DE102012221337A1

DE102012221337A1 - Detektion einer Rußverbrennung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012221337A1
Application number: DE102012221337A
Authority: DE
Inventors: Kim Ford; James Wright; Jim Bromham; Norman Hiam Opolsky; James Donnelly
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-05-29
Also published as: GB2496876A; RU2622586C2; CN103133105A; GB2496876B; RU2012148815A; CN103133105B; GB201120267D0

Abstract

Verfahren zum Steuern der Rußverbrennung in einem Diesel-Partikelfilter (DPF) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen einer Druckdifferenz über den DPF; Normalisieren der gemessenen Druckdifferenz über dem DPF; Ableiten eines Gradientenwertes mindestens von einer Veränderung der normalisierten Druckdifferenz über dem DPF; und Steuern der Regeneration des DPF in Reaktion auf mindestens den abgeleiteten Gradientenwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einer Rußverbrennung in einem Fahrzeug. Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, ein Detektieren einer unkontrollierten oder unannehmbaren Verbrennungsgeschwindigkeit von Ruß in einem Diesel-Partikelfilter (DPF) eines Fahrzeugs.
Es ist bekannt, dass Dieselmotoren dazu neigen, wirtschaftlicher betrieben werden zu können, auf dem Gebiet der Emissionen aber Nachteile aufweisen können. Ein Dieselmotor hat weniger Zeit, die Luft und den Kraftstoff kräftig zu mischen, bevor die Zündung einsetzt. Das Abgas des Dieselmotors enthält folglich unvollständig verbrannten Kraftstoff, der unter der Bezeichnung Feststoffteilchen bekannt ist.
Es ist bekannt, einen DPF zu verwenden, um diese Partikel physikalisch einzufangen. Der DPF neigt jedoch dazu, sich mit angesammeltem Ruß aufzuladen und muss wiederholt durch katalytisches Oxidieren der eingefangenen Partikel regeneriert werden. Dieses bedingt ein Ansteigen der Temperatur an dem DPF.
Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch ein Reißen oder Schmelzen des DPF-Substrats eintreten, wenn die Temperatur an dem DPF ansteigt. Zum Beispiel kann die exotherme Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff zu schnell sein, wenn die Rußbelastung ein kritisches Niveau übersteigt und der Durchfluss des Abgases durch den DPF durch Leerlauf- oder Niedriglast-Motorbetriebszustände (wie etwa, wenn ein Fahrzeug ausläuft) vermindert wird. Unter diesen Bedingungen enthält das Abgas einen hohen Prozentsatz an Sauerstoff, aber bei einem niedrigen gesamten Durchfluss, und dies vermindert konvektives Kühlen des heißen Substrats. Die Wärme, die durch die exotherme Reaktion erzeugt worden ist, fördert ferner eine weitere Oxidation und daher mehr erzeugte Wärme, und dieser Prozess wird als "thermisches Durchgehen" ("thermal runaway”) bezeichnet.
Verschiedene Bedingungen beeinflussen die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Feststoffteilchen innerhalb eines DPF ansammeln, und das Steuern dieser Geschwindigkeit ist somit alles andere als einfach. Diese Bedingungen enthalten Motorbetriebszustände, Fahrleistung, Fahrstil, Fahrgelände und so fort, und viele dieser Bedingungen werden sich natürlich während einer Fahrt dynamisch verändern.
Verschiedene bisherige Versuche sind unternommen worden, um ein thermisches Durchgehen vorherzusagen und zu verhindern. Typischerweise beziehen diese ein Messen der Temperatur an dem DPF mit ein, um eine Indikation bereitzustellen, wann das thermische Durchgehen, manchmal als eine Funktion des Rußgehalts, der Sauerstoffkonzentration, des Abgas-Durchflusses und dergleichen, beginnen kann. Zum Beispiel ist in US 2007/0130921 auf den Namen Yezets eine thermische Rampe zum Steuern der Regeneration berechnet.
