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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Zur Einhaltung von Emissionsvorschriften sind Dieselpartikelfilter im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor erforderlich. Der Partikelfilter muss in gewissen Zeitabständen von seinen Rußablagerungen befreit werden, damit sein Durchflusswiderstand die Motorleistung nicht verringert. Dazu wird die Rußschicht abgebrannt, wobei sich aus dem Ruß Kohlendioxid und Wasserdampf bilden. Zur Rußverbrennung sind Abgastemperaturen von üblicherweise mehr als 550°C erforderlich. Diese Temperaturen werden im Fahrzeugeinsatz nicht zuverlässig erreicht, sodass Zusatzmaßnahmen für die Regeneration ergriffen werden. Hierzu wird zusätzlich Energie in den Partikelfilter eingeleitet, indem dieser beispielsweise mittels einer elektrischen Heizscheibe beheizt wird, ein Kraftstoffbrenner eingesetzt wird, oder eine Kraftstoffnacheinspritzung in den Motorbrennraum erfolgt. Die Wahl des Zeitpunkts zu dem eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet wird, orientiert sich beispielsweise an einer gefahrenen Strecke des Kraftfahrzeugs und der Druckdifferenz über den Partikelfilter. Zusätzlich müssen bestimmte Randbedingungen, wie beispielsweise eine ausreichende Motortemperatur bzw. Abgastemperatur, gewährleistet sein. Es muss auch sichergestellt werden, dass während der gesamten Regeneration geeignete Bedingungen vorherrschen. Die Regeneration wird üblicherweise beendet, wenn die Rußbeladung des Partikelfilters auf einen vorgegebenen Schwellenwert sinkt. Dies wird als vollständige Regeneration bezeichnet.
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Es ist energetisch unvorteilhaft eine Regeneration zu beginnen, die aufgrund eines Fahrtendes des Kraftfahrzeugs nicht zu Ende geführt werden kann. Außerdem ist zu beachten, dass die Regeneration des Partikelfilters ein exothermer Prozess ist. Mit Übergang des Kraftfahrzeugs in den Leerlauf besteht deshalb die Gefahr, dass im Falle eines hochgeladenen Partikelfilters der Abgasmassenstrom abnimmt und es bei gleichzeitiger Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks zu einer Temperaturerhöhung im Partikelfilter kommt, die zu dessen Zerstörung führen kann. Die
JP 2003314250 A schlägt deshalb vor aus Daten eines Fahrzeugnavigationssystems abzuschätzen, wieviel Zeit noch bis zum Fahrtende zur Verfügung steht. Aus Daten früherer Regenerationen wird außerdem abgeschätzt wie lange die Regeneration voraussichtlich dauern wird. Sollte der Abgleich dieser Daten ergeben, dass die Regeneration des Partikelfilters vor Erreichen des Fahrtendes voraussichtlich nicht mehr abgeschlossen werden kann, so wird der Start der Regeneration unterdrückt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters eines Kraftfahrzeugs sieht vor, dass eine Fahrtroute des Kraftfahrzeugs prädiziert wird. Dies kann beispielsweise auf der Grundlage einer Benutzereingabe in ein Fahrzeugnavigationssystem erfolgen. Es ist jedoch auch möglich Verfahren zur Prädiktion der Fahrtroute anzuwenden, die von einer Benutzereingabe unabhängig sind. Auf der prädizierten Fahrroute werden Verläufe von Regenerationen mit unterschiedlichen Startzeitpunkten simuliert. Für den tatsächlichen Start der Regeneration wird dann unter jenen Startzeitpunkten der Startzeitpunkt ausgewählt, bei dem ein vorgebbares Optimierungskriterium der Regeration voraussichtlich am besten erfüllt wird.
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Die Simulation der Regenerationsverläufe ist hierzu bereits bei einem Befahren der Fahrtroute in der Vergangenheit vorgenommen worden ist. Zu jedem der Startzeitpunkte, wurde dann eine Simulation einer Regeneration durchgeführt, die jeweils mit Parametern aus den aktuellen Betriebsdaten des Kraftfahrzeugs versorgt werden konnte. Wenn eine spätere Prädiktion einer Fahrtroute des Kraftfahrzeugs ergibt, dass dieses sich erneut auf der Fahrtroute bewegen wird, für welche bereits Regenerationsverläufe simuliert wurden, kann im Falle einer erforderlichen Regeneration des Abgaspartikelfilters der optimale Startzeitpunkt der Regeneration aus den bereits vorliegenden Simulationsdaten ausgewählt werden.
