DE102015221495A1 - Method and apparatus for regeneration of a particulate filter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters (20) im Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10), wobei ein Beladungszustand des Partikelfilters (20) durch ein Beladungsmodell ermittelt wird, wobei der Partikelfilter (20) zur Modellbildung in mindestens zwei Filterelemente (32, 34) unterteilt wird, und wobei für jedes Filterelement (32, 34) separat ein Beladungszustand und/oder eine Temperaturverteilung ermittelt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters (20) im Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10), wobei eine Steuereinrichtung (16) vorgesehen ist, welche einen computerlesbaren Programmalgorithmus zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie gegebenenfalls erforderliche Kennfelder und dergleichen aufweist.The invention relates to a method and a device for regenerating a particulate filter (20) in the exhaust passage (12) of an internal combustion engine (10), wherein a loading state of the particulate filter (20) is determined by a loading model, wherein the particulate filter (20) for modeling in at least two filter elements (32, 34) is divided, and wherein for each filter element (32, 34) separately a loading state and / or a temperature distribution is determined. The invention further relates to a device for regeneration of a particulate filter (20) in the exhaust passage (12) of an internal combustion engine (10), wherein a control device (16) is provided, which has a computer-readable program algorithm for controlling a method according to the invention as well as possibly required maps and the like.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method and a device for the regeneration of a particulate filter in an exhaust passage of an internal combustion engine.

Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Mit der Einführung der Abgasnorm EU6 für Ottomotoren wird ein Grenzwert für die Partikelemission vorgeschrieben, sodass es auch bei Ottomotoren zur Notwendigkeit des Einsatzes eines Partikelfilters kommen kann. Der Partikelfilter wird im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges mit Partikeln beladen, wobei der Abgasgegendruck im Abgaskanal mit der Beladung zunimmt. Diese Beladung des Partikelfilters kann beispielsweise über eine Differenzdruckmessung im Abgaskanal vor und nach dem Partikelfilter oder eine Modellierung in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors bestimmt werden. Damit das Abgasgegendruckniveau nicht zu weit ansteigt, muss der Partikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation der Rußpartikel auf dem Partikelfilter mit Sauerstoff durchzuführen, sind eine hinreichende Regenerationstemperatur sowie das gleichzeitige Vorliegen von Restsauerstoff im Abgas notwendig. Der Rußaustrag aus dem Partikelfilter kann vergleichbar zur Beladung des Partikelfilters ebenfalls über eine Gegendruckmessung im Abgaskanal oder über eine Modellierung abgebildet werden.The current and increasingly stringent emissions legislation in the future places high demands on the engine raw emissions and the exhaust aftertreatment of internal combustion engines. With the introduction of the emission standard EU6 for gasoline engines a limit value for the particle emission is prescribed, so that it can come also with gasoline engines to the necessity of the employment of a particle filter. The particle filter is loaded while driving a motor vehicle with particles, the exhaust back pressure in the exhaust duct increases with the load. This loading of the particulate filter can be determined for example by means of a differential pressure measurement in the exhaust gas duct before and after the particulate filter or a modeling in a control unit of the internal combustion engine. So that the exhaust back pressure level does not rise too far, the particle filter must be regenerated continuously or periodically. In order to carry out a thermal oxidation of the soot particles on the particle filter with oxygen, a sufficient regeneration temperature and the simultaneous presence of residual oxygen in the exhaust gas are necessary. The Rußaustrag from the particulate filter can be mapped to the load of the particulate filter also via a back pressure measurement in the exhaust duct or a modeling.

Aus der DE 42 30 180 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters bekannt, bei dem zur Ermittlung des Beladungszustands eines Partikelfilters ein Druckwert, ein Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter sowie die bei dem ermittelten Abgasvolumenstrom auftretende Drehzahl des Verbrennungsmotors gemessen werden. Unter Berücksichtigung dieser Messwerte wird ein Ist-Kennwert ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen, wobei bei einer hinreichend kleinen Differenz zwischen dem Ist-Kennwert und dem Grenzwert eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet wird.From the DE 42 30 180 A1 a method for the regeneration of a particulate filter is known in which for determining the loading state of a particulate filter, a pressure value, an exhaust gas flow rate through the particulate filter and the speed of the combustion engine occurring at the determined exhaust gas volumetric flow are measured. Taking these measured values into account, an actual characteristic value is determined and compared with a limit value, with a regeneration of the particle filter being initiated given a sufficiently small difference between the actual characteristic value and the limit value.

Aus der DE 199 45 372 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Regeneration eines Partikelfilters bekannt, bei dem über ein Kennfeld oder ein Modell die Regeneration des Partikelfilters durchgeführt wird. Das Modell beinhaltet einen Beladungswert des Partikelfilters, in den die Fahrzeit und die Fahrstrecke seit der letzten Regeneration einfließen. Aus dem Beladungswert wird eine Zustandskennzahl ermittelt, bei deren Überschreitung eine Regeneration durchgeführt wird.From the DE 199 45 372 A1 For example, a method for controlling the regeneration of a particulate filter is known in which the regeneration of the particulate filter is carried out via a characteristic map or a model. The model includes a load value of the particulate filter, in which the travel time and the distance traveled since the last regeneration. The load value is used to determine a condition code that, if exceeded, performs a regeneration.

