DE212005000024U1 - Loading of particulate filter determination method for diesel engine involves using the artificial neural network from measured variables characterizing the engine operating state - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gestaltung von Regenerationsstrategien eines Partikelfilters insbesondere von qualitätsgeregelten Verbrennungskraftmaschinen.The The invention relates to a method for the design of regeneration strategies a particulate filter, in particular of quality-controlled internal combustion engines.
Partikelfiltersysteme für Motoren zeigen vielversprechende Potenziale zur Reduktion der Abgasemissionen. Filtersyteme können feste Bestandteile (sowie daran angelagerte Stoffe) im Abgas zurückhalten. Beschichtungen auf dem Filter (i.d.R. katalytische) können zudem gasförmige Bestandteile reaktiv umsetzen. Es können somit – je nach Filterwirkungsgrad – Feststoffe aus dem Abgas herausgetrennt werden. Das verbleibende Abgas entweicht auf der Rückseite des Filters, während die Feststoffe der entsprechenden Größe auf bzw. im Filter verbleiben. Die Filtereigenschaften verändern sich durch diese An- bzw. Einlagerung von Feststoffen. Während bei der Durchströmung von leeren Filtern bereits ein Druckabfall festzustellen ist, steigt dieser bei fortschreitender Beladung durch abgeschiedene Feststoffe. In der Regel wird der Beladungsgrad eines Filters durch eben diese Größe des Druckabfalls (dp) beschrieben. Wird der Druckabfall und damit auch die Arbeit die aufgebracht werden muss, um das Filter zu durchströmen, für die jeweilige Anwendung zu hoch, so ergibt sich die Notwendigkeit diesen zu reinigen. Je nach chemischer Beschaffenheit der abgeschieden Feststoffe kann dieser Reinigungsprozess variieren. Bei Feststoffen wie Dieselpartikeln, die zum größten Teil aus Kohlenstoff (C) bestehen, kann dieser Reinigungsprozess z. B. aus einer Temperaturerhöhung des durchströmenden Mediums bestehen. Durch die Erhöhung der Temperatur und unter Einhaltung gewisser Randbedingungen (wie z.B. ausreichendem Sauerstoffgehalt) werden Bedingungen geschaffen, unter denen die Partikel zum größten Teil oxidiert werden können. Die Entstehungsprodukte dieser Oxidation – im wesentlichen Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) – liegen gasförmig vor und entweichen während des Vorgangs, welcher Regeneration genannt wird, am Ausgang des Filters.particulate filter systems for engines show promising potential for reducing exhaust emissions. Filteryteme can Retain solid components (as well as substances attached to them) in the exhaust gas. Coatings on the filter (i.d.R. catalytic) can also gaseous Reactivate components reactively. It can thus - depending on the filter efficiency - solids be separated out of the exhaust. The remaining exhaust gas escapes on the back side of the filter while the solids of the appropriate size remain on or in the filter. Change the filter properties through this accumulation or incorporation of solids. While at the flow empty filters already show a drop in pressure increases this as the loading of separated solids progresses. In general, the degree of loading of a filter is just this Size of the pressure drop (dp) described. Will the pressure drop and thus the work must be applied to flow through the filter for the respective Application too high, so there is a need to clean it. ever according to chemical nature of the deposited solids can this cleaning process will vary. For solids such as diesel particulates, for the most part consist of carbon (C), this cleaning process z. B. from a temperature increase the flowing through Mediums exist. By the increase the temperature and in compliance with certain boundary conditions (such e.g. sufficient oxygen content) conditions are created under which the particles oxidized for the most part can be. The products of this oxidation - mainly carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO) - lie in gaseous form and escape during of the process, which is called regeneration, at the exit of the Filter.
Wird ein Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung eingesetzt ist es zwingend notwendig diesen zu regenerieren. Die Regeneration kann aktiv, aber auch passiv ausgelöst und betrieben werden. Von passiver Regeneration spricht man, wenn ohne Zutun von außen Oxidationsbedingungen eintreten. Dies wäre zum Beispiel eine Hochgeschwindigkeitsfahrt mit einem Fahrzeug auf der Autobahn.Becomes a particle filter used for exhaust aftertreatment, it is mandatory necessary to regenerate this. The regeneration can be active, as well passively triggered and operated. Passive regeneration is when, without external intervention, oxidation conditions enter. This would be for example, a high-speed drive with a vehicle the highway.
Bei der aktiven Regeneration werden die Oxidationsbedingungen durch einen solchen aktiven Eingriff in das Gesamtsystem erzeugt. Es könnte hier zum Beispiel ein Brenner im Abgassystem gezündet werden.at the active regeneration, the oxidation conditions by generates such an active intervention in the overall system. It could be here for Example, a burner ignited in the exhaust system.
