DE102008044309B4

DE102008044309B4 - Modellbasierte dynamische Anpassung des Solltemperaturwertes einer Abgasnachbehandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008044309B4
Application number: DE102008044309.3A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2028-12-04
Also published as: DE102008044309A1; CN101749091B; CN101749091A

Abstract

Verfahren zur dynamischen Anpassung eines Temperatursollwertes für Abgasnachbehandlungseinrichtungen, umfassend
Das Schätzen eines Betrages von in der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufgefangenen Reduktionsmittel,
Das Vorhersagen der entstehenden Temperatur, welche durch eine Verbrennung eines Betrages der aufgefangenen Reduktionsmittel entsteht, wobei ein Temperaturanstieg determiniert und der derzeitigen Temperatur hinzugefügt wird,
Bilden einer Differenz der vorhergesagten Substrattemperatur und der Substratsolltemperatur, und
Anpassen der exothermen Sollreaktion in dem Substrat mittels der zuvor gebildeten Differenz,
wobei
die stromaufwärtige Solltemperatur korrespondierend reduziert wird, um eine Differenz mit einem Betrag von Null zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Anpassung eines Temperatursollwertes für Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
Aus der WO 2005/005 797 A2 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Temperatur eines Dieselpartikelfilters erhöht werden kann. Dazu wird Kraftstoff, bevorzugt Dieselkraftstoff in den Abgasstrang, bevorzugt direkt stromaufwärts eines Katalysators eingebracht. In dem Katalysator wird so durch das Verbrennen des Dieselkraftstoffs Wärme erzeugt, so dass die den Katalysator verlassenden Abgase eine erhöhte Temperatur aufweisen, welche zur Regeneration des Dieselpartikelfilters geeignet ist. Um den Dieselpartikelpartikel thermisch nicht zu überlasten, wird die eingebrachte Dieselkraftstoffmenge entsprechend gesteuert.
Die DE 100 23 789 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Dieselkraftmaschine, angeordneten Partikelfilters. Es ist vorgesehen, dass ein Schwefelgehalt eines Abgases erfasst wird und der Beladungszustand des Partikelfilters in Abhängigkeit von dem Schwefelgehalt des Abgases oder einer von dem Schwefelgehalt abgeleiteten Größe ermittelt wird. Durch Berücksichtigung des Schwefelgehaltes des Abgases kann eine Partikelemission und damit der Partikeleintrag in den Partikelfilter mit hoher Genauigkeit modelliert und seine Regeneration bedarfsgerecht gesteuert werden.
Abgasnachbehandlungseinrichtungen, welche in dem Abgaspfad eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, bedürfen der periodischen Regeneration um die in der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufgefangenen Schadstoffe aus dieser herauszulösen.
Eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung sollte bei einem vorbestimmten Grenzwert der aufgefangenen Schadstoffe durchgeführt werden. Beispielsweise eine als Partikelfilter ausgeführte Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere ein Dieselpartikelfilter sollte alle 1.500 km regeneriert werden. Eine Regeneration kann zum Beispiel dadurch initiiert werden, dass die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors so erhöht wird, dass die in dem Partikelfilter aufgefangenen Russpartikel verbrannt werden können. Wird ein Partikelfilter bzw. ein Dieselpartikelfilter nicht regeneriert, so besteht die Gefahr, dass dieser sich mit Ruß zusetzt, wodurch erhebliche Leistungseinbußen oder gar eine Zerstörung des Verbrennungsmotors bewirkt werden könnte.
Wie bereits gesagt, wird während der Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung die Temperatur dieser von einer relativ geringen Temperatur zu einem relativ hohen Temperaturniveau angehoben. Hierbei ist es besonders wichtig, dass der Übergang von dem geringen Temperaturniveau zu dem hohen Temperaturniveau kontrolliert durchgeführt wird, was nicht nur dem Temperaturgradienten in dem Substrat der Abgasnachbehandlungseinrichtung, welcher durch die stromaufwärtige Temperaturerhöhung bewirkt wird, beachtet, sondern auch die exothermische Reaktion, welche durch die aufgefangenen Schadstoffe in dem Substrat der Abgasnachbehandlungseinrichtung bewirkt wird.
