DE10333441A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines Partikelfilters, einer Brennkraftmaschine (100) beschrieben. Dabei ist ein Sollwert (LAS) für ein Lambdasignal (L) oder eine Änderung eines Lambdasignals (L) vorgebbar. Ein Istwert für das Lambdasignal (L) oder für die Änderung des Lambdasignals (L) wird erfasst. Ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Istwert und dem Sollwert (LAS) wird ein Ansteuersignal für ein Stellelement (104a, 104b, 106, 108, 180, 182), mit dem die Reaktion im Abgasnachbehandlungssystem (115) steuerbar ist, derart vorgegeben, dass sich der Istwert dem Sollwert (LAS) annähert.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines Partikelfilters, nur einer Brennkraftmaschine
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines Partikelfilters, einer Brennkraftmaschine sind bekannt. Häufig sind Brennkraftmaschinen, insbesondere direkteinspritzende Brennkraftmaschinen mit Abgasnachbehandlungssystemen ausgerüstet, die insbesondere einen Partikelfilter umfassen können. Zur Regeneration des Partikelfilters sind Temperaturen oberhalb der üblichen Abgastemperaturen notwendig. Ohne zusätzliche Maßnahmen oxidieren die Partikel bei ca. 550 bis 650°C. Hierzu müssen üblicherweise temperatursteigernde Maßnahmen eingeleitet werden.
  • Die Regeneration wird üblicher Weise eingeleitet, wenn der Partikelfilter eine Grenzbeladung erreicht hat. In bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann der Fall eintreten, dass die Regeneration unkontrolliert schnell oder zu langsam abläuft. Insbesondere bei einem unkontrollierten schnellen Abbrand kann es aufgrund der stark exothermen Oxidation der Partikel zu einer unerwünschten Wärmefreisetzung kommen, die mit steilen wandernden Temperaturfronten im Filter und sehr hohen Temperaturen einhergehen. Solche Zustände sollten sicher vermieden oder, falls eingetreten, über geeignete Maßnahmen kontrolliert und beherrscht werden. Läuft die Regeneration zu langsam ab, müssen die Regenerationsmaßnahmen zu lange aufrecht erhalten werden, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge hat. Zudem besteht die Gefahr, dass der Betrieb der Brennkraftmaschine unterbrochen oder in einen Betriebszustand überführt wird, der einen Abbruch der Regeneration erzwingt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines Partikelfilters, einer Brennkraftmaschine anzugeben, die einen geringeren Energieverbrauch ermöglichen und eine erhöhte Sicherheit bieten.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sehen die Vorgabe eines Sollwerts für ein Lambdasignal oder einer zeitlichen Änderung eines Lambdasignals sowie die Erfassung eines Istwerts des Lambdasignals oder der zeitlichen Änderung des Lambdasignals vor. Ausgehend von einem Vergleich zwischen dem Istwert und dem Sollwert wird ein Steuersignal für ein Stellelement gebildet, mit dem die Reaktion im Abgasnachbehandlungssystem steuerbar ist, sodass sich der Istwert dem Sollwert ernährt. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen ermöglichen eine hinsichtlich des Energieverbrauchs und hinsichtlich der Sicherheit optimale Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems durch Beeinflussung des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sowohl des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
    •
  • Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnamnen ermöglichen beispielsweise eine optimale Steuerung der Regeneration eines Partikelfilters.
  • Zeichnung
  • l zeigt Funktionsblöcke einer Brennkraftmaschine, welche ein Abgasnachbehandlungssystem enthält und 2 zeigt Funktionsblöcke zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 sind die wesentlichen Funktionsblöcke dargestellt, welche eine Brennkraftmaschine 100 sowie deren Abgasnachbehandlungssystem 115 zeigen. Der Brennkraftmaschine 100 wird über eine Frischluftleitung 105 Frischluft zugeführt. Die Abgase der Brennkraftmaschine 100 gelangen über eine Abgasleitung 110 in die Umgebung. In der Abgasleitung 110 ist das Abgasnachbehandlungssystem 115 angeordnet, das vorzugsweise einen Partikelfilter enthält. Des weiteren ist es möglich, dass Katalysatoren zur Umsetzung unterschiedlicher Schadstoffe oder zur Konditionierung der Abgase vorgesehen sind.
  • 1 zeigt weiterhin eine Steuereinheit 170, die wenigstens eine Motorsteuereinheit 175 und eine Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172 umfasst. Die Motorsteuereinheit 175 beaufschlagt ein Kraftstoffzumesssystem 180 mit Ansteuersignalen. Die Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172 tauscht mit der Motorsteuereinheit 175 Signale aus. Bei einer Ausgestaltung beaufschlagt die Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172 ein Stellelement 182, das in der Abgasleitung vor dem Abgasnachbehandlungssystem 115 oder im Abgasnachbehandlungssystem 115 angeordnet ist, mit Ansteuersignalen.