Es ist jedoch bekannt, dass solche Versuche oft dabei versagen, das Einsetzen des thermischen Durchgehens ausreichend früh genug vorherzusagen, um die Abhilfemaßnahme zu ergreifen. Dafür gibt es eine Anzahl von Gründen wie etwa das steile Temperaturgefälle an dem DPF, nachdem das thermische Durchgehen begonnen hat. Außerdem können Temperaturanstiege kaum lokalisiert werden und daher nicht durch einen Temperatursensor, der von dem Ort entfernt ist, detektiert (oder zu spät detektiert) werden. Unter den dynamischen Bedingungen des Motors, wo sich absolute Werte kontinuierlich verändern, können ferner Vorhersagen, die das Messen dieser absoluten Werte mit einbeziehen, zu unempfindlich sein oder umgekehrt falsch positive Ergebnisse produzieren.
Es ist wünschenswert, verbesserte Mittel zum Vorhersagen des Einsetzens des thermischen Durchgehens zu schaffen. Es ist wünschenswert, Mittel zu schaffen, die sich nicht auf das Ablesen der Temperatur und/oder auf absolute Werte stützen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Rußverbrennung in einem Diesel-Partikelfilter (DPF) eines Fahrzeugs geschaffen, wobei das Verfahren umfasst:
Messen einer Druckdifferenz über dem DPF;
Normalisieren der gemessenen Druckdifferenz über dem DPF;
Ableiten eines Gradientenwertes von mindestens einer Veränderung der normalisierten Druckdifferenz über den DPF; und
Steuern der Regeneration des DPF in Reaktion mindestens auf den abgeleiteten Gradientenwert.
Das Verfahren kann den Schritt des Messens des Abgasstroms durch den DPF enthalten. Der Gradientenwert kann mindestens von der Veränderung der gemessenen Druckdifferenz in Bezug auf eine Veränderung des Abgasstroms abgeleitet werden.
Das Verfahren kann den Schritt des Messens des Abgasvolumenstroms durch den DPF enthalten. Der Gradientenwert kann mindestens von der Veränderung der gemessenen Druckdifferenz in Bezug auf eine Veränderung des Abgasstroms abgeleitet werden.
Der Schritt des Beginnens der Regeneration des DPF kann ein Hinzufügen eines Katalysators zu dem Abgas enthalten, das durch den DPF strömt. Der Schritt des Steuerns der Regeneration des DPF kann das Ergreifen einer Abhilfemaßnahme enthalten. Die Abhilfemaßnahme kann ein Verändern der Temperatur an dem DPF umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Abhilfemaßnahme ein Verändern der Menge des Katalysators umfassen, die zu dem Abgas, das durch den DPF strömt, hinzugefügt wird.
Das Verfahren kann den Schritt des Ergreifens einer Abhilfemaßnahme enthalten, wenn mindestens der abgeleitete Gradientenwert einen vorgegebenen Wert erreicht.
Das Verfahren kann den Schritt des Ergreifens einer Abhilfemaßnahme enthalten, wenn mindestens die Abnahmegeschwindigkeit der gemessenen Druckdifferenz einen vorgegebenen Wert erreicht.
Das Verfahren kann den Schritt des Messens von mindestens einem der Parameter von Temperatur, Rußgehalt und Sauerstoffkonzentration an dem DPF enthalten. Das Verfahren kann den Schritt des Steuerns der Regeneration des DPF mindestens teilweise in Abhängigkeit von mindestens einem der gemessenen Parameter enthalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur als Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs ist;
2 eine schematische Ansicht eines Motors ist;
3 eine schematische Ansicht eines Emissionssteuerungssystems ist;
4 ein Graph von Testergebnissen für einen Motor ist, der die Fahrzeuggeschwindigkeit aufgetragen gegen die Zeit zeigt;
5 ein Graph von Testergebnissen für einen Motor ist, der die Temperatur an dem DPF aufgetragen gegen die Zeit zeigt;
6 ein Graph von Testergebnissen für einen Motor ist, der die Rußverbrennung aufgetragen gegen die Zeit zeigt;
7 ein Graph von Testergebnissen für einen Motor ist, der die Sauerstoffkonzentration aufgetragen gegen die Zeit zeigt;
8 ein Graph von Testergebnissen für einen Motor ist, der den Differenzdruck an dem DPF aufgetragen gegen die Zeit zeigt; und
9 ein Graph von Testergebnissen für einen Motor ist, der den normalisierten Differenzdruck an dem DPF aufgetragen gegen die Zeit zeigt.
1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 1 mit einem Dieselmotor 2, aus dem die Abgase über ein Abgasrohr 5 zu einem Emissionssteuerungssystem 20, das einen Diesel-Partikelfilter (DPF) 6 enthält, und von dort nach außen an die Atmosphäre über einen Auspuff 7 strömen.
