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TECHNICHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Rußmasse in einem Partikelfilter und ein Überwachungssystem für den Filter.
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HINTERGRUND
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Partikelfilter sind derart ausgelegt, dass sie Ruß von der Abgasströmung eines Motors, wie eines Diesel- oder Benzin-Verbrennungsmotors, entfernen. Wenn der angesammelte Ruß eine vorbestimmte Menge erreicht, wird der Filter entweder aktiv durch Wegbrennen des angesammelten Rußes oder passiv, wie durch die Verwendung eines Katalysators ”regeneriert”. Es sind mathematische und empirische Rußmodelle verwendet worden, um die Menge an Ruß, die in dem Filter vorhanden ist, zu schätzen, so dass eine zeitige Entfernung oder Regeneration des Filters sichergestellt werden kann. Ein Rußmodell sagt die Menge an Ruß in dem Filter auf Grundlage des Druckabfalls in der Abgasströmung durch den Filter (d. h. eines Differenzdrucks über den Filter) vorher. Die Genauigkeit des Rußmodells, das verwendet ist, ist wichtig, da die Funktion des Partikelfilters beeinträchtigt ist, wenn die vorhandene Menge an Ruß zu groß wird. Ein ungenaues Rußmodell bewirkt auch, dass der Filter bei geringeren Rußkonzentrationen (Gramm an Ruß pro Volumen des Filters) regeneriert wird, was die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verringert.
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Wenn eine passive Regeneration zunimmt, nimmt die Genauigkeit eines differenzdruckbasierten Rußmodells ab. In gegebenen Temperaturbereichen und mit gegebenen Stickstoffdioxidniveaus in der Abgasströmung steigt das Niveau an passiver Regeneration, und der Druckabfall über den Filter ist aufgrund der passiven und nicht homogenen Verbrennung von Ruß in dem Filter kein genauer Prädiktor von Rußmasse in dem Filter. Eine nicht homogene Verbrennung ändert die Rußverteilung in dem Filter und reduziert daher die Korrelation zwischen Druckabfall über den Filter und Rußmasse in dem Filter. Beispielsweise bewirkt die nicht homogene Verbrennung Risse in der Rußschicht, was einen Strömungswiderstand reduziert. Daher ist der Druckabfall über den Filter geringer. Wenn das Modell die Wirkung der nicht homogenen Verbrennung nicht berücksichtigt, sagt das Modell dann eine geringere Rußmasse in dem Filter vorher, als tatsächlich existiert.
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Während der Rußbeladung versuchen einige Modelle eine Korrektur eines druckabfallbasierten Modells zur Berücksichtigung nicht homogener Verbrennung aufgrund passiver Regeneration durch Korrelation der Differenz zwischen gemessener Rußmasse (durch Gewichten des Filters) und vorhergesagter Rußmasse (auf Grundlage von Druckabfall) mit Motordrehzahl, Motorkraftstoff und Höhe, wenn die Nox-Konzentration ein vorbestimmtes Niveau erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine passive Rußverbrennung korreliert besser mit der Filtertemperatur, der Stickstoffdioxidmassenrate und der Rußmasse, die in dem Filter vorhanden ist, als mit nur dem Druckabfall über den Filter. Demgemäß weist ein Verfahren zum Überwachen einer Rußmasse in einem Partikelfilter eines Abgassystems ein Vorhersagen einer Rußmasse in dem Partikelfilter basierend zumindest teilweise auf einer Druckdifferenz zwischen in den Filter strömendem Abgas und aus dem Filter strömendem Abgas auf. Die Druckdifferenz kann durch einen Differenzdrucksensor gemessen oder von einem Drucksensor stromaufwärts des Filters und einem modellierten Druck stromabwärts des Filters berechnet werden. Die druckdifferenzbasierte vorhergesagte Rußmasse wird dann basierend zumindest teilweise auf gemessenen Betriebsparametern, die einen Massendurchfluss von Stickoxiden in der Abgasströmung und eine Temperatur des Partikelfilters angeben, überprüft (d. h. korrigiert). Es ist schwierig, die Filtertemperatur direkt zu messen, sodass ein Parameter, der die Filtertemperatur angibt (d. h. ein Parameter, der mit der Filtertemperatur korreliert werden kann oder von dem die Filtertemperatur modelliert werden kann, gemessen wird. Beispielsweise gibt die Abgasströmungstemperatur die Temperatur des Partikelfilters an. Die druckdifferenzbasierte vorhergesagte Rußmasse (die nur basierend auf der Druckdifferenz über den Filter vorhergesagt wird) kann auch basierend auf der vorhergesagten Rußmasse selbst (d. h. Rückkopplung der vorhergesagten Rußmasse) überprüft oder korrigiert werden, die zusammen mit den gemessenen Parametern mit gespeicherten empirischen Daten der Abweichung zwischen der gemessenen Rußmasse in dem Filter und der geschätzten (druckdifferenzbasierten) Rußmasse für eine modellierte Filtertemperatur und einen durchschnittlichen Stickoxiddurchfluss verglichen wird.