  • Des weiteren können verschiedene Sensoren vorgesehen sein, die die Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172 und die Motorsteuereinheit 175 mit Signalen versorgen. So ist wenigstens ein erster Sensor 194 vorgesehen, der Signale liefert, die den Zustand der Luft charakterisieren, die der Brennkraftmaschine 100 zugeführt wird. Ein zweiter Sensor 177 liefert Signale, die den Zustand des Kraftstoffzumesssystems 180 charakterisieren. Wenigstens ein dritter Sensor 191 liefert Signale, die den Zustand des Abgases vor dein Abgasnachbehandlungssystem 115 charakterisieren. Wenigstens ein vierter Sensor 193 liefert Signale, die den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems 115 charakterisieren. Desweiteren liefert wenigstens ein fünfter Sensor 192 Signale, die den Zustand der Abgase nach dein Abgasnachbehandlungssystem 115 charakterisieren. Vorzugsweise werden Sensoren verwendet, die Temperaturwerte und/oder Druckwerte erfassen. Der wenigstens eine fünfte Sensor 192 erfasst ein Signal L, das die chemische Zusammensetzung des Abgases charakterisiert. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen Lambdasensor.
  • Mit den Ausgangssignalen des ersten Sensors 194, des dritten Sensors 191, des vierten Sensors 193 und des fünften Sensors 192 wird vorzugsweise die Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172 beaufschlagt. Mit den Ausgangssignalen des zweiten Sensors 177 wird vorzugsweise die Motorsteuereinheit 175 beaufschlagt. Es können auch weitere nicht dargestellte Sensoren vorgesehen sein, die ein Signal bezüglich des Fahrerwunsches oder weitere Umgebungs- oder Motorbetriebszustände charakterisieren.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist in der Ansaugleitung 105 ein Verdichter 106 und in der Abgasleitung 110 eine Turbine 108 angeordnet. Der Verdichter 106 und die Turbine 108 bilden einen Abgasturbolader. Die Turbine 108 wird durch das durchströmende Abgas angetrieben und treibt über eine nicht dargestellte Welle den Verdichter 106 an. Durch geeignete Ansteuerung kann die Luftmenge, die der Verdichter 106 verdichtet, gesteuert werden.
  • Ferner ist in der Ansaugleitung 105 eine Drosselklappe 104a angeordnet, mit der die Zufuhr von Frischluft in die Brennkraftmaschine 100 beeinflussbar ist. Die Drosselklappe 104a ist ebenfalls von der Steuereinheit 175 ansteuerbar.
  • Ferner kann die Abgasleitung 110 über eine Abgasrückführleitung 102 mit der Ansaugleitung 105 verbunden sein. In der Abgasrückführleitung 102 ist ein Abgasrückführventil 104b angeordnet, das ebenfalls von der Steuereinheit 175 ansteuerbar ist. Der Anteil an rückgeführten Abgasen bzw. die Luftmenge, die der Brennkraftmaschine 100 zugeführt wird, muss genau eingestellt werden, da bei einer zu hohen Abgasrückführrate die Partikelemissionen ansteigen, andererseits bei einer zu geringen Abgasrückführrate die NOx-Emissionen zunehmen. Um dies zu erreichen ist üblicherweise eine vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 100 abhängige Steuerung und/oder Regelung der Abgasrückführrate mit dem Abgasrückführventil 104b vorgesehen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Motorsteuereinheit 175 und die Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172 eine bauliche Einheit bilden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass diese als zwei Steuereinheiten ausgebildet sind, die räumlich voneinander Getrennt sind.
  • Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel eines Partikelfilters, der insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen 100 verwendet wird, beschrieben:
    Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt, sie kann auch bei anderen Brennkraftmaschinen 100 mit einem Abgasnachbehandlungssystem 115 eingesetzt werden.
  • Ausgehend von den vorliegenden Sensorsignalen berechnet die Motorsteuerung 175 Ansteuersignale zur Beaufschlagung des Kraftstoffzumesssystems 180. Dieses misst dann die entsprechende Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine 100 zu. Bei der Verbrennung können im Abgas Partikel entstehen. Wenn das Abgasnachbehandlungssystem 1 15 einen Partikelfilter enthält, werden diese vom Partikelflter aufgenommen. Im Laufe des Betriebs sammeln sich in dem Partikelfilter des Abgasnachbehandlungssystems 115 entsprechende Mengen von Partikeln an. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Funktionsweise des Abgasnachbehandlungssystems 115 und/oder der Brennkraftmaschine 100. Deshalb ist vorgesehen, dass in bestimmten Abständen bzw. wenn der Partikelfilter des Abgasnachbehandlungssystems 115 einen bestimmten Beladungszustand erreicht hat, ein Regenerationsvorgang eingeleitet wird. Diese Regeneration kann auch als Sonderbetrieb bezeichnet werden.