Im überwiegenden Teil des Betriebskennfeldes eines Dieselmotors werden die notwendigen Regenerationsbedingungen ohne Zutun nicht erreicht. Es muss folglich Energie aufgewendet werden, welche natürlich den Betriebskosten des Motors zuzurechnen ist. Insgesamt ist die Verwendung eines Partikelfiltersystems verbrauchsverschlechternd zu bewerten, da der Gegendruck eines solchen Systems auf die Ladungswechselschleife des Motors wirkt und dieser quasi schlechter "durchatmen" kann. Die Regeneration an sich beteiligt sich ebenfalls negativ am Gesamtverbrauch des Motors. Um die positiven Eigenschaften, nämlich die Reduktion der emittierten Partikelmasse, überwiegen zu lassen, wird intensiv daran gearbeitet werden die unvermeidbare Verbrauchsverschlechterung so gering wie möglich zu halten.In the vast majority Part of the operating map of a diesel engine are the necessary Regeneration conditions not achieved without action. It must therefore Energy is spent, which, of course, the operating costs of the Motors is attributable. Overall, the use of a particulate filter system rate of deterioration, as the back pressure of such System acts on the charge cycle of the engine and this can "breathe" almost less badly. The regeneration in itself participates also negatively in the total consumption of Engine. In order to outweigh the positive properties, namely the reduction of the emitted particle mass to let, will be worked intensively on the inevitable Consumption deterioration as low as possible.
Um optimale Prozesse (Beladung und Regeneration) zu gewährleisten ist eine Prozessüberwachung unumgänglich. Man bedient sich in der Regel verschiedener Messgrößen die eine solche Prozessüberwachung zulassen. Notwendige Sensoren zur Erzeugung der Messgrößen liegen entweder vor, d.h. sie wurden bereits zur Überwachung, Steuerung oder Regelung anderer Prozesse des Gesamtsystems appliziert, oder müssen eigens eingefügt werden. Zusätzliche Sensoren für das Gesamtsystem verursachen natürlich Kosten, die stets so gering wie möglich gehalten werden müssen. Auch im Falle des Gesamtsystems Motor und Abgasnachbehandlung mittels Dieselpartikelfilter, kann auf Größen zurückgegriffen werden die zum Betrieb des Motors ohnehin vorliegen, auf weitere Sensorik kann allerdings nicht verzichtet werden. Es stehen zahlreiche Entwicklungen an Sensoren zur Verfügung, die ein Prozessbeschreibung des Teilsystems Partikelfilter möglich machen. Diese unterscheiden sich jedoch stark durch Preis und Funktionsstabilität. Etabliert haben sich hier Druck- und Temperatursensoren.Around to ensure optimal processes (loading and regeneration) is a process monitoring unavoidable. As a rule, different variables are used such process monitoring allow. Necessary sensors for generating the measured quantities are either before, i. they have already been used to monitor, control or Regulation of other processes of the overall system applied, or must be specially added become. additional Sensors for the overall system cause of course Costs that must always be kept as low as possible. Also in the case of the overall system engine and exhaust aftertreatment means Diesel particulate filter, can be accessed on the size of the Operation of the engine anyway, on more sensors can However, not be waived. There are numerous developments at sensors available, which make a process description of the particle filter subsystem possible. However, these differ greatly by price and functional stability. Established Here are pressure and temperature sensors.
In einer heute gängigen Prozessüberwachung, wie sie in der DE-A-42 30 180 beschrieben wird, wird der Druck vor (und evtl. auch nach) dem Partikelfilter gemessen. Dies liegt insbesondere deswegen nahe, weil (wie o.a.) der durch das Filter erzeugte Gegendruck direkt auf dessen Wirkungsgrad Einfluss nimmt. Der Druckanstieg während Beladungsphasen, sowie der Druckabfall während Regenerationen können gemessen und mit Grenzwerten verglichen werden. Durch die Temperaturmessung vor dem Filter wird überwacht, ob in ausgewiesenen Regenerationsphasen auch entsprechend notwendige thermische Bedingungen vorliegen. In der Praxis wirft eine solche rein druckbasierte Prozessüberwachung allerdings einige Probleme auf.In one of today's common Process monitoring, as described in DE-A-42 30 180, the pressure before (and possibly also after) the particle filter measured. This is especially true because of this, because (as above) the back pressure created by the filter directly affects its efficiency. The pressure increase while Loading phases, as well as the pressure drop during regeneration can be measured and compared with limits. By the temperature measurement before the filter is monitored whether in designated regeneration phases also according to necessary thermal conditions are present. In practice, throws one purely pressure-based process monitoring but some problems.
Der durch Filter erzeugte Abgasgegendruck hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einer der Haupteinflussfaktoren ist das Abgasvolumen, welches sich unter instationären Motorbetriebsbedingungen stets ändert. Ferner kommt es in einem Abgassystem zu Pulsationen, die das Messergebnis beeinflussen. In Summe liegt mit dem Druck also eine sehr unstetige Messgröße vor. Gewöhnlich wird ein oberer und unterer Grenzkennwert (oGk; uGk) definiert, dessen Erreichen Beladungs- bzw. Regenerationsende auslöst.The exhaust back pressure generated by filters depends on several factors. One of the main influencing factors is the exhaust volume, wel It always changes under unsteady engine operating conditions. Furthermore, pulsations occur in an exhaust system, which influence the measurement result. In sum, therefore, the pressure is a very unsteady measure. Usually, an upper and lower limit characteristic (oGk, uGk) is defined, the achievement of which triggers loading or regeneration end.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zur Steuerung der Regeneration eines im Abgasreinigungssystem eines Dieselmotors angeordneten Partikelfilters bereitzustellen. Insbesondere soll die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der Regeneration des Partikelfilters verringert bzw. minimiert werden.It is therefore an object of the present invention, an improved Method and an improved system for controlling the regeneration of a in the exhaust gas purification system of a diesel engine arranged particulate filter provide. In particular, the increase in fuel consumption due to the regeneration of the particulate filter can be reduced or minimized.
Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst.These Tasks are characterized by the features contained in the claims solved.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Grundidee, die Beladung eines Partikelfilters mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes zu bestimmen. Das neuronale Netz wird erfindungsgemäß durch ein Kennfeldes des Partikelfilters, das vorzugsweise die durch das Filter hervorgerufene Druckdifferenz in Abhängigkeit von der Abgastemperatur und der durch das Filter strömenden Abgasmasse beschreibt, bei bekannter Beladung trainiert. Das trainierte neuronale Netz kann dann auf der Basis von Messgrößen, die den Betriebszustand des Motors charakterisieren, die aktuelle Beladung des Filters bestimmen. Diese Messgrößen sind vorzugsweise die durch das Filter hervorgerufene Druckdifferenz, die Abgastemperatur und die durch das Filter strömende Abgasmasse.The The present invention is based on the basic idea of loading a Particulate filter using an artificial neural network to determine. The neural network is inventively through a characteristic diagram of the particulate filter, preferably by the Filter caused pressure difference as a function of the exhaust gas temperature and the one flowing through the filter Exhaust mass describes trained at a known load. That trained neural network can then be based on metrics that the Characterize the operating condition of the engine, the current load of the filter. These measures are preferably by the filter caused pressure difference, the exhaust gas temperature and the flowing through the filter Exhaust gas mass.
Die Erfindung stellt ein System zum Steuern der Regeneration eines Partikelfilters bereit, mit dem der Startzeitpunkt der Regeneration eines Partikelfilters bestimmt werden kann. Hierzu wird die aktuelle Beladung des Partikelfilters mit Hilfe des oben beschriebenen neuronalen Netz bestimmt und diese mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Auf diese Weise wird die Regenerationsphase des Partikelfilters nur dann eingeleitet, wenn die Beladung dies tatsächlich nötig macht.The The invention provides a system for controlling the regeneration of a particulate filter ready with the start time of the regeneration of a particulate filter can be determined. This is the current loading of the particulate filter determined using the neural network described above and this compared with a predetermined threshold. This way will initiated the regeneration phase of the particulate filter only if the load is actually this necessary.
Mit dem System der Erfindung kann weiterhin die Dauer der zum im Wesentlichen vollständigen Regeneration eines Partikelfilters nötigen Regenerationsphase bestimmt und diese Phase, die einen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch hervorruft, auf das nötige Minimum reduziert werden.With The system of the invention may further comprise the duration of the substantially complete regeneration of a particulate filter Regeneration phase determines and this phase, which is an additional Fuel consumption is reduced to the necessary minimum.
Der gemessenen Differenzdruck dp an Partikelfiltern, ist bei konstantem Volumenstrom unter anderem eine Funktion der Beladung x des Filters. Die Prozessüberwachung bzw. -steuerung auf die ursächliche Größe x zu beziehen hat insbesondere den Vorteil, dass die Beladung x semistationär ist. Zwar steigt die Beladung x, abhängig vom Volumenstrom und der darin enthaltenen Partikelkonzentration, zeitlich an, in entsprechend kleinen zeitlichen Intervallen jedoch kann diese Größe als stationär angesehen werden.Of the measured differential pressure dp at particle filters, is at constant Volume flow, inter alia, a function of the loading x of the filter. The process monitoring or control on the causative Size x too in particular has the advantage that the loading x is semistationary. Although rising the loading x, depending the volume flow and the particle concentration contained therein, in time, however, in correspondingly small time intervals This size can be considered stationary.
Problematisch allerdings ist die Erfassung der Filterbeladung während des Motorenbetriebs. Grundsätzlich sind verschiedene Verfahren denkbar, in der Praxis scheitern diese jedoch am Aufwand, respektive deren Preis, sowie an der Zuverlässigkeit. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass an einem Partikelfilter im Extremfall Temperaturen zwischen – 30°C und 1400°C gemessen werden können.Problematic however, the detection of the filter load during the Engine operation. in principle Different methods are conceivable, in practice they fail However, the effort, respectively, the price, as well as the reliability. In this context, it should be noted that on a particle filter in extreme cases, temperatures between - 30 ° C and 1400 ° C can be measured.
Ist allerdings der Zusammenhang zwischen Beladung x und dem resultierenden Druckverlust dp bekannt, kann von der einfachen (preiswerten) Messgröße Druck auf die Beladung geschlossen werden. Zwar unterliegt man den gleichen Einschränkungen bei der Druckmessung. Die Beladung ist als semistationäre Ausgangsgröße leicht zu bewerten.is however, the relationship between loading x and the resulting Pressure loss dp known, can be from the simple (inexpensive) pressure measurement be closed to the loading. Although you are subject to the same Restrictions on the pressure measurement. The loading is easy as a semistationary output to rate.