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Als Parameter bei der Simulation der Verläufe der Regenerationen mit unterschiedlichen Startzeitpunkten, werden vorzugsweise zumindest eine Rußbeladung des Abgaspartikelfilters eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und eine Abgastemperatur des Kraftfahrzeugs berücksichtigt. Die Rußbeladung kann hierzu als Rußmasse ausgedrückt werden. In einem ersten Schritt der Simulation wird die Rußmasse auf den Wert gesetzt, bei dem die Regeneration üblicherweise gestartet wird. Als Abgastemperatur wird vorzugsweise eine Abgastemperatur stromaufwärts des Abgaspartikelfilters und besonders bevorzugt auch stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers des Kraftfahrzeugs verwendet. Dieser Wert kann insbesondere mittels eines Temperatursensors nicht weit stromabwärts des Verbrennungsmotors gemessen werden.
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Insbesondere kann bei jeder Simulation eine vom Abgasmassenstrom und der Abgastemperatur abhängige Wartezeit gewartet werden, bevor die Simulation gestartet wird. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass es nach dem Start einer realen Regeneration eine gewisse Zeit dauert, bis das Abgassystem so weit aufgewärmt ist, dass tatsächlich Ruß abbrennt.
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Die unterschiedlichen Startzeitpunkte werden vorzugsweise so gewählt, dass jeder Startzeitpunkt einen vorgebbaren Mindestabstand zum vorhergehenden Startzeitpunkt aufweist und außerdem zu einem Zeitpunkt liegt, zu dem kein Verbot eines Starts der Regeneration vorliegt. Idealerweise starten alle simulierten Regenerationen auf diese Weise jeweils in einem Abstand zueinander, der dem vorgebbaren Mindestabstand entspricht. Hierdurch wird eine gleichmäßige Folge von Simulationen erreicht, wobei der Mindestabstand einerseits so kurz gewählt werden sollte, dass eine große Auswahl an Startzeitpunkten zur Verfügung steht, von denen einer für den tatsächlichen Start der Regeneration verwendet werden kann und dass andererseits aber auch nicht so viele Simulationen durchgeführt werden, dass hierbei ein inakzeptabel hoher Rechenaufwand entstehen würde. Andererseits wird jedoch auch vermieden, dass Regenerationen simuliert werden, welche in der Realität so nicht durchgeführt werden könnten, weil ihr Startzeitpunkt beispielsweise bei einem Stillstand des Kraftfahrzeugs liegt, was aufgrund des geringen Abgasmassenstroms im Leerlauf ein Verbotskriterium für ein Start der Regeneration darstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Optimierungskriterium ein Zeitraum, der benötigt wird, um eine Rußbeladung des Abgaspartikelfilters auf einen vorgebbaren Wert zu senken. Dieser vorgebbare Wert ist insbesondere der Wert der Rußbeladung, der in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs als Schwellenwert hinterlegt ist, bei dem auch eine tatsächlich durchgeführte Regeneration abgebrochen würde.
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Alternativ zur reinen Optimierung aufgrund der Zeitdauer, ist es in einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens bevorzugt, dass das Optimierungskriterium ein Wert F ist, der zumindest aus einem Zeitraum, der benötigt wird um eine Rußbeladung des Abgaspartikelfilters auf einen vorgegebenen Wert zu senken und aus einer für die Regeneration benötigten Energiemenge, berechnet wird. Diese Berechnung kann gemäß Formel 1 erfolgen:
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Dabei bezeichnet Δt den Zeitraum und E bezeichnet die Energiemenge. f1 ist ein applizierbarer Kostenfaktor für die Regenerationsdauer und f2 ist ein applizierbarer Kostenfaktor für die aufgewandte Energiemenge. Es ist besonders bevorzugt in den Wert F gemäß Formel 1 weitere Summanden eingehen zu lassen, um ein noch differenzierteres Optimierungskriterium zu erhalten. Dabei können weiterhin insbesondere die Entstehung von Stickoxiden während der Regeneration und die Ölverdünnung berücksichtigt werden. Jedem dieser Werte wird dabei wiederum ein eigener Kostenfaktor zugewiesen.
