DE102018111788A1

DE102018111788A1 - Verfahren zur Erkennung der Vereisung eines Partikelfilters, insbesondere eines Ottopartikelfilters

Info

Publication number: DE102018111788A1
Application number: DE102018111788.4A
Authority: DE
Inventors: Chris FREHSE; Christoph Nee; Sebastian Heinken; Hagen Müller
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-11-21
Also published as: CN110500164B; US11220947B2; US20190353076A1; CN110500164A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Vereisung eines Partikelfilters (8), insbesondere eines Ottopartikelfilters (8), wobei eine Temperatur des durch den Partikelfilter strömenden Abgasstroms (2) bestimmt wird, wobei anhand der bestimmten Temperatur des Abgasstroms (2) eine Vereisung des Partikelfilters (8) erkannt wird.Das Verfahren ist dadurch verbessert, dass die Temperatur des Abgasstroms (2) vor dem Partikelfilter (8) und die Temperatur des Abgasstroms (2) nach dem Partikelfilter (8) bestimmt werden, wobei anhand der bestimmten Temperaturdifferenz ein Wärmeeintrag in den Partikelfilter (8) und die Menge des im Partikelfilter (8) enthaltenen Wassers bestimmt wird, wobei die vorhandenen Aggregatszustände des Wassers im Partikelfilter (8) berechnet werden durch Bilanzierung der Wärmemenge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Vereisung eines Ottopartikelfilters mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entsteht Prozesswasser, welches sich in den Komponenten im Abgassystem sammelt, wenn nicht genügend Wärme zur Verfügung gestellt wird, so dass dieses Wasser ausgetragen wird. Bei einem Abfall der Umgebungstemperatur kann dieses Wasser gefrieren und das nun vorhandene Eis im Abgassystem kann zu einem hohen Abgasgegendruck führen. Wenn der Verbrennungsmotor die notwendige Ausschiebearbeit gegen den Abgasgegendruck nicht mehr leisten kann, so stirbt der Motor ab. Der Ottopartikelfilter weist mehrere Substratkanäle auf, die wechselseitig verschlossen sind. Da das Gas durch die Wand diffundieren muss, führt eine Vereisung der Substratkanäle überproportional zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes und in Folge dessen zu hohen Gegendruck.
Aus der DE 10 2015 201 495 A1 ist eine Abgaswärmerückgewinnungssteuerungsvorrichtung bekannt. Diese weist eine Wärmerückgewinnungseinstelleinheit zum Einstellen einer durch die Abgaswärmerückgewinnungssteuerungsvorrichtung zurückgewonnene Abgaswärmemenge und eine Steuereinheit zum Steuern der Wärmerückgewinnungseinstelleinheit auf. Hierdurch soll ein Gefrieren in einem Auspuffrohr verhindert oder unterdrückt werden. Dazu wird eine Fahrhistorie des Fahrzeugs ausgewertet und das Gefrieren im Auspuffrohr vorhergesagt. Wird auf Grundlage der Fahrhistorie beispielsweise bestimmt, dass ein Gefrieren nicht ausbleiben wird, kann dem Gefrieren im Auspuff vorher entgegengewirkt werden, indem die Wärmerückgewinnungseinstelleinheit so angesteuert wird, dass die zurückgewonnene Abgaswärmemenge reduziert oder begrenzt wird. Wird auf Grundlage der Fahrhistorie hingegen bestimmt, dass ein Gefrieren ausbleibt, kann mehr Abgaswärme zurückgewonnen werden. Das Steuergerät ist mit einem Wassertemperatursensor und einem Außenlufttemperatursensor verbunden. Das Steuergerät steuert die Wärmerückgewinnungseinstelleinheit auf der Grundlage der Erfassungsergebnisse des Wassertemperatursensors und des Außenlufttemperatursensors. Es wird verglichen, ob die bisherige Fahrzeit als Fahrhistorie kleiner gleich einer vorgegebenen Referenzzeit ist. Ist die bisherige Fahrzeit kleiner gleich der vorgegebenen Referenzzeit, entsteht eine entsprechende hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Innenseite des Auspuffrohrs gefrieren wird.
Aus der JP 2006/283579 A ist ebenfalls die Steuerung einer Wärmerückgewinnungseinheit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bekannt. Die Wärmeenergie wird aus dem Abgasstrom mittels eines Wärmetauschers zurückgewonnen. Die Umgebungstemperatur und die Abgastemperatur werden gemessen. Wenn die Umgebungstemperatur null Grad unterschreitet, wird das Gefrieren des Prozesswassers in dem Abgassystem vorhergesagt. Ferner wird die Kühlwassertemperatur gemessen und berücksichtigt.
Aus der gattungsbildenden JP 2013/160208 A sind Verfahren bekannt, um zu bestimmen, ob innerhalb eines Partikelfilters gefrorenes Wasser oder Wasser in flüssiger Form vorhanden ist. Der Differenzdruck vor und hinter den Partikelfiltern wird gemessen. Ein Temperatursensor misst die Abgastemperatur des Partikelfilters. Anhand dieser beiden gemessenen Werte wird bestimmt, ob in dem Partikelfilter Eis oder Wasser vorhanden ist. Wenn das Wasser im Partikelfilter gefriert steigt der Differenzdruck an, wodurch die Vereisung erkannt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verfahren zu verbessern.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird nun durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