  • Der Beladungszustand wird bspw. ausgehend von verschiedenen Sensorsignalen erkannt. So kann zum einen der Differenzdruck zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Abgasnachbehandlungssystems 115 ausgewertet werden. Zum anderen ist es möglich, den Beladungszustand ausgehend von verschiedenen Temperatur- und/oder verschiedenen Druckwerten zu ermitteln. Des weiteren können noch weitere Größen zur Berechnung oder Simulation des Beladungszustands herangezogen werden. Eine entsprechende Vorgehensweise ist bspw. aus der DE 199 06 287 bekannt.
  • Üblicherweise ist vorgesehen, dass der Beladungszustand ausgehend von verschiedenen Größen bestimmt wird. Durch Vergleich mit einem Schwellwert werden die unterschiedlichen Zustände erkannt. Erkennt die Abgasnachbehandlungssteuereinheit 172, dass der Partikelfilter des Abgasnachbehandlungssystems 115 einen bestimmten Beladungszustand erreicht hat, so wird die Regeneration initialisiert. Zur Regeneration des Partikelfilters stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.
  • Eine erste Möglichkeit sieht beispielsweise vor, dass bestimmte Stoffe über das Stellelement 182 dem Abgas zugeführt werden, die dann eine entsprechende Reaktion im Abgasnachbehandlungssystem 115 hervorrufen. Diese zusätzlich zugemessenen Stoffe bewirken unter anderem eine Temperaturerhöhung und/oder eine Oxidation der Partikel im Partikelfilter. So kann bspw. vorgesehen sein, dass mittels des Stellelements 182 Kraftstoffstoff und/oder Oxidationsmittel zugeführt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist eine Beeinflussung der Abgasrückführrate mittels des Abgasrückführventils 104b vorgesehen. Die Abgasrückführrate kann erhöht oder abgesenkt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist die Ansteuerung der Drosselklappe 104a vorgesehen, die mehr oder weniger geschlossen werden kann.
  • Weiterhin ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Motorsteuereinheit 175 ein Signal an das Kraftstoffzumesssystem 180 abgibt, welches das Kraftstoffzumesssystem 180 zur Vornahme wenigstens einer weitgehend drehmomentneutralen Nacheinspritzung veranlasst, welche die Abgastemperatur erhöht.
  • Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass der Istwert der Rest-Sauerstoffkonzentration im Abgas erfasst wird. Die Konzentration von Sauerstoff bzw. der Volumenstrom von Sauerstoff kann beispielsweise mittels einer Lambda-Sonde gemessen werden und/oder aus Betriebsparametern des Motors berechnet bzw. simuliert werden. So kann beispielsweise der dritte Sensor 191 und insbesondere der fünfte Sensor 192 als Lambdasonde ausgebildet sein. Dem Sauerstoffangebot im Abgas kommt eine erhebliche Bedeutung für die Abbrandgeschwindigkeit der im Partikelfilter des Abgasnachbehandlungssystems 115 abgeschiedenen Partikel zu, wobei je nach Betriebsbedingung eine stark heftige Oxidation im Partikelfilter zu einer unerwünscht hohen Wärmefreisetzung führen kann.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin der Sauerstoffgehalt und/oder die zeitliche des Änderung der Sauerstoffkonzentration im Abgas auf einen solchen Sollwert geregelt, bei dem die Abbrandgeschwindigkeit einen optimalen Wert annimmt. Vorzugsweise werden im Verlauf der Regeneration unterschiedliche Sollwerte für den Sauerstoffgehalt oder für die Änderung des Sauerstoffgehalts gewählt. Die verschiedenen Maßnahmen zur Veränderung der Sauerstoffgehalt wurden bereits beschrieben.
  • In 2 ist die Regelung detaillierter dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform wird zunächst die Regelung der zeitlichen Änderung des Lambdasignals L auf einen vorgegebenen Änderungs-Sollwert LAS beschrieben.
