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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der Temperatur eines Partikelfilters in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine während eines Basisbetriebs der Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Begrenzung der Temperatur eines Partikelfilters in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine während eines Basisbetriebs der Brennkraftmaschine, wobei der Brennkraftmaschine eine Steuereinheit zur Steuerung der Brennkraftmaschine und zur Steuerung einer Regeneration des Partikelfilters zugeordnet ist.
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Bei Dieselmotoren werden aufgrund der geforderten niedrigen Emissionsgrenzwerte Abgasnachbehandlungssysteme mit Oxidationskatalysatoren und in Abgasrichtung nachgeschalteten Partikelfiltern eingesetzt. Partikelfilter weisen eine begrenzte Speicherfähigkeit auf und müssen zur Wiederherstellung der Reinigungswirkung in bestimmten Abständen regeneriert werden. Bei Rußpartikelfiltern wird die Regeneration durch eine Erhöhung der Abgastemperatur auf typischerweise 600°C bis 650°C eingeleitet, so dass der in dem Partikelfilter eingelagerte Ruß abzubrennen beginnt. Insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine sind zur Erreichung der notwendigen Temperaturen innermotorische Maßnahmen vorzusehen, zum Beispiel in der Gemischaufbereitung des Motors oder durch nachmotorische Maßnahmen wie einer an dem Oxidationskatalysator verbrennenden Nacheinspritzung in den Abgaskanal. Bei ausreichend hoher Abgastemperatur wird in dem Partikelfilter eine exotherme Reaktion angestoßen, die einen Abbrand der Rußpartikel bewirkt und innerhalb einiger Minuten (z. B. 20 Minuten) den Partikelfilter regeneriert.
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Insbesondere bei Verwendung thermisch kritischer Filtermaterialien muss darauf geachtet werden, dass die maximale Temperatur und maximal zulässige Temperaturunterschiede im Partikelfilter nicht überschritten werden, da ansonsten irreversible Schädigungen des Partikelfilters auftreten können. Die dazu vorgesehene Regelung der Temperatur des Partikelfilters während eines Regenerationsbetriebs erfolgt nach bekannten Verfahren über die Einstellung des Sauerstoffgehalts in dem Abgas. Dabei ist darauf zu achten, dass in Betriebspunkten der Brennkraftmaschine mit geringem Abgasmassenstrom möglichst wenig Sauerstoff für den Abbrand der Rußpartikel zur Verfügung steht.
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Befindet sich eine Brennkraftmaschine außerhalb einer Regenerationsphase im Basisbetrieb (Magerbetrieb bei einem Dieselmotor), so kann es bei längerem Volllastbetrieb und hohen Drehzahlen zu Abgastemperaturen von > 560°C vor dem Partikelfilter kommen. Diese hohen Abgastemperaturen genügen, um die Partikeloxidation in dem Partikelfilter auch ohne aktive Regenerationsmaßnahmen zu starten. Ist die exotherm verlaufende Partikeloxidation unbeabsichtigt durch den Volllastbetrieb eingeleitet, kann insbesondere bei einem weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Niedriglast- oder Leerlauf-Bereich kein kontrollierter Partikelabbrand gewährleistet werden. Bei den dabei vorliegenden geringen Abgasmassenströmen und hohen Sauerstoffkonzentrationen im Abgas kann die durch den Partikelabbrand kurzfristig erzeugte Energie nicht schnell genug abgeführt werden, was zu einer Fortführung des Partikelabbrandes führt und auf Grund der Temperaturerhöhung durch die dabei freigesetzte Energie zu einer Beschädigung des Filtermaterials führen kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches einen unbeabsichtigten Start der Partikeloxidation in dem Partikelfilter erkennt und einen anschließenden unkontrollierten Abbrand der Partikel während eines Basisbetriebs der Brennkraftmaschine verhindert.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass während des Basisbetriebs der Brennkraftmaschine die Abgastemperatur in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter und die in dem Partikelfilter gespeicherte Partikelmasse bestimmt werden und dass von dem Basisbetrieb auf einen Regenerationsbetrieb des Partikelfilters mit limitiertem Sauerstoffanteil in dem Abgas umgeschaltet wird, wenn die Abgastemperatur einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellwert und die gespeicherte Partikelmasse einen vorgegebenen ersten Partikelmassen-Schwellwert überschritten hat.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in der Steuereinheit ein erster Programmablauf zur Bestimmung der Abgastemperatur in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter und zum Vergleich der Abgastemperatur mit einem vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellwert während des Basisbetriebs der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass in der Steuereinheit ein zweiter Programmablauf zur Bestimmung einer in dem Partikelfilter gespeicherten Partikelmasse und zum Vergleich der gespeicherten Partikelmasse mit einem vorgegebenen ersten Partikelmassen-Schwellwert während des Basisbetriebs der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und dass in der Steuereinheit ein dritter Programmablauf zur Umschaltung von dem Basisbetrieb der Brennkraftmaschine auf einen Regenerationsbetrieb des Partikelfilters mit limitiertem Sauerstoffanteil im Abgas vorgesehen ist, wenn die Abgastemperatur den ersten Temperatur-Schwellwert und die gespeicherte Partikelmasse den ersten Partikelmassen-Schwellwert überschritten haben.
