DE4242274A1 - Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltersystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration von Partikelfil­ tersystem für die Abgase von Dieselbrennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE 41 07 388 ist ein solches Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltersystemen bekannt. Als Kriterium für die Steuerung der Regeneration wird hierbei die Temperatur, die am Ausgang des Parti­ kelfilters herrscht, erfaßt und von einer Steuereinrichtung verarbeitet. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, daß eine am Ausgang des Partikelfilters erfaßte unzulässige Temperatur aus einer unzu­ lässigen bzw. unbekannte Temperatur am Eingang des Filters bzw. aus einem Defekt des Filters resultiert. Ebenso sind die Temperaturen vor dem Filter unbekannt, die zu einer unzulässigen Filtertemperatur führen. Da aufgrund der verzögerten Erfassung der Temperatur am Ausgang des Partikelfilters die schon erreichte unzulässige Tempera­ tur am Eingang des Filters zu einer Beschädigung des auf Übertempe­ ratur empfindlich reagierenden Partikelfilters geführt hat, ist ein ein­ wandfreier Betrieb des Partikelfiltersystems ausgeschlossen. Darüber hinaus kann es zu Beeinträchtigungen des Betriebes der Brennkraft­ maschine kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß bekannte Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltersystemen derart zu verbessern, daß die Temperatur am Eingang des Partikelfilters auf einem in Ab­ hängigkeit von Systemgrößen des Parikelfiltersystems bzw. von Be­ triebsgrößen der Brennkraftmaschine vorgebbaren Wert während der Regeneration weitestgehend konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es ist vorgesehen, daß ein durch zumindest eine Komponente des Brennersystems beeinflußbarer Parameter zur Einhaltung eines in Abhängigkeit wenigstens einer Systemgröße des Partikelfiltersystems und/oder einer Betriebsgröße der Dieselbrennkraftmaschine vorgebba­ ren Wertes zumindest während der Regeneration weitestgehend kon­ stanten Wertes geregelt wird. Durch diese Regelung, die in Abhängig­ keit von System- bzw. Betriebsgrößen durchgeführt wird, ist der Vor­ teil gegeben, daß der Parameter während der Regeneration auf einem vorgebbaren Wert gehalten wird, so daß dadurch ein optimaler Rege­ nerationsvorgang gewährleistet ist. Bei der Komponente des Brenner­ systems, die den Parameter beeinflußt, handelt es sich in vorteilhafter Weise um ein Dosierventil, mit dem Kraftstoff in das Brennersystem eingespritzt wird. Bei dem beeinflußbaren Parameter handelt es sich in vorteilhafter Weise um die Temperatur (Mischgastemperatur) am Eingang des Partikelfilters, die zur Vermeidung von Beschädigungen des Partikelfilters auf einen vorgebbaren Wert geregelt wird. System­ größen des Partikelfiltersystems sind bspw. Größen wie Abgasgegen­ druck sowie weitere Temperaturen, welche bspw. im Partikelfilter selbst oder dahinter gemessen werden. Bei der zumindest einen Be­ triebsgröße der Dieselbrennkraftmaschine handelt es sich in vorteil­ hafter Weise um eine Drehzahl.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein aus der Beeinflussung der zumindest einen Komponente resultierender Parameter (Regelgröße) erfaßt und ein Sollwert (Führungsgröße) für den Parameter während der Regeneration aus einem Kennfeld, insbesondere einer Kennlinie, entnommen. Dies hat den Vorteil, daß entweder für jeden Arbeits­ punkt der Brennkraftmaschine bzw. des Partikelfiltersystems ein Soll­ wert während der Regeneration zur Verfügung steht, oder unabhängig davon (lediglich zeitabhängig) so daß für jeden Arbeitspunkt eine op­ timale Regeneration (insbesondere Einstellung der Temperatur vor dem Partikelfilter bzw. die Zumessung des Kraftstoffes durch das Do­ sierventil) eingestellt werden kann. Weiterhin ist die Entnahme von einzelnen Werten aus dem Kennfeld denkbar, zwischen denen interpo­ liert und eine Kennlinie gebildet wird.