Auch wenn diese Verfahren schon mehrere Kenngrößen berücksichtigen, so gehen sie doch von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den Partikelfilter sowie von einer gleichmäßigen Beladung des Partikelfilters aus.Even though these methods already take several parameters into account, they nevertheless assume a uniform temperature distribution over the particle filter and a uniform loading of the particle filter.

Aus der DE 103 49 134 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters bekannt, bei dem eine Verteilung der Oberflächentemperatur mittels einer Thermographiekamera ermittelt wird und anhand der vorliegenden Temperaturverteilung versucht wird, durch die Wahl entsprechender Motorparameter oder eine entsprechende Anströmung des Partikelfilters eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt des Partikelfilters zu erreichen.From the DE 103 49 134 A1 a method for the regeneration of a particulate filter is known in which a distribution of the surface temperature is determined by means of a thermographic camera and is attempted on the basis of the present temperature distribution to achieve the most uniform temperature distribution over the cross section of the particulate filter by selecting appropriate engine parameters or a corresponding flow of the particulate filter ,

Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv, sodass es sich vornehmlich für den Einsatz an einem Prüfstand und nicht für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug eignet. Zudem kann es durch den Ruß im Abgas dazu kommen, dass das Sichtfenster für die Thermographiekamera verschmutzt, sodass dieser Einfluss zusätzlich kompensiert werden muss und die Messdauer begrenzt ist.However, this method is very expensive and expensive, so it is primarily suitable for use on a test bench and not for use in a motor vehicle. In addition, due to the soot in the exhaust gas, the viewing window for the thermographic camera may become dirty, so that this influence must be additionally compensated and the measurement duration is limited.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters bereitzustellen, welches radiale und axiale Temperaturgradienten auf dem Partikelfilter sowie die daraus resultierenden unterschiedlichen Umsatzraten bei einer Regeneration des Partikelfilters berücksichtigt, um auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen effektive Bauteilschutzmaßnahmen für den Partikelfilter oder aktive Regenerationsmaßnahmen des Partikelfilters einleiten zu können.The invention is based on the object to provide a method for regenerating a particulate filter, which radial and axial temperature gradients on the particulate filter and the resulting different conversion rates in a regeneration of the particulate filter takes into account even under unfavorable operating conditions effective component protection measures for the particulate filter or active regeneration measures to be able to initiate the particulate filter.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass der Beladungszustand des Partikelfilters durch ein Beladungsmodell ermittelt wird, wobei der Partikelfilter zur Modellbildung in mindestens zwei Filterelemente unterteilt wird, wobei für jedes Filterelement ein Beladungszustand und/oder eine Temperaturverteilung ermittelt wird. Aufgrund von radialen und/oder axialen Temperaturunterschieden auf dem Partikelfilter können durch die daraus resultierenden unterschiedlichen Umsatzraten nach einer Teilregeneration des Partikelfilters unterschiedliche spezifische Beladungen des Partikelfilters mit Rußpartikeln vorliegen. Eine genaue Kenntnis hierüber ist jedoch erforderlich, um auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen effektive Bauteilschutzmaßnahmen oder aktive Regenerationsmaßnahmen für den Partikelfilter einleiten zu können. Durch eine Aufteilung des Partikelfilters in mehrere Filterelemente können hier lokale Beladungen modelliert werden, wodurch eine genauere Bauteilbelastung für den Partikelfilter ermittelt werden kann und Schäden am Partikelfilter vermieden werden können.According to the basic idea of the invention, it is provided that the loading state of the particulate filter is determined by a loading model, wherein the particulate filter is subdivided into at least two filter elements for modeling, wherein a loading state and / or a temperature distribution is determined for each filter element. Due to radial and / or axial temperature differences on the particle filter may be present by the resulting different conversion rates after a partial regeneration of the particulate filter different specific loadings of the particulate filter with soot particles. However, precise knowledge of this is necessary in order to be able to initiate effective component protection measures or active regeneration measures for the particle filter even under unfavorable operating conditions. By dividing the particle filter into a plurality of filter elements, local loads can be modeled here, whereby a more accurate component load for the particle filter can be determined and damage to the particle filter can be avoided.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter zur Modellbildung in axialer Richtung in mehrere Filterebenen unterteilt wird. Dadurch ist eine Modellierung des Beladungszustands und/oder der Temperatur entlang der Strömungsrichtung durch den Partikelfilter, also in axialer Richtung durch den Partikelfilter möglich, sodass der Partikeleintrag beziehungsweise der Partikelaustrag an unterschiedlichen Stellen des Partikelfilters entlang der Strömungsrichtung des Abgases durch den Partikelfilter ermittelt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Filterebenen scheibenförmig ausgebildet sind. Durch eine Modellbildung mit mehreren in Strömungsrichtung des Abgases durch den Partikelfilter hintereinander angeordneten scheibenförmigen Filterelementen ist eine besonders einfache Modellierung des Beladungszustandes in axialer Richtung möglich. Bevorzugt erstrecken sich die Filterelemente dabei ausgehend von einer Mittelachse des Partikelfilters jeweils radial nach außen und weisen jeweils einen gleichen Durchmesser beziehungsweise gleichen Radius auf.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the particle filter for Modeling in the axial direction is divided into several filter levels. As a result, it is possible to model the loading state and / or the temperature along the flow direction through the particle filter, ie in the axial direction through the particle filter, so that the particle entry or the particle discharge at different points of the particle filter along the flow direction of the exhaust gas can be determined by the particle filter. It is particularly advantageous if the filter planes are disc-shaped. By modeling with several in the flow direction of the exhaust gas through the particle filter successively arranged disc-shaped filter elements a particularly simple modeling of the loading state in the axial direction is possible. In this case, the filter elements preferably extend radially outwards starting from a central axis of the particle filter and in each case have the same diameter or the same radius.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Partikelfilter zur Modellbildung radial in mehrere Ringe aufgeteilt wird. Somit können auf einfache Weise radiale Temperaturunterschiede und in radialer Richtung unterschiedliche Beladungszustände des Partikelfilters modelliert werden, wobei unter anderem berücksichtigt werden kann, dass die radial außenliegenden Bereiche des Partikelfilters in der Regel kälter sind als die radial innenliegenden Bereiche des Partikelfilters. Ferner hat sich gezeigt, dass in axialer Richtung die Temperatur in den radial außenliegenden Bereichen des Partikelfilters schneller abnimmt als in den radial innenliegenden Bereichen. Durch eine entsprechende Modellierung der Temperaturverteilung kann eine wesentliche genauere Modellierung des Partikeleintrags und/oder des Partikelaustrags in den beziehungsweise aus dem Partikelfilter erfolgen, als dies beispielsweise über eine Gegendruckmessung über den Partikelfilter oder ein Modell, welchem ein homogene Verteilung der Rußpartikel auf dem Rußpartikelfilter zugrunde liegt, möglich ist.According to a further advantageous embodiment of the method, it is provided that the particle filter for modeling is divided radially into several rings. Thus, radial temperature differences and different loading states of the particulate filter in the radial direction can be modeled in a simple manner, wherein among other things it can be taken into account that the radially outer regions of the particulate filter are generally colder than the radially inner regions of the particulate filter. Furthermore, it has been shown that in the axial direction, the temperature in the radially outer regions of the particulate filter decreases faster than in the radially inner regions. By a corresponding modeling of the temperature distribution, a significantly more accurate modeling of the particle entry and / or of the particle discharge into or out of the particle filter can take place, for example via a back pressure measurement via the particle filter or a model based on a homogeneous distribution of the soot particles on the soot particle filter , is possible.

