DE102020201503A1 - Computergestütztes Simulationsverfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und Partikelfilter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Simulationsverfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch Bestimmen der Partikelanzahl im oder am Auspuffrohr des Kraftfahrzeugs sowie einen Partikelfilter.

Description

• Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Simulationsverfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie einen Partikelfilter, dessen Leistung durch ein derartiges Verfahren bestimmbar ist.
• Beim Betrieb von Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen werden Partikelfilter verbaut, mit denen Partikel aus dem die Brennkraftmaschine verlassenden Abgas filterbar ist.
• Aus dem Stand der Technik sind computergestützte Simulationsverfahren zum Bestimmen einer Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei denen die Partikelanzahl der dem Partikelfilter verlassende Partikel aufgrund einer linearen Korrelation bezüglich der Partikelanzahl der die Brennkraftmaschine verlassende Partikel ermittelt wird. Diese Korrelation ist akkurat, wenn die die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel eine gleichförmige und homogene Fließrate und Temperatur umfassen.
• Die Leistung eines Partikelfilters ist verbessert, wenn sich Ruß innerhalb des Partikelfilters absetzt. Dieses ist jedoch ein kurzzeitiger Effekt und geht verloren, wenn der Ruß innerhalb der Brennkraftmaschine aufgrund sehr hoher Temperaturen und Fließraten vollständig verbrannt wird.
• Langfristig kann die Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine mit zunehmendem Kilometerstand verbessert werden, wenn sich Asche innerhalb der Kanäle des Partikelfilters absetzt.
• Die bekannten computergestützten Simulationsverfahren sind jedoch für neue Partikelfilter, also Partikelfilter die weniger als 3.000 km Fahrleistung absolviert haben, sehr ungenau und können Abweichungen zwischen Simulation und Realität von über 50 % umfassen.
• Eine Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, ein computergestütztes Simulationsverfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie einen Partikelfilter, dessen Leistung durch ein derartiges computergestütztes Simulationsverfahren bestimmbar ist, vorzuschlagen, bei dem die Leistung des Partikelfilters auch im frühen Lebenszyklus genauer bestimmbar ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein computergestütztes Simulationsverfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch Bestimmen der Partikelanzahl im oder am Auspuffrohr des Kraftfahrzeugs mit den Schritten:
1. a. Erfassen oder Vorgeben einer Partikelanzahl der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel (EO_PN) durch ein Sensormittel bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz;
2. b. Erfassen oder Vorgeben der durchschnittlichen Geschwindigkeit (SV) der den Partikelfilter verlassenden Partikel durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz; und
3. c. Abschätzen oder Bestimmen einer Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch den Zusammenhang:
   • i. $\text{TP}\_\text{PN}=\text{c}*\left(\text{EO}\_\text{PN}*\text{SV}\right)\text{d};\text{ mit c und d}=\text{const}.$
     
• Dadurch, dass das Abschätzen oder Bestimmen der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel in Abhängigkeit der durchschnittlichen Geschwindigkeit, der den Partikelfilter verlassenden Partikel abgeschätzt oder bestimmt wird, lässt sich ein genauerer Schätzwert der Partikelanzahl, der in den Partikelfilter verlassende Partikel bestimmen. Hierdurch ist die Leistung des Partikelfilters durch eine der Realität näherkommenden Abschätzung ermöglicht.
• Bei bisherigen Verfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters sind bei neuen Partikelfiltern, also Partikelfilter, die bisher weniger als 3.000 km mit dem Kraftfahrzeug absolviert haben, nahezu die Hälfte aller nach herkömmlichen Verfahren geschätzten Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel mit einer Abweichung von 25% bis 65% fehlerbehaftet. Durch das zuvor vorgeschlagene Verfahren lassen sich die Fehler derart reduzieren, dass eine Abweichung zwischen tatsächlicher Partikelanzahl, der den Partikelfilter verlassenden Partikel und abgeschätzter oder bestimmter Partikelanzahl, der den Partikelfilter verlassenden Partikel nur noch in unter 30% aller Fälle auftreten und der Fehler dann 50% nicht überschreitet.
• Unter der Leistung eines Partikelfilters wird die Fähigkeit des Partikelfilters verstanden, die Partikelanzahl der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel aus dem Abgas aufzunehmen und hierdurch die Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel erheblich zu reduzieren.
• Die Genauigkeit des Ergebnisses des computergestützten Simulationsverfahrens lässt sich weiter verbessern, wenn das Verfahren zusätzliche nachfolgende Schritte umfasst:
1. a. Erfassen oder Vorgeben des durchschnittlichen durchschnittlicher Abgasvolumenstrom (dV) und der durchschnittlichen Temperatur (T) der den Partikelfilter verlassenden Partikel durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz;
2. b. Abschätzen oder Bestimmen einer Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch den erweiterten Zusammenhang:
   1. i. TP_PN = e * (EO_PN * SV/dV)^f; wenn dV < x und T < y; mit e und f = const.; oder
   2. ii. TP_PN = g * (EO_PN * SV)^h; wenn dV > x und T > y mit g und h = const.
• Hierdurch lässt sich das Auftreten von Abweichungen zwischen abgeschätzter Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel und tatsächlicher Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel auf unter 20% aller Werte reduzieren und ein Fehler 45% nicht überschreiten.
• Hierdurch ist das Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters weiter verbessert.
• Die zuvor genannten Verfahrensschritte erweisen sich insbesondere bei der Verwendung von neuen Filtern, also von Partikelfiltern, die weniger als 3.000 km in dem Fahrzeug verwendet wurden. Die Anwendung des Verfahrens lässt sich auf einfache Weise auf Partikelfilter mit unterschiedlicher Lebensdauer anwenden durch die Schritte:
1. a. Erfassen oder Vorgeben eines Kilometerstands des Kraftfahrzeugs und eines mittleren Öl Kraftstoffverbrauchs;
2. b. Berechnen einer permanenten Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter auf Grundlage des Kilometerstands des Kraftfahrzeugs und des mittleren Öl Kraftstoffverbrauchs;
3. c. Verwerfen der Abschätzung oder Bestimmung der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN), wenn die berechnete permanente Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter über 1 Gramm umfasst und Abschätzen oder Bestimmen einer Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch den Zusammenhang:
   • i. $\text{TP}\_\text{PN}=\text{a}*\left(\text{EO}\_\text{PN}\right)\text{b}$
     
