DE102015206769A1

DE102015206769A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Partikelfilter

Info

Publication number: DE102015206769A1
Application number: DE102015206769.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Boerensen; Brendan Carberry
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: DE102015206769B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Ottomotors, mit einer Abgasanlage, die einen Partikelfilter, vorzugsweise einen Dieselpartikelfilter, aufweist, dessen Partikelbeladung im Regelfall wenigstens abhängig von dem Signal eines Sensors, vorzugsweise eines Differenzdrucksensors, abgeschätzt wird, wobei nötigenfalls eine Regeneration des Partikelfilters ausgelöst wird, erfolgt in der Startphase des Verbrennungsmotors abweichend von der sensorbasierten Abschätzung der Partikelbeladung eine Open-Loop-Abschätzung (14) der Partikelbeladungszunahme wenigstens abhängig von einem Motor-, Kühlwasser und/oder Außentemperaturwert (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Ottomotors, mit einer Abgasanlage, die einen Partikelfilter, aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit und zur rechtzeitigen – aber auch nicht unnötig verfrühten – Auslösung von Regenerationsvorgängen ist es erforderlich, die Beladung von Partikelfiltern kontinuierlich zu überwachen. Da die Aussagekraft mathematischer Modelle für die Beladung auf längere Sicht unbefriedigend ist – schon kleine Abweichungen bei der Bestimmung des aktuellen Partikelanfalls wirken sich aufgrund langer Integrationszeiten angesichts der relativ selten durchgeführten Regenerationen stark auf einen rein rechnerisch simulierten Beladungszustand aus – ist es bei derartigen Partikelfiltern üblich, die Beladung abhängig von einem Differenzdruck, der auf der Differenz der Druckverhältnisse vor und hinter dem Filter beruht bzw. dem Abgasgegendruck, zu überwachen.
Heutige Motoren für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Ottomotoren für Personenkraftwagen, sind darauf abgestimmt, unter normalen Betriebsbedingungen relativ geringe Rußmengen zu erzeugen. Die bekannten Überwachungsverfahren für Partikelfilter sind daher auch auf derartige relativ langsam und sich stetig akkumulierte Rußmengen ausgelegt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass es Betriebsbedingungen für Motoren, insbesondere Ottomotoren gibt, bei denen eine ungewöhnlich starke Rußentwicklung nicht vermeidbar ist.
Dabei handelt es sich insbesondere um die ersten Minuten (bis ca. 5 Minuten) einer Kaltstartphase bei niedrigen Außentemperaturen, d. h. in der Regel unter 0 °C.
Beispielweise kann bei einem Kaltstart bei einer Umgebungstemperatur von –20 °C innerhalb der ersten 200 s eine Rußmenge von etwa 200 mg emittiert und in dem Partikelfilter akkumuliert werden, was eine große Menge darstellt.
Wird der Motor bei derartigen Bedingungen mehrfach (kalt-)gestartet und jeweils nur kurz betrieben, kann es gemäß den Erkenntnissen der Erfinder der vorliegenden Erfindung sein, dass Gegenmaßnahmen gegen eine problematische Überladung des Partikelfilters nicht rechtzeitig getroffen werden können, weil die Motorbetriebsbedingungen für eine Regeneration nie oder nicht lange genug erfüllt sind, oder dass eine Überladung sogar gar nicht erkannt wird, weil die Bedingungen für eine aussagekräftige Differenz/Gegendruckmessung noch nicht stationär genug sind.
Durch eine Überladung des besteht die Gefahr der thermischen Überlastung des Filters bei einer nachfolgenden Regeneration durch die exotherme Reaktion der Partikelansammlungen. Weiterhin kann die Stabilität des Motorbetriebs durch den zu hohen Abgasgegendruck gefährdet sein und die Kraftstoffökonomie und die Abgasqualität können beeinträchtigt werden. Schließlich kann durch einen zu hohen Abgasgegendruck ein Abgasturbolader beschädigt werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bzw. eine entsprechende Motorsteuerungsvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass auch bei den vorstehend beschriebenen Kaltstartszenarien eine Beschädigung der Motoranlage weitestgehend ausgeschlossen ist.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 8.