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Da die Überprüfung der vorhergesagten Rußmasse (als ”das Korrekturmodell” bezeichnet) teilweise auf erfassten Betriebsparametern in dem Abgassystem basiert, anstatt auf Motorparametern, ist dieses Modell weniger empfindlich gegenüber Änderungen in Motorparametern, die während der Konstruktion und Kalibrierung des Motors gebildet werden können, und ist somit auch breit über verschiedene Motorplattformen anwendbar. D. h. Daten, die bei der Herstellung einer Datenbank für das Modell gesammelt sind, sind unabhängig von der Motorplattform.
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Ein Überwachungssystem für einen Partikelfilter in einem Abgassystem eines Motors umfasst einen Stickoxidsensor, der zumindest teilweise in der Abgasströmung stromaufwärts des Partikelfilters positioniert ist, einen Temperatursensor, der in funktioneller Verbindung mit der Abgasströmung in dem Partikelfilter positioniert steht, und einen Drucksensor, der in Fluidkommunikation mit einem Einlass des Partikelfilters positioniert ist. Der Drucksensor kann ein Differenzdrucksensor sein, der ebenfalls in Fluidkommunikation mit einem Auslass des Partikelfilters steht. Das System umfasst ferner einen Prozessor, der einen ersten empirischen Algorithmus, der eine vorhergesagte Rußmasse in dem Partikelfilter basierend auf einem Druck (optional einem Differenzdruck), der durch den Drucksensor gemessen wird, bestimmt, und einen zweiten empirischen Algorithmus ausführt, der eine erwartete Abweichung der vorhergesagten Rußmasse von der tatsächlichen Rußmasse in dem Filter basierend auf Betriebsparametern bestimmt, die durch den Temperatursensor und den Stickoxidsensor gemessen werden und die eine Filtertemperatur bzw. einen Massendurchfluss von Stickoxiden angeben. Die vorhergesagte Rußmasse wird an eine gespeicherte Datenbank von Abweichungen der druckbasierten vorhergesagten Rußmasse von der tatsächlichen Rußmasse angelegt, die einer modellierten Filtertemperatur, einem durchschnittlichen Stickoxiddurchfluss und der druckbasierten vorhergesagten Rußmasse zugeordnet ist.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Motors mit einem Abgassystem, das einen Partikelfilter mit einem Filterüberwachungssystem aufweist;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Prozessors, der in dem Filterüberwachungssystem von 1 verwendet ist; und
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3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung einer Rußmasse in dem Partikelfilter von 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten über die verschiedenen Ansichten hinweg bezeichnen, zeigt 1 einen Motor 10 mit einem Abgassystem 12, das einen Partikelfilter 14 aufweist. Ein Überwachungssystem 16 für den Partikelfilter 14 dient dazu, die Menge der Rußmasse in dem Partikelfilter 14 zu überwachen, um eine Filterleistungsfähigkeit sicherzustellen und eine Gesamtkraftstoffwirtschaftlichkeit und Emissionsreduktion zu steigern.
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Das Abgassystem 12 weist einen Dieseloxidationskatalysator 18 auf, der Kohlenwasserstoffe in der den Motor 10 verlassenden Abgasströmung 20 oxidiert und verbrennt. Abgas strömt dann durch einen Katalysator 22 für selektive katalytische Reduktion, der zumindest einen Teil der Stickoxide in der Abgasströmung 20 in Wasser und Stickstoff umwandelt. Abgas strömt dann von einem Einlass 24 des Filters 14 zu einem Auslass 26 des Filters 14 und verlässt dann das Abgassystem 12. Das Abgassystem 12 kann mit einem Katalysator 22 für selektive katalytische Reduktion stromabwärts des Partikelfilters 14 angeordnet sein, ohne die Funktion des Überwachungssystems 16 zu beeinträchtigen.
