DE102015211570A1 - Regeneration von Partikelfiltern in einem Hybridantriebsstrang - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantriebsstrang bereitgestellt, bei dem die Regeneration des Partikelfilters in Abhängigkeit von den dabei erreichten Temperaturen wiederholt unterbrochen und neu gestartet wird, um die Lebensdauer des Partikelfilter zu verlängern. Weiterhin wird eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs mit einem eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisenden Hybridantriebsstrang.
  • Abgasregelungen betreffen neben Dieselpartikeln in zunehmendem Maße auch die Menge an Partikeln, die beim Verbrennen von Benzin entstehen. Dabei halten Benzinpartikelfilter (gasoline particle filter, GPF) Partikel mit hoher Effizienz zurück. GPF werden durch Verbrennen der eingelagerten Partikel regeneriert. Die Regeneration der GPF erfordert eine Starttemperatur, typischerweise um 600°C, und einen Überschuss an Sauerstoff stromaufwärts des Filters.
  • Bei mit Benzin arbeitenden Brennkraftmaschinen ist die Temperatur im Abgastrakt verglichen mit Dieselbrennkraftmaschinen recht hoch. Die erforderlichen Temperaturen von 600°C werden regelmäßig erreicht, so dass die Regeneration eines GPF durch Verbrennen der eingelagerten Partikel bei einem Abschalten der Brennstoffzufuhr schnell startet. Bereits über einen kurzen Zeitraum wirkende hohe Temperaturen setzen die Lebensdauer eines GPF stark herab. Es besteht damit die Aufgabe, die Regeneration so zu steuern, dass die Lebensdauer von GPF positiv beeinflusst, d. h. verlängert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges mit einem aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor bestehenden Hybridantriebsstrang durch ein Verbrennen von in dem Partikelfilter eingelagerten Partikeln, das folgende Schritte aufweist:
    • – S1) Ermitteln der Partikelbeladung des Partikelfilters,
    • – S2) Erfassen eines erreichten Schwellwertes der Partikelbeladung,
    • – S3) Betreiben der Brennkraftmaschine, bis die nötige Temperatur zum Starten der Regeneration erreicht ist,
    • – S4) Starten der Regeneration des Partikelfilters durch Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine,
    • – S5) Regeneration des Partikelfilters,
    • – S6) Unterbrechen der Regeneration des Partikelfilters durch Starten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine,
    wobei die Temperatur des Partikelfilters, die während der Regeneration erreicht wird, überwacht und durch Steuern von Starten und Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine geregelt wird, und wobei die Schritte S3 bis S6 wiederholt werden, bis eine optimale Regeneration des Partikelfilters erreicht wird.
  • Mit anderen Worten wird in dem Verfahren nach Erreichen einer notwendigen Temperatur die Regeneration des Partikelfilters durch Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine gestartet und werden die eingelagerten Partikel im GPF verbrannt, wobei die Regeneration wiederholt gestartet und unterbrochen werden kann. Wird der Partikelfilter bereits für einen kurzen Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt, wird die Regeneration unterbrochen; sind ausreichend niedrige Temperaturen erreicht, wird die Regeneration wieder gestartet. Das Starten und das Unterbrechen der Regeneration erfolgt damit in Abhängigkeit von der dabei erreichten Temperatur. Das Verfahren ist vorteilhaft, weil die Steuerung der Regeneration nicht von aktuellen Antriebsanforderungen des Kraftfahrzeugs abhängig ist. Weiterhin wird durch die Regelung der Temperatur der Partikelfilter nicht unnötigerweise zu hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch die Lebensdauer des Partikelfilters verglichen mit herkömmlichen Verfahren verlängert wird. Dem Fachmann ist dabei bekannt, welche Temperaturhöhen für einen Partikelfilter nachteilig sind; Temperaturen von über 650°C sind z. B. bereits als nachteilig anzusehen, besonders aber über 700°C.
  • Bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Regeneration unterbrochen, indem die Brennkraftmaschine mit einer stöchiometrischen Mixtur mit einem derartigen Ladeluftgehalt betrieben wird, dass deren Sauerstoff bei der Verbrennung des Kraftstoffs möglichst vollständig verbrannt wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Sauerstoffzufuhr zum Partikelfilter minimiert, so dass die Regeneration des Partikelfilters zum Stillstand kommt.
