Weitbereichs-Luft-Kraftstoff-Sensor 46 und einem DPF-Einlasstemperatursensor 48. Der DPF-Auslasstemperatursensor erzeugt ein Signal, das eine Temperatur an dem Auslass des DPF 40 angibt. Bei verschiedenen Ausführungsformen erfasst der DPF-Auslasstemperatursensor eine Temperatur des DPF-Substrats, wie durch den Temperatursensor 44 gezeigt ist, und erzeugt ein Substrattemperatursignal. Bei verschiedenen Ausführungsformen erfasst der DPF-Auslasstemperatursensor eine Temperatur von Gasen, welche aus dem DPF austreten, wie durch den Temperatursensor 45 gezeigt ist, und erzeugt ein Gastemperatursignal. Der Weitbereichs-Luft-Kraftstoff-Sensor 46 erzeugt ein Signal, das die Menge von Sauerstoff (O₂) in dem Abgas angibt. Der DPF-Einlasstemperatursensor 48 erzeugt ein Signal, das die Temperatur des Abgases angibt, welches in den DPF 40 strömt.
Das Steuermodul 42 ermittelt, wann eine Regeneration benötigt wird und steuert den Motorbetrieb, um es zu ermöglichen, dass eine Regeneration stattfindet. Auf der Grundlage des Auslasstemperatursignals und des Sauerstoffsignals fährt die Steuerung fort, den Motorbetrieb auf Regenerationsniveaus zu steuern, bis die Regeneration abgeschlossen ist.
Nun auf 2 Bezug nehmend veranschaulicht ein Flussdiagramm Schritte, welche durch das sauerstoffbasierte Partikelfilterregenerationsverfahren durchgeführt werden. In Schritt 100 schätzt die Steuerung die Rußanhäufung in dem DPF und ermittelt auf der Grundlage einer Anhäufungsschwelle, ob eine Regeneration benötigt wird. Wenn der DPF voll ist, ermittelt die Steuerung in Schritt 110, ob die Motorbetriebsbedingungen ausreichend sind, um eine Regeneration zuzulassen. Wenn der DPF nicht voll ist, rückt die Steuerung zum Ende vor. Wenn eine Regeneration zuge lassen ist, aktiviert die Steuerung eine Regeneration durch Modifizieren des Verbrennungsprozesses und/oder durch Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrom, um die DPF-Einlasstemperatur in Schritt 120 über eine Rußanspringschwelle anzuheben. Die erhöhte Abgastemperatur löst eine Oxidation des gespeicherten Rußes in dem DPF aus. Wenn eine Regeneration nicht zugelassen ist, rückt die Steuerung zum Ende vor.
Wenn die Regeneration begonnen hat und das Temperatursignal in Schritt 130 eine Substrattemperatur angibt, die größer ist als eine auswählbare Schwelle, wird die passende Temperatur für eine Regeneration aufrechterhalten, indem Luft und/oder Kraftstoff derart angewiesen wird bzw. werden, dass das Sauerstoffniveau, welches durch den Luft-Kraftstoff-Sensor angegeben wird, in einem vordefinierten Steuerbereich liegt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die auswählbare Schwelle fünfhundert Grad Celsius betragen. 3 veranschaulicht einen beispielhaften Steuerbereich. Das Sauerstoffniveau ist entlang der y-Achse bei 200 angegeben und reicht von null Prozent bis zehn Prozent. Die DPF-Auslasstemperatur ist entlang der x-Achse bei 210 angegeben und reicht von dreihundert Grad Celsius bis neunhundert Grad Celsius. Ein beispielhafter Steuerbereich ist bei 220 angegeben. Der Steuerbereich gibt den Bereich an, bei welchem die Sauerstoffniveaus aufrechterhalten werden sollten, um die Temperatur des DPF zu steuern und den angehäuften Ruß vollständig zu verbrennen.
Zurück auf 2 Bezug nehmend wird die Rußmasse über eine Zeitspanne verringert, wenn die Regeneration in Schritt 140 stattfindet. Die Zeit für eine vollständige Regeneration der gespeicherten Rußmasse kann aus den bekannten DPF-Bedingungen geschätzt werden. Eine maximale Regenerationszeit kann für das bestimmte System vorbestimmt sein. Wenn die DPF-Auslasstemperatur in Schritt 150 über einer Minimaltemperatur (zum Beispiel 550 Grad Celsius) bleibt und die Regenerationszeit in Schritt 160 größer ist als die maximale Regenerationszeit (zum Beispiel 7 Minuten), ist der Filter sauber und die Regeneration ist abgeschlossen. Die Steuerung rückt zum Ende vor. Wenn die DPF-Auslasstemperatur über der Minimaltemperatur liegt, aber für eine nicht ausreichende Zeit, springt die Steuerung zurück zu Schritt 100 und die Regeneration hält an, um den Rußoxidationsprozess zu vervollständigen.
