DE102018100486A1

DE102018100486A1 - Verfahren und vorrichtung zum überwachen eines partikelfilters

Info

Publication number: DE102018100486A1
Application number: DE102018100486.9A
Authority: DE
Inventors: Andrea Pannuzzo; Andrea Dutto; Adele DE DOMENICO
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-07-19
Also published as: US20180202342A1; CN108331646B; CN108331646A; US10273857B2

Abstract

Ein Verfahren zum Überwachen eines Partikelfilters, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, beinhaltet das Ermitteln einer Druckdifferenz über einen Differenzdrucksensor durch den Partikelfilter und das Ermitteln eines Anfangsparameters, der mit der Rußladung des Partikelfilters basierend auf der Druckdifferenz verbunden ist. Eine erste Anpassung an die Rußladung wird aufgrund einer passiven Regenerationswirkung ermittelt, eine zweite Anpassung an die Rußladung aufgrund einer Temperaturwirkung außerhalb des Motors und eine dritte Anpassung an die Rußladung aufgrund des Auftretens eines unterbrochenen Regenerationsereignisses. Ein endgültiger Parameter, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, wird basierend auf dem Anfangsparameter und der ersten, zweiten und dritten Anpassung ermittelt.

Description

EINLEITUNG
Partikelfilter werden in Motorabgasnachbehandlungssystemen eingesetzt, um Partikel aus einem Abgaszustrom zu entfernen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Partikelfilter, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wird beschrieben. Ein Verfahren zum Überwachen des Partikelfilters beinhaltet das Ermitteln, über einen Differenzdrucksensor, eine Druckdifferenz über dem Partikelfilter und das Ermitteln eines Anfangsparameters, der mit der Rußladung des Partikelfilters basierend auf der Druckdifferenz verbunden ist. Eine erste Anpassung an die Rußladung wird aufgrund einer passiven Regenerationswirkung ermittelt, eine zweite Anpassung an die Rußladung aufgrund einer Temperaturwirkung außerhalb des Motors und eine dritte Anpassung an die Rußladung aufgrund des Auftretens eines unterbrochenen Regenerationsereignisses. Ein endgültiger Parameter, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, wird basierend auf dem Anfangsparameter und der ersten, zweiten und dritten Anpassung ermittelt.
Ein Aspekt der Offenbarung ist die Steuerung eines Regenerationsereignisses für den Partikelfilter über eine Motorsteuerung, basierend auf der zuletzt eingestellten Rußladung.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Steuern des Verbrennungsmotors, um eine automatische Regeneration durchzuführen, wenn der letzte Parameter, der mit der Rußladung verbunden ist, kleiner ist als eine Rußbelastungsgrenze.
Ein weiterer Aspekt der Offenlegung beinhaltet das Steuern des Verbrennungsmotors, um eine Betriebsregeneration durchzuführen, wenn der letzte Parameter, der mit der Rußladung verbunden ist, größer ist als eine Rußbelastungsgrenze.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Steuern des Verbrennungsmotors, um den Fahrzeugservice durchzuführen und den Partikelfilter zu ersetzen, wenn der Endparameter, der mit der Rußladung verbunden ist, größer ist als eine überladene Rußladungsstufe.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Überwachen des Motorbetriebs, um die Höhe der NOx-Emissionen und die Temperatur des Partikelfilters zu ermitteln, sowie das Ermitteln der ersten darauf basierenden Anpassung.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Überwachen einer Motoreinwirkzeit und der Motortemperatur sowie das Ermitteln der darauf basierenden zweiten Anpassung.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Überwachen des Betriebs hinsichtlich des Eintretens eines unterbrochenen Regenerationsereignisses, das Ermitteln einer Rußladungsstufe in Bezug auf eine Druckdifferenz, die mit einem unterbrochenen Regenerationsereignis verbunden ist, und das Ermitteln der darauf basierenden dritten Anpassung.
Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
Figurenliste
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen gilt:

1 veranschaulicht schematisch einen Verbrennungsmotor, ein Abgasnachbehandlungssystem und eine Steuerung, die gemäß der Offenbarung so angeordnet werden können, dass sie einem Fahrzeug Antriebskraft verleihen;
2 stellt schematisch ein Verfahren zum Überwachen der Rußladung eines Partikelfilters dar, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung eingesetzt wird;
3 stellt grafisch eine Wirkung des Abgasstroms, insbesondere eine Größenordnung der NOx-Emissionen und der Temperatur, auf die Rußladung eines Partikelfilters dar, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung eingesetzt wird;
4 stellt grafisch die Wirkung von Motoreinwirkzeiten und -temperaturen auf die Rußladung eines Partikelfilters dar, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung eingesetzt wird;
5 stellt grafisch eine Wirkung des Auftretens eines unvollständigen Regenerationsereignisses auf die Rußladung eines Partikelfilters dar, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung eingesetzt wird; und
6 stellt grafisch eine anfängliche Rußladung und eine entsprechende abschließende Rußladung auf einem Partikelfilter dar und zeigt darüber hinaus eine Vielzahl von Rußladungsstufen und zugehörigen Regenerationsmodi an, die je nach Rußladung gemäß der Offenbarung ausgewählt werden können.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde zum Zwecke der Klarheit bestimmtes technisches Material, das im entsprechenden Stand der Technik verstanden wird, nicht ausführlich beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Des Weiteren sind die Zeichnungen vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Nur zum Zweck der Einfachheit und Klarheit können richtungsbezogene Begriffe mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet werden. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „stromaufwärts“ und ähnliche Begriffe auf Elemente, die auf eine Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position hindeuten und der Begriff „stromabwärts“ und ähnliche Begriffe beziehen sich auf Elemente, die von einer Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position entfernt sind. Diese und ähnliche richtungsbezogene Begriffe sollten nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Des Weiteren kann die Offenbarung, wie sie hierin dargestellt und beschrieben ist, in Abwesenheit eines Bestandteils ausgeübt werden, der nicht ausdrücklich hierin offenbart ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, veranschaulicht 1 in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen schematisch einen Verbrennungsmotor (Motor) 10 ein zugehöriges Abgasnachbehandlungssystem 20, das angeordnet sein kann, um einem Fahrzeug eine Antriebskraft bereitzustellen. Das Fahrzeug kann, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeuges, Industriefahrzeuges, landwirtschaftlichen Fahrzeugs, Personenkraftwagens, Flugzeugs, Wasserfahrzeugs, Zugs, Geländefahrzeugs, einer persönlichen Bewegungsvorrichtung, Roboters und dergleichen beinhalten, um die Zwecke der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen.
Der Motor 10 beinhaltet einen Motorblock, der eine Vielzahl von Zylindern 11 definiert, die bewegliche Hubkolben enthalten. Ein Ansaugkrümmer 12 ist angeordnet, um Einlassluft zu den Zylindern 11 zu kanalisieren, und ein Luftmassenmesser 14 ist stromaufwärts von einer Drosselklappe 13 angeordnet. Der Luftmassenmesser 14 und die Drosselklappe 13 stehen in Verbindung mit einer Steuerung 15, die dazu dient, Signaleingaben von dem Luftmassenmesser 14 zu überwachen und Befehle an die Drosselklappe 13 und andere Motorstellglieder in Reaktion auf Bediener- und andere Systemanforderungen zu übermitteln. Ein Abgaskrümmer 17 ist angeordnet, um von dem Motor 10 ausgestoßene Abgase mitzunehmen, die als ein Abgaszulauf 18 zu dem Abgasnachbehandlungssystem 20 geleitet werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 20 ist so angeordnet, dass es eine Vielzahl von Abgasreinigungsvorrichtungen beinhaltet, die als ein nicht einschränkendes Beispiel jeweils eine erste, eine zweite und eine dritte Vorrichtung 22, 24 bzw. 26 beinhalten, worin die zweite Vorrichtung als Partikelfilter konfiguriert ist. Die ersten und dritten Vorrichtungen 22, 26 können geeignete Abgasreinigungsvorrichtungen sein, die angeordnet sind, um den Abgaszulauf 18 zu oxidieren, zu reduzieren oder anderweitig zu behandeln, um ihn zu reinigen. Eine Drucküberwachungsvorrichtung 30 ist angeordnet, um den Abgasdruck zu überwachen, und ist vorzugsweise angeordnet, um einen Druckunterschied 35 über den Partikelfilter 24, wie dargestellt, zu überwachen. Die Drucküberwachungsvorrichtung 30 ist in einer Ausführungsform als ein Druckunterschiedssensor konfiguriert, der mit einem ersten Einlass 31 in dem Abgaszulauf 18, der stromaufwärts vom Partikelfilter 24 angeordnet ist in Fluidverbindung steht und mit einem zweiten Einlass 32 in dem Abgaszulauf 18, der stromabwärts des Partikelfilters 24 angeordnet ist, in Fluidverbindung steht. Die Drucküberwachungsvorrichtung 30 erzeugt ein elektrisches Signal, das mit einem Druckunterschied 35 zwischen den ersten und zweiten Einlässen 31, 32 korreliert werden kann, der an eine Steuerung 40 kommuniziert wird. Die hierin beschriebene Drucküberwachungsvorrichtung 30 ist eine Ausführungsform einer Mechanisierung, um einen Druckunterschied 35 über alle oder eine Teilmenge der Vorrichtungen des Abgasnachbehandlungssystems 20 zu ermitteln. Alternativ können zwei Drucksensoren angeordnet sein, um die Drücke des Abgaszulaufs an den ersten und zweiten Einlässen 31, 32 zu messen, wobei der Druckunterschied 35 in der Steuerung 40 basierend auf einer Differenz davon ermittelt wird.