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Das Überwachungssystem 16 verwendet Daten, die Echtzeit-Betriebsparameter in dem Abgassystem 12 reflektieren, um die Rußmenge in dem Filter 14 zu schätzen. Das Überwachungssystem 16 weist einen Stickoxidsensor 30 auf, der zumindest teilweise in Fluidkommunikation mit der Abgasströmung 20 stromaufwärts des Partikelfilters 14 positioniert ist. Der Stickoxidsensor 30 dient dazu, einen ersten Betriebsparameter, der den Massendurchfluss von Stickoxiden in der Abgasströmung 20 darstellt, zu messen, und dann ein Signal 32 an einen Controller 34 zu liefern. Das Signal 32 wird durch den Controller 34 verwendet, wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
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Das Überwachungssystem 16 besitzt auch einen Temperatursensor 36, der in dem Abgassystem 12 in Fluidkommunikation mit der Abgasströmung 20 montiert ist. Der Temperatursensor 36 misst einen zweiten Betriebsparameter, der die Temperatur der Abgasströmung 20 ist, die in den Einlass 24 eintritt, und liefert ein Signal 38 an den Controller 34. Das Signal 38 korreliert mit der gemessenen Abgasströmungstemperatur. Ein zusätzlicher Temperatursensor kann dazu verwendet werden, die Abgastemperatur an dem Filterauslass 26 zu messen. Die Temperatur der Abgasströmung 20 gibt die Temperatur des Filters 14 an, da eine durchschnittliche Filtertemperatur aus der Abgasströmungstemperatur modelliert werden kann. Das Signal 38 wird von dem Controller 34 verwendet, wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
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Das Überwachungssystem 16 weist auch einen Differenzdrucksensor 40 auf, der dazu dient, einen dritten Betriebsparameter, der eine Druckdifferenz zwischen der Abgasströmung an dem Einlass 24 und der Abgasströmung an dem Auslass 26 des Filters 14 ist, zu messen. Der Differenzdrucksensor 40 sendet ein Signal 42 aus, das die gemessene Druckdifferenz repräsentiert. Das Signal 42 wird von dem Controller 34 verwendet, wie nachfolgend weiter beschrieben ist. Alternativ dazu kann ein Drucksensor, der einen Druck stromaufwärts des Filters 14 misst, anstelle des Differenzdrucksensors 40 verwendet werden. Die Druckdifferenz über den Filter kann dann unter Verwendung eines modellierten Drucks stromabwärts des Filters 14 bestimmt werden, der teilweise auf einem Abgasmassendurchfluss basiert.
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Der Controller 34 ist derart konfiguriert, dass er eine modellierte Filterrußmasse bestimmt, die hier auch als eine geprüfte vorhergesagte Rußmasse 44 bezeichnet ist und die Ungenauigkeiten einer vorhergesagten Rußmasse 46 korrigiert, die nur auf dem Druckabfall über den Filter 14 basiert. Die Differenzdruckbasierte vorhergesagte Rußmasse 46 wird durch Zuweisen des Signals 42, das den Differenzdruck angibt, zu empirischen Daten 50, die in einer Datenbank 52 gespeichert sind, bestimmt. Wenn ein Differenzdrucksensor 40 verwendet wird, dann umfassen die Daten 50 einen gemessenen Differenzdruck. Wenn stattdessen ein Drucksensor stromaufwärts des Filters 14 verwendet wird, dann umfassen die Daten 50 einen modellierten Differenzdruck auf Grundlage des gemessenen Drucks stromaufwärts des Filters 14 und einen modellierten Druck stromabwärts des Filters 14. Die Datenbank 52 korreliert einen Differenzdruck mit einer tatsächlichen Filterrußmasse auf Grundlage eines empirischen Tests von Partikelfiltern, die im Wesentlichen identisch zu Filter 14 sind. Während des Tests, bei dem die empirischen Daten erzielt und gespeichert werden, werden ein oder mehrere Filter, die im Wesentlichen identisch zu Filter 14 sind, über mehrere Rußbeladungszyklen betrieben.