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Aus den Simulationen der Regernationsverläufe kann auch erkannt werden, ab welchem Zeitpunkt die Regeneration auf der prädizierten Fahrtroute voraussichtlich nicht mehr vollständig durchgeführt werden kann. Unter „vollständig durchgeführt“ wird dabei verstanden, dass die Rußbeladung auf den Wert abgesenkt werden kann, der für einen Abbruch der Regeneration vorgesehen ist. Es ist bevorzugt keinen Startpunkt auszuwählen, bei dem die Regeneration voraussichtlich nicht vollständig durchgeführt werden kann, um so ein starkes Aufheizen des Abgaspartikelfilters zu vermeiden, welches dann im Stillstand des Kraftfahrzeugs durch einen fehlenden Abgasmassenstrom zum einen nicht mehr zur Regeneration genutzt werden kann und zum anderen die Gefahr einer Schädigung des Abgaspartikelfilters birgt.
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Grundsätzlich können die unterschiedlichen Startzeitpunkte auf der prädizierten Fahrtroute beispielsweise mittels eines Segmentindexes oder aufgrund der gefahrenen Strecke des Kraftfahrzeugs festgelegt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass die unterschiedlichen Startzeitpunkte in gleichen Luftlinienabständen zueinander gewählt werden. Um die hierfür notwendige Berechnung zu vereinfachen, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Prädiktion der Fahrtroute so erfolgt, dass auf dieser aufeinanderfolgende Punkte mit gleichen Luftlinienabständen zueinander bereitgestellt werden. Die Fahrtroute kann so durch wenige Punkte, die für die weitere Prädiktion relevant sind, definiert werden und auf diese Weise mit einer geringen Datenmenge abgespeichert werden.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen.
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Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Regeneration eines Abgaspartikelfilters eines Kraftfahrzeugs vorzunehmen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung ausgewählter Elemente eines Kraftfahrzeugs, dessen Abgaspartikelfilter mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung regeneriert werden kann.
- 2 zeigt schematisch die Ausführung ausgewählter Rechenschritte in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Rußbeladung eines Abgaspartikelfilters in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, der vorliegend als Dieselmotor ausgeführt ist. Dieser weist einen Abgasturbolader 20 auf. In einer Luftzufuhr 11 des Verbrennungsmotors 10 ist ein Kompressor 21 des Abgasturboladers 20 angeordnet. Zwischen dem Kompressor 21 und dem Verbrennungsmotor 10 befindet sich das Saugrohr 12 des Verbrennungsmotors 10. Die Abgase des Verbrennungsmotors 10 werden in einen Abgasstrang 13 ausgestoßen. In diesem ist eine Turbine 22 des Abgasturboladers 20 angeordnet. Zwischen der Turbine 22 und dem Verbrennungsmotor 10 befindet sich im Abgasstrang 13 ein Temperatursensor 14 zur Messung der Abgastemperatur. Ein Abgaspartikelfilter 15 ist stromabwärts der Turbine 22 im Abgasstrang 13 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 wird durch ein elektronisches Steuergerät 16 gesteuert.
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In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedes Mal, wenn das Kraftfahrzeug eine Fahrtroute zurücklegt auf dieser Fahrtroute eine Vielzahl von Regenerationen des Abgaspartikelfilters 15 simuliert. Hierzu wird die Fahrtroute in Sequenzen unterteilt, die einen gleichen Luftlinienabstand zueinander haben. Der Beginn und das Ende jeder Sequenz werden unter Verwendung ihrer GPS Daten als Datenpunkt gespeichert. Jede Simulation wird in mehreren Durchläufen durchgeführt. Wie in 2 dargestellt ist, wird in jedem Durchlauf die Rußbeladung mSot des Abgaspartikelfilters 15 als Eingangsgröße verwendet. Für jeden weiteren Durchlauf wird dann die Ausgangsgröße des vorhergehenden Durchlaufes als Eingangsgröße verwendet. Die Rußbeladung mSot wird einer ersten Kennlinie 31 zugeführt. Weiterhin wird die aktuell mittels des Temperatursensors 14 gemessene Temperatur T3 im Abgasstrang 13 stromaufwärts der Turbine 22 als weitere Eingangsgröße der Berechnung verwendet und einer zweiten Kennlinie 32 zugeführt. Die Geschwindigkeit Vehv des Kraftfahrzeugs wird als dritte Eingangsgröße verwendet und einer dritten Kennlinie 33 zugeführt. Die aus den drei Kennlinien 31, 32, 33 erhaltenden Werte werden miteinander multipliziert, um eine verbrannte Rußmasse dmSotBurn zu ermitteln. Diese wird von der aktuellen Rußbeladung mSot abgezogen, um den neuen Wert der Rußbeladung mSot zu erhalten.