Wird der Partikelfilter sowohl axial als auch radial in mehrere Filterelemente unterteilt, ist durch eine radiale Aufteilung des Partikelfilters in Ringe und eine axiale Aufteilung des Partikelfilters in Scheiben eine besonders genaue Modellierung des Beladungszustands des Partikelfilters möglich. Dies ist die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung.If the particle filter is subdivided both axially and radially into a plurality of filter elements, a particularly accurate modeling of the loading state of the particle filter is possible by a radial division of the particle filter into rings and an axial division of the particle filter into slices. This is the preferred embodiment of the present invention.

Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass pro Filterelement jeweils eine Bauteiltemperatur des Partikelfilters ermittelt wird. Dies kann ebenfalls durch eine Modellierung oder durch lokale Temperaturmessungen, beispielsweise durch in den Partikelfilter eingelassene Thermoelemente, erfolgen. Durch eine Ermittlung der lokalen Temperaturen in den einzelnen Filterelementen des Partikelfilters ist eine genauere Prognose des Rußeintrags und/oder des Rußaustrags in das jeweilige Filterelement beziehungsweise aus dem jeweiligen Filterelement möglich, wodurch die Modellbildung weiter verfeinert und verbessert wird.According to a further development of the method, it is provided that in each case one component temperature of the particle filter is determined per filter element. This can also be done by modeling or by local temperature measurements, for example by embedded in the particulate filter thermocouples. By determining the local temperatures in the individual filter elements of the particulate filter, a more accurate forecast of soot input and / or soot discharge into the respective filter element or from the respective filter element is possible, whereby the model formation is further refined and improved.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Bauteiltemperatur des Partikelfilters nur an ausgewählten Filterelementen gemessen wird und die Temperaturen der übrigen Filterelemente mittels einer Modellierung bestimmt werden. Im einfachsten Fall kann die Modellierung durch einfache Interpolation beziehungsweise Extrapolation der Temperaturverteilung entlang einer Reihe von Messelementen erfolgen. Dadurch kann ebenfalls die Genauigkeit der Modellierung des Rußeintrags in den Partikelfilter und/oder des Rußaustrags aus dem Partikelfilter verbessert werden und somit die Qualität des Beladungsmodells des Partikelfilters weiter verbessert werden.Alternatively, it is advantageously provided that the component temperature of the particulate filter is measured only on selected filter elements and the temperatures of the other filter elements are determined by means of modeling. In the simplest case, the modeling can be done by simple interpolation or extrapolation of the temperature distribution along a series of measuring elements. As a result, the accuracy of the modeling of the soot entry into the particle filter and / or of the soot discharge from the particle filter can likewise be improved and thus the quality of the loading model of the particle filter can be further improved.