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Der Controller 34 schätzt eine Abweichung 48 zwischen der tatsächlichen Rußmasse in dem Filter 14 und der vorhergesagten Rußmasse 44 unter Verwendung empirischer Funktionen und empirischer Daten, die in einem Prozessor 54 gespeichert sind, unter Verwendung der Signale 32 und 38 von dem Stickoxidsensor 30 bzw. dem Temperatursensor 36 und unter Verwendung der gegenwärtig überprüften vorhergesagten Rußmasse 44. Die Abweichung 48 wird auch als ein Korrekturfaktor bezeichnet. Die gegenwärtige überprüfte vorhergesagte Rußmasse 44 wird periodisch überprüft, wenn sich die Abweichung 48 mit sich ändernden Betriebsparametern ändert (sich ändernde Stickoxidsensormessungen, die durch Änderungen in Signal 32 angegeben sind, sich ändernde Abgasströmungstemperaturmessungen, die durch Änderung in Signal 38 angegeben sind, oder sich ändernde Differenzdruckmessungen, die durch Änderungen in Signal 42 angegeben sind). Wenn die gegenwärtige überprüfte vorhergesagte Rußmasse 44 ein vorbestimmtes Niveau erreicht, liefert der Controller 34 ein Ausgangssignal 56, das eine Empfehlung zur Ausführung einer Filterregeneration angibt. Wenn der Filter 14 ein Typ ist, der durch Änderung der Betriebsparameter aktiv regeneriert wird, um eine Abgasströmungstemperatur zu erhöhen, um den Ruß zu verbrennen, kann das Signal 56 an den Motor 10 geführt werden, um Motorparameter zu beeinflussen, um die Erhöhung der Temperatur der Abgasströmung 20 zu bewirken.
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Bezug nehmend auf 2 ist der Prozessor 54 detaillierter gezeigt, um die empirischen Funktionen und die empirischen Daten, auf die der Prozessor 54 zugreift, zu repräsentieren. Die gegenwärtige überprüfte vorhergesagte Rußmasse 44 ist ein Eingang zu einem ersten empirischen Algorithmus 60, der die gegenwärtige überprüfte vorhergesagte Rußmasse 44 einer gespeicherten Datenbank 62 aus empirischen Daten zuweist, die über Beladungszyklen eines oder mehrerer Filter, die im Wesentlichen zu Filter 14 identisch sind, genommen wurden. Der erste empirische Algorithmus 60 ist eine Funktion, die eine tatsächlich gemessene Rußmasse mit einer Rußmasse in Verbindung bringt, die basierend auf dem Differenzdruck allein vorhergesagt ist. Eine erste Komponente 63 der Abweichung 48 basiert auf dem Anlegen der überprüften vorhergesagten Rußmasse 44 an die Datenbank 62. Der Prozessor 54 führt auch einen zweiten empirischen Algorithmus 64 aus, der auf eine gespeicherte Datenbank 66 aus empirischen Daten zugreift, die über Beladungszyklen eines oder mehrerer Filter, die im Wesentlichen identisch zu Filter 14 sind, genommen sind. Die empirischen Daten umfassen Stickoxiddurchfluss, Abgasströmungstemperatur, Zeit, tatsächliche Rußmasse, die durch Gewichtung des getesteten Filters bestimmt ist, Rußmasse, die auf Grundlage des druckdifferenzbasierten Modells (d. h. durch den ersten empirischen Algorithmus 60) vorhergesagt ist, und gemessene Abweichungen in der vorhergesagten gegenüber der tatsächlichen Rußmasse. Somit ist ein Untersatz der Datenbank 66 eine gespeicherte Datenbank von Abweichungen. Die Abweichung ist die Differenz in Gramm zwischen der tatsächlichen Rußmasse und der Rußmasse, die durch das druckdifferenzbasierte Modell vorhergesagt ist. Die Abweichung kann auch als ein Massendurchfluss von Ruß durch Division der Abweichung in der Masse durch die verstrichene Zeit der Beladung des getesteten Filters ausgedrückt werden, wobei in diesem Fall die Abweichung in Gramm pro Sekunde, Milligramm pro Sekunde oder dergleichen ausgedrückt werden kann. Genauer wird zur Herstellung einer gespeicherten Datenbank für jede Rußbeladung eine Abweichung zwischen gemessener Rußmasse in einem Testfilter und geschätzter Rußmasse (basierend auf einem Drucksignal ohne Korrektur (entweder ein Differenzdrucksignal oder ein Drucksignal von Druck, der an dem Filtereinlass gemessen ist) in einer Datenbank gespeichert und (a) einer gemittelten modellierten Filtertemperatur, (b) einem durchschnittlichen Stickoxiddurchfluss und (c) einer geschätzten Rußmasse nur basierend auf der Druckdifferenz über den Filter (gemessen als eine Druckdifferenz oder berechnet aus gemessenem Druck an dem Einlass und modelliertem Druck an dem Auslass ohne Korrektur) zugeordnet. Die Abweichung wird durch die durchschnittliche Rußbeladungszeit dividiert, und die Rate wird berechnet. Diese Abweichungsrate wird den drei Parametern (a), (b) und (c) über Anlegen von Daten zugeordnet, wodurch eine Beziehung definiert wird. Diese Beziehung (Funktion) wird dann als Datenbank 66 gespeichert.