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Durch das Verfahren und die Vorrichtung werden kritische Bedingungen während des Basisbetriebs der Brennkraftmaschine, in denen ein unbeabsichtigter Start einer sich selbst erhaltenden Partikeloxidation in dem Partikelfilter erfolgen kann, erkannt. Solche Bedingungen liegen vor, wenn die Abgastemperatur vor dem Partikelfilter und die Menge der in dem Partikelfilter eingelagerten Partikel ausreichend hoch sind. Durch das Umschalten von dem Basisbetrieb auf den Regenerationsbetrieb, beispielsweise durch einen in der Steuereinheit vorgesehenen Betriebsartenkoordinator, wird der Sauerstoffgehalt in dem Abgas auf einen für einen kontrollierten Abbrand der Partikel geeigneten Wert eingeregelt. Der Abbrand der Partikel kann jetzt wie bei einem bekannten Regenerationsprozess des Partikelfilters kontrolliert erfolgen, wodurch Übertemperaturen des Partikelfilters sicher vermieden werden können. Die Umsetzung des Verfahrens ist durch eine Softwareanpassung in der Steuereinheit kostengünstig durchführbar.
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Um eine kritische Abgastemperatur vor dem Partikelfilter zu erkennen kann es vorgesehen sein, dass die Abgastemperatur vor dem Partikelfilter durch eine Messung der Abgastemperatur in dem Abgaskanal vor dem Partikelfilter oder durch eine Messung der Temperatur in einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysator oder durch ein Temperatur-Simulationsmodell oder aus den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine jeweils für sich betrachtet oder in Kombination mindestens zweier dieser Größen bestimmt wird.
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Eine kritische Partikelbeladung des Partikelfilters kann dadurch festgestellt werden, dass die in dem Partikelfilter gespeicherte Partikelmasse mit einem Partikelmassen-Simulationsmodell oder durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter bestimmt wird.
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Dabei liegen bei modernen Brennkraftmaschinen die notwendigen Sensoren zur Bestimmung der Abgastemperatur vor dem Partikelfilter oder der in dem Partikelfilter gespeicherten Partikelmasse bereits vor und es sind geeignete Temperatur- und Partikelmassen-Simulationsmodelle bekannt, so dass die Umsetzung des Verfahrens kostengünstig durch eine entsprechende Softwareanpassung erfolgen kann.
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Der Regenerationsbetrieb kann beendet und es kann auf den Basisbetrieb der Brennkraftmaschine zurückgeschaltet werden, wenn die in dem Partikelfilter eingelagerte Partikelmasse vollständig verbrannt ist oder wenn die eingelagerte Partikelmasse einen vorgegebenen zweiten Partikelmassen-Schwellwert unterschritten hat oder wenn die Abgastemperatur vor dem Partikelfilter einen zweiten Temperatur-Schwellwert unterschritten hat. Dabei kann der zweite Partikelmassen-Schwellwert dem ersten Partikelmassen-Schwellwert und der zweite Temperatur-Schwellwert dem ersten Temperatur-Schwellwert entsprechen. Ist einer der Schwellwerte unterschritten oder sind die Partikel vollständig verbrannt, ist ein unkontrollierter Abbrand der Partikel in dem Partikelfilter unterbunden und es kann bei einem weiteren Basisbetrieb der Brennkraftmaschine zu keiner thermischen Schädigung des Filtermaterials des Partikelfilters kommen. Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann,
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2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann. Dargestellt ist eine Brennkraftmaschine 10 in Form eines Dieselmotors mit einem Luftzufuhrkanal 20, in dem ein Zuluftstrom 21 geführt ist, und einem Abgaskanal 30, in dem ein Abgasstrom 32 der Brennkraftmaschine 10 geführt ist. Entlang des Luftzufuhrkanals 20 sind in Strömungsrichtung des Zuluftstroms 21 ein Heißluftfilmmassensensor 22 HFM, eine Kompressionsstufe 24 eines Turboladers 23 und eine Drosselklappe 25 angeordnet. Eine Abgasrückführung 26 verbindet den Luftzufuhrkanal 20 mit dem Abgaskanal 30. In Strömungsrichtung des Abgasstromes 32 sind nach der Brennkraftmaschine 10 eine Abgasturbine 31 des Turboladers 23 sowie als Bestandteile eines Abgasnachbehandlungssystems 40 ein Oxidationskatalysator 41 und ein Partikelfilter 43 vorgesehen. In dem Abgasstrom vor dem Partikelfilter 43 ist ein Temperatursensor 42 angeordnet. Der Temperatursensor 42 ist mit einer der Brennkraftmaschine 10 zugeordneten Steuereinheit 11 verbunden.