Alternativ kann die Temperatur auch ohne Temperaturmesselemente am oder im Partikelfilter durch ein geeignetes Berechnungsmodell ermittelt werden. Dies kann beispielsweise mittels einer Strömungssimulation im Abgaskanal, vorzugsweise ergänzt durch ein Verbrennungsmodell zur Modellierung der Brennraumtemperatur im Verbrennungsmotor erfolgen. Alternativ kann auch eine Temperatur an einer vom Partikelfilter beabstandeten Position im Abgaskanal gemessen werden und daraus eine Temperaturverteilung auf dem Partikelfilter modelliert werden.Alternatively, the temperature can also be determined without temperature measuring elements on or in the particle filter by means of a suitable calculation model. This can be done for example by means of a flow simulation in the exhaust duct, preferably supplemented by a combustion model for modeling the combustion chamber temperature in the internal combustion engine. Alternatively, it is also possible to measure a temperature at a position spaced apart from the particle filter in the exhaust gas duct and from this a temperature distribution on the particle filter can be modeled.

Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer Ermittlung eines ungünstigen Beladungszustands des Partikelfilters Maßnahmen zum Bauteilschutz des Partikelfilters eingeleitet werden. Dadurch kann verhindert werden, dass lokale Belastungsspitzen für den Partikelfilter auftreten, welche zu einer Schädigung oder einer Zerstörung des Partikelfilters führen können. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn bei Erkennen eines ungünstigen Beladungszustands des Partikelfilters die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen oder fetten Gemisch betrieben wird, sodass kein Sauerstoff in den Abgaskanal gelangt. Insbesondere kritisch in diesem Zusammenhang sind Schubphasen des Verbrennungsmotors im Fahrzeugbetrieb, bei dem die Kraftstoffeinspritzung eingestellt wird, die Zylinder des Verbrennungsmotors Luft verdichten und diese Luft in den Abgaskanal fördern. Bei hinreichend hohen Temperaturen kann dies zu einer unkontrollierten Rußverbrennnung auf dem Partikelfilter kommen, welche zu einer Schädigung oder Zerstörung des Partikelfilters führen können. Um dies zu vermeiden, wird zum Bauteilschutz auch in solchen Schubphasen Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, um den Partikelfilter vor einem unkontrollierten Rußabbrand zu schützen.According to a further improvement of the method, provision is made for measures for component protection of the particulate filter to be initiated when determining an unfavorable loading state of the particulate filter. This can prevent that local load peaks for the particulate filter occur, which can lead to damage or destruction of the particulate filter. It is particularly advantageous if, upon detection of an unfavorable loading state of the particulate filter, the internal combustion engine is operated with a stoichiometric or rich mixture, so that no oxygen enters the exhaust duct. Particularly critical in this context are overrun phases of the internal combustion engine in vehicle operation, in which the fuel injection is adjusted, the cylinders of the internal combustion engine compress air and convey this air into the exhaust duct. At sufficiently high temperatures, this can lead to an uncontrolled Rußverbrennnung on the particulate filter, which can lead to damage or destruction of the particulate filter. To avoid this, fuel is in the combustion chamber of the component protection even in such deceleration phases Internal combustion engine injected to protect the particulate filter from uncontrolled Rußabbrand.

Ferner ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine vorgesehen, welche eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Steuergerät (das Motorsteuergerät), aufweist, welche einen computerlesbaren Programmalgorithmus zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist und welche geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die Steuereinrichtung kann ferner gegebenenfalls erforderliche Kennfelder und dergleichen aufweisen. Durch eine entsprechende Steuereinrichtung kann auf einfache Weise die Brennkraftmaschine derart gesteuert oder geregelt werden, dass eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet und eine Bauteilschädigung des Partikelfilters, insbesondere eine thermische Schädigung des Partikelfilters, vermieden werden kann.Further, the invention provides a device for regenerating a particulate filter in the exhaust passage of an internal combustion engine having a control device, in particular a control unit (the engine control unit), which has a computer-readable program algorithm for controlling the method according to the invention and which is suitable to carry out the inventive method. The control device may also have any required maps and the like. By means of a corresponding control device, the internal combustion engine can be controlled or regulated in a simple manner such that regeneration of the particle filter is initiated and component damage to the particle filter, in particular thermal damage to the particle filter, can be avoided.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal und einem Partikelfilter, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann, 1 an internal combustion engine with an exhaust duct and a particle filter, in which a method according to the invention for the regeneration of the particulate filter can be carried out,

2 ein Schaubild eines einfachen Beladungsmodells zur Ermittlung des Beladungszustands eines Partikelfilters, 2 a diagram of a simple loading model for determining the loading state of a particulate filter,

3 eine Skizze zur Verteilung von axialen und radialen Temperaturebenen in einem Partikelfilter, 3 a sketch for the distribution of axial and radial temperature levels in a particle filter,

4 ein Diagramm zur axialen und radialen Temperaturverteilung auf einem Partikelfilter, 4 a diagram for the axial and radial temperature distribution on a particle filter,

5 eine schematische Darstellung einer Beladung und Regeneration eines Partikelfilters, 5 a schematic representation of a loading and regeneration of a particulate filter,

6 eine erfindungsgemäße Unterteilung des Partikelfilters in Filterelemente zur Modellierung der Partikelbeladung des Partikelfilters. 6 an inventive subdivision of the particulate filter into filter elements for modeling the particle loading of the particulate filter.