Der Partikelfilter 24 ist konfiguriert, um mechanisch zu entfernen, d. h. Partikel zu filtern, die ein Verbrennungsnebenprodukt sind, das im Abgasstrom 18 enthalten ist. In einer Ausführungsform ist der Partikelfilter 24 eine Wandströmungsvorrichtung, die ein monolithisches Cordieritsubstrat beinhaltet, das aus porösem Keramikmaterial zusammengesetzt sein kann und eine Vielzahl von Strömungskanälen beinhaltet, die parallel zu einer Strömungsrichtung des Abgaszulaufs 18 zwischen einer stromaufwärts gelegenen Stelle und einer stromabwärts gelegenen Stelle in Bezug auf den Partikelfilter 24 ausgerichtet sind. In einer Ausführungsform beinhaltet ein Keramiksubstrat in Form eines monolithischen Cordieritsubstrats mit einer Zelldichte von etwa 31 bis 62 Zellen pro Quadratzentimeter (200-400 Zellen pro Quadratzoll) und einer Wandstärke von drei bis sieben Mils. Die Kanäle werden jeweils an einem stromaufwärtigen Ende oder einem stromabwärtigen Ende gesteckt, wobei abwechselnd die Kanäle an gegenüberliegenden Enden gesteckt werden. Die Wände des Substrats weisen eine hohe Porosität, z. B. eine Porosität von etwa 55 % oder höher mit einer mittleren Porengröße von etwa 25 Mikrometern auf, um ein Strömen von Abgasen zu ermöglichen und Feinstaub in dem Abgaszulauf 18 einzuschließen. Andere geeignete Substrate können verwendet werden, um Feinstaub, der während der Verbrennung erzeugt wird, einzuschließen, zu oxidieren und anderweitig zu behandeln. Die Wände des Substrats können mit einem katalytisch aktiven Washcoat imprägniert werden, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die in einer Ausführungsform im Abgaszulauf enthalten sind, zu oxidieren. Der Washcoat beinhaltet geeignete katalytisch aktive Materialien, wie z. B. Platingruppenmetalle, darunter auch Pt, Pd und Rh und Additive, einschließlich z. B. Ce, Zr, La, bei Dichten und Verhältnissen, die ausreichen, um die Oxidation der unverbrannten HCs zu bewirken und andere Operationen, wie z. B. die Sauerstoffspeicherung für diagnostische Untersuchungen, durchzuführen.
Der Partikelfilter 24 ist konfiguriert, um flüssige und feste Partikel in der porösen Substratstruktur zu sammeln und gleichzeitig die Abgase durchströmen zu lassen. Bei Erreichen der nominalen Speicherkapazität müssen die eingeschlossenen Partikel durch einen Prozess, der als Regeneration bezeichnet wird, entfernt werden, bei dem die Abgastemperatur erhöht wird, um eine Bedingung zu schaffen, bei der die Partikel, d. h. Ruß, oxidiert werden. Einzelheiten zur Durchführung eines Regenerationsprozesses sind spezifisch für die Konfiguration und den Betrieb des Motors 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 20.
Im Betrieb kann es zu unerwünschten Auswirkungen kommen, wenn der Partikelfilter 24 Partikel auffängt und anreichert. Unerwünschte Auswirkungen können eine Erhöhung des Abgasgegendrucks und ein Potential für exotherme Reaktionen im Partikelfilter 24 sein. Die Erhöhung des Gegendrucks kann sich auf die Motorleistung auswirken. Die exothermen Reaktionen im Partikelfilter 24 können Abgastemperaturen verursachen, die zu einer unerwünschten Wärmeübertragung führen und die Nutzungsdauer des Partikelfilters 24 und/oder anderer Fahrzeugkomponenten beeinträchtigen können.
Ein Rußspeicherniveau im Partikelfilter 24 kann gemessen oder geschätzt werden, indem verschiedene Modelle und On-Board-Sensoren verwendet werden, welche die Betriebsparameter des Motors überwachen, um zu ermitteln, wie viel Ruß durch den Motor 10 erzeugt wird, und um die Menge an Ruß zu ermitteln, der verbrannt, eingefangen oder durch den Partikelfilter 24 und andere Abgasnachbehandlungssysteme geleitet wird. In einer Ausführungsform ist die primäre Vorrichtung zum Schätzen des Rußniveaus die Drucküberwachungsvorrichtung 30, die ein Signal erzeugt, das durch den Abgasstrom normalisiert werden kann, um eine Zustandsgröße zu ermitteln, die mit dem angesammelten Ruß im Partikelfilter 24 korreliert. Die Korrelation zwischen dem Differenzdruck und der Größe des angesammelten Rußes kann jedoch durch Betriebsbedingungen beeinflusst werden, welche die Verteilung des Rußes im Filter verändern können, einschließlich der passiven Regeneration des Partikelfilters und der Wirkung der NOx-Emissionen und der Temperatur des Partikelfilters 24, unvollständige Regenerationsereignisse und die Auswirkung von Zeit und Temperatur des Motors 10 während einer Abschaltphase.
Die Begriffe Steuereinheit, Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und deren zugeordneten nicht-transitorische Speicherkomponenten in Form von Arbeitsspeicher- und Datenspeichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenspeicher usw.). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Ein- und Ausgabevorrichtungen und Schaltungen gehören Analog-/Digitalwandler und ähnliche Vorrichtungen, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuereinheit führt für Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen, darunter auch die Überwachung der Eingaben von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuereinheiten, bereitzustellen, und führt zudem Steuer- und Diagnoseroutinen aus, um die Betätigung von Stellgliedern zu steuern. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden, ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und zwischen Steuerungen, Stellgliedern und/oder Sensoren kann über eine Punkt-zu-Punkt-Direktverkabelung, eine Netzwerkkommunikations-Busverbindung, eine drahtlose Verbindung oder jede andere geeignete Kommunikationsverbindung bewerkstelligt werden und ist durch die Linien 42 gekennzeichnet. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen auf eine beliebige geeignete Art, darunter auch z. B. elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale durch die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge elektrische Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren und Stellgliedbefehle, sowie Kommunikationssignale zwischen Steuereinheiten darstellen.
Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf eine physisch wahrnehmbare Anzeige, die Informationen übermittelt und kann eine geeignete Wellenform (z. B. elektrische, optische, magnetische, mechanische oder elektromagnetische) umfassen, wie beispielsweise Gleichstrom, Wechselspannung, Sinuswellen, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die durch ein Medium laufen können. Der Begriff „Modell“ bezeichnet einen prozessorbasierten oder einen mittels des Prozessors ausführbaren Code und der zugehörigen Kalibrierung, die die physische Existenz einer Vorrichtung oder eines physischen Prozesses simuliert. Wie hier verwendet, beschreibt der Begriff „dynamisch“ Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und durch das Überwachen oder sonstige Ermitteln von Parameterzuständen und dem regelmäßigen oder periodischen Aktualisieren von Parameterzuständen beim Ausführen einer Routine oder zwischen Iterationen beim Ausführen der Routine gekennzeichnet sind. Ein Parameter ist definiert als eine messbare Größe, die eine physikalische Eigenschaft einer Vorrichtung oder eines anderen Elements darstellt, das unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren und/oder eines physikalischen Modells, das ein Datensignal erzeugt, erkennbar ist, wobei das Datensignal einem Zustand des Parameters zugeordnet ist. Der Zustand eines Parameters kann einen diskreten Wert haben, z. B. entweder ,,1" oder „0“, oder kann über einen Bereich in Wert unendlich variabel sein. Beim Einsatz zum Interpretieren eines Datensignals, beziehen sich die Begriffe „Kalibrierung“, „Kalibrieren“ und verwandte Begriffe auf ein Ergebnis oder ein Verfahren, das verwendet werden kann, um einen tatsächlichen oder Standardzustand eines Parameters aus einem Datensignal, das eine beobachtete Messung darstellt, abzuleiten. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Kalibrierung entwickelt und verwendet werden, um einen Druckunterschied basierend auf einem elektrischen Signal zu ermitteln, das von einem Differenzdrucksensor ausgegeben wird. Eine hierin beschriebene Kalibrierung kann auf eine speicherbare parametrische Tabelle, mehrere ausführbare Gleichungen oder eine andere geeignete Form reduziert werden.
2 veranschaulicht schematisch ein Verfahren 200 zum Überwachen der Rußladung eines Partikelfilters und wird mit Bezug auf eine Ausführungsform des Verbrennungsmotors 10, des Abgasnachbehandlungssystems 20 und der Steuerung 15 beschrieben, die mit Bezug auf 1 beschrieben werden. Das Verfahren 200 ist in Bezug auf die funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und/oder verschiedenen Verarbeitungsschritte beschrieben. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten Hardware, Software- und/oder Firmware-Komponenten sein können, die zum Ausführen von spezifizierten Funktionen konfiguriert sind. Die Schritte des Verfahrens 200 können in einer geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden und sind nicht auf die in Bezug auf 3 dargestellte Reihenfolge beschränkt, noch werden sie notwendigerweise nacheinander oder chronologisch ausgeführt. Die verschiedenen Schritte, die im Flussdiagrammdiagramm dargestellt sind, können in einer geeigneten Reihenfolge erfolgen, und einige der Schritte können gleichzeitig oder gar nicht ausgeführt werden.
Während des Motorbetriebs wird eine Druckdifferenz 35 über den Partikelfilter 24 periodisch über den Differenzdrucksensor 30 überwacht und in ein Delta-Druckmodell 202 eingespeist. Das Delta-Druckmodell 202 ermittelt basierend auf der Druckdifferenz und dem damit verbundenen Strömungswiderstand eine anfängliche Rußladung 203 für den Partikelfilter 24. Der Strömungswiderstand beschreibt Eigenschaften, die den freien Fluss eines Fluids, z. B. Abgas, in einer eingeschränkten Umgebung, wie zum Beispiel in einem Rohr eines Abgasnachbehandlungssystems, stören. Der Strömungswiderstand kann durch Randbedingungen zwischen den Wänden des Rohrs und dem Abgas verursacht werden. Der Strömungswiderstand kann auch durch Hindernisse im Strömungskanal verursacht werden, wie zum Beispiel durch den Partikelfilter 24, der sich durch eine Größe des Strömungswiderstands charakterisieren lässt. Wenn daher die Größe des Strömungswiderstandes während des Motorbetriebs größer oder kleiner als ein charakteristischer Strömungswiderstand für die Vorrichtung ist, kann sie einen Hinweis auf eine Änderung der Umstände in dem Abgasnachbehandlungssystem liefern, die möglicherweise angesprochen werden müssen, wie zum Beispiel das Erreichen einer Größenordnung der Rußladung, die eine aktive Regeneration erfordert. Der Strömungswiderstand einer spezifischen Komponente kann wie folgt berechnet werden: $R = \frac{Δ p}{\dot{V}}$

worin:

R der Strömungswiderstand ist,
Δp ein Druckunterschied über die Vorrichtung ist, und
V̇ eine volumetrische Strömungsgeschwindigkeit ist.

