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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Beladungsrate eines Partikelfilters für eine Verbrennungskraftmaschine, und die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Partikelfilter sowie einer Motorsteuerung.
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Es ist bekannt, in Fahrzeugen mit Dieselmotoren Filter einzusetzen, um die schädliche Partikel aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu filtern. Ist der maximale Beladungszustand eines solchen Dieselpartikelfilters („DPF“) erreicht, muss der DPF regeneriert werden. Um festzustellen, ob eine Regeneration des DPFs notwendig ist, ist es bekannt, in einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine ein in der Regel aus Kennfeldern bestehendes Modell zu hinterlegen, mit dem sich anhand des Fahrzeugzustands eine Partikelemission oder eine Rußemission und damit der aktuelle Beladungszustand des DPFs ermitteln lässt. Die kumulierte Partikelemission der Verbrennungskraftmaschine entspricht jedoch nicht der in dem DPF gefangen Partikel. Zur Bestimmung der Kennfelder eines Beladungsmodells des DPF ist daher eine aufwändige Messung des DPF Inhaltes nach einer Beladungsfahrt notwendig. Diese Beladungsfahrten und Wiegungen des DPF zur Ermittlung der tatsächlichen Beladung müssen für jeden Betriebspunkt eines Kennfeldes erfolgen.
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Der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ist durch die Drehzahl und die Einspritzmasse der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Der Partikelmassenstrom ist der Massenstrom der Partikel im Abgas des Verbrennungsmotors, die in dem DPF gespeichert werden. Der Rußmassenstrom ist der Massenstrom von Ruß im Abgas, die von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßen werden.
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Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Beladungsrate eines Partikelfilters für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Beladungsrate des Partikelfilters gleich einer Differenz aus einem Partikelmassenstrom stromaufwärts des Partikelfilters und einer Oxidationsrate im Partikelfilter gesetzt wird.
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Die Erfindung ermöglicht es, Messungen des Partikelmassenstroms zumindest teilweise durch erheblich weniger aufwendige Berechnungen zu ersetzten. Damit ist es insbesondere möglich, die Anzahl von Messungen am realen Fahrzeug oder an einer Verbrennungskraftmaschine an einem Prüfstand für die Bestimmung eines Kennfeldes für ein Partikelmassenstrommodell zu reduzieren. Die erfindungsgemäße Modellierung hat sich dabei als gute Näherung der tatsächlichen Verhältnisse herausgestellt. Die Modellierung des Partikelmassenstroms kann beispielsweise dazu verwendet werden, um einen Beladungszustand eines Dieselpartikelfilters zu ermitteln.
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Die Oxidationsrate unterliegt einer Reaktionsgeschwindigkeit, die mittels einer exponentiellen Gleichung, der Arrhenius-Gleichung, beschrieben werden kann. Wegen der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur, ist es besonders vorteilhaft für das vorliegende Verfahren, wenn die Oxidationsrate gleich Null gesetzt wird, falls eine Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine kleiner als eine Aktivierungstemperatur ist.
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Die Beladung des DPF ist jedoch nicht ausschließlich von der Temperatur des Abgases abhängig ist. Daneben spielt auch die Zusammensetzung des Abgases eine wichtige Rolle. So trägt nicht nur die Anwesenheit von Ruß, sondern auch die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen im Abgas zu einer höheren Beladung des DPF bei. Es wird jedoch nur ein bestimmter Anteil eines Kohlenwasserstoffstromes im DPF gespeichert.
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So ist es vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Partikelmassenstrom gleich einer Summe eines Rußmassenstroms der Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts des Partikelfilters und einer Ablagerungsrate gesetzt wird, wobei die Ablagerungsrate gleich einem Produkt aus einem Ablagerungskoeffizienten und einem Kohlenwasserstoffmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine gesetzt wird.
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Die hauptsächlich für die Oxidation im DPF verantwortliche Abgaskomponente ist Stickoxid. Die Oxidation von Partikeln geht einher mit der Reduktion von Stickoxid nach den folgenden Bruttoreaktionsgleichungen: C + 2NO2 → CO2 + 2NO C + NO2 → CO + NO
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Bei ausreichender Verfügbarkeit von Stickoxiden, ist die Oxidation von Partikeln im DPF abhängig von der Temperatur im DPF.
