DE10234340A1 - Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines katalytisch beschichteten Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, der mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beschickt wird, weist die folgenden Schritte auf: DOLLAR A a) Bestimmung der primär in den Partikelfilter eingetragenen Rußmasse, DOLLAR A b) Bestimmung der durch eine Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO¶2¶ und NO¶2¶ umgesetzten Rußmasse im Partikelfilter und DOLLAR A c) Bestimmung des integralen Rußeintrags aus den Schritten a) und b).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eine Beladungszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es ist bekannt, Partikelfilter zur Entfernung von festen Partikeln aus Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für die Entfernung von Rußbestandteilen aus Abgasen von Dieselmotoren, einzusetzen, damit diese nicht in die Umwelt gelangen können. Ferner erfüllen Partikelfilter die Aufgabe, einen stromabwärts geschalteten Katalysator vor Verunreinigungen zu schützen, die diesen zerstören bzw. zumindest in seiner Wirkung beeinträchtigen könnten.
  • Für die Aufrechterhaltung ihrer Funktionsfähigkeit müssen Partikelfilter in regelmäßigen Abständen einem Regenerationsprozeß unterzogen werden, um eine ursprüngliche Beladungskapazität wieder herzustellen. Hierfür sind verschiedene Regenerationsmethoden bekannt. Bei der thermischen Regeneration wird die Dieselpartikelfiltertemperatur so weit erhöht, daß es zu einer Entzündung und Verbrennung der im Filter aufgesammelten Partikel kommt. Die Temperaturerhöhung wird beispielsweise durch Aufheizen einer Zone im Anfangsbereich des Partikelfilters erreicht. Eine weite Methode besteht in einer Erhöhung der Abgastemperatur, die entweder durch Aufheizen eines Abgasstroms vor dem Partikelfilter mittels einer Heizvorrichtung oder durch geeignete Einflußnahme auf den Betriebszustand der Kraftmaschine, etwa durch Nacheinspritzung, Änderung einer Drosselklappenstellung und/oder Änderung einer Abgasrückführrate erfolgen kann. Ferner kann die Regeneration additivgestützt erfolgen, wobei eine Additivzudosierung zum Kraftstoff oder Additiveindüsung vor dem Partikelfilter eine Absenkung einer Rußentzündungstemperatur bewirkt, oder der Dieselpartikelfilter wird mit einem geeigneten Katalysator beschichtet.
  • Eine Steuerung der Regeneration eines Partikelfilters kann entweder passiv oder aktiv betrieben werden. Im Falle der passiven Durchführung führt eine hohe Partikelbeladung des Filters zu einem starken Druckanstieg vor dem Filter, bis schließlich die Abgastemperatur so weit erhöht ist, daß ein spontaner Partikelabbrand ausgelöst wird. Die extreme Temperaturerhöhung des Abgases und der zuweilen sehr heftig ablaufende Partikelabbrand der passiv betriebenen Regeneration birgt die Gefahr einer irreversiblen Schädigung des Partikelfilters. In einfachen, aktiv betriebenen Verfahren wird üblicherweise eine zurückgelegte Fahrstrecke oder eine Betriebsdauer der Verbrennungskraftmaschine für die Durchführung der Regeneration des Filters in festen Intervallen zugrunde gelegt. Dabei wird der Regenerationstakt derart ausgelegt, daß auch unter extremen Betriebsbedingungen, bei denen es zu vermehrtem Rußausstoß kommt, die Funktionsfähigkeit des Partikelfilters gewährleistet wird. Infolgedessen wird die Regeneration häufiger durchgeführt als dies gemäß einem tatsächlichen Beladungswert des Filters notwendig wäre. Dies führt zu einem verstärkten thermischen Verschleiß des Partikelfilters sowie zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Insgesamt wird in den bekannten Verfahren in Ermangelung an Kenntnis des tatsächlichen Beladungszustandes des Partikelfilters der Regenerationsvorgang entweder zu selten, wie bei der passiven Betreibung, oder zu häufig, wie bei den aktiven Verfahren, durchgeführt.