In bevorzugter Ausgestaltung wird mittels eines ersten Temperatursensors die Temperatur des Abgasstroms vor dem Partikelfilter und mittels eines zweiten Temperatursensors wird die Temperatur des Abgasstroms nach dem Partikelfilter gemessen. Anhand der gemessenen Temperaturdifferenz werden ein Wärmeeintrag in den Partikelfilter und ein Wärmeeintrag in das Wasser im Partikelfilter bestimmt, wobei die vorhandenen Aggregatszustände des Wassers im Partikelfilter berechnet werden.
Alternativ kann Temperatur des Abgasstroms vor dem Partikelfilter und/oder die Temperatur nach dem Partikelfilter durch ein Modell bestimmt werden/wird. Es ist insbesondere möglich die Temperatur des Abgasstromes vor dem Partikelfilter durch ein Modell rechnerisch zu bestimmen und die Temperatur nach dem Partikelfilter durch einen Temperatursensor zu messen. In dieser Ausgestaltung ist dann nur ein Temperatursensor vorhanden.
Vorzugsweise wird ein Volumenstrom durch den Partikelfilter erfasst, der ebenfalls zur Berechnung des Wärmeeintrags genutzt wird. Je größer der Volumenstrom ist, desto höher ist der Energieeintrag in den Partikelfilter.
Es wird eine im Partikelfilter vorhandene Wassermenge bestimmt, wobei die Wassermenge nach Aggregatszuständen differenziert wird. Hierbei werden die physikalischen Parameter zum Ein- und Austausch von Wasser im Abgassystem berechnet. Dem Verfahren liegt ein Modellansatz zugrunde, mit dem parallel die vorhandenen Aggregatszustände des vorhandenen Wassers ermittelt werden können. Die Wärmemenge wird bilanziert, wobei die Energieeintrag in die einzelnen Aggregatzustände berechnet wird. Durch die Bilanzierung der Wärmemenge können die Wasserbestandteile den Aggregatzuständen zugeordnet und ineinander überführt werden. Insbesondere wird dieses Verfahren kontinuierlich weitergeführt und berücksichtigt auch somit längere Abkühlphasen bei denen Aggregatszustandswechsel stattfinden können. Vorzugsweise wird die Standzeit des Fahrzeugs ermittelt und bei der Bestimmung der Aggregatzustände berücksichtigt.
Es wird insbesondere die Umgebungstemperatur bestimmt, wobei beispielsweise nach einer längeren Standzeit des Fahrzeugs bei einer Umgebungstemperatur über null davon ausgegangen werden kann, dass kein Eis im Partikelfilter vorhanden ist.
Mittels festgelegter Parameter können für eine Werkstatt entsprechende Hinweiseinträge erzeugt werden, um eventuell Kundenbeanstandungen besser zu lokalisieren können. Es erfolgt eine thermodynamische Abwägung der Aggregatszustände im Modell, was den Aufbau einer empirischen Parametrisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Genauigkeit ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht eine genaue Bestimmung des Zeitpunkts, in dem das Wasser in der Abgasanlage sich mindestens vollständig verflüssigt hat. Dies wird dadurch erreicht, in dem die vorher berechnete Wassermenge im Partikelfilter in seine möglichen Aggregatszustände mit Hilfe thermodynamischer Berechnungsgrundlagen differenziert wird. Diese Grundlagen beziehen sich auf die thermodynamischen Energiewandlungsprozesse und werden als thermodynamische Zustände beschrieben.
Der Energiebedarf für eine entsprechende Temperaturänderung bis eine Aggregatszustandsänderung auftritt, lässt sich durch das Produkt der spezifischen Wärmekapazität c von Eis bzw. Wasser, je nachdem welcher Aggregatszustand vorherrscht, der eingespeicherten Wassermasse m im Partikelfilter und der nötigen Temperaturänderung dT berechnen: Q (i) = c*m*dT. Der Index i gibt dabei den Berechnungsschritt an.
Der Energiebedarf für eine Aggregatszustandsänderung lässt sich als Produkt aus der Schmelzenthalpie q(s) bzw. Verdampfungsenthalpie q(v) und der Wassermasse m im Partikelfilter ausdrücken: Q (i+1) = q (s, v)*m.
Die insgesamt benötigte Energie für die Zustandsänderung beträgt Q_GES=Q(i)+Q(i+1).
Desweiteren wird die benötigte Energie zur Aufheizung des Partikelfilters selbst berechnet und mit der benötigten Energie zur Zustandsänderung addiert. Diese Berechnungen werden parallel für alle Zustandsänderungen von fest zu flüssig bzw. von flüssig zu gasförmig ausgeführt. Im Falle einer Vereisung des Partikelfilters wird nun auf die Berechnung der benötigten Energie zurückgegriffen und als Schwellwert gesetzt. Sobald dieser Schwellwert erreicht wird, kann davon ausgegangen werden, dass sich kein Eis bzw. kein flüssiges Wasser im Partikelfilter befindet und der Austrag kann normal weiterberechnet werden.
Es kann zielgerichtet eine Behandlung des vorliegenden Zustands des Wassers im Partikelfilter durchgeführt werden. Die dabei ausgeführten Maßnahmen können so explizit ausgewählt werden, dass sie z.B. nur den Austrag von Eis und flüssigen Wasser ermittelt und nicht pauschal länger wirken als notwendig.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