4. d. Validieren der Abschätzung oder Bestimmung der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN), wenn die berechnete permanente Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter unter 1 Gramm umfasst.
• Hierdurch ist es ermöglicht, die bereits im Partikelfilter angeordneten Ablagerungen abzuschätzen oder zu bestimmen. Die Leistung des Partikelfilters nimmt mit zunehmender Partikelablagerung von Asche zu.
• Hierdurch wird im Verfahrensschritt c. festgestellt, dass die im Partikelfilter vorhandene Partikelablagerung von Asche einen bestimmten Grad übersteigt und hierdurch ein weiterer, vereinfachter Zusammenhang zum Abschätzen oder Bestimmen der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel für bessere Ergebnisse Anwendung findet.
• Ist die Ablagerung der Asche Partikel innerhalb des Partikelfilters noch nicht so weit vorangeschritten, wird das Ergebnis im Verfahrensschritt d. validiert.
• Das Verfahren lässt sich weiter verbessern, wenn das Berechnen einer permanenten Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter auf Grundlage des Kilometerstands des Kraftfahrzeugs und des mittleren Öl Kraftstoffverbrauchs ein Einbeziehen der Verbrennungstemperatur der Brennkraftmaschine und/oder der Fließrate der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel (EO_PN) umfasst.
• Solchenfalls ist genauer abschätzbar oder bestimmbar, wie viel und wie hoch eine Partikelablagerung im Partikelfilter bereits stattgefunden hat. Bei hohen Verbrennungstemperaturen und bei einer hohen Fließrate, ist die permanente Partikelablagerung von Asche reduziert.
• Die in den einzelnen Verfahrensschritten verwendeten Parameter umfassen konstante Werte. Solchenfalls erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verfahren nachfolgenden Schritt umfasst:
1. a. Bestimmen oder Vorgeben der konstanten Parameter a, b, c, d, e, f, g und h sowie die Bedingungswerte des Abgasvolumenstrom (dV) × und der Temperatur (T) y;
• Um das Verfahren zu vereinfachen, kann bei einer Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform vorgesehen sein, dass die konstanten Parameter folgende Werte umfassen: a = 0,2144, b = 0,9939, c = 3*10^(-06), d = 1,0474, e = 2 * 10 ^(-06), f = 1,1526, g = 3*10^(-06) und h = 1,0474 sowie die Bedingungswerte folgende Werte umfassen: x = 40 I/s und y = 850 K.
• Mit den zuvor genannten Parametern lässt sich eine zweckmäßige Annäherung oder Übereinstimmung zwischen abgeschätzter und bestimmter Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel und der realen Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel erzeugen.
• Alternativ oder ergänzend hierzu, kann in einer Weiterbildung des Verfahrens folgende Verfahrensschritte vorgesehen sein:
1. a. Erfassen der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel;
2. b. Bestimmen einer Abweichung der abgeschätzten oder bestimmten Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) und den erfassten Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN);
3. c. Kalibrieren und/oder Anpassen der konstanten Parameter a, b, c, d, e, f, g und h auf Grundlage der bestimmten Abweichung.
• Hierdurch können Schätzung und Realität miteinander abgeglichen werden und die konstanten Parameter kalibriert und/oder angepasst werden, wodurch ein Optimieren des Verfahrens ermöglicht ist.
• Hierbei kann es vorgesehen sein, dass das Kalibrieren und/oder Anpassen der konstanten Parameter a, b, c, d, e, f, g und h auf Grundlage der bestimmten Abweichung mindestens eine, insbesondere mehrere, Iteration umfasst.
• Mit jedem Iterationsschritt können hierdurch die Ergebnisse verbessert werden.
• Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch einen Partikelfilter einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dessen Leistung durch ein computergestütztes Simulationsverfahren mit mindestens einen der zuvor genannten Merkmale bestimmbar ist.
• Schließlich erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Partikelfilter einen enggekoppelten und/oder unterflur Partikelfilter umfasst.