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Über den Luftzufuhrkanal 20 wir der Brennkraftmaschine 10 Frischluft zugeführt. Die Frischluft wird dabei von der Kompressionsstufe 24 des Turboladers 23, welche über die Abgasturbine 31 vom Abgasstrom 32 angetrieben wird, komprimiert. Durch die Drosselklappe 25 kann die zugeführte Luftmenge, die von dem Heißluftfilmmassensensor 22 bestimmt wird, eingestellt werden. Zur Schadstoffreduzierung wird dem Zuluftstrom 21 über die Abgasrückführung 26 in von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 abhängigen Mengen Abgas aus dem Abgaskanal 30 zugemischt.
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In dem Abgasnachbehandlungssystem 40 werden von der Brennkraftmaschine 10 emittierte Schadstoffe umgesetzt beziehungsweise ausgefiltert. So werden in dem Oxidationskatalysator 41 Kohlenwasserstoffe oxidiert, während der Partikelfilter 43 Rußpartikel zurückhält.
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Mit dem Temperatursensor 42 wird die Temperatur des Abgases vor dem Partikelfilter 43 bestimmt und der Steuereinheit 11 zugeführt. Die Steuereinheit 11 gibt weiterhin die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 10 vor.
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Durch den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 füllt sich der Partikelfilter 43, bis das Erreichen seiner Speicherkapazität signalisiert wird. Daraufhin wird eine Regenerationsphase des Partikelfilters 43 angestoßen, bei der die in dem Partikelfilter 43 gespeicherten Partikel in einer exotherm verlaufenden Reaktion verbrannt werden. Um diese exotherme Reaktion einzuleiten sind vor dem Partikelfilter 43 Abgastemperaturen von 600°C bis 650°C notwendig. Da diese Temperaturen bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine 10 nur nahe der Volllast erreicht werden, muss ein Temperaturanstieg durch zusätzliche Maßnahmen bewirkt werden. Insbesondere im Fall niedriger Motorlasten und Drehzahlen sind neben Luftsystemeingriffen, beispielsweise über die Drosselklappe 25, weitere Maßnahmen im Umfeld der Kraftstoffeinspritzung erforderlich. Diese können innermotorische Maßnahmen wie eine Spät-Verschiebung der Haupteinspritzung oder eine in der Brennkraftmaschine 10 drehmomentneutral verbrennende Nacheinspritzung sein. Es kann auch eine in den Abgaskanal 30 vor dem Oxidationskatalysator 41 zugeführte und an dem Oxidationskatalysator 41 verbrennende Nacheinspritzung vorgesehen sein.