Der Strömungswiderstand R kann basierend auf der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit und dem Druckunterschied ermittelt werden, die beide während des laufenden Betriebs dynamisch überwacht werden können. In einer Ausführungsform kann die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit basierend auf Datensignalen, die von dem Luftmassenmesser 14 eingegeben werden, einer Kraftstoffeinspritzungs-Strömungsgeschwindigkeit, einer Abgastemperatur und einem Abgasdruck abgeleitet werden, während eine Transportverzögerung durch den Motor 10 berücksichtigt wird. In einer Ausführungsform kann der Druckunterschied 35 basierend auf Datensignalen abgeleitet werden, die von der Drucküberwachungsvorrichtung 30 eingegeben werden, die mit dem Zustand des Druckunterschiedsparameters korreliert werden können. Dadurch kann die Druckdifferenz 35 zum Ermitteln des Strömungswiderstands R verwendet werden, der zum Ermitteln der anfänglichen Rußladung 203, die dem Partikelfilter 24 zugeordnet ist, ausgewertet werden kann. 6 beinhaltet die Leitung 620, die eine Anfangsgröße der Rußladung angibt, die basierend auf dem Strömungswiderstand ermittelt werden kann.
Ausgehend von einer passiven Regenerationswirkung (300), die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird, kann eine erste Einstellung 302 in Bezug auf die Rußladung ermittelt werden. Die erste Einstellung 302 beinhaltet eine Parameterkorrektur, z. B. zur Rußladung, zur Druckdifferenz oder zum Strömungswiderstand, die basierend auf der Wirkung des Abgaszulaufs, insbesondere einer Größenordnung der NOx-Emissionen und der Temperatur des Partikelfilters 24, bezogen auf die passive Regeneration des Partikelfilters 24, ermittelt wird.
Eine zweite Einstellung 402 zur Druckdifferenz kann basierend auf Einwirkzeiten und Temperaturen (400) des Motors ermittelt werden, die mit Bezug auf 4 beschrieben wird. Die zweite Einstellung 402 beinhaltet eine Parameterkorrektur, z. B. auf die Druckdifferenz oder alternativ auf den Strömungswiderstand, die basierend auf der Wirkung von Zeit und Temperatur des Motors 10 während einer Motorausfallzeit ermittelt wird.
Eine dritte Einstellung 502 der Druckdifferenz kann auf Basis des Auftretens eines unterbrochenen Regenerationsereignisses (500) ermittelt werden, das mit Bezug auf 5 beschrieben wird. Die dritte Einstellung 502 beinhaltet eine Parameterkorrektur, z. B. auf die Druckdifferenz oder alternativ auf den Strömungswiderstand basierend auf der Wirkung eines unvollständigen Regenerationsereignisses, wenn eine unvollständige Regeneration eintritt oder wiederkehrt.
Die ersten, zweiten und dritten Einstellungen 302, 402 und 502 werden kombiniert (Schritt 204) mit der anfänglichen Rußladung 203, die dem Partikelfilter 24 zugeordnet ist, der basierend auf dem Strömungswiderstand R ermittelt wird, um einen endgültigen Parameter 205 zu ermitteln, welcher der tatsächlichen Rußladung des Partikelfilters 24 zugeordnet ist.
Der endgültige Parameter 205, welcher der tatsächlichen Rußladung des Partikelfilters 24 zugeordnet ist, wird ausgewertet, um einen bevorzugten Regenerationsmodus 207 (Schritt 600) zu ermitteln, der mit Bezug auf 6 beschrieben wird. Der bevorzugte Regenerationsmodus 207 wird an die Motorsteuerung 15 übermittelt, um den Betrieb des Motors 10 zu steuern und/oder mit dem Fahrzeugführer zu kommunizieren (Schritt 208), um eine Vorgehensweise für die Partikelfilterregeneration zu vermitteln.