Der Dieselmotor 2 ist operativ mit einer elektronischen Steuereinheit 3 verbunden, die eine Vielzahl von Funktionen, einschließlich des Steuerns der Zeitabstimmung und des Kraftstoffvolumens, das in die verschiedenen Zylinder des Motors 2 eingespritzt wird, durchführt. Wie nachstehend in mehr Einzelheiten beschrieben wird, steuert die elektronische Steuereinheit 3 auch die Regeneration des DPF 6. Die elektronische Steuereinheit 3 erhält Eingaben aus einer Anzahl von Quellen einschließlich von einem oder mehreren Fahrzeugsensoren 8 und Motorsensoren 9.
Der Motor 2 weist eine Anzahl von Zylindern auf, und einer von diesen Zylindern 30 ist in 2 gezeigt. Der Motor enthält eine Verbrennungskammer 32 mit einem Kolben 36, der darin positioniert und mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Die Verbrennungskammer 32 steht mit einem Einlasskrümmer 44 und mit einem Auslasskrümmer 5 über ein Einlassventil 52 und über ein Auslassventil 54 in Verbindung.
Die Steuereinheit 3 ist ein Mikrocomputer, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse 104, einen Nur-Lese-Speicher 106, einen Schreib-Lese-Speicher 108 und einen herkömmlichen Datenbus enthält.
In 3 enthält das Emissionssteuerungssystem 20 ein Katalysatorsystem 13 stromaufwärts des DPF 6. Es können verschiedene Typen von Katalysatoren verwendet werden. Der DPF 6 ist stromabwärts des Katalysatorsystems 13 zum Einfangen von Feststoffteilchen wie etwa Ruß, der während des Betriebs des Motors 2 erzeugt worden ist, bereitgestellt. Sobald die Rußansammlung ein vorgegebenes Niveau erreicht hat, kann die Regeneration des DPF 6 begonnen werden. Die Filterregeneration kann durchgeführt werden durch Erwärmung des Filters auf eine Temperatur, die Rußpartikel bei einer höheren Geschwindigkeit verbrennen lässt.
An dem DPF 6 ist mindestens ein Temperatursensor oder Thermoelement 21 bereitgestellt. Außerdem kann ein Differenzdrucksignal aus den Drucksensoren 124 und 126 bestimmt werden, welche den Druck stromabwärts bzw. stromaufwärts des DPF 6 messen.
Außerdem ist ein Sensor 24 zum Messen des Abgasvolumenstroms durch den DPF 6 bereitgestellt.
Weitere Sensoren 9 können Sensoren zum Messen der Drehzahl des Motors 2, der Betriebstemperatur des Motors und der Temperatur der Abgase an einer oder mehreren ausgewählten Positionen enthalten.
Daten von den Sensoren können durch die Mikroprozessoreinheit 102 verarbeitet und/oder im Speicher 108 gespeichert werden.
4 zeigt Ergebnisse eines Tests, der durchgeführt worden ist, um absichtlich ein thermisches Durchgehen in dem DPF 6 einzuleiten. Die Figur zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit 200 über die Dauer des Tests. Die Regeneration 202 des DPF 6 wurde nach 140 Sekunden gestartet. Von 250 bis 350 Sekunden lief das Fahrzeug 1 auf einer schwachen Neigung 204 von 2,5 % nach unten aus und wurde dann auf einen vollständigen Stopp nach 470 Sekunden abgebremst.
Während der Periode des Auslaufens und mit dem Stattfinden der Regeneration 202 ist die Temperatur an dem DPF 6 hoch, aber es gibt einen niedrigen Durchfluss des Abgases durch den DPF 6. Es wurde beobachtet, dass an der Unterseite des Ausgangskonus 208 des DPF 6, beginnend mit einem Glühen des Filtermaterials nach 300 Sekunden und einem Bruch der Filterwand etwa 30 Sekunden später, ein Zustand 206 des thermischen Durchgehens eintritt.