1 eine stark schematische Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasstrang dargestellt,
2 in einem Diagramm die Wassermenge in fester und flüssiger Form im Ottopartikelfilter des Abgasstrangs über der Zeit aufgetragen.

1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 1, die einen Abgasstrang 2 aufweist. Der Abgasstrang weist der stromabwärts der Zylinder 3 eine erste Lambdasonde 4, weiter stromabwärts einen Katalysator 5, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator 5 und weiter stromabwärts eine zweite Lambdasonde 6 und weiter stromabwärts einen ersten Temperatursensor 7, weiter stromabwärts einen Ottopartikelfilter 8 und stromabwärts des Ottopartikelfilters 8 einen zweiten Temperatursensor 9 auf.
Der erste Temperatursensor 7 ist stromaufwärts des Ottopartikelfilters 8 angeordnet und der zweite Temperatursensor 9 ist stromabwärts des Ottopartikelfilters 8 angeordnet. Durch Messung der Temperatur der Abgasstroms 2 vor dem Ottopartikelfilter 8 und nach dem Ottopartikelfilter 8 kann ermittelt werden, wieviel Wärmeenergie dem Abgas durch den Ottopartikelfilter und dem darin enthaltenen Wasser entzogen worden ist. Mit dem vorliegenden Verfahren kann eine im Ottopartikelfilter 8 vorhandene Wassermenge bestimmt und nach Aggregatszuständen differenziert werden. Diese Bestimmung wird fortlaufend vorgenommen.
Wenn das Auto zum ersten Mal gestartet wird nach der Produktion oder, wenn ein neuer Ottopartikelfilter eingebaut worden ist, so ist zunächst kein Wasser im Ottopartikelfilter vorhanden. Es werden nun fortan die physikalischen Randbedingungen zum Ein- und Austritt von Wasser anhand der Werte der beiden Temperatursensoren 7, 9 berechnet.
Bei dem Verfahren werden die Aggregatszustände des vorhandenen Wassers im Ottopartikelfilter 9 ermittelt. Durch die Bilanzierung der Wärmemenge können die Wasserbestandteile zugeordnet und ineinander überführt werden. Wenn das Fahrzeug abgestellt wird, so wird vorzugsweise eine Abstellzeit ermittelt. Diese Abstellzeit wird bei der Bestimmung der Wassermenge im Ottopartikelfilter 8 und auch der Aggregatszustand des Wassers im Ottopartikelfilter 8 ebenfalls berücksichtigt. Es werden somit auch längere Abkühlphasen berücksichtigt, bei denen Aggregatszustandswechsel stattfinden können. Als weiterer Parameter zur Bestimmung der Aggregatszustände wird vorzugsweise die Umgebungstemperatur mit einem hier nicht dargestellten Sensor gemessen.
Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur unter 0 Grad liegt und eine längere Abstellzeit erkannt worden ist, kann angenommen werden, dass das Wasser im Ottopartikelfilter 8 gefroren ist.
In 2 ist nun die Wassermenge im Aggregatszustand fest, d.h. eisförmig und im Aggregatszustand flüssig in Form der Kurven 10 und 11 aufgetragen. Zunächst ist das gesamte Wasser im Ottopartikelfilter 8 gefroren. Mit zunehmender Zeit verflüssigt sich ein zunehmender Teil des Eises bis schließlich das gesamte Wasser nur noch in flüssiger Form vorliegt. Bei einer weiteren Erwärmung verdunstet das flüssige Wasser und geht in den gasförmigen Zustand über, wobei es durch den Abgasstrom 2 aus dem Ottopartikelfilter 8 ausgetragen wird. Diese drei Phasen des Wassers, nämlich fest, d.h. eisförmig, flüssig und gasförmig werden durch die oben geschilderte Energiebetrachtung modellhaft simuliert. Hierdurch ist die Erkennung einer Vereisung des Ottopartikelfilters 8 verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Abgasstrang
3: Zylinder
4: Lambdasonde
5: Katalysator
6: Lambdasonde
7: Temperatursensor
8: Ottopartikelfilter
9: Temperatursensor
10: Menge ans Eis im Ottopartikelfilter
11: Menge an flüssigen Wasser im Ottopartikelfilter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015201495 A1 [0003]
JP 2006283579 A [0004]
JP 2013160208 A [0005]