3 stellt grafisch die Rußladung 301 in Relation zur Motorbetriebszeit 303, für eine Ausführungsform des Motors 10 und des Partikelfilters 24, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben sind, dar, aus der die erste Einstellung 302 ermittelt werden kann. Die Grafik stellt die Wirkung der passiven Regeneration des Partikelfilters 24 und der daraus resultierenden Rußladung unter zwei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen dar, einschließlich der Rußladung bei Nennbetriebsbedingungen 310 und der Rußladung bei Motorbetriebsbedingungen, die überwiegend hohe NOx-Bedingungen und hohe Temperaturen im Partikelfilter 24 beinhalten, wie sie unter Hochgeschwindigkeits-/Hochlastbedingungen auftreten können, und die durch Zeile 320 angezeigt wird. Die erste Einstellung 302 kann basierend auf einer Differenz ermittelt werden. Die passive Regeneration des Partikelfilters 24 bezieht sich auf die Betriebsbedingungen des Motors, welche hohe NOx-Werte und hohe DPF-Eintrittstemperaturen im Abgaszulauf 18 beinhalten, bei denen der Ruß mit NO2 im Abgaszulauf reagiert, was zu einer Selbstverbrennung führt. Unter diesen Bedingungen ist die tatsächliche Menge an oxidiertem Ruß geringer als die Menge an abgelagertem Ruß. Ein hoher Wert für den Druckabfall 35 wird beobachtet, was dazu führt, dass das Delta-Druckmodell 202 die Rußmenge, die sich auf dem Partikelfilter 24 ablagert, überschätzt. Um diesen Fehler zu korrigieren, kann ein Modell in Form einer Gleichung oder einer vorgegebenen Kalibrierungstabelle zur Berechnung des tatsächlichen Rußniveaus herangezogen werden. Die Kompensation basiert auf einer vorgegebenen Karte, die einen Betrag für die erste Einstellung 302 in Bezug auf den NOx-Massenstrom und die Temperatur des DPF liefert.
4 stellt grafisch die Partikelfilterbeladung 401 und die Motorkühlmitteltemperatur 405 in Relation zur Zeit 403 dar und gibt einen Hinweis auf die Wirkung der Einwirkzeiten und Temperaturen des Motors auf die Rußladung des Partikelfilters 24. Die geschätzte Rußladung kann nach längerem Kaltkonditieren (Motor aus) bei niedrigen Umgebungstemperaturen (ca. 10°C) unterschätzt werden. Unter diesen Bedingungen kann der Ruß im Partikelfilter 24 seine Permeabilitätseigenschaften verändern. Ein Abfall der Druckdifferenz und damit ein Abfall des Strömungswiderstands im Vergleich zum Strömungswiderstand vor Beginn der Kaltkonditierungsphase ist zu beobachten. Ein derartiges Ergebnis führt zu einer Unterschätzung des tatsächlichen Rußgehalts im Partikelfilter 24. Wenn eine Parkwirkung erkannt wird, kann die zweite Einstellung 402 ermittelt werden, um die Lücke zwischen dem tatsächlichen Rußgehalt und dem geschätzten Rußgehalt zu schließen. Die zweite Einstellung 402 ist eine Form der Kompensation, die abhängig vom vorherigen und aktuellen Strömungswiderstand und der DPF-Temperatur berechnet wird und für die kalibrierbare Zeit angewendet wird. Dies kann mit dem Parken über Nacht oder der Verlängerung von Parkereignissen zusammenhängen, die zu einer Unterschätzung der anfänglichen Rußladung 203 in Bezug auf den Differenzdruck 35 führen.
5 stellt grafisch die Partikelfilterbeladung 501 in Bezug auf die Druckdifferenz 503 dar und gibt einen Hinweis auf die Wirkung des Auftretens eines unvollständigen Regenerationsereignisses. Die Ergebnisse beinhalten eine erste Zeile 510, die die Rußladung in Bezug auf die Druckdifferenz für ein abgeschlossenes Regenerationsereignis anzeigt, und eine zweite Zeile 520, die die Rußladung in Bezug auf die Druckdifferenz für ein unterbrochenes Regenerationsereignis anzeigt. Die Ergebnisse zeigen grafisch eine Unterschätzung der tatsächlichen Rußladung im Partikelfilter 24. Bei unterbrochenen oder verkürzten Regenerationsereignissen kann es zu einer Umverteilung des Rußes im Partikelfilter 24 kommen. Ein eindimensionales kinetisches Rußmodell kann verwendet werden, um den mit dem Delta-Druckmodell 202 verbundenen Schätzfehler zu kompensieren und die dritte Einstellung 502 zur Belastung zu ermitteln. Das eindimensionale kinetische Rußmodell wertet durch das Modellieren der thermo-kinetischen Reaktionen die während der Regenerationsereignisse verbrannte Rußrate aus. Das eindimensionale kinetische Rußmodell berechnet dann am Ende jedes Regenerationsereignisses den im Partikelfilter 24 vorhandenen Restruß, worin diese Informationen zur Korrektur und/oder Initialisierung des Delta-Druckmodells 202 verwendet werden können.