5 zeigt sowohl die Anordnung von vier Thermoelementen 21 an dem Ausgangskonus 208 des DPF 6 als auch einen Graphen der Temperatur, gemessen von jedem Thermoelement 21. Die Thermoelemente 21 wurden am Nord-(N-), Süd-(S-), Ost-(E-) und West-(W-)Pol des Ausgangskonus 208 angeordnet. Der Graph zeigt, dass während des Zustandes 206 des thermischen Durchgehens die gemessene Temperatur wie erwartet nur graduell anstieg, dass sie von dem Eintreten des Fahrzeugs 1 in eine Periode des Auslaufens unbeeinflusst war und dass die Temperatur erst während des Zustandes 206 des thermischen Durchgehens schnell anstieg. Daher werden alle Vorhersagen des thermischen Durchgehens, die auf Temperaturveränderungen beruhen, nicht viel Zeit bereitstellen, um eine Abhilfemaßnahme zu ergreifen.
Außerdem war der Anstieg der gemessenen Temperatur sehr abhängig von dem Ort des Thermoelements 21, wobei das Thermoelement 21 an dem Südpol (dem Ort des thermischen Bruchs) den größten Anstieg erfasst. Dies demonstriert eine andere Beschränkung bei der Verwendung der gemessenen Temperatur als ein Anzeichen für thermisches Durchgehen.
6 zeigt einen Graphen der gemessenen Rußverbrennung 210, berechnet aus den Kohlenstoffdioxid-Emissionen des Motors 2, und der Temperatur S (an dem Südpol), aufgetragen gegen die Zeit. Die Rußverbrennung 210 verblieb stationär und stieg nur während des Zustandes 206 des thermischen Durchgehens schnell an, wobei sie der gemessenen Temperatur nur wenig voranging. Daher werden Vorhersagen, die auf einer Rußverbrennung 210 beruhen, auch nicht viel Zeit bereitstellen, um eine Abhilfemaßnahme zu ergreifen.
7 zeigt einen Graphen der gemessenen Sauerstoffkonzentration, sowohl vor 212 und nach 214 des DPF 6, aufgetragen gegen die Zeit. Es ist zu sehen, dass die Sauerstoffkonzentration während des Tests stark schwankt, weil sie stark auf die dynamischen Motorzustände reagiert. Es gibt einen bemerkenswerten Abfall der Sauerstoffkonzentration, die auf den Beginn der Regeneration folgt, aber die darauffolgenden Schwankungen erreichen immer noch Niveaus, die denen vor der Regeneration ähnlich sind. Daher gilt die gemessene Sauerstoffkonzentration als zu erratisch, um als ein primäres Anzeichen für das Einsetzen des thermischen Durchgehens verwendet zu werden.
8 zeigt einen Graphen des Differenzdrucks 220 (abgeleitet von dem gemessenen Druck vor und nach dem DPF 6), aufgetragen gegen die Zeit. Anfänglich schwankt der Differenzdruck 220 stark, aber nach dem Beginn der Regeneration vermindern sich die Größe und die Frequenz diese Schwankungen. Es gibt auch einen wahrnehmbaren Abfall des Differenzdrucks 220 bei etwa 250 Sekunden. Dieser liegt vor der Rußverbrennung 210 (welche auch in dem Graphen gezeigt ist) und vor der Temperatur.
Der Differenzdruck 220 kann an jedem Zeitpunkt durch Dividieren der Daten durch einen anderen Parameter normalisiert werden. Speziell können die Differenzdruckdaten über die Zeit unter Verwendung des entsprechenden gemessenen Abgasvolumenstroms durch den DPF 6 normalisiert werden. Dies kann durch die Steuereinheit 3 durchgeführt werden. Dies wird als der normalisierte Differenzdruck 230 bezeichnet.
9 zeigt einen Graphen des normalisierten Differenzdrucks 230, aufgetragen gegen die Zeit. Es hat sich herausgestellt, dass bei dem normalisierten Differenzdruck 230 keine starken Schwankungen vorhanden sind. Es gibt aber noch den wahrnehmbaren Abfall bei etwa 250 Sekunden. Es ist jetzt jedoch klar, dass es einen früheren Abfall gibt, der etwa bei 180 Sekunden beginnt. Es ist erkannt worden, dass der normalisierte Differenzdruck 230 ein zuverlässiges und frühes Anzeichen für das Einsetzen des thermischen Durchgehens bereitstellt.