Die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist derzeit in zumindest zwei vorkalibrierten Levels eingeteilt. In einem ersten Level soll die Zieltemperatur mit einem sehr geringen Gehalt von Reduktionsmitteln in dem Abgasstrom stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung erreicht werden, wobei aufgrund dieser Begrenzung die erreichbaren Temperaturniveaus ziemlich begrenzt sind. In dem zweiten Level ist der Gehalt an Reduktionsmitteln in dem Abgasstrom hauptsächlich durch die gerade noch erlaubbare exothermische Temperaturerhöhung, welche durch die Verbrennung der Schadstoffe in der Abgasnachbehandlungseinrichtung erzeugt wird, begrenzt.
Der Wechsel von dem einen Level zu dem anderen Level ist hauptsächlich durch den gemessenen thermischen Zustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung berechenbar, wobei für den Fall, dass die Betriebstemperatur erreicht ist, der Wechsel von dem geringen Temperaturniveau zu dem zweiten Level durchgeführt wird. Andererseits wird für den Fall, dass das thermische Niveau der Abgasnachbehandlungseinrichtung oberhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt, der Wechsel zu dem ersten Level durchgeführt wird, um die exothermische Reaktion in dem Substrat der Abgasnachbehandlungseinrichtung herabzusetzen.
Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Lebensdauer eine Abgasnachbehandlungseinrichtung erheblich erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Abgasnachbehandlungseinrichtung während der Regeneration einer sehr sorgfältigen Kontrolle der Temperatur bedürfen um eine thermische Zerstörung, welche durch die exothermische Reaktion der Reduktionsmittel, welche sowohl in dem einströmenden Abgas oder dem Substrat der Abgasnachbehandlungseinrichtung enthalten sind, zu vermeiden.
Im derzeitigen Stand der Technik wird die relativ schnelle Dynamik der bei geringen Temperaturen gefangenen Reduktionsmittel und der bei hohen Temperaturen gelösten Reduktionsmittel beachtet, in dem für eine vorbestimmte Zeitdauer von beispielsweise 200–300 Sek. eine relativ geringe Temperatur eingestellt wird, bevor die hohe Temperatur erreichbar ist. Dieser Ansatz erfordert jedoch konservative, zeitliche Grenzwerte um ein vollständiges Lösen der Reduktionsmittel aus dem Substrat sicherzustellen, bevor der zweite Level erreicht wird.
Mit der Erfindung dagegen wird vorgeschlagen, dass die Substratsolltemperatur und die exothermische Sollreaktion über das Substrat basierend auf einem Modell berechnet wird, wobei das Modell einen Betrag der in der Abgasnachbehandlungseinrichtung gespeicherten und gelösten Reduktionsmittel schätzt.
Hierzu wird ein Modell verwendet, um den Betrag der gefangenen Reduktionsmittel in dem Substrat zu schätzen, in dem ein Speicher-/Lösungsmodell verwendet wird, welches weiter unten näher beschrieben wird.
Als eine Funktion der Substratsolltemperatur und des derzeitigen Abgasmassenstromes wird die entstehende Verbrennungswärme geschätzt, welche durch die Verbrennung der gelösten Reduktionsmittel bzw. eines Teilbetrages davon entsteht.
Dieser Temperaturanstieg wird dann determiniert bzw. berechnet und der gegenwärtigen Substrattemperatur hinzugefügt bzw. auf diese addiert. Die gegenwärtige Substrattemperatur kann dabei gemessen werden, wobei auch denkbar ist, diese aus der stromaufwärtigen Temperatur und dem derzeitigen Reduktionsmittelstrom zu schätzen.
Diese vorhergesagte Substrattemperatur wird dann mit der Substratsolltemperatur verglichen, und eine Differenz gebildet. Hierbei wird die Substratsolltemperatur von der vorhergesagten Substrattemperatur abgezogen. Ist die Differenz größer als NULL wird diese verwendet um die exothermische Sollreaktion in dem Substrat anzupassen was dann automatisch zu einer Abnahme der Reduktionsmittel in dem Abgas führt und letztlich der Betrag von Reduktionsmittel in dem einströmenden Abgas auf NULL gesetzt wird bis eine NULL-Differenz der Temperaturen (vorhergesagt – Solltemperatur) erreicht ist.
