DE102015221495A1 - Method and apparatus for regeneration of a particulate filter - Google Patents
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/40—Engine management systems
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
Aus der
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
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:
Im Betrieb der Brennkraftmaschine
In
Ein maßgeblicher Faktor für den Rußaustrag ist die Temperatur des Partikelfilters
In
In
Die spezifische Beladung ist insbesondere für die Bauteilbelastung des Rußpartikelfilters
In
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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 4230180 A1 [0003] DE 4230180 A1 [0003]
- DE 19945372 A1 [0004] DE 19945372 A1 [0004]
- DE 10349134 A1 [0006] DE 10349134 A1 [0006]
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