In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Regelung in Abhängigkeit zumindest eines Grenzwertes, wobei der zumindest eine Grenzwert aus zumindest einer Systemgröße des Partikelfiltersystems berechnet wird. Dies hat den Vorteil, daß die Regelung derart erfolgt, daß unzu­ lässige Werte für die Temperatur vor dem Partikelfilter vermieden werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird der zumindest eine Grenzwert weiterhin aus zumindest einer Störgröße berechnet. Dies hat den Vor­ teil, daß bei der Regelung der Temperatur vor dem Partikelfilter neben zumindest einer Systemgröße des Partikelfiltersystems auch Störgrö­ ßen berücksichtigt werden, wobei diese Störgrößen vorgebbar sind, bzw. es sich um Betriebsgrößen der Dieselbrennkraftmaschine handeln kann.

In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Regelung wenigstens in Abhängigkeit der berechneten Störgröße. Neben der Berücksichtigung der Störgröße bei der Berechnung des Grenzwertes ist es denkbar, daß die berechnete Störgröße direkt bei der Regelung einfließt. Dadurch ist es möglich, Störgrößen entweder alleine oder im Zusammenhang mit dem zumindest einen Grenzwert bei der Regelung zu berücksichtigen. Dadurch ist eine wesentlich effektivere Regeneration des Partikelfilters möglich, da dadurch der beeinflußbare Parameter (Temperatur vor dem Partikelfilter, Mischgastemperatur) wesentlich genauer und schneller eingeregelt werden kann als bei einer Steuerung.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Temperatur vor bzw. nach der Regeneration des Partikelfilters auf einem vorgebbaren Wert un­ terhalb des Temperaturwertes gehalten, der während der Regeneration geregelt bzw. gehalten wird. Dies hat den Vorteil, daß vor bzw. nach der Regeneration starke Temperatursprünge vermieden werden, so daß eine Beschädigung des Partikelfilters weitgehend ausgeschlossen ist und ein vorgebbares Temperaturniveau eingehalten wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird eine Funktionsprüfung der zu­ mindest einen Komponente des Partikelfiltersystemes durchgeführt. Dies kann bspw. derart geschehen, daß die Komponente (bspw. Do­ sierventil bzw. Luftkompressor) betätigt und eine Reaktion nach der Betätigung detektiert wird. Dadurch ist sichergestellt, daß vor Beginn der Regeneration das gesamte Partikelfiltersystem einwandfrei arbei­ tet.

In Weiterbildung der Erfindung wird eine Überprüfung der Funktions­ tüchtigkeit des Partikelfilters anhand von vorgegebenen Werten, ins­ besondere von Kennfeldwerten, durchgeführt. In Zusammenhang mit der wenigstens einen erfaßten Systemgröße (Abgasgegendruck) des Partikelfiltersystems und den vorgegebenen Werten (Kennfeldwerten) ist es möglich, eine Aussage darüber zu treffen, ob der Partikelfilter korrekt arbeitet oder defekt ist. Darüber hinaus ist es möglich, aus den Kennfeldwerten (insbesondere für eine unbeladenen und einen be­ ladenen Partikelfilter) und dem vorliegenden Abgasgegendruck den Beladungsgrad zu berechnen. In vorteilhafter Weise erfolgt diese Be­ rechnung bzw. eine Grenzwertüberprüfung nach einer vorgebbaren Minimalzeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Zusammenhang mit den ge­ zeigten Figuren im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 Eine Regeleinrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,

Fig. 2 Übersicht über ein Partikelfiltersystem,

Fig. 3 eine Überwachung des Brennersystemes.