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Die Abbrandgeschwindigkeit der Rußpartikel während der Regeneration und damit die in dem Partikelfilter 43 auftretenden Temperaturen werden durch Vorgabe des Sauerstoffgehalts des Abgases geregelt. Insbesondere bei Verwendung von thermisch kritischen, aber kostengünstigeren Filtermaterialien für den Partikelfilter 43 müssen dabei zu hohe Temperaturen sicher vermieden werden. Bei Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 10 mit geringem Abgasmassenstrom, zum Beispiel im Leerlauf, ist darauf zu achten, dass möglichst wenig Sauerstoff für den Rußabbrand zur Verfügung steht. Bei einem zu hohen Sauerstoffgehalt in dem Abgas kann es zu unzulässig hohen Wärmefreisetzungen in dem Partikelfilter 43 kommen. Durch den in diesen Betriebspunkten herrschenden niedrigen Abgasmassenstrom wird die erzeugte Wärme nur noch in geringem Maße aus dem Partikelfilter 43 ausgetragen, wodurch es zu lokalen Überhitzungen des Partikelfilters 43 uns somit zu dessen Schädigung kommen kann. Wird die Brennkraftmaschine 10 außerhalb einer Regenerationsphase im Basisbetrieb für einen längeren Zeitraum bei hoher Last und hoher Drehzahl betrieben, kann die Temperatur vor dem Partikelfilter 43 so weit ansteigen, dass die Oxidation der Partikel in dem Partikelfilter 43 auch ohne aktive Regenerationsmaßnahmen startet. Ist die Zündtemperatur erreicht und befindet sich eine ausreichende Menge an Partikeln in dem Partikelfilter 43, kann im weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine 10 kein kontrollierter Abbrand der Partikel gewährleistet werden. Dies trifft besonders dann zu, wenn die Brennkraftmaschine 10 anschließend bei geringer Last, beispielsweise im Leerlauf, betrieben wird. Bei den dann vorherrschenden geringen Abgasmassenströmen und hohen Sauerstoffkonzentrationen wird durch den Partikelabbrand kurzfristig viel Wärmeenergie freigesetzt, wodurch der weitere unkontrollierte Abbrand der Partikel aufrecht erhalten wird und wodurch der Partikelfilter 43 so weit aufgeheizt wird, dass es insbesondere bei thermisch kritischen Filtermaterialien zu einer Beschädigung des Partikelfilters 43 kommen kann.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, kritische Bedingungen während des Basisbetriebs der Brennkraftmaschine 10, bei denen ein unkontrollierter Partikelabbrand starten kann, zu erkennen. Solche Bedingungen liegen vor, wenn das Abgas vor dem Partikelfilter 43 eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat und wenn in dem Partikelfilter 43 eine ausreichende Menge an Partikeln eingelagert ist. Liegen solche kritischen Bedingungen vor, ist es vorgesehen, dass der Betrieb der Brennkraftmaschine 10, zum Beispiel von einem in der Steuereinheit 11 vorgesehenen Betriebsartenkoordinator, von dem Basisbetrieb in einen Regenerationsbetrieb umgeschaltet wird. Während des Regenerationsbetriebs wird der Abbrand der Partikel in dem Partikelfilter 43 durch Regelung des Sauerstoffgehalts in dem Abgas kontrolliert, so dass eine unzulässige Erwärmung des Partikelfilters 43 auch bei einem Wechsel von dem Volllastbetrieb in den Leerlauf der Brennkraftmaschine 10 vermieden wird.
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2 zeigt in einem Ablaufdiagramm 50 eine mögliche Umsetzung des Verfahrens in dem Steuergerät 11.
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Nach einem Start 51 des Verfahrens wird in einer ersten Abfrage 52 geprüft, ob die Temperatur vor dem Partikelfilter 43 im Basisbetrieb (Magerbetrieb bei einem Dieselmotor) der Brennkraftmaschine 10 über einer ersten Temperatur-Schwelle liegt. Ist dies der Fall, wird in einer zweiten Abfrage 53 geprüft, ob in dem Partikelfilter 43 eine für einen selbstständigen Abbrand ausreichende Menge an Partikeln eingelagert ist. Dazu wird in der zweiten Abfrage 53 eine in dem Partikelfilter 43 vorliegende, beispielsweise durch ein Partikelmassen-Simulationsmodell ermittelte Partikelmasse mit einem ersten Partikelmassen-Schwellwert verglichen. Liegt auch die ermittelte Partikelmasse über dem ersten Partikelmassen-Schwellwert, wird in einem ersten Funktionsblock 54 ein kritischer Betriebszustand erkannt. In einem zweiten Funktionsblock 55 erfolgt eine Umschaltung der Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 von dem Basisbetrieb auf einen Regenerationsbetrieb des Partikelfilters 43 mit limitiertem Sauerstoffanteil in dem Abgas. In einer dritten Abfrage 56 wird während des Regenerationsbetriebs durch einen Vergleich der Abgastemperatur vor dem Partikelfilter 43 mit einem zweiten Temperatur-Schwellwert geprüft, ob die Temperatur vor dem Partikelfilter 43 so weit abgesunken ist, dass ein Basisbetrieb der Brennkraftmaschine 10 ohne unkontrollierten Partikelabbrand möglich ist. Ist dies der Fall, wird in einer vierten Abfrage 57 überprüft, ob die in dem Partikelfilter 43 vorliegende Menge an Partikeln einen zweiten Partikelmassen-Schwellwert unterschritten hat, so dass sich nur noch eine für einen unkontrollierten Partikelabbrand ungenügende Menge an Partikeln in dem Partikelfilter 43 befindet. Sind sowohl der zweite Temperatur-Schwellwert wie auch der zweite Partikelmassen-Schwellwert unterschritten, wird in einem dritten Funktionsblock 58 wieder auf den Basisbetrieb der Brennkraftmaschine 10 zurückgeschaltet.