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Die beschriebene Oxidation im DPF ist auch bekannt unter dem Begriff CRT-Effekt („Continously Regeneration Trap“) und unterliegt dem folgenden formelmäßigen Zusammenhang:
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Ausgehend von dem CRT-effekt ist es somit vorteilhaft für die Erfindung, wenn die Oxidationsrate gleich einem Produkt aus einem präexponentiellen Faktor und einer Exponentialfunktion gesetzt wird, wobei der präexponentielle Faktor ein Produkt aus einem Präexponentialkoeffizienten und einem Stickoxidmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine ist, und wobei ein Exponent der Exponentialfunktion ein Produkt aus einem Exponentialkoeffizienten und einer Differenz aus einer Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine im Partikelfilter und der Aktivierungstemperatur ist. Folglich hat dieser Aspekt des Verfahrens den Vorteil, dass ein chemischer Zusammenhang zur Bestimmung der Oxidation verwendet werden kann und die Oxidation nicht rein empirisch ermittelt werden muss.
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Da es zu aufwendig ist, an allen Betriebspunkten Messungen durchzuführen, ist es vorteilhaft, eine Auswahl an Betriebspunkten zu treffen, und Werte an weitere Betriebspunkte über eine Inter- oder Extrapolation zu bestimmen. Um eine solche Auswahl zu treffen, wird beispielsweise für einen ausgewählten Fahrzyklus, hier für den Zyklus „Stadt“, eine Tabelle erstellt, die eine Häufigkeitsverteilung der Betriebspunkte wiedergibt (Tab. 1):
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Mittels Schwarzrauchmessungen an einzelnen Betriebspunkten lässt sich die für den Zyklus spezifische betriebspunktabhängige prozentuale Verteilung der Rußemissionen bestimmen. Schwarzrauchmessungen wurden gewählt, da diese im Vergleich zu Partikelemissionsmessungen mit wenig Aufwand durchgeführt werden können und eine hinreichende Korrelation zwischen Schwarzrauch- und Partikelemission vorliegt. Das Ergebnis zeigt Tabelle 2:
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Man erkennt, dass für den Zyklus „Stadt“ nur ein Teilbereich der Betriebspunkte für die Partikelemissionen relevant ist. Innerhalb dieses Teilbereichs wurden mehrere, hier 15, Betriebspunkte ausgewählt (markiert), an denen die Partikelemission mittels Messungen bestimmt werden soll. Die Auswahl der Betriebspunkte erfolgt unter der Bedingung, dass diese für den Teilbereich möglichst repräsentativ sind. Hierzu kann beispielsweise ein kubisch-raumzentrierter Ansatz genommen werden. Werte an weiteren Betriebspunkten können in einem anschließenden Schritt beispielsweise mittels Interpolation oder Extrapolation ermittelt werden.
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Somit wird alternativ oder kumulativ zu den vorstehend erläuterten Merkmalen ein Verfahren zum Bestimmen einer Beladungsrate eines Partikelfilters für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, umfassend die Schritte
- – Bestimmen einer Betriebspunktmatrix für die Verbrennungskraftmaschine und Auswahl einer Teilmenge aus der Betriebspunktmatrix,
- – Messen einer Beladungsrate, eines Rußmassenstromes, eines Kohlenwasserstoffmassenstromes, eines Stickoxidmassenstromes, eines Abgasmassenstromes und einer Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine für die Teilmenge aus der Betriebspunktmatrix,
- – Berechnen der Beladungsrate für die Betriebspunktmatrix durch Bestimmen von Koeffizienten K1, K2 und K3 der Gleichung (Gl. 1) mittels der gemessenen Beladungsrate, des Rußmassenstromes, des Kohlenwasserstoffmassenstromes, des Stickoxidmassenstromes und der Abgastemperatur der Teilmenge aus der Betriebspunktmatrix.