Fig. 1 zeigt eine Regeleinrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Eine Regeleinrichtung 10 (insbesondere ein PI-Regler) ist mit einem Sensor 11 zur Erfassung eines Ist-Wertes (insbesondere der Mischgastemperatur) verschaltet. Weiterhin ist eine Einrichtung 12 mit der Regeleinrichtung 10 verbunden, die aus einem Kennfeld eine Führungsgröße für die Zeit während der Regeneration anhand einer abgespeicherten Kennlinie oder durch eine Interpolation vorgibt. Eine Einrichtung 13, bei der es sich bspw. ebenfalls um ein Kennfeld handelt, das in Abhängigkeit von Systemgrößen des Partikel­ filtersystems und-oder einer Betriebsgröße der Dieselbrennkraftma­ schine (vorzugsweise einer Drehzahl) arbeitet (parameteradaptive Re­ gelung), ist mit der Regeleinrichtung 10 verschaltet und gibt dieser die Reglerparameter vor. Mit 14 sind weitere Sensoreingänge bzw. Ein­ richtungen bezeichnet, die in geeigneter Weise der Regeleinrichtung 10 Größen zur Verfügung stellt. Ausgangsseitig ist die Regeleinrich­ tung 10 mit einem Stellglied 15 verbunden, wobei es sich bspw. um ein Dosierventil für die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Brennersystem handeln kann. Darüber hinaus ist die Beeinflussung bzw. Ansteuerung weiterer Stellglieder denkbar. Weiterhin ist der Regeleinrichtung 10 eine Einrichtung 16 zur Bestimmung von Grenzwerten zugeordnet. Eingangsseitig ist die Einrichtung 16 mit weiteren Einrichtungen 17 und 18 verschaltet, wobei die Einrichtung 17 der Störgrößenberech­ nung und die Einrichtung 18 der Berechnung der Brennergrenzen (insbesonders zur adaptiven Beeinflussung) ausgebildet ist. Die Be­ rechnung der Störgrößen durch die Einrichtung 17 bzw. die Berech­ nung der Brennergrenzen durch die Einrichtung 18 erfolgt in Ab­ hängigkeit von vorgebbaren Werten bzw. in Abhängigkeit von erfaß­ ten Ist-Werten von Systemgrößen der Partikelfiltersystems bzw. von Betriebsgrößen der Dieselbrennkraftmaschine.

Fig. 2 zeigt eine Übersicht und ein Funktionsschema eines Par­ tikelfiltersystems. Einer Dieselbrennkraftmaschine 1.0 ist ein Partikelfiltersystem mit einem Partikelfilter 1.1 nachgeschaltet. Die Abgase der Dieselbrennkraftmaschine 1.0 werden dem Partikelfilter 1.1 über eine Mischkammer 1.2 zugeführt. Der Mischkammer 1.2 ist ein Brenner 2 und eine Brennkammer 1.3 zugeordnet, der zur Erhöhung der Brennkammertemperatur Luft und Kraftstoff zugeführt wird.

Die Luftversorgung des Brenners erfolgt über eine Luftförder­ pumpe 3.1. Die Kraftstoffversorgung des Brenners 2 erfolgt über ein Kraftstoff-Dosierventil 4.1, das von einer Kraft­ stoff-Förderpumpe 4.3 versorgt wird. Zusätzlich zu der Luft und Kraftstoffversorgung ist dem Brenner 2 eine Zündung 5.1 zugeordnet, die die im Brenner 2 angeordnete Zündkerze 5.2 steuert. In dieser Fig. 2 ist eine Zündkerze 5.2 gezeigt, wobei jedoch auch die Verwendung von mehr als nur einer Zünd­ kerze 5.2 und eine Beheizung der Zündkerze denkbar ist. Ebenso sind Glühkerzen einsetzbar.