Eine verfahrensgemäß ausgebildete Steuerung weist weiterhin ein Computerspeichermedium gemäß Patentanspruch 9 auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Ottomotors, mit einer Abgasanlage, die einen Partikelfilter, vorzugsweise einen Ottopartikelfilter, aufweist, dessen Partikelbeladung im Regelfall wenigstens abhängig von einem Messsignal, vorzugsweise abhängig von einem Abgasdifferenzdruck, abgeschätzt wird, wobei nötigenfalls eine Regeneration des Partikelfilters ausgelöst wird, ist vorgesehen, dass in der Startphase des Verbrennungsmotors anstelle der (im Regelfall erfolgenden) sensorbasierten Abschätzung der Partikelbeladung eine Open-Loop-Abschätzung der Partikelbeladungszunahme wenigstens abhängig von einem Motor-, Kühlwasser und/oder Außentemperaturwert erfolgt.
Im Rahmen der Erfindung wird somit in einer Kaltstartphase auf eine Sensor- oder Istwert-basierte Bestimmung der Partikelbeladung bzw. Partikelbeladungszunahme verzichtet und vielmehr auf eine rechnerische Bestimmung anhand vorgegebener Daten zurückgegriffen. Dies hat den Vorteil, dass ein ungewöhnlich starker Partikelanfall bei tiefen Umgebungstemperaturen erkannt und berücksichtigt werden kann, bereits bevor ein aussagekräftiges Messsignal von (Druck-)Sensoren zur Verfügung steht.
Diese primär nicht sensorbasierte Abschätzung wird gemäß der Terminologie in der Steuer- und Regelungstechnik auch als "Open-Loop" (d.h. nicht rückgekoppelt) bezeichnet, auch wenn man bei der sensorbasierten Abschätzung im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt von "closed loop" sprechen kann.
Bevorzugt werden bei Erkennung einer drohenden Überladung des Partikelfilters im Rahmen der Open-Loop-Abschätzung ein oder mehrere der folgenden Maßnahmen getroffen, wobei die Art der Maßnahme bevorzugt vom Grad der Überladung abhängt:

– Benachrichtigung des Fahrers des Fahrzeugs über ein Mensch-Maschine-Interface (HMI), z. B. mittels eines text- und/oder grafikbasierten Displays, eines Head-Up-Displays, einer Motorstörungsleuchte oder einer Sprachansage etc.;
– Verlängerung des Motorbetriebs und/oder Beeinflussung der Motorbetriebsparameter, um eine passive oder aktive Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen, d. h.; beispielsweise kann der Motor trotz Abschaltwunsches ("Key-Off"-Signal) seitens des Fahrers noch eine Weile weiterbetrieben werden, wobei hierzu in der Regel die Genehmigung des Fahrers über ein HMI eingeholt werden sollte;
– Betrieb des Motors in einem Notlaufmodus mit geringer Partikelemission und/oder in einem Modus, der auch bei hohen Abgasdruckverlusten über den Partikelfilter einen stabilen Motorbetrieb ermöglicht;
– Maßnahmen zum Schutz eines ggf. vorhandenen Abgasturboladers; insbesondere Reduktion der maximalen Turboladerdrehzahl durch Eingriff in das Motormanagement, z. B. durch Beeinflussung von Abgasventilen, und/oder
– temporäre Stilllegung des Motors, die in einer Werkstatt rücksetzbar ist; Letzteres stellt naturgemäß die extremste Maßnahme dar, die nur bei drohender irreparabler Beschädigung des Motors ergriffen wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Open-Loop-Abschätzung der Partikelbeladungszunahme anhand eines mehrdimensionalen Tabellenspeichers für den aktuellen Partikelanfall (der Partikelanfall stellt ein Maß für die pro Zeiteinheit näherungsweise im Filter neu gespeicherten Partikel dar) und/oder anhand interpolierender mehrdimensionaler Funktionen für den aktuellen Partikelanfall abhängig wenigstens vom einem oder mehreren der nachfolgenden Parameter:

– Dauer des vorangegangenen Motorstillstands;
– Motortemperatur;
– Kühlwassertemperatur;
– Umgebungstemperatur;
– Temperatur vor/nach/im Partikelfilter oder Temperatur vor/nach/in einer anderen Abgasbehandlungseinheit;
– Dauer des Motorstartvorgangs;
– Anzahl der Motorstartvorgänge seit der letzten Regeneration des Partikelfilters,

Alternativ kann die Open-Loop-Abschätzung der Partikelbeladungszunahme auch ohne die vorstehend zuletzt erwähnte zeitliche Aufintegration erfolgen, indem in den Tabellenspeichern bereits empirisch ermittelte Partikelbeladungszunahmen über bestimmte Zeiträume als Summe, d. h. "aufintegriert" gespeichert sind, d. h., dass die Partikelbeladungszunahmen für bestimmte typische Zeitdauern des Open-Loop-Betriebes (z. B. 300 s) bereits abhängig von einem der obenstehend genannten Parameter vorgespeichert sind. Auf diese Weise kann bei einem Kaltstart mit einem Tabellenzugriff die zu erwartende Partikelbeladungszunahme antizipiert werden, was rechtzeitige oder sogar proaktive Gegenmaßnahmen ermöglicht.
Bevorzugt kann die anfängliche Open-Loop-Abschätzung für eine vorgegebene Zeitdauer ab einem Kaltstart des Motors durchgeführt werden.
Diese Dauer der Open-Loop-Abschätzung kann zu deren Beginn abhängig von Motorparametern anhand eines funktionellen Zusammenhangs vorbestimmt werden, wobei bei Motorparametern, die auf einen warmen Motor hindeuten und/oder bei warmen Umgebungstemperaturen die Dauer der Open-Loop-Abschätzung auch null sein kann. In diesem Falle kann auf die genannte Open-Loop-Abschätzung nach dem Start des Verbrennungsmotors ganz verzichtet werden, da kein starker Partikelanfall zu erwarten ist.
Alternativ zu einer von Vornherein fest vorgegebenen oder zu Anfang berechneten Zeitdauer der Open-Loop-Abschätzung kann diese auch solange durchgeführt werden, bis vorbestimmte Motorparameter vorgegebene Werte erreicht haben, oder bis diese einen vorbestimmten Grad an Stationarität erreicht haben, wobei die entsprechenden Motorparameter das Signal eines Differenzdrucksensors für den Partikelfilter einschließen können. Beispielsweise kann nach dem Motorstart erst einmal der der Partikelanfall "open loop" abgeschätzt werden, bis die Messwerte von Sensoren zur Bestimmung des Differenzdrucks hinreichend stationär sind.
Weiterhin wird zur Lösung der vorgenannten Aufgabe eine zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens ausgebildete Vorrichtung zum Betrieb des Verbrennungsmotors vorgeschlagen. Hierzu weist die Betriebsvorrichtung die üblichen Komponenten eines gängigen Motormanagements auf, insbesondere eine mikroprozessorgesteuerte Motorsteuerung, in der die genannten Tabellen und Kennlinien abgespeichert sind.
Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung ein Computerspeichermedium für die Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Partikelfilter vorgeschlagen, das Instruktionen zur Durchführung eines vorbeschriebenen Verfahrens aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Funktions-/Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 und 3 Diagramme zur Illustration der Abhängigkeit des Rußanfalls in der Startphase eines Verbrennungsmotors abhängig von der Umgebungstemperatur.