1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgaskanal 12 und einem in dem Abgaskanal 12 angeordneten Partikelfilter 20. Die Brennkraftmaschine 10 ist vorzugsweise als Verbrennungsmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, besonders bevorzugt als Ottomotor, ausgebildet. Der Verbrennungsmotor verfügt vorzugsweise über eine Kraftstoff-Direkteinspritzung, bei der Kraftstoff direkt in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Die Verbrennungsprozesse in der Brennkraftmaschine 10 werden über ein Steuergerät 16 gesteuert oder geregelt. Die Brennkraftmaschine 10 ist vorzugsweise als ein aufgeladener Verbrennungsmotor ausgebildet, welche über einen Turbolader 14 oder einen Kompressor mit Luft versorgt wird. Alternativ kann die Brennkraftmaschine 10 auch als Saugmotor oder Brennkraftmaschine 10 einer anderen Gattung ausgebildet sein. Im Abgaskanal 12 der Brennkraftmaschine 10 ist vorzugsweise ein Drei-Wege-Katalysator 18 angeordnet. 1 shows an internal combustion engine 10 with an exhaust duct 12 and one in the exhaust passage 12 arranged particulate filter 20 , The internal combustion engine 10 is preferably designed as an internal combustion engine for driving a motor vehicle, particularly preferably as a gasoline engine. The internal combustion engine preferably has a direct fuel injection in which fuel is injected directly into the cylinders of the internal combustion engine. The combustion processes in the internal combustion engine 10 be via a control unit 16 controlled or regulated. The internal combustion engine 10 is preferably formed as a supercharged internal combustion engine, which via a turbocharger 14 or a compressor is supplied with air. Alternatively, the internal combustion engine 10 also as a naturally aspirated or internal combustion engine 10 be formed of another genus. In the exhaust duct 12 the internal combustion engine 10 is preferably a three-way catalyst 18 arranged.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird der Partikelfilter 20 mit Partikeln aus dem Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine 10 beladen. Diese Beladung wird mittels einer Modellierung im Steuergerät 16 bestimmt. Damit das Abgasgegendruckniveau der Brennkraftmaschine 10 nicht zu weit ansteigt, muss der Partikelfilter 20 kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Partikelfilter 20 kann zusätzlich eine katalytisch wirksame Beschichtung, beispielsweise eine Drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung oder eine Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweisen. Um eine thermische Oxidation der im Partikelfilter 20 zurückgehaltenen Rußpartikel mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein ausreichendes Temperaturniveau bei gleichzeitigem Vorliegen von Restsauerstoff im Abgas notwendig. Der Rußaustrag aus dem Partikelfilter 20 wird ebenfalls mittels einer Modellierung im Steuergerät 16 ermittelt.In operation of the internal combustion engine 10 becomes the particle filter 20 with particles from the combustion process of the internal combustion engine 10 loaded. This loading is done by means of a modeling in the control unit 16 certainly. So that the exhaust back pressure level of the internal combustion engine 10 does not rise too far, must the particle filter 20 be regenerated continuously or periodically. The particle filter 20 may additionally comprise a catalytically active coating, for example a three-way catalytically active coating or a coating for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. To a thermal oxidation of the in the particle filter 20 To carry out retention of soot particles with oxygen, a sufficient temperature level is necessary in the presence of residual oxygen in the exhaust gas. The soot discharge from the particle filter 20 is also done by means of a modeling in the control unit 16 determined.

In 2 ist eine einfache Modellierung des Beladungszustands des Partikelfilters 20 dargestellt. Die aktuell auf dem Partikelfilter 20 vorliegende Beladung wird durch ein Integral der Summe aus Partikeleintrag und Partikelaustrag in den Partikelfilter 20 beziehungsweise aus dem Partikelfilter 20 gebildet. Der Rußeintrag wird dabei zum Beispiel über ein Rohemissionsmodell der Brennkraftmaschine 10 berechnet, welches im Steuergerät 16 der Brennkraftmaschine 10 abgelegt ist.In 2 is a simple modeling of the loading state of the particulate filter 20 shown. The currently on the particulate filter 20 present load is by an integral of the sum of particle entry and particle discharge in the particle filter 20 or from the particle filter 20 educated. The soot entry is, for example, via a raw emission model of the internal combustion engine 10 calculated, which in the control unit 16 the internal combustion engine 10 is stored.