  • Weiterhin wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Regeneration bevorzugt die Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Temperatur des Partikelfilters gesteuert. Durch die Drehzahl wird der Volumenstrom zum Partikelfilter geregelt, womit auch die Menge an Sauerstoff für die Regeneration beeinflusst wird. Die Drehzahl kann daher niedrig gewählt werden, damit nicht zu viel Sauerstoff zum Partikelfilter gelangt und die Verbrennung im Partikelfilter nicht ungünstig verstärkt und damit die Alterung des Partikelfilters beschleunigt wird. Andererseits kann eine hohe Drehzahl zur Generation eines großen Volumenstroms für einen kühlenden Effekt auf den Partikelfilter gewählt werden; um dabei die Verbrennung nicht ungewollt zu verstärken, sollte ein großer Volumenstrom daher einen möglichst geringen Anteil an Sauerstoff beinhalten. Zum Einstellen einer günstigen Temperatur des Abgasvolumenstroms kann vorteilhafterweise auch die Last der Brennkraftmaschine, besonders auch zusätzlich zur Drehzahl der Brennkraftmaschine, geregelt werden.
  • Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Partikelbeladung des Partikelfilters aus der Differenz von einem ersten und zweiten Gasdruck vor bzw. hinter dem Partikelfilter ermittelt. Dadurch kann vorteilhaft die Notwendigkeit ermittelt werden, wann eine Regeneration gestartet werden muss. Alternativ kann zum Ermitteln der Partikelladung auch der absolute Gasdruck vor dem Partikelfilter gemessen werden.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs mit einem aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor bestehenden Hybridantriebsstrang durch Verbrennen von im Partikelfilter eingelagerten Partikeln, bei der die Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine zum Starten der Regeneration abschaltbar ist, ein Abgasvolumenstrom zum Steuern der Regeneration über die Drehzahl der Brennkraftmaschine regelbar ist, und bei der weiterhin ein Temperatursensor am Partikelfilter oder in dessen Nähe angeordnet ist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Die Vorteile der Anordnung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung die Brennkraftmaschine als Benzinmotor ausgebildet. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in der erfindungsgemäßen Anordnung die Brennkraftmaschine und der Elektromotor seriell angeordnet sind. Eine serielle Anordnung ist vorteilhaft, weil sich in dieser Anordnung der Abgasvolumenstrom unabhängig über die Drehzahl der Brennkraftmaschine steuern lässt.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst also eine Anordnung zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs mit einem aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor bestehenden Hybridantriebsstrang durch Verbrennen von im Partikelfilter eingelagerten Partikeln, bei der die Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine zum Starten der Regeneration abschaltbar ist, ein Abgasvolumenstrom zum Steuern der Regeneration über die Drehzahl der Brennkraftmaschine regelbar ist, und bei der weiterhin mindestens ein Temperatursensor am Partikelfilter oder in dessen Nähe angeordnet ist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäße Anordnung.
  • 2 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Eine Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 1 umfasst einen Benzinpartikelfilter 2 (GPF), eine Brennkraftmaschine 3 und einen Elektromotor 4.
  • Die Brennkraftmaschine 3 und der Elektromotor 4 sind seriell in einem Hybridantriebsstrang 5 angeordnet. Alternativ können sie auch parallel oder in einem Mischhybridantrieb (seriell und parallel) angeordnet sein. Zur Brennkraftmaschine 3 führt ein Ansaugtrakt 6 zum Zuleiten von Ladeluft. Ein Abgastrakt 7 dient zur Ableitung von Abgas aus der Brennkraftmaschine 3. Im Abgastrakt 7 ist eine Turbine 8 eines Turboladers angeordnet. Alternativ kann auch keine Turbine bzw. kein Turbolader in der Anordnung 1 vorhanden sein. Weiterhin ist ein Katalysator 9 im Abgastrakt 7 angeordnet. Der GPF 2 ist in Fließrichtung des Abgases 10 im Abgastrakt 7 hinter dem Katalysator 9 angeordnet. Der Katalysator 9 ist ein dem Fachmann geläufiger Katalysator, z.B. ein Drei-Wege-Katalysator, ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator.
  • Am GPF 2 oder in dessen Nähe sind Temperatursensoren 11 angeordnet. Die Temperatursensoren 11 sind mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die die Temperaturdaten erfasst. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit von der Temperatur des GPF 2 Steuerbefehle an die Motorsteuerung auszugeben, um die Temperatur herabzusetzen. Weiterhin sind Drucksensoren 12 in Fließrichtung des Abgases 10 vor und hinter dem GPF 2 angeordnet, mit denen Drucksignale des Abgases am GPF 2 ermittelt werden. Auch die Drucksensoren sind mit der Steuereinrichtung verbunden, die ausgebildet ist, aus den Drucksignalen einen Differenzdruck zu bestimmen. Ist der GPF 2 mit Partikeln beladen, erhöht sich der Differenzdruck des Abgasstroms durch den GPF 2. Ein bestimmter Differenzdruck gilt als Startsignal für die Regeneration des GPF 2 gestartet. Weiterhin können Lambdasonden (nicht gezeigt) zum Ermitteln des Sauerstoffverbrauchs durch die Regeneration vor und hinter dem GPF 2 angeordnet sein. Auch die Lambdasonden sind mit der Steuereinrichtung verbunden, die in Abhängigkeit von den Temperaturen bei der Regeneration den Abgasvolumenstrom an den GPF steuert.