In 1 ist schematisch ein Rußabschätzungsalgorithmus für die Beladung eines Rußpartikelfilters in der Abgasanlage eines Ottomotor-Kraftfahrzeuges in einer Kaltstartphase dargestellt. Diese Abschätzungsstrategie tritt nach dem Start des Motors für eine vorbestimmte Zeitdauer (deren Bestimmung nicht dargestellt ist) in Aktion, z. B. 300 s nach Kaltstart. Aus einer Mehrzahl von Motorbetriebsparametern 10, insbesondere der dem aktuellen Motorstart vorangegangenen Stillstandszeit ("soak time"), der Motor-/Kühlwassertemperatur, der Umgebungstemperatur, der Dauer, die der aktuelle Motorstart in Anspruch genommen hat sowie der Anzahl der Motorstarts seit der letzten Motorregeneration und anhand einer mehrdimensionalen Tabelle bzw. Matrix 12 wird eine empirisch bestimmte "Start-Rußmasse" abhängig von der Zeit seit dem Motorstart entnommen. Der wichtigste Parameter ist dabei die Motorkühlwasser- oder die Umgebungstemperatur, da niedrige Temperaturwerte mit hohen Rußemissionen verbunden sind. Die weiteren Parameter 10 können zur Modifikation der jeweiligen Rußabschätzung herangezogen werden. Beispielsweise kann bei ungewöhnlich langer Motorstartdauer der Rußwert um einen Faktor erhöht werden oder bei kurzer Startdauer reduziert werden.
Die so erhaltene Rußabschätzung 14 wird zu der gespeicherten aktuellen Rußmasse addiert und so ein Rußmassenwert 16 erhalten. Dieser wird in Schritt 18 mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen und entweder für akzeptabel befunden, woraufhin weitere Kaltstarts zugelassen werden (Schritt 20). Wenn die Beladung dagegen nicht mehr akzeptabel erscheint, werden Schutzfunktionen wie vorstehend beschrieben ausgelöst (Schritt 22). Die beschriebene Abfrage kann bereits kurz nach einem Motorstart durchgeführt werden im Hinblick auf eine vorausgesagte Rußbeladung zum Ende des Open-Loop-Betriebs, z. B. nach 300 s. Insofern kann die Funktion bereits vorausschauend Gegenmaßnahmen auslösen. Insbesondere Hinweise an den Benutzer, die Kaltstarts zu reduzieren oder den Motor länger zu betrieben, können so mit einem ausreichenden Vorlauf erfolgen, bevor einschneidendere Maßnahmen bis zur Stilllegung des Motors getroffen werden müssen. Im Anschluss an das dargestellte Verfahren wird die aktuelle Rußmasse wie aus dem Stand der Technik bekannt sensorbasiert aktualisiert und bei Bedarf und dem Vorliegen geeigneter Motorbetriebsparameter eine Regeneration ausgelöst.
In den Diagrammen gemäß den 2 und 3 ist der ungewöhnliche hohe Rußanfall im Falle von Kaltstarts illustriert. Diese Werte wurden in Echtzeit unter Verwendung eines Mikro-Rußsensors gemessen. Wie aus den unterschiedlichen Graphen in 2 ersichtlich, steigt die Rußkonzentration im Abgas mit sinkender Umgebungstemperatur an. Der dargestellte höchste Peak bezieht sich auf eine Umgebungstemperatur von –20 °C.