• Unter einem enggekoppelten Partikelfilter wird ein Partikelfilter verstanden, der in unmittelbarer Nähe zur Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Unter einem unterflur Partikelfilter wird ein Partikelfilter verstanden, der zur Brennkraftmaschine beabstandet ist.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des computergestütztes Simulationsverfahrens.
• In der Zeichnung zeigt:
• 1 Ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des computergestützten Simulationsverfahrens;
• 2 Ein Vergleich zwischen realer Partikelanzahl und geschätzter Partikelanzahl der dem Partikelfilter verlassenden Partikel mit herkömmlichen Verfahren;
• 3 Ein Vergleich zwischen realer Partikelanzahl und geschätzter Partikelanzahl der dem Partikelfilter verlassenden Partikel nach einer ersten Ausführungsform des Verfahrens;
• 4 Ein Vergleich zwischen realer Partikelanzahl und geschätzter Partikelanzahl der dem Partikelfilter verlassenden Partikel nach einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.
• 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines computergestützten Simulationsverfahrens zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. In einem ersten Schritt 100 wird eine Partikelanzahl der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel durch ein Sensormittel, bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz erfasst und/oder vorgegeben.
• In einem hieran anschließenden Schritt 101 wird die durchschnittliche Geschwindigkeit der dem Partikelfilter verlassenden Partikel durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel, bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz erfasst oder vorgegeben.
• In einem hieran anschließenden Schritt 103 wird die Partikelanzahl der dem Partikelfilter verlassenden Partikel abgeschätzt oder bestimmt.
• Dem Schritt 103 kann zuvor ein Bestimmen oder Vorgeben von konstanten Parametern a, b, c, d, e, f, g und h sowie ein Vorgeben der Bedingungswerte des Abgasvolumenstroms x und der Temperatur y in einem Schritt 102 vorausgehen.
• Hierbei ist es denkbar, dass die konstanten Parameter und die Bedingungswerte in dem Datensatz des Speichermittels bereits hinterlegt sind. Darüber hinaus ist es denkbar, dass im Rahmen eines Kalibrierungs- oder Anpassungsverfahrens die konstanten Parameter auf Grundlage einer erfassten Abweichung zwischen tatsächlicher Partikelanzahl der dem Partikelfilter verlassenden Partikel und abgeschätzter oder bestimmter Partikelanzahl der Partikel der den Partikelfilter verlassenden Partikel bestimmt wird.
• In einem hieran anschließenden Schritt 105 kann das Ergebnis aus Schritt 103 validiert werden. Hierzu werden aus einem parallelen Schritt 104 eine permanente Partikelablagerung im Partikelfilter in einem Schritt 104 berechnet. Wenn die permanente Partikelablagerung im Partikelfilter 1 Gramm umfasst, erfolgt eine Berechnung der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel gemäß Zusammenhang nach 2.
• Wenn jedoch die permanente Partikelablagerung vom Asche im Partikelfilter weniger als 1 Gramm erfasst, findet eine Abschätzung oder Bestimmung der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel gemäß der 3 oder 4 statt. Solchenfalls erweist es sich als vorteilhaft, wenn in einem dem Schritt 105 vorangehenden Schritt 106 ein durchschnittlicher Abgasvolumenstrom und eine durchschnittliche Temperatur der den Partikelfilter verlassenden Partikel durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel, bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz erfasst oder vorgegeben wird. Solchenfalls wird im Schritt 105 die Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel gemäß Darstellung in 4 berechnet, wenn der durchschnittliche Abgasvolumenstrom kleiner als ein Wert x und die durchschnittliche Temperatur kleiner als ein Wert y, bzw. der durchschnittliche Abgasvolumenstrom größer als ein Wert x und die durchschnittliche Temperatur größer als ein Wert y ist, berechnet und in allen sonstigen Fällen gemäß Zusammenhang nach 3.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung, können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination in der Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
• Bezugszeichenliste