  • Um nun Kenntnis über den Beladungszustand des Partikelfilters zu bekommen, wird in der DE-A-199 61 159 vorgeschlagen, basierend auf der Erfassung wenigstens eines aktuellen Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, in vorbestimmten Zeitintervallen eine im aktuellen Zeitintervall durchgesetzte Rußmasse zu berechnen und durch Summierung der Rußmassen über die Zeitintervalle eine integrale Rußbelastung des Partikelfilters zu berechnen. Durch einen Vergleich der berechneten integralen Rußbeladung mit einem vorbestimmten Schwellwert kann so über die Notwendigkeit einer Regeneration entschieden werden. Die zur Berechnung der Rußmasse notwendigen Rußmassenströme werden als Funktion des oder der Betriebsparameter anhand theoretischer Modelle oder empirischer Werte, die in geeigneten Kennlinien abgelegt sind, berechnet.
  • Bei Dieselpartikelfiltern, die mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, führt die oben beschriebene Art der Berechnung der Rußbeladung aufgrund der Auswirkungen von im Abgas enthaltenen Stickoxiden NOx zu ungenauen Ergebnissen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Beladung, insbesondere der Ruß- und Aschebeladung, sowie ein Verfahren zur Regeneration und Wartung eines mit einer katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 1 und die Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines katalytisch beschichteten Partikelfilters, der mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beladen wird, einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Dieselbrennkraftmaschine, weist die folgenden Schritten auf:
    • a) Bestimmung der primär in den Partikelfilter eingetragenen Rußmasse,
    • b) Bestimmung der durch eine Reaktion der eingelagerten Partikeln mit im Dieselpartikelfilter erzeugtem NO2 umgesetzten Rußmasse im Partikelfilter, und
    • c) Bestimmung des integralen Rußeintrags aus den Schritten a) und b).
  • Insbesondere kann die primär eingetragene Rußmasse aus einem Kennfeld bestimmt werden. Weiterhin kann zur Bestimmung der durch die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 umgesetzten Rußmasse der Anteil an NO2 berechnet werden, der im katalytisch beschichteten Partikelfilter aus dem motorisch erzeugten und in den Partikelfilter eingebrachten NO erzeugt wird, wobei der Anteil an NO2 in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Kennfeld berechnet wird.
  • Vorzugsweise wird aus dem im Partikelfilter erzeugten Anteil an NO2 ein für die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 wirksamer Anteil NO2 berechnet, der die Verminderung dieser Reaktion durch das im Abgas vorhandene SO2 berücksichtigt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der nach einer Regeneration des Partikelfilters zurückbleibende Ascherückstand als Funktion der Anzahl der durchgeführten Regenerationen integriert. Vorteilhafterweise kann so beispielsweise ein Wartungssignal erzeugt werden, mit dem der Fahrzeughalter im Rahmen einer OBD (On Board Diagnosis) darauf hingewiesen wird, daß der Partikelfilter in Kürze aufgrund der Ascherückstände funktionsunfähig werden wird und folglich eine Wartung durchzuführen ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend im Detail anhand eines Partikelfilters für eine Dieselbrennkraftmaschine erläutert werden.
  • Bei Dieselbrennkraftmaschinen führt das im Abgas befindliche NO2 im Partikelfilter zu einer Verbrennung des angesammelten Kohlenstoffs zu Kohlenmonoxid, d. h. es findet eine Reaktion statt, die einen Teil des im Dieselpartikelfilter angesammelten Rußes verbraucht. Bei beschichteten Dieselpartikelfiltern wird ein höherer Anteil an NO zu NO2, welches für die Umsetzung der Partikeln verbraucht wird, oxidiert, als wenn es z. B. über einen vorgeschalteten Dieseloxidationskatalysator aus dem im Rohabgas enthaltenen NO gebildet würde. Dies beruht darauf, dass NO2 im Dieselpartikelfilter nach der folgenden Formel wieder nachgebildet wird:

    2 NO + O2 → NO2
  • Das so im Dieselpartikelfilter erzeugte NO2 reagiert wiederum mit dem angesammelten C:

    NO2 + C → CO + NO

    wodurch die Rußbeladung des Partikelfilters verringert wird.
  • Bei einer getrennten, etwa in einem Vorkatalysator ablaufenden Erzeugung von NO2, würde der für die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 wirksame Anteil an NO2 maximal 50% betragen, im Falle eines mit Edelmetall beschichteten Dieselpartikelfilters liegt dieser Anteil zwischen 50 und 99%.
  • Bei der Erfassung des Rußeintrages in den Dieselpartikelfilter ist es für einen beschichteten Dieselpartikelfilter zweckmäßig, den Rußeintrag dergestalt zu ermitteln, daß
    • - aus einem zuvor abgelegten Kennfeld der Anteil an Ruß, der primär in den Dieselpartikelfilter eingetragen wird, integriert wird (Summe_C_primär),
    • - aus einem zuvor abgelegten Kennfeld der Anteil an NO2 berechnet wird, der im beschichteten Dieselpartikelfilter aus dem motorisch erzeugten NO gebildet wird (f_NO2), unter Berücksichtigung der Inhibierung dieser Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 durch SO2, CO oder Kohlenwasserstoffe im Abgas der korrigierte, wirksame Anteil NO2 berechnet wird (f_NO2*), und
    • - unter Berücksichtigung des idealen NO2/C-Verhältnisses für die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 der im Dieselpartikelfilter mit NO2 umgesetzte Anteil an Ruß berechnet wird (f_CRT).
  • Damit ergibt sich der integrale Rußeintrag im beschichteten Dieselpartikelfilter Summe C_DPF zu:

    Summe C_DPF = Summe_C_primär - f_CRT

    mit

    f_CRT = f_NO2*.Summe_C_primär, und Summe_C_DPF = (1 - f_NO2*).Summe_C_primär
  • Der Anteil SO2, der die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 inhibiert, kann aus Kraftstoffdaten parametriert oder aus einem Kraftstoffsensor generiert werden. Der wirksame Anteil an NO2, oben mit f_NO2* bezeichnet, kann dann aus im Kennfeld abgelegten Daten wie Abgastemperatur, Abgasvolumenstrom und Dieselpartikelfiltertemperatur bestimmt werden.
  • Der integrale Rußeintrag im Dieselpartikelfilter, der sich derartig berechnen läßt, ist somit ein Maß für die im Dieselpartikelfilter gespeicherte abbrennbare Rußmasse und dient als Grundlage für den Bedarf der Einleitung einer Regeneration. Mit anderen Worten, überschreitet der integrale Rußeintrag eine vorbestimmte Rußschwelle, so wird eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet und die im Partikelfilter gespeicherten Rußpartikel werden nach einem der bekannten und oben geschilderten Verfahren abgebrannt.
  • Die Verbrennung der gespeicherten Beladung des Partikelfilters erfolgt jedoch nicht vollständig, da zusätzlich zu der abbrennbaren Rußmasse zunehmend mit der Anzahl der durchgeführten Regenerationen ein Anteil an Asche im Dieselpartikelfilter gespeichert ist. Dieser Ascheanteil ist nicht abbrennbar und verstopft zunehmend den Dieselpartikelfilter. Um einen Zeitpunkt zur Wartung des Dieselpartikelfilters definieren zu können, ist dieser Ascheanteil über die Regenerationen ebenfalls zu einem Ascherückstand zu integrieren. Dies bedeutet, daß beispielsweise ein Wartungssignal generiert wird, wenn der Ascherückstand eine vorgegebene Ascheschwelle überschreitet.
  • Die Asche im Dieselpartikelfilter kann aus mehreren Quellen resultieren:
    • - unverbrannte Anteile aus dem Dieselkraftstoff (f_DK)
    • - unverbrannte Anteile aus dem Schmieröl (f_Öl)
    • - metallischer Abrieb (f_MA), und
    • - Salze aus dem Abbrand des dem Kraftstoff eventuell beigefügten Additivs (f_Add).
  • Der integrale Ascheanteil Summe Asche läßt sich näherungsweise auf 2 Arten erfassen:
  • Es wird der mittlere, unverbrennbare Rückstand Asche R der in den Dieselpartikelfilter eingetragenen Asche als Anteil der eingebrachten integralen Rußeintrags ausgedrückt und durch einen Faktor f_R ausgedrückt. Mit anderen Worten:

    Asche_R = f_R.Summe_C_DPF
  • Der integrale Ascheanteil über eine Anzahl i von Regenerationen Summe Asche ergibt sich dann als Integration des Ascherückstandes Asche R über die Anzahl i der Regenerationen, wobei i eine natürliche Zahl ist:


    • 2. Integration der verschiedenen Ascheanteile nach ihren Quellen im einzelnen
  • Für eine mögliche Berücksichtigung von einzelnen Ascheanteilen bieten sich insbesondere der durch Additive bewirkte Ascheanteil f_Add, sowie der Ascheanteil aus dem Dieselkraftstoff f_DK, an. Diese können aus dem über Kennfelder zugänglichen Kraftstoffverbrauch, der über die eingespritzte Masse an Dieselkraftstoff DK zu ermitteln ist, und dem Additiv-Verbrauch integriert werden. Schwieriger ist der Ölverbrauch sowie der metallische Abrieb zu erfassen. Dies können jedoch zumindest näherungsweise aus Verschleißmessungen und Ölverbrauchsmessungen sowie einer Lasterfassung und der Korrelation mit den dazu abgelegten Verschleiß- und Ölverbrauchskennfeldern ermittelt werden.
  • Durch die oben genannten Maßnahmen ist es einerseits eine genaue Bestimmung des Beladungszustandes eines katalytisch beschichteten Partikelfilters möglich. Dadurch kann der Zeitpunkt der Regeneration des Partikelfilters genauer bestimmt werden, was zu einer geringeren thermischen Belastung des Partikelfilters und einer Herabsetzung des Kraftstoffverbrauchs führt. Weiterhin kann der Beladungszustand des Partikelfilters mit Asche bestimmt werden, so daß eine genauere Definition des notwendigen Wartungsintervalls des Partikelfilters möglich ist.

Claims (16)

1. Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines katalytisch beschichteten Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, der mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beschickt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Bestimmung der primär in den Partikelfilter eingetragenen Rußmasse,
b) Bestimmung der durch eine Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 mit NO2 umgesetzten Rußmasse im Partikelfilter, und
c) Bestimmung des integralen Rußeintrags aus den Schritten a) und b).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primär eingetragene Rußmasse aus einem Kennfeld bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der durch die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 umgesetzten Rußmasse der Anteil an NO2 berechnet wird, der im katalytisch beschichteten Partikelfilter aus dem motorisch erzeugten und in den Partikelfilter eingebrachten NO erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an NO2 aus einem Kennfeld berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem im Partikelfilter erzeugten Anteil an NO2 ein für die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 wirksamer Anteil NO2 berechnet wird, der die Verminderung der Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 durch die im Abgas vorhandenen SO2, CO und Kohlenwasserstoffe berücksichtigt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der SO2-Anteil im Abgas aus Kraftstoffdaten parametriert oder aus einem Kraftstoffsensor generiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Anteil an NO2 aus in einem Kennfeld abgelegten Daten, wie beispielsweise Abgastemperatur, Abgasvolumenstrom und Temperatur des Partikelfilters, bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Anteil an NO2 aus einer Messung mit einer geeigneten Stickoxid-Sonde sowie einer Messung der Abgaseintrittstemperatur stromaufwärts des Dieselpartikelfilters oder einer Kombination einer Messung mit zuvor abgelegten Kennfelddaten ermittelt wird
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Reaktion zwischen eingelagerten Partikeln und erzeugtem NO2 umgesetzte Rußanteil unter Berücksichtigung des idealen NO2/C-Verhältnisses berechnet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nach einer Regeneration des Partikelfilters zurückbleibende Ascherückstand als Funktion der Anzahl der durchgeführten Regenerationen integriert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ascherückstand pro Regeneration als Funktion der integralen Rußmasse bestimmt wird.
12. Verfahren nach 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ascherückstand pro Regeneration als mittlerer Anteil der integralen Rußmasse bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ascherückstand pro Regeneration aus der anteiligen Integration der einzelnen unverbrennbaren Bestandteile der Beladung des Partikelfilters erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen unverbrennbaren Bestandteile der Asche aus einem oder mehreren Elementen der Menge aus Additiv zur Unterstützung der Rußverbrennung, Dieselkraftstoff, Schmieröl sowie metallischem Abrieb bestehen.
15. Verfahren zur Regeneration und Wartung eines katalytisch beschichteten Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung des integralen Rußeintrags und des Aschrückstandes nach einem der vorangegangenen Ansprüche durchgeführt wird, und eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt wird, wenn der integrale Rußeintrag größer oder gleich einem vorbestimmten Rußbeladungsschwellwert ist, und eine Wartung des Partikelfilters angefordert wird, wenn der Ascherückstand im Partikelfilter einen Ascheschwellwert überschreitet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wartungsanforderung durch Auslösen eines Wartungssignals erfolgt, das einer OBD zugeführt wird.
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