Für den Fall, dass die exothermische Sollreaktion auf NULL reduziert wird und weiterhin ein nicht negativer Betrag der Differenz (vorhergesagt – Substratsolltemperatur) gemäß dem vorhergehenden Schritt determiniert wird, wird erfindungsgemäß die stromaufwärtige Solltemperatur entsprechend reduziert um eine NULL-Differenz sicherzustellen, wobei die Abnahme der Substratsolltemperatur für den Betriebstemperaturgrenzwert des Substrates als Funktion des derzeitigen Abgasmassenstromes und des thermischen Alterungsfaktors der Abgasnachbehandlungseinrichtung begrenzt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in der Folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm
2 bis 4 Graphiken zur Gegenüberstellung des im Stand der Technik erreichbaren im vergleich zum erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt ein Flussdiagramm 20 zur Durchführung des Verfahrens zur dynamischen Anpassung des Substratsolltemperaturwertes einer Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Mit dem Schritt 21 ist der Startblock gekennzeichnet. In Schritt 22 wird der Betrag von Reduktionsmitteln in der Einheit gramm [g] (mNMHC) geschätzt welcher in dem Substrat gespeichert ist. Dies kann zum Beispiel über Folgende Formel geschehen: d(mNMHC)/dt = Speicherrate[g/s] – Lösungsrate[g/s) Gleichung 1
In dem Schritt 22 wird auch der Betrag des in dem Substrat aufgefangenen Rußes geschätzt.
In Schritt 23 wird die Substratsolltemperatur als Funktion der gespeicherten Reduktionsmittel und des gespeicherten Rußes in dem Substrat determiniert. Mit Schritt 23 wird auch die exothermische Sollreaktion quer durch das Substrat in Abhängigkeit der Substratsolltemperatur, des Massenstromes und des thermischen Alterungsniveaus determiniert.
In Schritt 24 wird der Anstieg der exothermischen Temperatur in Abhängigkeit der Substratsolltemperatur, der gespeicherten Reduktionsmittel- und Russbeträge, dem derzeitigen Massenstrom und auch des thermischen Alterungsniveaus vorhergesagt.
In Schritt 25 schließlich wird die vorhergesagte Substrattemperatur als eine Funktion des Anstiegs der exothermischen Temperatur und der derzeitigen Substrattemperatur berechnet.
Die Schritte 22 bis 25 werden aufeinander folgend durchgeführt, können aber auch zeitgleich durchgeführt werden.
In Schritt 26 wird entschieden, ob die vorhergesagte Substrattemperatur geringer ist als die Substratsolltemperatur. Ist dies nicht der Fall wird zu Schritt 26 weitergegangen. Ist dies der Fall wird zu Schritt 32 weitergegangen, wobei die nachfolgenden Schritte 27, 28 und 29, die nachfolgend beschrieben werden, übersprungen werden.
Ist die die vorhergesagte Substrattemperatur nicht geringer ist als die Substratsolltemperatur wird in Schritt 27 der exothermische Temperaturanstieg in dem Substrat auf eine vorhergesagte Substrattemperatur, welche gleich der Substratsolltemperatur ist, reduziert.
In Schritt 28 wird entschieden, ob durch diese Maßnahme die exothermische Sollreaktion größer als Null ist. Ist dies der Fall wird zu Schritt 32 übergegangen. Ist dies nicht der Fall, wird mit Schritt 29 fortgefahren.
In Schritt 29 wird die Solltemperatur stromauf des Substrates reduziert, um zu erreichen, dass die vorhergesagte Substrattemperatur den Betrag der Substratsolltemperatur erreicht, wobei die Substratsolltemperatur auf die stromaufwärtige Solltemperatur reguliert wird.
In Schritt 30 wird die Substratsolltemperatur und die stromaufwärtige Solltemperatur ausgegeben. In Schritt 31 wird der Algorithmus beendet.
Wird in Schritt 26 festgestellt, dass die vorhergesagte Substrattemperatur geringer ist als die Substratsolltemperatur wird zu Schritt 32 übergegangen, in dem die stromaufwärtige Solltemperatur aus der Substratsolltemperatur und der angepassten exothermischen Reaktion quer durch das Substrat berechnet wird. In Schritt 32 fließt auch die Entscheidung aus Schritt 28 ein, welcher über Schritt 27 erreicht wird, wenn in Schritt 26 festgestellt wurde, dass die vorhergesagte Substrattemperatur nicht geringer ist als die Substratsolltemperatur. Insofern wird Schritt 32 nur durchgeführt, wenn die vorhergesagte Substrattemperatur geringer ist als die Substratsolltemperatur (Schritt 26: Nein) oder wenn die exothermische Sollreaktion größer als Null ist (Schritt 28: Ja).