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Die Messungen des Partikelmassenstroms an den ausgewählten Betriebspunkten der Betriebspunktmatrix erfolgt bevorzugt am Prüfstand. Der Partikelmassenstrom an den ausgewählten Betriebspunkten wird durch Wiegen eines in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters bestimmt. Die Messung des Partikelmassenstroms an den 15 ausgewählten Betriebspunkten erfolgt in einem stationären Zustand. Stationär heißt, dass die Motorbedingungen und die Umgebungsbedingungen über den Zeitraum, in dem die Messung erfolgt, konstant sind. Zusätzlich wird mittels der Schwarzrauchmessung (SootAVL) der Rußausstoß der Verbrennungskraftmaschine ermittelt. Die Differenz zwischen der Schwarzrauchmessung, also des Rußmassenstromes, und der Wiegung der DPF Beladung, aus welcher die Beladungsrate ermittelt wird, lässt sich über der Abgastemperatur, die während der Messung stromaufwärts des DPF vorliegt, auftragen. Für die Differenz zwischen Partikelmassenstrom und Beladungsrate lässt sich ein signifikanter Anstieg ab einer Aktivierungstemperatur feststellen. Die Aktivierungstemperatur ist für jede Verbrennungskraftmaschine unterschiedlich, doch liegt diese etwa zwischen 300°C und 350°C.
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Mittels der Bestimmung der Koeffizienten K1, K2 und K3 der Gleichung 1 lässt sich die Gleichung 1 zur Berechnung der Beladungsrate derart bestimmen, dass für die gesamte Betriebspunktmatrix, also für den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine, die Beladungsraten berechnet werdend können. Die berechneten Beladungsraten bilden somit das Beladungsmodell in der Motorsteuerung ab, wobei die nach dem Stand der Technik üblichen Messungen zur Bestimmung der Beladungsraten für die gesamte Betriebspunktmatrix reduziert werden können und Entwicklungszeit sowie Entwicklungskosten reduziert werden können.
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Neben dem vorstehend erläuterten Verfahren wird eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Partikelfilter und mit einer Motorsteuerung vorgeschlagen, wobei die Motorsteuerung wenigstens eine Beladungsmatrix mit Elementen aufweist, wobei jedes Element der Beladungsmatrix eine Beladungsrate für den Partikelfilter bestimmt nach den vorstehend erläuterten Verfahren aufweist. Wie bereits erläutert, können durch die rechnerische Bestimmung der Beladungsraten Entwicklungszeit und folglich Entwicklungskosten reduziert werden. Dies spielt eine Rolle für die experimentelle Bestimmung von Beladungsraten, da zur Wiegung eines DPF Betriebspunkte über Stunden eingestellt werden müssen, statt über mehrere Sekunden bis wenige Minuten, wie bei direkt gemessenen Stoffmassenströmen der Verbrennungskraftmaschine.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorteilhaft für die Verbrennungskraftmaschine, wenn die Elemente der Beladungsmatrix in Spalten und Zeilen angeordnet sind, und wobei jeder Spalte eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und jeder Zeile eine Last der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist.
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Die Beladungsmatrix, welche ein zweidimensionales Kennfeld der Motorsteuerung ist, verfügt über eine Abszisse und eine Ordinate. Entlang der Abszisse sind üblicherweise Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine und entlang der Ordinate die Last aufgetragen. Drehzahl und Last ergeben gemeinsam einen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, für welchen dann in der Beladungsmatrix Beladungsraten abgelesen werden können. Wie sofort ersichtlich, sind die jeweiligen Zeilen und Spalten diskreten Werten zugeordnet, so dass für reale Drehzahlen und Lasten jeweils das am nächsten gelegene Element und die darin enthaltene Beladungsrate ausgelesen wird, um mittels des Beladungsmodells die kumulierte Partikelmasse im DPF abzuschätzen. Für die Anwendung des Verfahrens oder für das Aufstellen eines Beladungsmodells ist es unerheblich, welchen Werten die Zeilen und Spalten zugeordnet sind. Diese können folglich auch vertauscht werden.