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3 zeigt den Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit Vehv mit der Zeit t für eine Fahrtroute, die innerhalb eines Zeitraums von 1900 Sekunden zurückgelegt wird. Jede Simulation einer Regeneration wird bei einer fiktiven Rußbeladung mSot von 25 g gestartet. Dies ist vorliegend die Rußbeladung bei der in einem herkömmlichen Betrieb des Kraftfahrzeugs ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Regeneration des Abgaspartikelfilters gestartet würde. Die Durchläufe der Simulation gemäß 2 werden dann so oft wiederholt, bis sich die Rußbeladung mSot auf 10 g verringert hat. Dies ist der Wert, bei dem eine Regeneration des Abgaspartikelfilters im Betrieb des Kraftfahrzeugs abgebrochen wird, weil ein Versuch weiteren Ruß abzubrennen energetisch nicht mehr effizient wäre. Eine Regeneration bei welcher die Rußbeladung mSot auf 10 g gesenkt wird, wird deshalb als vollständige Regeneration verstanden.
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Für die Durchführung der Simulationen ist vorliegend ein Mindestabstand der Startpunkte der Simulation von 50 Sekunden vorgegeben. Sofern keine Bedingungen vorliegen aufgrund derer ein Start einer Regeneration des Abgaspartikelfilters 15 verboten wäre, werden die Simulationen in diesem Mindestabstand gestartet. Durch das Vorliegen von Verbotsbedingungen kann sich der zeitliche Abstand zwischen einzelnen Simulationsstarts jedoch auch vergrößern. So startet die erste Simulation nicht bereits beim Start des Kraftfahrzeugs, sondern erst nach einer Zeit t von 125 Sekunden, da bis dahin keine ausreichende Mindestgeschwindigkeit Vehv des Kraftfahrzeugs für einen Regenerationsstart erreicht wurde. Auch einige weitere Zeitpunkte, die aufgrund des Mindestabstandes für den Start einer Simulation geeignet wären, werden tatsächlich nicht genutzt, weil die Fahrzeuggeschwindigkeit Vehv zum jeweiligen Zeitpunkt zu niedrig ist.
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Es ist aus 3 erkennbar, dass eine vollständige Regeneration letztmals bei einem Start der Regeneration nach 775 Sekunden erreicht werden kann. Die Simulationen aller später gestarteten Regenerationen enden aufgrund des Stopps des Kraftfahrzeugs nach 1800 Sekunden Fahrt bei einer Rußbeladung mSot von mehr als 10 g. Die Simulationsergebnisse werden zusammen mit der Fahrtroute gespeichert. Damit ist zu jeder gespeicherten Fahrtroute zum einen die Information verfügbar, ab welchem Startzeitpunkt der Regeneration nicht mehr mit einer vollständigen Regeneration bis zum Fahrtende zu rechnen ist (last mile home) und zum anderen kann für jeden Startzeitpunkt einer Regeneration abgeschätzt werden, wie lange es dauern wird bis die Rußbeladung mSot auf einen Wert von 10 g gesunken ist und die Regeneration damit vollständig abgeschlossen wurde. Wenn die Regenerationsdauer als Optimierungskriterium verwendet wird, kann auf diese Weise unter den möglichen Regenerationen der optimale Startzeitpunkt einer Regeneration ausgewählt werden.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der optimale Startzeitpunkt nicht allein aufgrund einer möglichst geringen Regenerationsdauer gewählt. Stattdessen wird für jede simulierte Regeneration gemäß Formel 1 ein Wert F berechnet, der zum einen von der Regenerationsdauer Δt und zum anderen von der für die Regeneration aufgewandten Energie E abhängt. Als optimal wird dann der Startzeitpunkt je nach Regeneration angesehen, für welche der Wert F minimal wird.