Ein maßgeblicher Faktor für den Rußaustrag ist die Temperatur des Partikelfilters 20. Unter der Annahme einer homogenen Temperaturverteilung würde sich ein gleichmäßiger Rußumsatz über alle Bereiche des Partikelfilters 20 einstellen. Unter Realbedingungen treten jedoch sowohl in radialer Richtung ausgehend von einer Mittelachse 30 des Partikelfilters als auch in axialer Richtung Temperaturgradienten auf, welche zu inhomogenen Umsatzraten des im Partikelfilter 20 zurückgehaltenen Rußes führen. Diese radialen und axialen Temperaturgradienten führen insbesondere bei großen Partikelfiltern, beispielsweise bei großvolumigen PKW-Motoren oder bei Motoren in Nutzfahrzeugen dazu, dass sich bei einer unvollständigen Regeneration des Partikelfilters 20 ungleichmäßige Rußbeladungen in den einzelnen Bereichen des Partikelfilters 20 einstellen. Eine solche ungleichmäßige Beladung des Partikelfilters 20 ist in 5 dargestellt.A decisive factor for the soot discharge is the temperature of the particulate filter 20 , Assuming a homogeneous temperature distribution, uniform soot turnover would occur over all areas of the particulate filter 20 to adjust. Under real conditions, however, occur both in the radial direction, starting from a central axis 30 the particle filter as well as in the axial direction of temperature gradients, resulting in inhomogeneous conversion rates of the particle filter 20 retained soot lead. These radial and axial temperature gradients lead especially in the case of large particle filters, for example in the case of large-volume passenger car engines or in engines in commercial vehicles, in the event of an incomplete regeneration of the particulate filter 20 Uneven soot loadings in the individual areas of the particulate filter 20 to adjust. Such an uneven loading of the particulate filter 20 is in 5 shown.

In 3 ist eine schematische Darstellung der radialen und axialen Temperaturverteilung durch den Partikelfilter 20 dargestellt. Dazu wird der Partikelfilter 20 in verschiedene Filterebenen 22, 24, 26, 28 unterteilt, wobei die in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal erste Filterebene 22 eine höhere Temperatur aufweist als die in Strömungsrichtung stromab der ersten Filterebene 22 liegenden weiteren Filterebenen 24, 26, 28. Wie in 4 dargestellt ist zu erkennen, dass die Temperaturabnahme in axialer Richtung in den radial außen liegenden Bereichen r1 und r2 größer ist als eine Temperaturabnahme in axialer Richtung entlang der Mittelachse r0, 30 des Partikelfilters 20. Ferner ist aus 3 zu erkennen, dass die Temperatur in radialer Richtung ausgehend von der Mittelachse r0, 30 in radialer Richtung abnimmt, sodass im Randbereich r2 eine kleinere Temperatur auftritt als in einem exzentrischen Bereich r1 und in beiden Bereichen r1, r2 eine kleinere Temperatur als im Bereich der Mittelachse r0, 30 des Partikelfilters 20. Durch eine Aufteilung des Partikelfilters 20 bei der Modellierung in radiale Ringe und in Scheiben in axialer Richtung kann eine genaue Modellierung des Beladungszustands des Partikelfilters 20 und/oder der Temperaturverteilung auf dem Partikelfilter 20 ermittelt werden.In 3 is a schematic representation of the radial and axial temperature distribution through the particulate filter 20 shown. This is the particle filter 20 in different filter levels 22 . 24 . 26 . 28 divided, wherein the first filter plane in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust passage 22 has a higher temperature than that in the flow direction downstream of the first filter plane 22 lying further filter levels 24 . 26 . 28 , As in 4 it can be seen that the temperature decrease in the axial direction in the radially outer regions r1 and r2 is greater than a decrease in temperature in the axial direction along the central axis r0, 30 of the particulate filter 20 , Furthermore, it is off 3 to recognize that the temperature in the radial direction, starting from the central axis r0, 30 decreases in the radial direction, so that a lower temperature occurs in the edge region r2 than in an eccentric region r1 and in both regions r1, r2 a lower temperature than in the region of the central axis r0, 30 of the particulate filter 20 , By a division of the particle filter 20 modeling in radial rings and in slices in the axial direction can accurately model the loading state of the particulate filter 20 and / or the temperature distribution on the particulate filter 20 be determined.