Ein weiterer Vorteil der beladungsbasierten Prozessüberwachung tritt bei der Regeneration auf. Ausgehend von der Masse x kann mit Kenntnis der Regenerationsbedingungen die notwendige Dauer, welche für die Entleerung des Filters notwendig ist, vorausgesagt werden. Auch kann auf Basis der relevanten Eingangsgrößen die Regeneration online mitgerechnet werden, wodurch jederzeit der aktuelle Beladungswert zur Verfügung steht. Man ist somit nicht auf die problematische Druckmessung während der Regeneration angewiesen.Another advantage of load-based process monitoring occurs during regeneration. Based on the mass x can be predicted with knowledge of the regeneration conditions the necessary duration, which is necessary for the emptying of the filter. Also, based on the relevant input variables, the regeneration online with be calculated, whereby at any time the current load value is available. It is therefore not dependent on the problematic pressure measurement during regeneration.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate:
Um die beladungsbasierende Prozessüberwachung betreiben zu können, ist die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der Beladungsmasse x und des Druckverlust dp unerlässlich. Man unterscheidet strikt zwischen Beladung und Regeneration, da nur während der Beladung homogene Zustände im Filter gegeben sind, die eine Beschreibung und/oder Berechnung zulassen.Around the load-based process monitoring to be able to operate is the knowledge of the relationship between the load mass x and the pressure loss dp essential. There is a strict distinction between loading and regeneration, since only during loading homogeneous conditions in the Are given filters that allow a description and / or calculation.
Grundsätzlich gibt
es verschiedene Arten der Filtration, die auf unterschiedlichen
Mechanismen beruhen und in Ihrer Auswirkung auf den Druckverlust
ebenso unterschiedlich sind.
Während der
Beladung von Partikelfiltern kommt es in der Regel zunächst zur
Tiefenfiltration (vgl. Phase I,
Wie bereits erwähnt verändern sich die Filtereigenschaften mit der Beladung. Neben der Quantitätsänderung, kann sich auch die Qualität die Beladung selbst ändern. Dies resultiert zum Beispiel aus unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung und -zusammensetzung in verschiedenen Motorbetriebspunkten.As already mentioned change the filter properties with the load. In addition to the quantity change, can also be the quality change the load yourself. This results, for example, from different particle size distribution and composition at various engine operating points.
Erfassung, Speicherung und Bereitstellung des Zusammenhangs zwischen dp und Filterbeladung in BeladungsphasenCapture, storage and providing the relationship between dp and filter loading in loading phases
Der Betriebsbereich eines Motors wird in der Regel durch sein Motorenkennfeld beschrieben. In Abhängigkeit der Motorendrehzahl n und des abgegebenen Momentes Md können sämtliche resultierenden Größen dargestellt werden. Für ein Partikelfilter bzw. den durch das Partikelfilter hervorgerufenen Druckverlust dp hingegen, ist der Volumenstrom V des durchströmenden Mediums maßgeblich. Der Volumenstrom V wiederum setzt sich aus der Temperatur T des Abgases, des vorherrschenden Druckes p sowie der Abgasmasse mABG zusammen. Während die Druck- und Temperaturmessung am Partikelfilter gesondert vorgesehen werden muss, liegt die Größe mABG bei modernen Motoren in der Summe aus zugeführter Luftmasse mL und der aktuellen Einspritzmenge mK bereits vor. Sie können dem Motorsteuergerät (ECU) entnommen werden. In Versuchen kann nun ein eigenes Kennfeld für den Partikelfilter gefunden werden. In Abhängigkeit der Abgasmasse, der Temperatur und der Beladung wird der resultierende Druckverlust dp aufgezeichnet. Mit den Daten kann nun ein (oder mehrere) sogenannte Künstliche Neuronale Netze (KNN) trainiert werden, welche diese dreidimensionalen Zusammenhänge in geeigneter Weise speichern und für den Abruf bereitstellen. Problematisch ist hierbei die Unfähigkeit Neuronaler Netze zur Extrapolation. Wird dem Netz zum Beispiel als Eingangsgröße eine Temperatur dargeboten, welche außerhalb des Trainingsbereiches liegt, können keine verlässlichen Ausgangsgrößen erzeugt werden. Es müsste also in der Praxis jede Motor-Partikelfilterkombination zunächst untersucht werden, bevor das Verfahren eingesetzt werden könnte. Daher wurde eine Vorgehensweise entwickelt, welche den Einsatz von bekannten Filtersystemen auf beliebig unterschiedlichen Motoren zulässt. Die hierzu notwendige Extrapolation wird bereits vor dem eigentlichen Netztraining möglich gemacht.The operating range of an engine is usually described by its engine map. Depending on the engine speed n and the output torque Md all resulting variables can be displayed. For a particle filter or the pressure loss dp caused by the particle filter, on the other hand, the volume flow V of the medium flowing through is decisive. The volume flow V in turn is composed of the temperature T of the exhaust gas, the prevailing pressure p and the exhaust gas mass mABG. While the pressure and temperature measurement on the particulate filter must be provided separately, the size mABG is already present in modern engines in the sum of the supplied air mass mL and the current injection quantity mK. They can be taken from the engine control unit (ECU). In experiments, a separate map for the particle filter can now be found. Depending on the exhaust gas mass, the temperature and the load, the resulting pressure loss dp is recorded. With the data, one (or more) so-called artificial neural networks (KNN) can now be trained, which store these three-dimensional relationships in an appropriate manner and provide for retrieval. The problem here is the inability of neural networks for extrapolation. If, for example, the temperature presented to the network as an input variable is outside the training range, then no ne reliable output variables are generated. Thus, in practice, each engine-particulate filter combination would first have to be examined before the process could be used. Therefore, a procedure has been developed that allows the use of known filter systems on any different engines. The necessary extrapolation is made possible even before the actual network training.