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In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach einem Start des Kraftfahrzeugs versucht, die Fahrtroute des Kraftfahrzeugs zu prädizieren 40. Wenn der Fahrer sein Fahrtziel nicht in ein Navigationssystem des Kraftfahrzeugs eingegeben hat, so wird die Startposition des Kraftfahrzeugs mit den Startpositionen vergangener Fahrtrouten des Kraftfahrzeugs verglichen. Finden sich hier Übereinstimmungen, so wird aufgrund der Uhrzeit und des Wochentages zu dem die gespeicherten Fahrtrouten in der Vergangenheit gestartet wurden, sowie dem aktuellen Wochentag und der aktuellen Uhrzeit abgeschätzt, welche dieser Fahrtrouten der Fahrer am wahrscheinlichsten zurücklegen wird und diese als prädizierte Fahrtroute verwendet. Sollte es auf diese Weise nicht gelingen eine Fahrtroute zu prädizieren, so erfolgt ein Beenden 51 des erfindungsgemäßen Verfahrens und das Kraftfahrzeug kehrt zu einer im elektronischen Steuergerät 16 hinterlegten herkömmlichen Regenerationsstrategie seines Abgaspartikelfilters 15 zurück. Wenn die Prädiktion der Fahrtroute hingegen gelingt, erfolgt eine Prüfung 41, ob die Rußbeladung mSot bereits so groß ist, dass eine Regenerationsanforderung für die aktuelle Fahrt des Kraftfahrzeugs vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt ebenfalls ein Beenden 51 des Verfahrens aufgrund einer Rückkehr zur herkömmlichen Regenerationsstrategie. Liegt hingegen die Regenerationsanforderung vor, so erfolgt eine weitere Prüfung 42, ob die Rußbeladung mSot bereits einen Schwellenwert für eine Überladung des Abgaspartikelfilters 15 mit Ruß erreicht hat. Sollte dies der Fall sein, so ist eine sofortige Einleitung der Regeneration erforderlich und diese wird gestartet 52. Ist die Rußbeladung mSot hoch genug, damit während der vorausliegenden Fahrt eine Regeneration des Abgaspartikelfilters 15 erfolgen sollte, wobei diese jedoch nicht dermaßen hoch ist, dass ein sofortiger Start der Regeneration erforderlich wäre, so erfolgt eine weitere Prüfung 43, ob es möglich wäre auf der prädizierten Fahrtroute die Regeneration vollständig abzuschließen. Ist dies nicht möglich, so erfolgt eine aktive Unterdrückung 53 der Regeneration und diese wird auf diese Weise verschoben. Es erfolgt eine Rückkehr zum Schritt 40 in dem überprüft wird, ob die Vorhersage der Route nach wie vor gegeben ist, sich das Kraftfahrzeug also auf der prädizierten Route befindet, oder ob es von dieser abgewichen ist. Falls die Regeneration nicht unterdrückt wurde, so erfolgt als nächstes eine Prüfung 44, ob der aufgrund der Simulationen möglicher Regenerationsstartpunkte ermittelte optimale Startpunkt der Regeneration bereits erreicht wurde. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt ebenfalls eine vorübergehende Unterdrückung 53 des Regenerationsbeginns. Anderenfalls erfolgt ein Start 52 der Regeneration.
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Herkömmliche Regenerationsstrategien, die im Steuergerät 16 hinterlegt sein können, enthalten zum Starten der Regeneration als Parameter neben der Rußbeladung mSot bereits ein sogenanntes Maß für die Günstigkeit der Regeneration, dessen Wert verwendet werden kann um die Regeneration an günstigen Punkten häufiger zu starten als an ungünstigen Punkten. Die Günstigkeit wird dabei beispielsweise auf der Grundlage eines im Navigationssystem hinterlegten Straßentyps festgelegt, wobei eine Fahrt auf der Autobahn als günstig und eine Fahrt auf einer Stadtstraße als ungünstig für die Regeneration angesehen wird. Im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Starten 52 der Regeneration durch einen Eingriff in die herkömmliche Regenerationsstrategie. Hierzu wird dann, wenn die Prüfung 44 ergibt, dass die optimale Startposition für eine Regeneration erreicht wurde, das Maß für die Günstigkeit durch einen Prozess des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ihren Maximalwert gesetzt und auf diese Weise die Regeneration ausgelöst. Für die Unterdrückung 53 wird das Maß hingegen auf „sehr ungünstig“ gesetzt. Sollte die Rußmasse auf einen sehr hohen Wert steigen, würde das elektronische Steuergerät 16 auch bei „sehr ungünstig“ eine „Not-Regeneration“ starten, was der Robustheit der Lösung zuträglich ist. Insbesondere spart man auf diese Weise auch das Fehlerhandling in der erfindungsgemäßen Lösung, weil im Zweifelsfall die konventionelle Logik einfach übernimmt. Dies ermöglicht die Implementierung des vorliegenden Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine bereits vorhandene Regenerationssoftware im elektronischen Steuergerät 16, ohne diese vollständig durch eine neue Software ersetzen zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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