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Die Last kann hierbei eine Einspritzmenge der Verbrennungskraftmaschine sein. Dies ist besonders Vorteilhaft, da die Partikelemission der Verbrennungskraftmaschine mit der Einspritzmenge korreliert. Für die Last kann alternativ auch das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine oder der effektive sowie der indizierte Mitteldruck verwendet werden, wobei die Einspritzmenge bzw. die Einspritzmasse pro Zyklus eine bereits in der Motorsteuerung vorhandene Größe ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbrennungskraftmaschine ein Dieselmotor und der Partikelfilter ein Dieselpartikelfilter ist. Alternativ kann es sich auch um einen Ottomotor mit einem Ottopartikelfilter (OPF oder GPF) handeln. Insbesondere kann die Verbrennungskraftmaschine über eine Kraftstoffdirekteinspritzung verfügen. Unter Kraftstoffdirekteinspritzung oder Direkteinspritzung werden insbesondere Verfahren verstanden, bei welchen der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingebracht wird, statt diesen in das Saugrohr oder in eine Vorkammer einzuspritzen. Dies schließt eine Saugrohreinspritzung oder eine Einspritzung mit Vorkammer allerdings nicht zwangsläufig aus.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 Korrelation zwischen der Abgastemperatur und der Differenz aus der Beladungsrate und dem Rußmassenstrom.
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Die 1 zeigt einen Zusammenhang zwischen einer Abgastemperatur und einer Differenz aus der Beladungsrate und dem Rußmassenstrom. Hierbei wurde zunächst aus einer Reihe von Betriebspunkten eine geringe Anzahl von geeigneten Betriebspunkten ausgewählt, vgl. Tabelle 2. Die in Tabelle 2 gezeigten Werte stellen die Häufigkeitsverteilung während einer Messfahrt dar und wurden aus dem Produkt der Häufigkeitsverteilung der Betriebspunkte (Tabelle 1) und der während der Messfahrt emittierten Rußmasse gebildet. Die ausgewählten, hier 15, Betriebspunkte sind in Richtung der Abszissenachse über der stromaufwärts des DPF gemessenen Abgastemperatur aufgetragen. Entlang der Ordinatenachse ist die Differenz aus dem Rußmassenstrom und der Beladungsrate des DPF (in g/h) aufgetragen. Die Betriebspunkte wurden anhand des am Fahrzeug gemessenen Zyklus bestimmt, die in 1 dargestellten Werte entsprechen den Messwerten, die am Prüfstand gemessen worden sind.
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Ab einer für jede Verbrennungskraftmaschine unterschiedliche Aktivierungstemperatut T
0 steigt die Differenz zwischen des Rußmassenstromes (Soot
AVL) und der Beladungsrate (PM
DPF) merklich an. Der temperaturabhängige Zusammenhang zwischen dem Rußmassenstrom und der Beladungsrate lässt sich mittels einer Exponentialfunktion darstellen, da dieser auf einer Oxidation von Partikeln im DPF basiert. Dieser Effekt ist unter dem Begriff „Continously Regeneration Trap“ (CRT) bekannt und lässt sich mittels der folgenden Gleichung beschreiben:
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Die Koeffizienten f, E sowie die Aktivierungstemperatur T
0 lassen sich zunächst anhand der in
1 dargestellten Messwerte ermitteln. Hierbei ist der Koeffizient f eine von Stoffkonzentrationen abhängige Funktion. Es gilt:
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Pi ist hierbei der Massenstrom der jeweiligen Abgaskomponente. K1 ist ein zu bestimmender Koeffizient. Die Gleichungen sind für jeden Betriebspunkt i zu lösen.
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Mit dem Massenstrom der im Abgas enthaltenen nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und dem Koeffizienten K
3 ergibt sich der formelmäßige Gesamtzusammenhang zwischen der Beladungsrate und den Rohemissionen der unter Berücksichtigung der Aktivierungstemperatur zu (Gl. 1):
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Die Beladungsrate des Partikelfilters (DPF) für die Verbrennungskraftmaschine wird erfindungsgemäß bestimmt, indem die Beladungsrate des Partikelfilters gleich einer Differenz aus einem Partikelmassenstrom stromaufwärts des Partikelfilters und einer Oxidationsrate im Partikelfilter gesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Verfahren nur für Abgastemperaturen oberhalb der Aktivierungstemperatur angewendet wird, wie aus dem zweiten Teil der Gleichung 1 ersichtlich. Folglich ist es vorteilhaft, wenn die Beladungsrate des Partikelfilters gleich der Differenz aus dem Partikelmassenstrom stromaufwärts des Partikelfilters und der Oxidationsrate im Partikelfilter gesetzt wird, falls die Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine größer als die Aktivierungstemperatur ist. Wie bereits erläutert, ergibt sich der Vorteil des Verfahrens durch den Wegfall einer Vielzahl von Messungen am Prüfstand, welche erforderlich sind, die Beladungsrate für den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine experimentell zu bestimmen. Insofern handelt es sich bei dem hier erläuterten erfinderischen Verfahren um eine semi-empirische Bestimmung der Beladungsrate.