Im
Entwicklungsstadium wurden am Motorenprüfstand in sog. CMS-Messungen
die notwendigen Datensätze
erzeugt. Hierzu wird der Motor mit dem entsprechenden Partikelfilter
im Abgasstrang versehen und die Sensorik angebracht. Im Einzelnen handelt
es sich um die in
Zur
Erzeugung eines "Partikelfilterkennfeldes" mit dem Druckverlust
dp als abhängige
Größe von Temperatur
T und der Abgasmasse mABG, wird der Motor so betrieben, dass möglichst
alle Extrempunkte erreicht werden bzw. die in
Um
zum Beispiel maximale Abgasmasse bei gleichzeitig minimaler Temperatur
(Punkt P1 in
Für die Maximierung
der Projektionsfläche
A wurde am Motorenversuch ein spezieller Fahrzyklus – im nachfolgenden
Kennfeldschleife genannt – entwickelt,
der der Erzeugung der Trainingsdaten zugrunde liegt.
Man erkennt, dass lediglich 350 Sekunden zur Erzeugung einer solchen Kennfeldschleife nötig sind. Es wird somit selbst in der Entwicklungsphase die notwendige Prüfstandszeit möglichst gering gehalten.you recognizes that only 350 seconds to produce such Kennfeldschleife are necessary. Thus, even in the development phase, it becomes the necessary test bench time preferably kept low.
Im
nächsten
Schritt werden die Datenpunkte mittels Flächeninterpolation verbunden,
wie aus
Die
blaue Linie in
Die
Schnitte bei konstanten Temperaturen bieten ferner eine Kontrollmöglichkeit:
bei nicht durchströmten
Filter muss der Druckverlust dp = 0 sein. Für die Gleichung bedeutet dies,
dass der Koeffizient p0 stets gleich 0 sein sollte. Betrachtet man
die einzelnen Koeffizienten der Gesamtheit der Schnitte für verschieden
Beladungen, so können
noch weitere Erkenntnisse gewonnen werden. Trägt man die Koeffizienten einzeln über verschiedene
Beladungsstufen auf, kann auch hier ein Trend ausgemacht werden, der
die Extrapolation über
die Beladung zulässt.
Konkret bedeutet dies, dass nicht alle Beladungsstufen für die Erzeugung
des Trainingsdatensatzes auch tatsächlich im Versuch gemessen
werden müssen.
Aus
dem, durch die Gesamtheit der Messungen, erzeugten Datensatz kann
also durch die Behandlung Schneiden, Polyfit, Extrapolation ein
synthetischer Datensatz geschaffen werden der deutlich weitere Bereiche
abdecken kann als der ursprünglich vermessene.
Jedem der Datenpunkte des Datenraums werden die entsprechend zugehörigen Werte zugeordnet. Die Zuordnung und Speicherung geschieht mittels des Trainings des/der Neuronalen Netze. Einmal trainiert stellen die Netze dann die gewünschte Ausgabegröße in Abhängigkeit verschiedener, von einander unabhängigen Eingangsgrößen, zur Verfügung. Für den Anwendungsfall Partikelfilter werden dem Künstlichen Neuronalen Netz als Eingangsgrößen der aktuelle Abgasmassenstrom mABG, die Temperatur des Abgases im Filter, sowie der Druckverlust dp präsentiert. Durch Klassifikation wird die zugehörige Beladung erkannt und ausgegeben.Each The data points of the data space become the corresponding values assigned. The assignment and storage is done by means of Trainings of the neural network (s). Once trained, put the Networks then the desired output size in dependence different, independent inputs, for Available. For the Application Particulate filters are considered as artificial neural networks Input variables of the current exhaust gas mass flow mABG, the temperature of the exhaust gas in the filter, as well as the pressure loss dp presented. By classification, the associated load is recognized and output.
Alle Fehler in den Messgrößen des Netzeingangs beeinflussen hierbei natürlich ebenfalls die Ausgabe. Da aber im Vergleich zur reinen Druckmessung die Größe der Beladung x unter entsprechenden Bedingungen nicht abnehmen darf, kann die Ausgabegröße bewertet werden. Mit Kenntnis der Partikelemission des Motors, kann die Ausgabegröße weiter beurteilt werden: ein Steigen der Beladung über das Maß der Rohemission hinaus kann als offensichtlich falsch identifiziert werden. Zusätzlich kann das Ausgabesignal gleitend oder abschnittsweise gemittelt werden, da eine Werteaktualisierung mit der Eingangsfrequenz von 1 Hz nicht nötig ist. Es genügt vielmehr, die Beladungswerte "minutenweise" auszugeben, gerade wenn man bedenkt, dass unter realen Bedingungen mit "Golfklasse-Fahrzeugen" ca. 500 km gefahren werden können, bis ein Partikelfilter regeneriert werden muss.Of course, all errors in the measured quantities of the mains input also influence the output. Since, however, the size of the load x may not decrease under corresponding conditions compared to the pure pressure measurement, the output size can be evaluated. With knowledge of the particle emission of the engine, the output size can be further evaluated: increasing the load beyond the level of raw emissions can be identified as obviously wrong. additionally the output signal can be averaged or segmented, since a value update with the input frequency of 1 Hz is not necessary. Rather, it is sufficient to output the load values "by the minute", especially considering that under real conditions "golf class vehicles" can drive about 500 km until a particle filter has to be regenerated.