Fachleute können nun aus der vorangegangenen Beschreibung einsehen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt sein können. Daher sollte, obgleich diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen davon beschrieben wurde, der wahre Umfang der Erfindung nicht darauf beschränkt werden, da andere Modifikationen dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche ersichtlich werden.

Claims

System zum Steuern der Regeneration eines Partikelfilters, das umfasst: einen Auslasstemperatursensor, der eine Temperatur an einem Auslass des Partikelfilters erfasst und ein Temperatursignal auf der Grundlage der Auslasstemperatur erzeugt; einen Luft-Kraftstoff-Sensor, der ein Sauerstoffniveau in dem Abgas, welches aus dem Partikelfilter strömt, erfasst und ein Sauerstoffsignal auf der Grundlage des Sauerstoffniveaus erzeugt; und ein Steuermodul, welches das Auslasstemperatursignal und das Sauerstoffsignal empfängt und die Regeneration des Partikelfilters auf der Grundlage des Auslasstemperatursignals und des Sauerstoffsignals steuert.
System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor eine Substrattemperatur an dem Auslass des Partikelfilters erfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor eine Gastemperatur erfasst, welche durch den Auslass des Partikelfilters hindurchströmt.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul die Luftströmung und/oder den Kraftstoff steuert, um ein gewünschtes Sauerstoffniveau in dem Abgas aufrechtzuerhalten, wobei das gewünschte Sauerstoffniveau durch ei nen Steuerbereich definiert ist und wobei der Steuerbereich durch mehrere auswählbare Bereiche für mehrere auswählbare Temperaturen definiert ist.
System nach Anspruch 4, wobei die auswählbaren Temperaturen zwischen fünfhundert und neunhundert Grad Celsius liegen und die auswählbaren Bereiche zwischen null und zehn Prozent Sauerstoff liegen.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul eine Anhäufung von Ruß in dem Partikelfilter schätzt und die Regeneration auf der Grundlage der Schätzung steuert.
System nach Anspruch 6, das ferner einen Einlassabgastemperatursensor umfasst, welcher eine Temperatur des Abgases erfasst, welches in den Partikelfilter strömt, und ein Abgastemperatursignal auf der Grundlage der Temperatur des Abgases erzeugt, welches in den Partikelfilter strömt, und wobei das Steuermodul eine Regeneration auslöst, indem es den Motorbetrieb derart anweist, dass die Temperatur des Abgases, welches in den Partikelfilter strömt, über einer Rußanspringschwelle liegt.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul, wenn das Temperatursignal eine Temperatur über einer auswählbaren Schwelle angibt, die Regeneration auf der Grundlage des Sauerstoffsignals und des Temperatursignals steuert.
System nach Anspruch 8, wobei die Schwelle fünfhundert Grad Celsius beträgt.
Partikelfilterregenerationsverfahren für ein Verbrennungsmotorsystem, das umfasst, dass: ein Auslasstemperatursignal empfangen wird, das einer Temperatur an einem Auslass eines Partikelfilters entspricht; ein Sauerstoffsignal empfangen wird, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas, welches aus dem Partikelfilter strömt, entspricht; und die Luftströmung und/oder der Kraftstoff auf der Grundlage des Sauerstoffniveaus derart gesteuert wird bzw. werden, dass die Auslasstemperatur in einem gewünschten Bereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass eine Anhäufung von Ruß in dem Partikelfilter geschätzt wird, und wobei der Schritt des Steuerns durchgeführt wird, wenn die geschätzte Anhäufung eine Anhäufungsschwelle übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst, dass ein Temperatursignal empfangen wird, das einer Einlasstemperatur des Partikelfilters entspricht, und die Luftströmung und/oder Kraftstoff zu dem Motor derart gesteuert wird bzw. werden, dass die Einlasstemperatur über einer Rußanspringschwelle liegt, wenn die geschätzte Anhäufung eine Anhäufungsschwelle übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Empfangen umfasst, dass ein Auslasstemperatursignal empfangen wird, das einer Temperatur des Partikelfiltersubstrats an dem Auslass des Partikelfilters entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Empfangen umfasst, dass ein Auslasstemperatursignal empfangen wird, das einer Temperatur von Gasen, die aus dem Auslass des Partikelfilters strömen, entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der gewünschte Bereich für die Auslasstemperatur zwischen fünfhundert und neunhundert Grad Celsius liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Sauerstoffniveau gesteuert wird, um in einem gewünschten Bereich für eine gegebene Auslasstemperatur zu liegen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der gewünschte Bereich für das Sauerstoffniveau zwischen null und zehn Prozent Sauerstoff beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Steuerns der Luftströmung und/oder des Kraftstoffs auf der Grundlage des Sauerstoffniveaus so lange anhält, wie Ruß zum Verbrennen vorhanden ist.