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Insbesondere ist es vorteilhaft für das Verfahren zum Bestimmen der Beladungsrate, wenn die Oxidationsrate gleich Null gesetzt wird, falls die Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine kleiner als die Aktivierungstemperatur ist. Vorteil dieser Ausgestaltung ist die Berücksichtigung der Aktivierungstemperatur bei der Bestimmung der Beladungsrate, da unterhalb der Aktivierungstemperatur eine Oxidation nur noch in solch geringem Maße stattfindet, dass sie auch vernachlässigt werden kann.
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Vorteilhaft wird somit nicht nur der CRT-Effekt statt durch aufwändige Messungen mittels nur weniger Messungen für den gesamten Betriebsbereich interpoliert bzw. extrapoliert. Es wird darüber hinaus auch die Ablagerung von Partikeln im Partikelfilter, welche auf dem Ausstoß an Kohlenwasserstoffen basieren, berücksichtigt. Insofern es nach einem weiteren Aspekt der Erfindung vorteilhaft für das Verfahren, wenn der Partikelmassenstrom gleich der Summe des Rußmassenstroms der Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts des Partikelfilters und einer Ablagerungsrate gesetzt wird. Kumulativ ist es besonders hierbei vorteilhaft, wenn die Ablagerungsrate gleich einem Produkt aus einem Ablagerungskoeffizienten und einem Kohlenwasserstoffmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine gesetzt wird.
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Die Koeffizienten K
1, K
2, K
3 sind anhand der ausgewählten, hier 15, Betriebspunkte derart zu bestimmen, dass zwischen den Betriebspunkten und der Gleichung 1 maximale Korrelation auftritt. Zur Bestimmung der Korrelation kann beispielsweise der Pearson Index ρ herangezogen werden, welcher sich folgendermaßen bestimmen lässt:
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Wie sich anhand der Messungen in Verbindung mit dem Pearson Index zeigen lässt, korrelieren die Messergebnisse zum CRT-Effekt mit den zur Oxidation von Ruß zur Verfügung stehenden Stickoxiden. Daher ist es insbesondere vorteilhaft für das Verfahren, wenn die Oxidationsrate gleich einem Produkt aus einem präexponentiellen Faktor und einer Exponentialfunktion gesetzt wird, wobei der präexponentielle Faktor ein Produkt aus einem Präexponentialkoeffizienten und einem Stickoxidmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine ist, und wobei ein Exponent der Exponentialfunktion ein Produkt aus einem Exponentialkoeffizienten und einer Differenz aus einer Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine im Partikelfilter und der Aktivierungstemperatur ist.
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Aus dieser Annahme lassen sich die Koeffizienten K1 und K3 bestimmen, wenn zusätzlich hierzu zunächst der Koeffizient K2 zu null gesetzt wird. Diese Annahme kann getroffen werden bei Temperaturen die viel höher sind als die Aktivierungstemperatur. Es gilt zunächst: K2·H .C ≈ 0 für T > T0
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In Verbindung mit dem Pearson Index lassen sich K
1 und K
3 bestimmen, wenn der Pearson Index maximiert wird für die Gleichung:
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Der gleiche Verfahrensschritt, also die Maximierung des Pearson Index, kann ferner für den Koeffizienten K
2 angewandt werden, wodurch gefunden werden kann, dass für K
2 gleich Null die Korrelation mit den Messdaten maximal ist. Dies bedeutet nicht, dass Kohlenwasserstoffemissionen keinen Einfluss auf die Beladungsrate haben, sondern lediglich, dass diese unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht ausreichend mit der Beladungsrate korrelieren und der Einfluss der Kohlenwasserstoffe in der Größenordnung der Messstreuung ist. Vorteilhaft für das Verfahren ist es folglich, wenn der Koeffizient K
2 zu Null gesetzt wird. Insofern ergibt sich Gleichung 1 zu (Gl. 2):