Wird Schritt 32 durchgeführt, werden also entweder die Schritte 27 bis 29 oder nur Schritt 29 übersprungen. Nach Schritt 32 folgt dann direkt Schritt 30.
Das zuvor beschriebene Vorgehen wird bevorzugt alle 100ms durchgeführt.
2 zeigt eine Substratsolltemperatur 2 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber der Substartsolltemperatur 3 nach dem Stand der Technik. Bei dem in der Graphik nach 2 beschreibt die linke Hochachse die Temperatur in °C. Die dazu gegenüberliegende rechte Hochachse beschreibt die Belastung, also beispielsweise den aufgefangenen Ruß in g. Die horizontale beschreibt die Zeit in Sekunden s.
Beispielsweise wurde die Testreihe mit einer Beladung von 20g Ruß durchgeführt. Nach 2 wurde der Betrag der geschätzten Reduktionsmittel in dem Substrat nach dem erfindungsgemäßen Model berechnet, und verwendet um die Substratsolltemperatur 2 anzupassen, wobei die Substartsolltemperatur 3 nach dem Stand der Technik geradlinig auf einem Betrag von beispielsweise 630°C festgesetzt ist und sich nicht ändert. Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen dagegen, wird die Substartsolltemperatur 2 nach einer Zeitdauer von etwa 50 Sekunden angefangen bis auf einen Betrag von etwa 400°C reduziert, also angepasst, um dann wieder auf einen Betrag von 630°C anzusteigen. Dieser Vorgang dauert beispielhaft etwa 550 Sekunden. Dadurch reduziert sich die Russbeladung, wie beispielhaft an dem Graphen 4 erkennbar. Weiter kann sich der Gehalt an Hydrocarbonen zunächst erhöhen um dann entsprechend abzunehmen (Graph 5).
In 3 sind die Temperaturen stromauf und stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufgetragen und werden miteinander verglichen. Die linke Hochachse von 3 beschreibt die Temperatur in °C. Die Horizontale beschreibt die Zeit in Sekunden s. Der Graph 6 zeigt stromaufwärtige Substrattemperatur, welche modellbasiert gemäß der Erfindung determiniert wurde. Weitgehend deckungsgleich dazu ist der Graph 7, welcher die stromaufwärtige Substrattemperatur zeigt, welche herkömmlich nach dem Stand der Technik ermittelt wurde. Für identische stromaufwärtige Substrattemperaturen wird für die Abgasnachbehandlungseinrichtung nach dem modellbasierten Vorgehen eine kontrollierte Regeneration erreicht (Graph 9) wohingegen die Regeneration nach den Stand der Technik unkontrolliert durchgeführt wird, was beispielhaft mittels des Peaks im Graphen 8 erkennbar ist. Graph 9 zeigt die stromabwärtige Substrattemperatur gemäß dem modellbasierten Vorgehen, wobei Graph 8 die stromabwärtige Substrattemperatur gemäß dem Stand der Technik zeigt.
Dies wird durch einen Vergleich mit 4 bestätigt, in der die Substrattemperatur aufgetragen ist. Der Graph 11 zeigt diese nach dem modellbasierten Vorgehen, wohingegen der Graph 10 diese nach dem Vorgehen des Standes der Technik zeigt. Wie erkennbar erreicht die Substrattemperatur nach dem Stand der Technik (Graph 10) mehr als 1000°C, was mit der kontrollierten, modellbasierten Vorgehensweise (siehe Graph 11) vermieden ist.