Daher kann ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Steuern der Rußverbrennung in einem DPF 6 ein Ableiten eines normalisierten Gradientenwerts aus einer Veränderung der gemessenen Druckdifferenz über den DPF 6 und ein Steuern der Regeneration des DPF 6 auf der Basis dieses abgeleiteten Gradientenwerts umfassen. Der Gradientenwert kann durch ein Normalisieren der gemessenen Druckdifferenz über den DPF 6 abgeleitet werden. Speziell können die Differenzdruckdaten normalisiert werden, indem die Daten durch den entsprechenden gemessenen Abgasvolumenstrom durch den DPF 6 dividiert werden.
Die Steuereinheit 3 kann einen normalisierten Gradientenwert aus dem aktuellen Wert des normalisierten Differenzdrucks 230 und aus einem oder mehreren früheren Werten berechnen. Obwohl dies nicht die früheste Indikation bereitstellt, vermeidet es schlechte Vorhersagen auf der Basis von aktuellen Werten, die noch ein wenig schwanken.
Ein Steuern der Regeneration des DPF 6 auf der Basis dieses abgeleiteten normalisierten Gradientenwerts kann z. B. durch ein Verändern der Temperatur an dem DPF 6 und/oder durch ein Steuern der Menge des Katalysators durchgeführt werden, die zu dem Abgas, das durch den DPF 6 strömt, hinzugefügt wird. Wenn der abgeleitete normalisierte Gradientenwert z. B. einen vorgegebenen hohen Grenzwert erreicht, kann die Steuereinheit 3 die Temperatur an dem DPF 6 verringern und/oder die Menge des Katalysators vermindern, die dem Abgas, das durch den DPF 6 strömt, hinzugefügt wird.
Während oben spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, können Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsformen weiterhin im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0130921 [0006]

Claims

Verfahren zum Steuern der Rußverbrennung in einem Diesel-Partikelfilter (DPF) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen einer Druckdifferenz über dem DPF; Normalisieren der gemessenen Druckdifferenz über dem DPF; Ableiten eines Gradientenwertes von mindestens einer Veränderung der normalisierten Druckdifferenz über dem DPF; und Steuern der Regeneration des DPF in Reaktion auf mindestens den abgeleiteten Gradientenwert.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Messens des Abgasstroms durch den DPF enthält und wobei der Gradientenwert mindestens von der Veränderung der gemessenen Druckdifferenz in Bezug auf eine Veränderung des Abgasstroms abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das den Schritt des Messens des Abgasvolumenstroms durch den DPF enthält und wobei der Gradientenwert mindestens von der Veränderung der gemessenen Druckdifferenz in Bezug auf eine Veränderung des Abgasvolumenstroms abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Steuerns der Regeneration des DPF das Ergreifen einer Abhilfemaßnahme enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abhilfemaßnahme ein Verändern der Temperatur an dem DPF umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Abhilfemaßnahme ein Verändern der Menge des Katalysators umfasst, der dem Abgas, das durch den DPF strömt, hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das den Schritt des Ergreifens einer Abhilfemaßnahme enthält, wenn mindestens der abgeleitete Gradientenwert einen vorgegebenen Wert erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das den Schritt des Ergreifens einer Abhilfemaßnahme enthält, wenn mindestens die Abnahmegeschwindigkeit der normalisierten Druckdifferenz einen vorgegebenen Wert erreicht.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, das den Schritt des Messens von mindestens einem der Parameter Temperatur, Rußgehalt und Sauerstoffkonzentration an dem DPF enthält und wobei das Verfahren den Schritt des Steuerns der Regeneration des DPF mindestens teilweise abhängig von mindestens einem der gemessen Parameter enthält.
Verfahren zum Steuern der Rußverbrennung in einem Diesel-Partikelfilter (DPF) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen einer Druckdifferenz über dem DPF; Ableiten eines Gradientenwertes von mindestens einer Veränderung der Druckdifferenz über dem DPF; Normalisieren des Gradientenwerts; und Steuern der Regeneration des DPF in Reaktion auf mindestens den normalisierten Gradientenwert.
Verfahren nach Anspruch 10, das den Schritt des Messens des Abgasstroms durch den DPF enthält und wobei der normalisierte Gradientenwert unter Verwendung mindestens von der Veränderung der gemessenen Druckdifferenz in Bezug auf eine Veränderung des Abgasstroms abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, das den Schritt des Messens des Abgasvolumenstroms durch den DPF enthält und wobei der normalisierte Gradientenwert unter Verwendung mindestens von der Veränderung der gemessenen Druckdifferenz in Bezug auf eine Veränderung des Abgasvolumenstroms abgeleitet wird.