6 stellt grafisch die Rußladung 601 auf dem Partikelfilter 24 in Bezug auf die Zeit 603 dar und zeigt eine Vielzahl von Rußladungsstufen 611, 613 und 615 sowie die Regenerationsmodi 610, 612, 614 und 616, die basierend auf der Rußladung 601 ausgewählt werden können. Wenn die Rußladungsstufe kleiner als die niedrige Rußladung 611 ist, zeigt dies an, dass sich der Partikelfilter 24 in einem sauberen Zustand befindet, ohne dass ein Regenerationsereignis durchgeführt werden muss, wie durch den Bereich 610 angegeben. Die Steuerung 15 kann ein Regenerationsereignis auslösen, wenn sich eine Gelegenheit ergibt, z. B. bei einem stationären Fahrzustand. Wenn die Rußladungsstufe erhöht ist, d.h. größer als die niedrige Rußladung 611, aber kleiner als die Rußladungsschwelle 613, zeigt dies an, dass sich der Partikelfilter 24 auf einer Rußladungsstufe befindet, die von einem automatischen Regenerationsereignis profitieren kann, wie in Bereich 612 angegeben. Die Motorsteuerung 15 kann die Durchführung eines automatischen Regenerationsereignisses steuern, um die Rußreduzierung im Partikelfilter 24 zu bewirken. Wenn die Rußladungsstufe größer als der Rußbelastungskapazitätsgrenzwert 613 ist, zeigt dies an, dass der Partikelfilter 24 auf einer überladenen Rußladungsstufe 614 ist. Befindet sich der Partikelfilter 24 in der überladenen Rußladungsstufe 614, kann das Steuern der automatischen Regeneration während des Motorbetriebs zu einer exothermen Oxidation des Rußes führen, die zu überhöhten thermischen Bedingungen im Abgasnachbehandlungssystem 20 einschließlich des Partikelfilters 24 führen kann. Daher kann die Durchführung der automatischen Regeneration die Nutzungsdauer des Partikelfilters 24 verkürzen und sollte vermieden werden. Daher wird das Regenerationsereignis vorzugsweise in einer Fahrzeug-Service-Umgebung von einem Servicetechniker durchgeführt. Wenn die Rußladungsstufe ist als eine verstopfte Rußladungsstufe 615, zeigt dies an, dass der Partikelfilter 24 bei einer verstopften Rußladungsstufe 616 liegt. Befindet sich der Partikelfilter 24 auf der verstopften Rußladungsstufe 616, kann die Durchführung einer Partikelfilterregeneration im Fahrzeug zu unzulässigen thermischen Bedingungen in der Abgasnachbehandlung und im Fahrzeug allgemein führen und sollte vermieden werden. Wenn also die Rußladungsstufe eine verstopfte Rußladungsstufe 615 überschreitet, ist der geeignete Mechanismus, um den Partikelfilter 24 freizusetzen, den Partikelfilter 24 durch eine neue Vorrichtung zu ersetzen, wie durch den Bereich 616 angezeigt.
Zeile 620 zeigt eine Anfangsgröße der Rußladung an, die basierend auf dem Strömungswiderstand für einen exemplarischen Partikelfilter ermittelt werden kann, und Punkt 622 zeigt einen Anfangswert für die Rußladung des exemplarischen Partikelfilters an.
Zeile 630 zeigt eine tatsächliche Größe der Rußladung für den exemplarischen Partikelfilter an, wenn die ersten, zweiten und dritten Einstellungen 302, 402 und 502 berücksichtigt werden, und Punkt 632 zeigt eine abschließende Lesung für die Rußladung des exemplarischen Partikelfilters an. Demzufolge zeigt der Anfangswert 622 für die Rußladung des exemplarischen Partikelfilters an, dass der Motor 10 im automatischen Regenerationsmodus gesteuert werden kann, um den Partikelfilter 24 zu regenerieren, wie durch den Bereich 612 angezeigt.
Wenn jedoch der Anfangswert 622 mit den ersten, zweiten und dritten Einstellungen 302, 402 und 502 eingestellt wird, zeigt der endgültige Wert 632 in Verbindung mit der Rußladungsstufe an, dass der geeignete Mechanismus zum Freisetzen des Partikelfilters 24 darin besteht, den Partikelfilter 24 durch eine neue Vorrichtung zu ersetzen, wie durch den Bereich 616 angezeigt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 wird der bevorzugte Regenerationsmodus 207 an die Motorsteuerung 15 übermittelt, um den Betrieb des Motors 10 zu steuern und/oder mit dem Fahrzeugführer zu kommunizieren (Schritt 208), um eine Vorgehensweise für die Regeneration zu vermitteln. Dies kann einen Befehl zum automatischen Ausführen eines Regenerationsereignisses während des laufenden Fahrzeugbetriebs, einen Befehl zum Beleuchten einer Blinkleuchte oder zur anderweitigen Kommunikation mit dem Fahrzeugbetreiber über die Notwendigkeit eines Fahrzeugservice beinhalten, sodass das Regenerationsereignis in einer Fahrzeug-Service-Umgebung von einem Servicetechniker ausgeführt werden kann, oder einen Befehl zum Ersetzen des Partikelfilters 24 durch eine neue Vorrichtung.
Das Flussdiagramm und die Blockdiagramme in den Flussdiagrammen veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Block- oder Flussdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt eines Codes darstellen, der zum Implementieren der spezifizierten logischen Funktion(en) einen oder mehrere ausführbare Befehle beinhaltet. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder Flussdiagrammdarstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen durch Spezialzweck-Hardware-basierte Systeme, die die spezifizierten Funktionen oder Vorgänge durchführen, oder Kombinationen von Spezialzweck-Hardware und Computerbefehlen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das eine Steuerung oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung steuern kann, um in einer bestimmten Art und Weise zu funktionieren, sodass die im computerlesbaren Medium gespeicherten Befehle einen Herstellungsartikel erzeugen, einschließlich Anweisungen, die die Funktion/den Vorgang, die/der in dem Flussdiagramm und/oder Blockdiagrammblock oder Blöcken angegeben ist, implementieren.
Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Partikelfilters, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, das Verfahren umfassend: das Ermitteln einer Druckdifferenz über einen Differenzdrucksensor in Verbindung mit einer Motorsteuerung über den Partikelfilter; das Ermitteln eines Anfangsparameters, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, basierend auf der Druckdifferenz; das Ermitteln einer ersten Einstellung basierend auf einer passiven Regenerationswirkung; das Ermitteln einer zweiten Einstellung basierend auf einer Temperatureinwirkung außerhalb des Motors; das Ermitteln einer dritten Einstellung basierend auf dem Eintreten eines unterbrochenen Regenerationsereignisses; das Ermitteln eines endgültigen Parameters, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, basierend auf dem Anfangsparameter und den ersten, zweiten und dritten Einstellungen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Steuern eines Regenerationsereignisses für den Partikelfilter über die Motorsteuerung basierend auf dem endgültigen Parameter, der mit der Rußladung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Steuern des Regenerationsereignisses das Steuern des Verbrennungsmotors umfasst, um eine automatische Regeneration durchzuführen, wenn der mit der Rußladung verbundene endgültige Parameter kleiner als eine Rußbelastungsschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Steuern des Regenerationsereignisses das Steuern des Verbrennungsmotors umfasst, um eine Service-Regeneration durchzuführen, wenn der mit der Rußladung verbundene endgültige Parameter größer als eine Rußbelastungsschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Anfordern eines Fahrzeugservice, um einen Austausch des Partikelfilters zu bewirken, wenn der mit der Rußladung verbundene endgültige Parameter größer als eine überladene Rußbelastungsstufe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ermitteln der ersten Einstellung basierend auf einer passiven Regenerationswirkung das Überwachen des Motorbetriebs umfasst, um eine Größenordnung der NOx-Emissionen und der Temperatur des Partikelfilters zu ermitteln, und das Ermitteln der passiven Regenerationswirkung basierend darauf.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ermitteln der zweiten Einstellung basierend auf einer Temperaturwirkung außerhalb des Motors das Überwachen einer Motoreinwirkzeit und der Motortemperatur und das Ermitteln der Temperaturwirkung außerhalb des Motors basierend darauf umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ermitteln der dritten Einstellung, basierend auf dem Eintreten eines unterbrochenen Regenerationsereignisses, das Überwachen des Betriebs auf das Eintreten eines unterbrochenen Regenerationsereignisses, das Ermitteln einer Rußladungsstufe in Bezug auf eine Druckdifferenz, die mit einem unterbrochenen Regenerationsereignis verbunden ist, und das Ermitteln der dritten Einstellung, basierend darauf, umfasst.
Fahrzeugsystem umfassend: einen Verbrennungsmotor in fluidischer Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem einschließlich eines Partikelfilters; einen Differenzdrucksensor, der so angeordnet ist, dass er einen Differenzdruck zwischen einem Punkt in einem Abgaszulauf stromaufwärts des Partikelfilters und einem Punkt im Abgaszulauf stromabwärts des Partikelfilters überwacht; eine Steuerung, die operativ mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist und mit dem Differenzdrucksensor in Verbindung steht, wobei die Steuerung einen Befehlssatz enthält, wobei der Befehlssatz ausführbar ist, um: über den Differenzdrucksensor eine Druckdifferenz durch den Partikelfilter zu ermitteln, einen Anfangsparameter zu ermitteln, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, basierend auf der Druckdifferenz, eine erste Einstellung basierend auf einer passiven Regenerationswirkung zu ermitteln, das Ermitteln einer zweiten Einstellung basierend auf einer Temperatureinwirkung außerhalb des Motors, das Ermitteln einer dritten Einstellung basierend auf dem Eintreten eines unterbrochenen Regenerationsereignisses, und das Ermitteln eines endgültigen Parameters, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, basierend auf dem Anfangsparameter und den ersten, zweiten und dritten Einstellungen.
Verfahren zum Überwachen eines Partikelfilters, der in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, das Verfahren umfassend: das Ermitteln, über einen Differenzdrucksensor, einer Druckdifferenz durch den Partikelfilter; das Ermitteln eines Anfangsparameters, der mit der Rußladung des Partikelfilters verbunden ist, basierend auf der Druckdifferenz; das Ermitteln einer Auswirkung auf den Anfangsparameter basierend auf der passiven Regeneration des Partikelfilters; das Ermitteln einer Auswirkung auf den Anfangsparameter basierend auf der Temperatur außerhalb des Motors; das Ermitteln einer Auswirkung auf den Anfangsparameter, basierend auf dem Eintreten eines unterbrochenen Regenerationsereignisses; das Ermitteln eines endgültigen Parameters im Zusammenhang mit der Rußladung des Partikelfilters basierend auf dem Anfangsparameter und den Auswirkungen auf den Anfangsparameter im Zusammenhang mit der passiven Regeneration des Partikelfilters, der Temperatur außerhalb des Motors und dem Eintreten eines unterbrochenen Regenerationsereignisses; und das Steuern eines Regenerationsereignisses für den Partikelfilter über eine Motorsteuerung, basierend auf der endgültig eingestellten Rußladung.