Claims

Verfahren zur dynamischen Anpassung eines Temperatursollwertes für Abgasnachbehandlungseinrichtungen, umfassend Das Schätzen eines Betrages von in der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufgefangenen Reduktionsmittel, Das Vorhersagen der entstehenden Temperatur, welche durch eine Verbrennung eines Betrages der aufgefangenen Reduktionsmittel entsteht, wobei ein Temperaturanstieg determiniert und der derzeitigen Temperatur hinzugefügt wird, Bilden einer Differenz der vorhergesagten Substrattemperatur und der Substratsolltemperatur, und Anpassen der exothermen Sollreaktion in dem Substrat mittels der zuvor gebildeten Differenz, wobei die stromaufwärtige Solltemperatur korrespondierend reduziert wird, um eine Differenz mit einem Betrag von Null zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag von in der Abgasnachbehandlungseinrichtung gefangenen Reduktionsmittel mittels eines Modells geschätzt wird, indem ein Speicher-/Lösungsmodell verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehende Temperatur als eine Funktion der Substratsolltemperatur und einem Abgasmassenstrom geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die derzeitige Temperatur gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die derzeitige Temperatur aus einer stromaufwärtigen Temperatur und dem derzeitigen Reduktionsmittelstrom geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz aus der vorhergesagten Substrattemperatur und der Substratsolltemperatur zum Anpassen der exothermen Sollreaktion in dem Substrat herangezogen wird, wenn die Differenz größer als Null ist, so dass automatisch eine Abnahme von Reduktionsmittel in dem Abgas erreichbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt (22) in dem der Betrag von Reduktionsmitteln und der Betrag von Russ geschätzt wird, welcher in dem Substrat gespeichert ist, einen Schritt (23), in dem die Substratsolltemperatur als Funktion der gespeicherten Reduktionsmittel und des gespeicherten Russ in dem Substrat determiniert wird, und in dem die exothermische Sollreaktion quer durch das Substrat in Abhängigkeit der Substratsolltemperatur, des Massenstromes und des thermischen Alterungsniveaus determiniert wird, einen Schritt (24) in dem der Anstieg der exothermischen Temperatur in Abhängigkeit der Substratsolltemperatur, der gespeicherten Reduktionsmittel- und Russbeträge, dem derzeitigen Massenstrom und auch des thermischen Alterungsniveaus vorhergesagt wird, einen Schritt (25) in dem die vorhergesagte Substrattemperatur als eine Funktion des Anstiegs der exothermischen Temperatur und der derzeitigen Substrattemperatur berechnet wird, einen Entscheidungsschritt (26) in dem entschieden wird, ob die vorhergesagte Substrattemperatur geringer ist als die Substratsolltemperatur, wobei zu einem Schritt (27) weitergegangen wird, wenn dies nicht der Fall ist und zu Schritt (32) weitergegangen wird, wobei die nachfolgenden Schritte (27, 28 und 29) übersprungen werden, den Schritt (27) in dem der exothermische Temperaturanstieg in dem Substrat auf eine vorhergesagte Substrattemperatur, welche gleich der Substratsolltemperatur ist, reduziert wird, den Schritt (28) in dem entschieden wird, ob die exothermische Sollreaktion größer als Null ist, wobei zu Schritt (32) übergegangen wird, wenn dies der Fall ist und mit Schritt (29) fortgefahren wird, wenn dies nicht der Fall ist, den Schritt (29) in dem die Solltemperatur stromauf des Substrates reduziert wird, so dass die vorhergesagte Substrattemperatur den Betrag der Substratsolltemperatur erreicht, wobei die Substratsolltemperatur auf die stromaufwärtige Solltemperatur reguliert wird, einen Schritt (30) in dem die Substratsolltemperatur und die stromaufwärtige Solltemperatur ausgegeben wird, den Schritt (32) in dem die stromaufwärtige Solltemperatur aus der Substratsolltemperatur und der angepassten exothermischen Reaktion quer durch das Substrat berechnet wird, wobei in Schritt (32) auch die Entscheidung aus Schritt (28) einfließt, welcher über Schritt (27) erreicht wird, wenn in Schritt (26) festgestellt wurde, dass die vorhergesagte Substrattemperatur nicht geringer ist als die Substratsolltemperatur ist, so dass Schritt (32) nur durchgeführt, wenn die vorhergesagte Substrattemperatur geringer ist als die Substratsolltemperatur (Schritt 26: Nein) oder wenn die exothermische Sollreaktion größer als Null ist (Schritt 28: Ja), wobei nach Schritt (32) der Schritt (30) durchgeführt wird, in dem die Substratsolltemperatur und die stromaufwärtige Solltemperatur ausgegeben wird, und einen Schritt (31) in dem das Verfahren beendet wird.