In 5 ist die spezifische Rußbeladung auf einer Scheibe des Partikelfilters 20 dargestellt. Nach einem Einbau des Partikelfilters 20 beziehungsweise nach einer vollständigen Regeneration des Partikelfilters 20 ist der Partikelfilter 20 unbeladen. Bei der Modellierung der Beladung des Partikelfilters 20 liegt die Theorie zugrunde, dass das Abgas im Abgaskanal 12 bevorzugt durch die Filterelemente 32, 34, 36, 38 des Partikelfilters 20 strömt, welche die geringste spezifische Beladung aufweisen, da dort der Strömungswiderstand und somit der Abgasgegendruck am geringsten sind. Bei einem frischen Partikelfilter 20 erfolgt daher zunächst eine gleichmäßige Beladung des Partikelfilters 20 mit Rußpartikeln aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 10. Wird der Partikelfilter 20 regeneriert, so hat die lokale Temperaturverteilung im Partikelfilter 20 signifikanten Einfluss auf den Partikelaustrag aus dem Partikelfilter 20. Aufgrund der Tatsache, dass entlang der Mittelachse r0, 30 höhere Temperaturen als in dem Randbereich r2 des Partikelfilters 20 vorliegen, wird der zentrische Bereich r0 der jeweiligen Scheibe schneller regeneriert als der Randbereich r2 der jeweiligen Scheibe. Dies kann zu einer unvollständigen Regeneration des Partikelfilters 20 führen, wobei bei einer erneuten Beladung des Partikelfilters 20 in dem Randbereich r2 noch nicht oxidierte Rußpartikel verbleiben, während der zentrische Bereich r0 bereits vollständig oxidiert ist. Bei einer erneuten Beladung des Partikelfilters 20 wird nun der zentrische Bereich r0 aufgrund des geringeren Strömungswiderstands schneller mit Partikeln aus dem Abgas beladen, bis im Wesentlichen eine Gleichverteilung der Rußbeladung des Partikelfilters 20 über den Querschnitt erreicht ist und ab diesem Zeitpunkt wieder eine gleichmäßige Beladung des Partikelfilters 20 erfolgt. Haben die Filterelemente in den Randbereichen r2 eine spezifische Beladung der Filterelemente im zentrischen Bereich r0 erreicht, werden diese in die aktuelle Beladungsberechnung mit einbezogen, da sie jetzt zur Gruppe der Filterelemente 32, 34, 36, 38 mit der geringsten Beladung zählen. Dieser Prozess läuft so lange weiter, bis sich wieder eine homogene Rußverteilung im Partikelfilter 20 eingestellt hat. Wird über diesen Punkt hinaus weiter Ruß in den Partikelfilter 20 eingetragen, erfolgt dies gleichmäßig auf alle Filterelemente 32, 34, 36, 38 verteilt. Sollte zwischenzeitlich erneut eine Regenerationsphase eingeleitet werden, wird der Rußaustrag wieder für jedes Filterelement 32, 34, 36, 38 einzeln abhängig von seinem aktuellen Beladungszustand und der in dem jeweiligen Bereich vorherrschenden Temperatur berechnet.In 5 is the specific soot loading on a slice of the particulate filter 20 shown. After installation of the particulate filter 20 or after a complete regeneration of the particulate filter 20 is the particle filter 20 unladen. In modeling the loading of the particulate filter 20 It is based on the theory that the exhaust gas in the exhaust duct 12 preferably through the filter elements 32 . 34 . 36 . 38 of the particulate filter 20 flows, which have the lowest specific load, since there the flow resistance and thus the exhaust back pressure are the lowest. With a fresh particle filter 20 Therefore, initially a uniform loading of the particulate filter 20 with soot particles from the exhaust gas of the internal combustion engine 10 , Will the particle filter 20 regenerated, so has the local temperature distribution in the particulate filter 20 significant influence on the particle discharge from the particle filter 20 , Due to the fact that along the central axis r0, 30 higher temperatures than in the edge region r2 of the particulate filter 20 are present, the central region r0 of the respective disc is regenerated faster than the edge region r2 of the respective disc. This can lead to incomplete regeneration of the particulate filter 20 lead, with a re-loading of the particulate filter 20 in the edge region r2 remain unoxidized soot particles, while the central region r0 is already completely oxidized. When reloading the particle filter 20 Now, the central region r0 loaded faster with particles from the exhaust gas due to the lower flow resistance, to substantially an even distribution of the soot load of the particulate filter 20 is reached over the cross section and from this point on again a uniform loading of the particulate filter 20 he follows. If the filter elements in the edge regions r2 have reached a specific loading of the filter elements in the central region r0, they are included in the current load calculation, since they now belong to the group of filter elements 32 . 34 . 36 . 38 count with the lowest load. This process continues until a homogeneous soot distribution in the particle filter again 20 has set. Beyond this point, soot will continue to enter the particulate filter 20 registered, this takes place evenly on all filter elements 32 . 34 . 36 . 38 distributed. Should a regeneration phase be initiated again in the meantime, the soot discharge will again be for each filter element 32 . 34 . 36 . 38 is calculated individually as a function of its current load state and the prevailing temperature in the respective area.

Die spezifische Beladung ist insbesondere für die Bauteilbelastung des Rußpartikelfilters 20 maßgeblich, da die exotherme Reaktion beim Rußaustrag aus dem Partikelfilter 20 durch Oxidation der Rußpartikel auf dem Partikelfilter 20 zu hohen lokalen Spitzentemperaturen führen kann. Bei Kenntnis der genauen Rußverteilung können unter ungünstigen Betriebsbedingungen und/oder ungünstigen Beladungszuständen des Partikelfilters 20 erforderliche Bauteilschutzmaßnahmen zum Schutz des Partikelfilters 20, insbesondere zum Schutz vor einer thermischen Schädigung oder Zerstörung, eingeleitet werden. Darüber hinaus können aktive Maßnahmen an der Brennkraftmaschine 10 zur Regeneration des Partikelfilters 20 eingeleitet werden.The specific loading is in particular for the component load of the soot particle filter 20 decisive, since the exothermic reaction during Rußaustrag from the particle filter 20 by oxidation of the soot particles on the particulate filter 20 can lead to high local peak temperatures. With knowledge of the exact soot distribution can under unfavorable operating conditions and / or unfavorable loading conditions of the particulate filter 20 required component protection measures to protect the particulate filter 20 , in particular for protection against thermal damage or destruction, are initiated. In addition, active measures can be taken on the internal combustion engine 10 for regeneration of the particulate filter 20 be initiated.