  • Eine Sollwertvorgabe 200 gibt den Sollwert LAS für die Änderung des Lambdasignals L vor. Diese wird in einem Verknüpfungspunkt 210 mit dem Ausgangssignal des Differenzierers 220 LAI verknüpft. Dem Differenzierer 220 wird das Ausgangssignal L des Lambdasensors 191, 192 zugeführt. Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 210 wird ein Regler 230 beaufschlagt. Der Regler steuert beispielsweise das Kraftstoffzumesssystem 180 und/oder die Drosselklappe 104 enge a und/oder das Abgasrückführventil 104b und/oder den Verdichter 106 und/oder das Stellelement 182 an. Alternativ oder ergänzend können als Stellglied auch andere Stellelemente, welche die Sauerstoffkonzentration im Abgas beeinflussen, angesteuert werden.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass direkt das Lambdasignal L auf einen entsprechenden Sollwert eingeregelt wird. Bei dieser Ausgestaltung entfällt der Differenzierer 220.
  • Durch die Regelung des Lambdasignals L bzw. der Regelung der Änderung des Lambdasignals L wird der Abbrand der Partikel während der Regeneration unmittelbar gesteuert. Dadurch kann sicher verhindert werden, dass sich die Abbrandgeschwindigkeit unzulässig ändert und/oder die Temperatur auf unzulässige Werte ansteigt. Ferner kann verhindert werden, dass die Abbrandgeschwindigkeit auf zu geringe Werte abfällt. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen ermöglichen deshalb ein Betreiben des Abgasnachbehandlungssystems 115 mit möglichst geringer Energie, welche die Brennkraftmaschine 110 zur Verfügung stellen muss.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Regelung nur während der Regeneration und/oder während bestimmter Phasen der Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems 115 aktiv ist. So kann vorgesehen sein, dass beim Beginn der Regeneration und am Ende der Regeneration keine Regelung erfolgt, da während dieser Phasen kein Abbrand der Partikel erfolgt, da zur Beginn der Regeneration die Temperatur zu niedrig und am Ende der Regeneration keine Partikel vorhanden sind.
  • Ferner ist vorteilhaft, wenn für bestimmte Phasen der Regeneration unterschiedliche Sollwerte vorgebbar sind. So kann vorgesehen sein, dass bei Beginn der Regeneration und am Ende der Regeneration andere Sollwerte vorgegeben werden als bei der eigentlichen Regeneration, da zu Beginn und am Ende der Regeneration kein oder ein geringerer Abbrand der Partikel erfolgt.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems (115), insbesondere eines Partikelfilters, einer Brennkraftmaschine (100), wobei ein Sollwert (LAS) für ein Lambdasignal (L) oder eine Änderung eines Lambdasignals (L) vorgebbar ist, und ein Istwert für das Lambdasignal (L) oder für die Änderung des Lambdasignals (L) erfasst wird, und dass, ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Istwert und dein Sollwert, ein Ansteuersignal für ein Stellelement (104a, 104b, 106, 108, 180, 182), mit dem die Reaktion im Abgasnachbehandlungssystem (115) steuerbar ist, derart vorgegeben wird, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (LAS) derart vorgeben wird, dass sich eine vorgegebene Abbrandgeschwindigkeit der Partikel eines im Abgasnachbehandlungssystem (115) enthaltenen Partikelfilters einstellt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert derart vorgeben wird, dass sich eine vorgegebene Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem (115) einstellt.
  4. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während unterschiedlicher Phasen eines Regenerationsvorganges des Abgasnachbehandlungssystems (115) unterschiedliche Sollwerte (LAS) vorgebbar sind.
  5. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung nur während bestimmter Phasen eines Regenerationsvorganges des Abgasnachbehandlungssystems (115) erfolgt.
  6. Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems (115), insbesondere eines Partikelfilters, einer Brennkraftmaschine (100), mit Mitteln (200), die einen Sollwert (LAS) für ein Lambdasignal (L) oder eine Änderung eines Lambdasignals (L) vorgeben, mit Mitteln (191, 192), die einen Istwert für das Lambdasignal (L) oder für die Änderung des Lambdasignals (L) erfassen, und mit Mitteln (230), die, ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Istwert und dem Sollwert (LAS) des Lambdasignals (L) oder der Änderung des Lambdasignals (L) ein Ansteuersignal für ein Stellelement (104a, 104b, 106, 180, 182), mit dem die Reaktion im Abgasnachbehandlungssystem (115) steuerbar ist, derart vorgeben, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stellelements ( 104a, 104b, 106, 108, 180, 182) die Sauerstoffmenge im Abgas beeinflusst wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement als Abgasrückführventil (104b) ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement als Drosselklappe (104a) ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement zur Beeinflussung eines Abgasturboladers (106, 108) ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement ein Kraftstoffzumesssystem (180) ist, welches zumindest eine Nacheinspritzung eines Kraftstoffs in die Brennkraftmaschine (100) vornimmt.
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