Berechnung der Filterbeladung x in Regenerationsphasencalculation the filter load x in regeneration phases
In Regenerationsphasen versagt die mathemathisch-physikalische Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Filterbeladung x und Druckverlust dp. Auch der empirisch gefundene Zusammenhang kann nicht angewendet werden, da im Gegensatz zur Beladung hier keine homogenen Bedingungen herrschen. Der Vorgang der Rußoxidation, d.h. der Regeneration ist vielmehr zeitlich und örtlich stark von Zufälligkeiten geprägt. In der Regel werden lokal im Filter Rußzündbedingungen erreicht und somit die Regeneration an diesen sog. hot-spots initiiert. Im zeitlichen Verlauf einer Regeneration kann das Filter also partiell völlig freigebrannt sein, während weite, in der Regel kühlere Bereiche, noch beladen sind. Bei katalytisch beschichteten Partikelfiltern werden häufig die Beladungsteilchen zuerst oxidiert, die in direktem Kontakt mit dem Katalysatormaterial stehen. Naturgemäß folglich diejenigen Partikel, die in der Tiefe des Filters bzw. oberflächennah abgeschieden wurden.In Regeneration phases fail the mathematical-physical description the relationship between filter loading x and pressure loss dp. Even the empirically found connection can not be applied are, as opposed to the loading here no homogeneous conditions to rule. The process of soot oxidation, i.e. regeneration is much more of a coincidence in time and place embossed. In general, soot ignition conditions are achieved locally in the filter and thus initiating the regeneration of these so-called hot spots. In temporal As a result of regeneration, the filter can be partially completely burned free be while wide, usually cooler Areas that are still loaded. For catalytically coated particle filters become common the loading particles are first oxidized, which are in direct contact with the catalyst material. Naturally, therefore, those particles, which were deposited in the depth of the filter or near the surface.
Wie oben erwähnt besitzt die Tiefenfiltration einen starken Einfluss auf den Druckverlust. Entsprechend verhält sich dieser Zusammenhang bei der Regeneration, das heißt der Druckverlust sinkt bei Oxidation der tiefenfiltrierten Partikel zunächst stark ab.As mentioned above the depth filtration has a strong influence on the pressure loss. Behaves accordingly This relationship in the regeneration, that is, the pressure loss initially decreases strongly upon oxidation of the deep-filtered particles.
In der Regel wird eine vollständige Regeneration angestrebt, während dieser die Information über den Beladungszustand des Filters nicht zwingend notwendig ist. Wichtig ist allerdings eine verlässliche Information über das Regenerationsende bzw. die vollständige Entladung des Filters um den Aufwand an Energie die für die Regeneration benötigt wird, so gering wie möglich zu halten. Aus oben genannten Gründen ist diese Information aus der Messgröße Druckverlust dp nur unzureichend genau abzuleiten.In The rule will be a complete one Aimed for regeneration while this information about the loading condition of the filter is not absolutely necessary. Important However, it is a reliable one information about the regeneration end or the complete discharge of the filter around the expenditure of energy for the the regeneration needed will be as low as possible to keep. For the reasons mentioned above this information from the measured variable pressure loss dp is insufficient to deduce exactly.
Muss die angestrebte vollständige Regeneration vorzeitig abgebrochen werden (z.B. der Fahrer stellt das Fahrzeug ab), ist die Kenntnis der auf dem Filter verbliebenen Masse von Vorteil. Auf Basis der berechneten, auf dem Filter verbliebenen Restmenge kann entschieden werden, ob eine erneute Aufnahme der Regeneration nach Fahrzeug- bzw. Motorstart sinnvoll ist oder der Filter erneut beladen wird.Got to the desired complete Regeneration should be stopped prematurely (e.g., the driver stops the vehicle), the knowledge of the remaining on the filter Mass of advantage. Based on the calculated, remaining on the filter Residual quantity can be decided whether a resumption of the Regeneration after vehicle or engine start makes sense or the Filter is reloaded.
Hier greift nun der Ansatz der beladungsbasierten Prozessüberwachung. Mit der Temperatur T am Filter, ist der wesentliche variable Einflussfaktor für die Regeneration bekannt. Nach der Gleichung von Arrhenius, die chemische Reaktionen ganz allgemein beschreibt, hängt die Reaktionsgeschwindigkeit bei gleichen Randbedingungen nur von der Temperatur ab. mit:
- k
- = Oxidationsrate
- A
- = reaktionsabhängige Konstante
- R
- = Gaskonstante
- T
- = Temperatur
- Ea
- = Aktivierungsenergie
- k
- = Oxidation rate
- A
- = reaction-dependent constant
- R
- = Gas constant
- T
- = Temperature
- Ea
- = Activation energy
Mit in Prüfstandsversuchen und dem sog. DTA-Verfahren (differential thermal analysis) empirisch ermittelten Größen der Aktivierungsenergie Ea und der reaktionsabhängigen Konstate A kann also der Rußumsatz bzw. die Oxidationsrate k als temperaturabhängige Größe bestimmt werden. Die chemische Zusammensetzung des durchströmenden Mediums, in diesem Fall Dieselabgas, hat ebenso Einfluss, bleibt aber in der Regel während einer aktiven Regenerierung bzw. über die Betriebszeit des Motors annähernd konstant. Sind in der Regenerationsstrategie verschiedene Modi vorgesehen, so kann auf Informationen aus einem entsprechenden Regenerationskennfeld zurückgegriffen werden.With in test bench trials and the so-called DTA (differential thermal analysis) method empirically determined sizes of Activation energy Ea and the reaction-dependent constant A can thus the Rußumsatz or the oxidation rate k can be determined as a temperature-dependent variable. The chemical Composition of the flowing through Medium, in this case diesel exhaust, has just as much influence but usually during an active regeneration or approximately constant over the operating time of the engine. Are there different modes in the regeneration strategy, so can on information from a corresponding regeneration map resorted become.