In 6 ist eine erfindungsgemäße Unterteilung eines Partikelfilters 20 in mehrere Filterelemente 32, 34, 36, 38 dargestellt, wobei der Partikelfilter 20 in axialer Richtung in Scheiben und in radialer Richtung in Ringe unterteilt ist. Alternativ ist auch eine andere Unterteilung, beispielsweise in Zellen oder Waben denkbar, wobei für jede Zelle oder Wabe des Partikelfilters 20 dann entsprechend ein Beladungszustand oder eine Temperatur ermittelt wird.In 6 is a subdivision of a particulate filter according to the invention 20 in several filter elements 32 . 34 . 36 . 38 shown, wherein the particle filter 20 in the axial direction in slices and in the radial direction is divided into rings. Alternatively, another subdivision, for example, in cells or honeycomb conceivable, wherein for each cell or honeycomb of the particulate filter 20 then a load state or a temperature is determined accordingly.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
BrennkraftmaschineInternal combustion engine
1212
Abgaskanalexhaust duct
1414
Turboladerturbocharger
1616
Steuergerätcontrol unit
1818
Drei-Wege-KatalysatorThree-way catalytic converter
2020
Partikelfilterparticulate Filter
2222
erste Filterebenefirst filter level
2424
zweite Filterebenesecond filter level
2626
dritte Filterebenethird filter level
2828
n-te Filterebenenth filter level
3030
Mittelachsecentral axis
3232
erstes Filterelementfirst filter element
3434
zweites Filterelementsecond filter element
3636
drittes Filterelementthird filter element
3838
n-tes Filterelementnth filter element
r0r0
Mittelachsecentral axis
r1r1
erster Abstand von der Mittelachsefirst distance from the central axis
r2r2
zweiter Abstand von der Mittelachsesecond distance from the central axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (20) im Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10), wobei ein Beladungszustand des Partikelfilters (20) durch ein Beladungsmodell ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (20) zur Modellbildung in mindestens zwei Filterelemente (32, 34) unterteilt wird, wobei für jedes Filterelement (32, 34) separat ein Beladungszustand und/oder eine Temperaturverteilung ermittelt wird.Process for the regeneration of a particulate filter ( 20 ) in the exhaust duct ( 12 ) an internal combustion engine ( 10 ), wherein a loading state of the particulate filter ( 20 ) is determined by a loading model, characterized in that the particulate filter ( 20 ) for modeling in at least two filter elements ( 32 . 34 ), wherein for each filter element ( 32 . 34 ) a load condition and / or a temperature distribution is determined separately. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (20) zur Modellbildung in axialer Richtung in mehrere Filterebenen (22, 24, 26) unterteilt wird.Method according to claim 1, characterized in that the particle filter ( 20 ) for modeling in the axial direction into a plurality of filter planes ( 22 . 24 . 26 ) is divided. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Filterebenen (22, 24, 26) scheibenförmig ausgebildet werden.Method according to claim 2, characterized in that the plurality of filter levels ( 22 . 24 . 26 ) are disc-shaped. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (20) zur Modellbildung radial in mehrere Ringe (r1, r2) aufgeteilt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the particulate filter ( 20 ) is divided radially into a plurality of rings (r1, r2) for modeling. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass pro Filterelement (32, 34, 36) jeweils eine Bauteiltemperatur des Partikelfilters (20) ermittelt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that per filter element ( 32 . 34 . 36 ) each have a component temperature of the particulate filter ( 20 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an ausgewählten Filterelementen (32, 34, 36) eine Bauteiltemperatur des Partikelfilters (20) gemessen wird und die Temperaturen der übrigen Filterelemente (32, 34, 36) mittels einer Modellierung bestimmt werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that on selected filter elements ( 32 . 34 . 36 ) a component temperature of the particulate filter ( 20 ) and the temperatures of the other filter elements ( 32 . 34 . 36 ) can be determined by means of modeling. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußumsatz für jedes Filterelement (32, 34, 36) jeweils einzeln berechnet wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the soot conversion for each filter element ( 32 . 34 . 36 ) is calculated individually. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ermittlung eines ungünstigen Beladungszustands des Partikelfilters (20) Maßnahmen zum Bauteilschutz des Partikelfilters (20) eingeleitet werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that when determining an unfavorable loading state of the particulate filter ( 20 ) Measures for the component protection of the particulate filter ( 20 ) be initiated. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines ungünstigen Beladungszustands die Brennkraftmaschine (10) ausschließlich mit stöchiometrischem oder fettem Gemisch betrieben wird, sodass kein Sauerstoff zur Regeneration des Partikelfilters in den Abgaskanal (12) gelangt.A method according to claim 8, characterized in that upon detection of an unfavorable loading state, the internal combustion engine ( 10 ) is operated exclusively with a stoichiometric or rich mixture, so that no oxygen for regeneration of the particulate filter in the exhaust gas channel ( 12 ). Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters (20) im Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (16) vorgesehen ist, welche einen computerlesbaren Programmalgorithmus zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.Device for the regeneration of a particle filter ( 20 ) in the exhaust duct ( 12 ) an internal combustion engine ( 10 ), characterized in that a control device ( 16 ) is provided, which has a computer-readable program algorithm for carrying out a method according to one of claims 1 to 9.
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