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Somit basiert eine zweite Komponente 65 der Abweichung 48 auf dem Anlegen (d. h. Zuweisen) der gemessenen Daten, die durch Signale 32 und 38 von dem Stickoxidsensor 30 bzw. dem Temperatursensor 36 repräsentiert sind, an die gespeicherten Daten in der Datenbank 66. Das proportionale Gewicht, das jeder der Komponenten 63, 65 der Abweichung 48 zu verleihen ist, kann durch empirischen Test bestimmt werden.
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Bezug nehmend auf 3 ist ein Verfahren 100 zur Überwachung des Partikelfilters 14 als ein Flussdiagramm gezeigt. Das Verfahren 100 ist in Bezug auf das Überwachungssystem 16 der 1 und 2 beschrieben und umfasst Schritt 102, der einen ersten Betriebsparameter misst, der einen Massendurchfluss von Stickoxiden in der Abgasströmung in dem Abgassystem angibt. Der Schritt 102 kann unter Verwendung des Stickoxidsensors 30 von 1 ausgeführt werden.
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Das Verfahren 100 umfasst ferner Schritt 104, der einen zweiten Betriebsparameter misst, der eine Temperatur des Partikelfilters 14 angibt. Der Schritt 104 kann unter Verwendung des Abgasströmungstemperatursensors 36 ausgeführt werden. Die durch den Abgasströmungstemperatursensor 36 angegebene Temperatur gibt die Temperatur in dem Partikelfilter 14 an (d. h. eine durchschnittliche Filtertemperatur kann auf Grundlage der gemessenen Abgasströmungstemperatur stromaufwärts des Filters und dem modellierten Wärmeaustausch zwischen Abgasen, Filter und Umgebung berechnet werden). Dem Fachmann sei zu verstehen, wie ein Wärmeaustausch zwischen den Abgasen, dem Filter und der Umgebung unter Verwendung standardisierter thermodynamischer Beziehungen zu berechnen ist.
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Das Verfahren 100 umfasst ferner Schritt 106, der eine Rußmasse in dem Partikelfilter 14 basierend zumindest teilweise auf einem dritten Betriebsparameter vorhersagt, der eine Druckdifferenz zwischen der Abgasströmung, die in den Zugang 24 eintritt, und der Abgasströmung angibt, die den Ausgang 26 des Filters 14 verlässt. Wie oben beschrieben ist, kann der dritte Betriebsparameter ein an dem Einlass 24 gemessener Druck sein, wobei eine Druckdifferenz daraus unter Verwendung eines modellierten Drucks an dem Auslass 26 berechnet wird oder eine Druckdifferenz über den Filter mit einem Differenzdrucksensor gemessen wird. Die Schritte 102, 104 und 106 können in beliebiger Reihenfolge oder simultan ausgeführt werden.
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Unter Verwendung der gemessenen Daten von den Schritten 102 und 104 und der vorhergesagten Rußmasse von Schritt 106 fährt das Verfahren 100 dann mit Schritt 108 fort, wobei eine Abweichung 48 zwischen der vorhergesagten Rußmasse von Schritt 106 und der tatsächlichen Rußmasse in dem Filter 14 geschätzt wird. Die Abweichung 48 wird gemäß den gespeicherten Funktionen und Datenbanken geschätzt, auf die der Prozessor 54 von 2 zugreift, wie oben beschrieben ist. Die Abweichung 48 wird dann bei Schritt 110 verwendet, bei dem die vorhergesagte Rußmasse von Schritt 106 durch die geschätzte Abweichung 48 überprüft wird.
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Die Schritte 102, 104, 106, 108 und 110 werden wiederholt, wenn die überprüfte vorhergesagte Rußmasse nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist. Der vorbestimmte Wert ist die Rußmenge in dem Filter, die als das Niveau bestimmt worden ist, bei dem die Systemwartung ausgeführt werden sollte. Die Systemwartung kann durch aktive Regeneration oder durch Ersetzen des Filters 14 erfolgen. Wenn jedoch die überprüfte vorhergesagte Rußmasse gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist, fährt das Verfahren 100 dann mit Schritt 112 fort, und es wird eine Filterregeneration angegeben, sodass Ruß in dem Filter 14 verbrannt wird.
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Während die besten Arten zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche.