Am
Ende einer Beladungsphase wird der Wert der Beladung x vom neuronalen
Netz an ein weiteres Rechentool übergeben.
Dieses kalkuliert auf Basis der gemessenen Eingangsgrößen Temperatur
T, Drehzahl n, der aktuellen Einspritzmenge sowie der Luftmasse
zunächst
die aktuelle Partikelemission. Diese muss bekannt, d.h. bereits
gemessen und in geeigneter Weise abgelegt sein. Hierzu kommt ebenfalls
ein neuronales Netz zum Einsatz. Gleiches geschieht mit der Konzentration
an Sauerstoff im Abgas. Es wird nun die Oxidationsrate k berechnet,
die ggf. auf differierende Sauerstoffgehalte korrigiert wird. Es
ist damit möglich
sowohl die aktive Regeneration, als auch zufällige Teilregenerationen, die
z. B. aus Volllastfahrten herrühren,
zu berechnen. Der tatsächliche
Beladungsverlust dx am Partikelfilter berechnet sich letztendlich
wie folgt:
Die Größe dx ist eine Momentangröße die für die jeweiligen aktuellen Bedingungen berechnet wird. Ausgehend von der Startbeladung des Filters bei der Regeneration (= dem Endwert der Beladung = x) wird über den Beladungsverlust dx die aktuelle Beladung errechnet: The size dx is a momentary magnitude calculated for the respective current conditions. Starting from the start load of the filter at the Regeneration (= the final value of the load = x) is calculated via the load loss dx the current load:
Die Beladung x wird also während der Regeneration wie oben beschrieben berechnet und nicht wie während der Beladung, bezogen auf den Druckverlust dp kalkuliert. Zusätzlich kann der Beladungsverlust dx über Exothermie genauer bestimmt werden. Es müssen hierfür zwei Temperatursensoren vor und nach dem Partikelfilter eingefügt werden.The Loading x becomes so during the regeneration calculated as described above and not as during the Loading, calculated based on the pressure loss dp. In addition, can the loading loss dx over Exothermicity can be determined more accurately. There must be two temperature sensors for this purpose and past the particulate filter.
Da die Berechnung der Beladung x in den einzelnen Phasen grundlegend unterschiedlich vorgenommen wird, ist der Austausch von Informationen über die jeweiligen Werte unerlässlich. Während einer Beladungsphase wird ständig der Beladungswert x ausgegeben und dem Tool, welches während der Regeneration die Berechnungen vornimmt, zur Verfügung gestellt. Es kann so zu jedem Zeitpunkt, sowohl bei zufälligem, als auch bei aktiv eingeleitetem Regenerationsbeginn, seine Arbeit verrichten. Wird die Regeneration vollständig abgeschlossen, so wird der Beladungswert x = 0 ausgegeben und in der nachfolgenden Beladungsphase zunächst mit der aktuellen Kalkulation des Beladungstools verglichen. Wird wiederholt, nach vermeintlich vollständiger Regeneration, eine Differenz zwischen den Ausgabewerten der beiden Tools festgestellt, so werden nachfolgende Regenerationsphasen jeweils zeitlich verlängert. Werden nach dieser Maßnahme noch immer Differenzen detektiert, so wird dieses Phänomen nichtregenerativen Ablagerungen zugeschrieben und als Kennwert ausgegeben. Die Ablagerungen können zum Beispiel aus Aschen herrühren, die einen Partikelfilter ebenso wie reine Rußpartikel stetig beladen. Der Ascheanteil ist bei Verwendung von S-armen, nichtadditivierten Dieselkraftstoffen relativ gering. Während man beim Zusatz von Additiven, die den Ascheanteil erhöhen, von einer Filterlebensdauer (wird i.d.R. in Fahrzeuglaufleistung angegeben) von ca. 80.000 km ausgeht, können Systeme die auf Additive verzichten, bereits die Lebensdauer eines Motors erreichen, die in der Regel mit etwa 240.000 km angegeben wird. Durch den Druckverlust den diese nichtregenerativen Ablagerung hervorrufen, ist die Regenerationsstrategie, aber auch die Kalkulation der Gesamtbeladung selbst, anzupassen. Diesem Umstand wird in der Interaktion zwischen beiden Berechnungstools Rechnung getragen.There the calculation of the loading x in the individual phases is fundamental is done differently, is the exchange of information about the respective values are essential. While a loading phase is constantly the load value x is output and the tool, which during the regeneration makes the calculations provided. It can be so at any time, both at random, as well as actively initiated regeneration start, his work do. If the regeneration is completed, then the Loading value x = 0 and in the subsequent loading phase first compared with the current calculation of the loading tool. Becomes repeated, after supposedly complete regeneration, a difference between the output values of the two tools are determined so subsequent regeneration phases each extended in time. Become after this measure still detects differences, so this phenomenon is non-regenerative Deposited deposits and issued as a characteristic value. The deposits can for example, from ashes, which constantly load a particle filter as well as pure soot particles. Of the Ash content is when using low-S, non-additive diesel fuels relatively low. While with the addition of additives that increase the ash content of a filter life (indicated i.d.R in vehicle mileage) of 80,000 km can go out Systems that do without additives already extend the life of an engine which is usually stated to be around 240,000 km. Due to the pressure loss caused by this non-regenerative deposit, is the regeneration strategy, but also the calculation of the total load myself, adapt. This circumstance will be in the interaction between both calculation tools.