Wie weiterhin aus 2 ersichtlich, fallen die Rußemissionen spätestens nach 300 s stark ab, so dass man die umgebungstemperaturabhängigen Kaltstart-Rußemissionen in der Startphase auch durch einen Integralwert über eine typische Zeitdauer von beispielsweise 300 s beschreiben kann. Diese Integralwerte (Rußmasse in mg) sowie die Ergebnisse weiterer Tests sind in 3 abhängig von der Umgebungstemperatur dargestellt.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Ottomotors, mit einer Abgasanlage, die einen Rußpartikelfilter aufweist, dessen Partikelbeladung im Regelfall wenigstens abhängig von dem Signal eines Sensors, vorzugsweise anhand einer Differenzdruckmessung, abgeschätzt wird, wobei nötigenfalls eine Regeneration des Partikelfilters ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase des Verbrennungsmotors anstelle der sensorbasierten Abschätzung der Partikelbeladung eine Open-Loop-Abschätzung (14) der Partikelbeladungszunahme wenigstens abhängig von einem Motor-, Kühlwasser und/oder Außentemperaturwert (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer drohenden Überladung des Partikelfilters im Rahmen der Open-Loop-Abschätzung (14), ggf. abhängig vom Maß der Überladung, ein oder mehrere der folgenden Maßnahmen (22) getroffen werden: – Benachrichtigung des Fahrers des Fahrzeugs über ein Mensch-Maschine-Interface (HMI); – Verlängerung des Motorbetriebs und/oder Beeinflussung der Motorbetriebsparameter, um eine passive oder aktive Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen; – Betrieb des Motors in einem Notlaufmodus mit geringer Partikelemission und/oder in einem Modus, der auch bei hohen Abgasdruckverlusten im Partikelfilter einen stabilen Motorbetrieb ermöglicht; – Maßnahmen zum Schutz eines ggf. vorhandenen Abgasturboladers und/oder – temporäre Stilllegung des Motors.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Open-Loop-Abschätzung der Partikelbeladungszunahme anhand eines mehrdimensionalen Tabellenspeichers für einen aktuellen Partikelanfall und/oder anhand interpolierender mehrdimensionaler Funktionen für den aktuellen Partikelanfall abhängig wenigstens vom einem oder mehreren der nachfolgenden Parameter erfolgt: – Dauer des vorangegangenen Motorstillstands; – Motortemperatur; – Kühlwassertemperatur; – Umgebungstemperatur; – Temperatur vor/nach/im Partikelfilter oder Temperatur vor/nach/in einer anderen Abgasbehandlungseinheit; – Dauer des Motorstartvorgangs; – Anzahl der Motorstartvorgänge seit der letzten Regeneration des Partikelfilters, und dass der aktuelle Partikelanfall über die Zeitdauer der Open-Loop-Abschätzung zu einer aktuellen Partikelbeladung aufintegriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Open-Loop-Abschätzung der Partikelbeladungszunahme (14) anhand eines mehrdimensionalen Tabellenspeichers für die Partikelbeladungszunahme (12) und/oder anhand interpolierender mehrdimensionaler Funktionen für die Partikelbeladungszunahme abhängig von der Zeitdauer der Open-Loop-abschätzung und abhängig wenigstens vom einem oder mehreren der nachfolgenden Parameter erfolgt: – Dauer des vorangegangenen Motorstillstands; – Motortemperatur; – Kühlwassertemperatur; – Umgebungstemperatur; – Temperatur vor/nach/im Partikelfilter oder Temperatur vor/nach/in einer anderen Abgasbehandlungseinheit; – Dauer des Motorstartvorgangs; – Anzahl der Motorstartvorgänge seit der letzten Regeneration des Partikelfilters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die anfängliche Open-Loop-Abschätzung (14) für eine vorgegebene Zeitdauer ab einem Kaltstart des Motors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Open-Loop-Abschätzung (14) zu deren Beginn abhängig von Motorparametern anhand eines funktionellen Zusammenhangs vorbestimmt wird, wobei bei Motorparametern, die auf einen warmen Motor hindeuten und/oder bei warmen Umgebungstemperaturen die Dauer der Open-Loop-Abschätzung auch null sein kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Open-Loop-Abschätzung solange durchgeführt wird, bis vorbestimmte Motorparameter vorgegebene Werte erreicht haben, oder bis diese einen vorbestimmten Grad an Stationarität erreicht haben, wobei die entsprechenden Motorparameter das Signal eines Differenzdrucksensors für den Partikelfilter einschließen können.
Vorrichtung zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Partikelfilter, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Computerspeichermedium für die Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Partikelfilter, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Instruktionen zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.