Claims

Verfahren zur Erkennung der Vereisung eines Partikelfilters (8), insbesondere eines Ottopartikelfilters (8), wobei eine Temperatur des durch den Partikelfilter strömenden Abgasstroms (2) bestimmt wird, wobei anhand der bestimmten Temperatur des Abgasstroms (2) eine Vereisung des Partikelfilters (8) erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgasstroms (2) vor dem Partikelfilter (8) und die Temperatur des Abgasstroms (2) nach dem Partikelfilter (8) bestimmt werden, wobei anhand der bestimmten Temperaturdifferenz ein Wärmeeintrag in den Partikelfilter (8) und die Menge des im Partikelfilter (8) enthaltenen Wassers bestimmt wird, wobei die vorhandenen Aggregatszustände des Wassers im Partikelfilter (8) berechnet werden durch Bilanzierung der Wärmemenge.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf für die Temperaturänderung bis zu einer Aggregatszustandsänderung bestimmt wird, wobei das Produkt der spezifischen Wärmekapazität c von Eis bzw. Wasser, je nachdem welcher Aggregatszustand vorherrscht, der eingespeicherten Wassermasse m im Partikelfilter und der nötigen Temperaturänderung dT berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf für die Aggregatszustandsänderung bestimmt wird, wobei der Energiebedarf für eine Aggregatszustandsänderung als Produkt aus der Schmelzenthalpie q(s) bzw. der Verdampfungsenthalpie q(v) und der Wassermasse m im Partikelfilter berechnet wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Vereisung des Partikelfilters die benötigte Energie zum Schmelzen des Eises berechnet wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Energie zur Aufheizung des Partikelfilters (8) selber berechnet wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom durch den Partikelfilter (8) erfasst wird, der ebenfalls zur Berechnung des Wärmeeintrags genutzt wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungstemperatur bestimmt wird und bei der Berechnung der Aggregatzustände berücksichtigt wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Standzeit des Kraftfahrzeugs bestimmt wird und bei der Berechnung der Aggregatzustände berücksichtigt wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Temperatursensors (7) die Temperatur des Abgasstroms (2) vor dem Partikelfilter (8) gemessen wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Temperatursensors (9) die Temperatur des Abgasstroms (2) nach dem Partikelfilter (8) gemessen wird.
Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Temperatur des Abgasstroms (2) vor dem Partikelfilter (8) und/oder die Temperatur nach dem Partikelfilter (8) durch ein Modell bestimmt werden/wird.