Über den Kennwert der nichtregenerativen Beladung, steht ferner eine Bewertungsgröße für die Filterperformance zur Verfügung. Es kann also angezeigt werden, dass ein Filter getauscht werden muss, weil die vorgesehene thermische Reinigung nicht mehr ausreicht um den Ansprüchen an moderatem Druckverlust zu genügen.On the Characteristic value of the non-regenerative loading, is also an evaluation variable for the filter performance to disposal. It can therefore be shown that a filter can be exchanged must because the intended thermal cleaning is no longer sufficient to the claims to meet moderate pressure loss.
Zusammenfassend
besteht die Entwicklung also aus zwei Tools (siehe auch
Das zweite Tool (Tool 2) rechnet, sobald erwähnenswerte Oxidationsvorgänge auf dem Filter stattfinden, ausgehend von den Eingangsgrößen Temperatur (tE), Luftmassenstrom (mL), Kraftstoffmassenstrom (mK), Partikelkonzentration (kPM), Sauerstoffanteil im Abgas (kO2) und Rußumsatz- bzw. Oxidationsraten (k), den Massenverlust an Rußpartikeln im Filter.The second tool (Tool 2) calculates, as soon as mentionable oxidation processes on take place the filter, starting from the input variables temperature (tE), air mass flow (mL), fuel mass flow (mK), particle concentration (kPM), oxygen content in the exhaust gas (kO2) and Rußumsatz- or oxidation rates (k), the mass loss of soot particles in the filter.
Beide Tools arbeiten parallel, wobei das Erste nur bei Beladungsbedingungen zum Einsatz kommt, das Zweite unter Regenerationsbedingungen arbeitet. Ein Austausch an Informationen findet dann statt, wenn von Beladung in die Regeneration bzw. von Regeneration in Beladung übergegangen wird.Both Tools work in parallel, with the first only under loading conditions is used, the second works under regeneration conditions. An exchange of information takes place when of loading into regeneration or from regeneration to loading becomes.
Nachfolgend ein konkretes Beispiel: während einer Beladung wird die Größe x1 für die Beladungsmasse von Tool 1 ausgegeben. Erreicht die Differenz zwischen dem oberen Grenz-Kennwert Xo und der Größe x1, den Wert 0 (Xo-x1 = 0) wird die Regeneration eingeleitet. Es wird der Wert x1 von Tool 1 an Tool 2 übergeben und kontinuierlich der Umsatz dm/dt an Rußpartikeln berechnet. Kalkuliert wird die notwendige Regenerationszeit tR (unter aktuellen Bedingungen) für die vollständige Entleerung des Filters, aber auch der Momentanwert der Beladung x2 in Abhängigkeit der vorherrschenden Regenerationsbedingungen. Somit steht auch bei unvollständiger Regeneration und vorzeitigem Übergang zu erneuter Beladung der aktuelle Beladungswert x2 zur Verfügung, der dann vom Tool 1 übernommen und bis zur Einstellung homogener Bedingungen am Filter für Bewertung und Kalkulation verwendet wird. Etwaige Veraschung, oder auch nicht regenerierbare Ablagerungen werden erkannt und fließen nach Bildung eines Kennwertes xNR in weitere Kalkulationen ein. Zur Anzeige kommen somit stets die aktuell auf dem Filter abgelagerte Rußmasse x1 bzw. x2, sowie der Kennwert der Veraschung xNR. Ferner werden die Werte in geeigneter Weise indiziert, um dem System, aber auch dem Fahrzeugführer das Vertrauensniveau der Momentanwerte mitzuteilen.following a concrete example: during a load becomes the size x1 for the load mass issued by Tool 1. Reach the difference between the top Limit value Xo and the size x1, the Value 0 (Xo-x1 = 0) initiates regeneration. It will be the Transfer value x1 from Tool 1 to Tool 2 and continuously calculates the conversion dm / dt of soot particles. It is calculated the necessary regeneration time tR (under current conditions) for the full Emptying of the filter, but also the instantaneous value of the load x2 depending the prevailing regeneration conditions. Thus, also with incomplete Regeneration and premature transition to re-loading the current load value x2 available, the then taken from Tool 1 and until the setting of homogeneous conditions on the filter for evaluation and costing is used. Any ashing, or not regenerable deposits are recognized and flow Formation of a characteristic xNR in further calculations. See full ad thus always come the currently deposited on the filter soot mass x1 or x2, as well as the characteristic value of the ashing xNR. Furthermore, the Values appropriately indexed to the system, but also the driver to communicate the confidence level of the instantaneous values.
Experimente
zur Validation des virtuellen Beladungssensors wurden durchgeführt.
Unter realen Bedingungen muss eine angefangene Regeneration unter Umständen unterbrochen werden, wobei Ruß zurückbleibt. Für Regenerationsstrategien ist die Kenntnis des zurückgebliebenen Rußes wesentlich. Das Verhalten des virtuellen Beladungssensors wurde auch unter diesen realen Bedingungen getestet.Under Under real circumstances, any regeneration that has started must be interrupted with carbon black remaining. For regeneration strategies is the knowledge of the laggard soot essential. The behavior of the virtual load sensor was also tested under these real conditions.
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