EO_PN

Partikelanzahl der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel

TP_PN

Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel

SV

durchschnittliche Geschwindigkeit

dV

durchschnittliches Abgasvolumenstrom

T

Temperatur

a, b, c, d, e, f, g, h

konstante Parameter

x und y

Bedingungswerte

100-106

Verfahrensschritte

Claims (10)

1. Computergestütztes Simulationsverfahren zum Bestimmen der Leistung eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch Bestimmen der Partikelanzahl im oder am Auspuffrohr des Kraftfahrzeugs mit den Schritten: a. Erfassen oder Vorgeben einer Partikelanzahl der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel (EO_PN) durch ein Sensormittel bzw. aus einem in einem Speichermittel hinterlegten Datensatz; b. Erfassen oder Vorgeben der durchschnittlichen Geschwindigkeit (SV) der den Partikelfilter verlassenden Partikel durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel bzw. aus einem in dem Speichermittel hinterlegten Datensatz; und c. Abschätzen oder Bestimmen einer Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch den Zusammenhang: i. $\text{TP}\_\text{PN}=\text{c}*\left(\text{EO}\_\text{PN}*\text{SV}\right)\text{d};$

   

   mit c und d = const.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch die Schritte: a. Erfassen oder Vorgeben des durchschnittlichen durchschnittlicher Abgasvolumenstrom (dV) und der durchschnittlichen Temperatur (T) der den Partikelfilter verlassenden Partikel durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel bzw. aus einem im Speichermittel hinterlegten Datensatz; b. Abschätzen oder Bestimmen einer Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch den erweiterten Zusammenhang: i. $\text{TP}\_\text{PN}=\text{e}*\left(\text{EO}\_\text{PN}*\text{SV/dV}\right)\text{f};$

   

   wenn dV < x und T < y; mit e und f = const.; oder ii. $\text{TP}\_\text{PN}=\text{g}*\left(\text{EO}\_\text{PN}*\text{SV}\right)\text{h};$

   

   wenn dV > x und T > y mit g und h = const.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch die Schritte: a. Erfassen oder Vorgeben eines Kilometerstands des Kraftfahrzeugs und eines mittleren Öl Kraftstoffverbrauchs; b. Berechnen einer permanenten Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter auf Grundlage des Kilometerstands des Kraftfahrzeugs und des mittleren Öl Kraftstoffverbrauchs; c. Verwerfen der Abschätzung oder Bestimmung der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN), wenn die berechnete permanente Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter über 1 Gramm umfasst und Abschätzen oder Bestimmen einer Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch den Zusammenhang: i. $\text{TP}\_\text{PN}=\text{a}*\left(\text{EO}\_\text{PN}\right)\text{b}$

   

   d. Validieren der Abschätzung oder Bestimmung der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN), wenn die berechnete permanente Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter unter 1 Gramm umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen einer permanenten Partikelablagerung von Asche im Partikelfilter auf Grundlage des Kilometerstands des Kraftfahrzeugs und des mittleren Öl Kraftstoffverbrauchs ein Einbeziehen der Verbrennungstemperatur der Brennkraftmaschine und/oder der Fließrate der die Brennkraftmaschine verlassenden Partikel (EO_PN) umfasst.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: a. Bestimmen oder Vorgeben der konstanten Parameter a, b, c, d, e, f, g und h sowie die Bedingungswerte des Abgasvolumenstrom (dV) x und der Temperatur (T) y;
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die konstanten Parameter folgende Werter umfassen: a = 0,2144, b = 0,9939, c = 3*10^(-06), d = 1,0474, e = 2*10^(-06), f = 1,1526, g = 3*10^(-06) und h = 1,0474 sowie die Bedingungswerte folgende Werte umfassen: x = 40 I/s und y = 850 K.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Schritte: a. Erfassen der Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) durch das Sensormittel oder durch ein weiteres Sensormittel; b. Bestimmen einer Abweichung der abgeschätzten oder bestimmten Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN) und den erfassten Partikelanzahl der den Partikelfilter verlassenden Partikel (TP_PN); c. Kalibrieren und/oder Anpassen der konstanten Parameter a, b, c, d, e, f, g und h auf Grundlage der bestimmten Abweichung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren und/oder Anpassen der konstanten Parameter a, b, c, d, e, f, g und h auf Grundlage der bestimmten Abweichung mindestens eine, insbesondere mehrere, Iteration umfasst.
9. Partikelfilter einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dessen Leistung durch ein computergestütztes Simulationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bestimmbar ist.
10. Partikelfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter einen eng gekoppelten und/oder unterflur Partikelfilter umfasst.

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