  • In 2 ist schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird über Druckmessungen durch die Drucksensoren 12 und Berechnung eines Differenzdrucks laufend die Partikelbeladung des GPF 2 ermittelt. Ist ein bestimmter Schwellwert der Partikelbeladung erreicht, bei dem eine Regeneration des GPF 2 notwendig ist, wird dieser in einem zweiten Schritt S2 von der Steuereinrichtung erfasst. Die Steuereinrichtung sendet bestimmte Signale an die Steuerung der Brennkraftmaschine, die in einem dritten Schritt S3 unter Bedingungen einer optimalen Wärmeproduktion betrieben wird, bis die nötige Temperatur zum Starten der Regeneration erreicht ist. In einem vierten Schritt S4 wird die Regeneration des Partikelfilters durch Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine gestartet. In einem fünften Schritt S5 läuft die Regeneration des Partikelfilters 2. In einem sechsten Schritt S6 wird die Regeneration des GPF 2 durch Starten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine 3 unterbrochen. Die Temperatur des Partikelfilters, die während der Regeneration erreicht wird, wird durch Steuern von Häufigkeit und Dauer des Abschaltens der Brennkraftmaschine sowie durch Steuerung des Abgasvolumenstroms auf der Basis der Höhe der Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 geregelt. Die Regeneration wird z. B. durch Sauerstoffentzug gestoppt, wenn der GPF 2 einen bestimmten Schwellenwert SW1 überschreitet, so dass keine weitere Verbrennung der eingelagerten Partikel erfolgen kann. Ist die Temperatur des GPF 2 unter den Schwellenwert SW1 oder einen weiteren Schwellenwert SW2 gesunken, wird die Regeneration neu gestartet. Die Schritte S3 bis S6 werden so oft wiederholt, bis eine optimale Regeneration des Partikelfilters erreicht worden ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anordnung
    2
    Partikelfilter
    3
    Brennkraftmaschine
    4
    Elektromotor
    5
    Hybridantriebsstrang
    6
    Ansaugtrakt
    7
    Abgastrakt
    8
    Turbine
    9
    Katalysator
    10
    Fließrichtung des Abgases
    11
    Temperatursensor
    12
    Drucksensor

Claims (8)

  1. Verfahren zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges mit einem aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor bestehenden Hybridantriebsstrang durch ein Verbrennen von in dem Partikelfilter eingelagerten Partikeln, das folgende Schritte aufweist: – S1) Ermitteln der Partikelbeladung des Partikelfilters, – S2) Erfassen eines erreichten Schwellwertes der Partikelbeladung, – S3) Betreiben der Brennkraftmaschine, bis die nötige Temperatur zum Starten der Regeneration erreicht ist, – S4) Starten der Regeneration des Partikelfilters durch Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine, – S5) Regeneration des Partikelfilters, – S6) Unterbrechen der Regeneration des Partikelfilters durch Starten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine, wobei die Temperatur des Partikelfilters, die während der Regeneration erreicht wird, überwacht und durch Steuern von Starten und Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine geregelt wird, und wobei die Schritte S3 bis S6 wiederholt werden, bis eine optimale Regeneration des Partikelfilters erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Regeneration unterbrochen wird, indem die Brennkraftmaschine mit einer stöchiometrischen Brennstoffmixtur mit einem derartigen Ladeluftgehalt betrieben wird, dass deren Sauerstoff bei der Verbrennung des Kraftstoffs möglichst vollständig verbrannt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der Regeneration die Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Temperatur des Partikelfilters gesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikelbeladung des Partikelfilters aus der Differenz von einem ersten und zweiten Gasdruck vor bzw. hinter dem Partikelfilter ermittelt wird.
  5. Anordnung (1) zum Steuern einer Regeneration eines Partikelfilters (2) im Abgastrakt (7) eines Kraftfahrzeugs mit einem aus einer Brennkraftmaschine (3) und einem Elektromotor (4) bestehenden Hybridantriebsstrang (5) durch Verbrennen von im Partikelfilter (2) eingelagerten Partikeln, bei der die Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine (3) zum Starten der Regeneration abschaltbar ist, ein Abgasvolumenstrom zum Steuern der Regeneration über die Drehzahl der Brennkraftmaschine regelbar ist, und wobei weiterhin mindestens ein Temperatursensor (11) am Partikelfilter (2) oder in dessen Nähe angeordnet ist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Brennkraftmaschine (3) als Benzinmotor ausgebildet ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Brennkraftmaschine (3) und der Elektromotor (4) seriell angeordnet sind.
  8. Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 5–7.
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