Weiterhin weist das Partikelfiltersystem die Regeleinrichtung 10 mit verschiedenartigen Ein- und Ausgängen (alternativ und/oder ergänzend zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten) auf, die im folgenden näher beschrieben werden. An einem Eingang 6.2 sind verschiedene Temperaturgeber zur Erfassung von Temperatursignalen der Brennkraftmaschine 1.0 und des Partikelfiltersystems angeschlossen. Ein Abgastemperaturgeber 7.1 erfaßt die Temperatur des Abgases der Dieselbrennkraft­ maschine 1.0. Ein weiterer Temperaturgeber ist ein Brenn­ kammer-Temperaturgeber 7.2 (Mischgastemperatur), der an oder in der Brennkammer 1.3 angeordnet ist und deren Tempe­ ratur erfaßt. Ein Hinterfiltertemperaturgeber 7.3 erfaßt die hin­ ter dem Partikelfilter 1.1 herrschende Temperatur. An einem weiteren Eingang 6.3 der Regeleinrichtung 10 ist ein Druck­ sensor 8.2 angeschlossen, der dem Brenner 2 zugeordnet ist und einen Istwert für den Abgasgegendruck erfaßt. An einem Eingang 6.4 der Regeleinrichtung 10 werden mit verschiedenen Gebern Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine erfaßt. Mit einem Drehzahlsignalgeber 9.1, der an der Brennkraftmaschine 1.0 angebracht ist und die Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1.0 erfaßt, wird ein Drehzahlsignal an den Eingang 6.4 der Regeleinrichtung 10 abgegeben. Darüberhinaus weist die Regeleinrichtung 10 einen Ausgang 6.5 auf, an der eine Warneinrichtung, die als Signallampe 9.3 dargestellt ist, angeschlossen ist. Weiterhin ist an diesem Ausgang 6.5 eine Diagnoseschnittstelle 9.4 vorhanden. An dieser Diagnoseschnittstelle 9.4 kann beispielsweise ein Fehler-Code, der bei Vorliegen einer Störungsmeldung berechnet wird, an ein Diagnosegerät abgegeben werden. Ansonsten kann diese Diagnoseschnittstelle 9.4 für die Übermittlung der erfaßten Meßwerte der Brennkraftmaschine 1.0 oder des Partikelfiltersystems verwendet werden. An einem weiteren Ausgang 6.6 sind Steuerleitungen angeschlossen, mit denen die Regeleinrichtung 10 Steuerbefehle an die einzelnen Einrichtungen des Partikelfiltersysteme übermitteln kann. Eine erste Steuerleitung führt zu dem Kraftstoff-Dosierventil 4.1, das beispielsweise getaktet von der Regeleinrichtung 10 ange­ steuert wird. Entsprechend dieser Taktung können verschie­ dene Kraftstoffmengen eingestellt werden. Eine zweite Steuer­ leitung führt zu der Zündung 5.1, wodurch die Regeleinrich­ tung 10 in der Lage ist, die Zündung des Brenners 2 zu steuern. Eine dritte Steuerleitung führt zu der Kraft­ stoff-Förderpumpe 4.3. Eine weitere Steuerleitung ist mit der Luftförderpumpe 3.1 verbunden, so daß die Luftförderpumpe 3.1 den Steuerbefehlen der Regeleinrichtung 10 entsprechend ein- und ausgeschaltet werden kann.

Das in Fig. 2 gezeigte Partikelfiltersystem bzw. die in Fig. 1 gezeigte Regeleinrichtung 10 und ihre Komponenten arbeiten wie folgt:

Nach Abwarten eines stabilen Betriebszustandes der Diesel­ brennkraftmaschine 1.0 erfolgt in an sich bekannter Weise die Überprüfung zumindest einer Komponente des Partikelfilter­ systems. Nach Erreichen eines stabilen Betriebszustandes er­ folgt anhand eines Kennfeldes die Überprüfung, ob der Partikelfilter in Ordnung oder defekt ist. Aus weiteren Kennfeldern, insbesondere für den unbeladenen und für den beladenen Par­ tikelfilter, sowie aus dem aktuell erfaßten Abgasgegendruck wird ein Beladungsgrad des Partikelfilters berechnet. Nach Er­ reichung eines vorgebbaren Grenzwertes, insbesondere für den Abgasgegendruck, erfolgt der Beginn der Regeneration durch Starten des Brenners, in dem eine vorgebbare Menge Kraftstoff eingespritzt wird. Anschließend erfolgt ständig die Erfassung der Brennkammer-Temperatur. Weiterhin erfolgt mittels der in Fig. 1 gezeigten Regeleinrichtung 10 sowie ihrer Kompo­ nenten über das Stellglied die Regelung der Mischgastempera­ tur (bzw. Regelung einer weitesgehend konstanten Temperatur vor dem Partikelfilter).

Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Flammüberwachung. Eine Einrich­ tung 20 zur Flammüberwachung weist eingangsseitig eine Einrich­ tung 21 auf, der eingangsseitig zumindest eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bzw. eine Betriebsgröße des Partikelfiltersyste­ mes zugeführt wird. Diese Einrichtung 21 ist insbesondere derart aus­ gebildet, daß größenabhängig eine Größe bestimmt wird (insbesondere eine Kraftstoffmenge) mit der das Brennersystem betreibbar ist. Wei­ terhin ist der Einrichtung 20 eine Einrichtung 22 zugeordnet, der ins­ besondere eine Systemgröße des Partikelfiltersystems zugeführt wird, die laufend erfaßt wird. Aus den laufend erfaßten Werten der System­ größe wird von der Einrichtung 22 ein Änderungswert (insbesondere ein Gradient dieser Systemgröße) bestimmt und der Einrichtung 20 zugeführt. Weiterhin ist es vorgesehen, sowohl die zumindest eine Systemgröße des Partikelfiltersystems als auch die Betriebsgröße der Brennkraftmaschine der Einrichtung 20 direkt zuzuführen. Ausgangs­ seitig ist die Einrichtung 20 derart ausgebildet, daß eine Umschaltung des Betriebes "Regelung" und "Steuerung" möglich ist.

Darüber hinaus ist es denkbar, daß für den Fall, das kritische Betriebszustände des Partikelfiltersystemes bzw. der Brenn­ kraftmaschine erfaßt werden, die Regeneration abzubrechen bzw. von der Regelung auf eine Steuerung umzuschalten. Das Ende der Regeneration wird derart erkannt, daß die Tempera­ tur hinter dem Partikelfilter einen vorgebbaren Grenzwert (bzw. ein Ende der Kennlinie) überschreitet, so daß der Brenner ausgeschaltet werden kann. Dies kann bspw. derart geschehen, daß die Zufuhr von Kraftstoff unterbrochen wird, der Luftkom­ pressor abgeschaltet wird oder auch die Zündung unterbrochen wird. Weiterhin ist es denkbar, daß zur Kühlung des Brenners eine Spülung mit Kraftstoff für eine vorgebbare Zeit erfolgt. Weiterhin ist es denkbar, zur zusätzlichen Kühlung des Parti­ kelfilters den Luftkompressor für eine vorgebbare Zeit nach Er­ kennung des Endes der Regeneration zu betreiben.

Es sei noch darauf hingewiesen, das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltersystemen zum einen allgemein im Kfz- Bereich (insbesondere auch Baumaschinen bzw. landwirtschaftliche Fahrzeuge) eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist zum anderen die Verwendung bei stationären Anlagen, die von Dieselbrennkraftma­ schinen angetrieben werden (bspw. Notstromanlagen) möglich. Ein weiteres Einsatzgebiet liegt auf dem Gebiet der Prüfstande für die Pro­ duktion von Dieselbrennkraftmaschinen.

Weiterhin ist es denkbar, den Partikelfilter als Monofilter oder auch als Doppelfilter auszubilden. Ebenso ist es möglich, zur Gewährleistung eines zuverlässigen Betriebes des gesamtes Systemes relevante Kom­ ponenten (insbesondere Sensoren) doppelt auszuführen. Ebenso ist es denkbar, daß eine Eigendiagnose durchgeführt werden kann, wobei Fehler im Reglersystem festgestellt und gespeichert werden. Darüber hinaus ist eine Systemdiagnose denkbar, wobei Fehler im gesamten Partikelfiltersystem festgestellt und gespeichert werden. Die festge­ stellten Fehler können insbesondere direkt angezeigt werden, so daß Beeinträchtigungen des Betriebes des Partikelfiltersystemes weitge­ hend vermieden werden. Ebenso ist es denkbar, daß ein Datenaus­ tausch über eine Schnittstelle zwischen dem Partikelfiltersystem und einer weiteren Einrichtung (bspw. Diagnosegerät) durchgeführt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltersystemen für die Abgase von Dieselbrennkraftmaschinen, wobei ein Brennersystem zumindest in Abhängigkeit des Abgasgegendruckes während einer be­ stimmten Brenndauer (Regeneration) zum Abbrennen der in einem Partikelfilter abgelagerten Rußpartikel im Abgasstrom betrieben wird und das Brennersystem erst nach Erreichen eines einen stabilen Be­ triebszustandes einer Dieselbrennkraftmaschine darstellenden Wertes zur Regeneration betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch zumindest eine Komponente des Brennersystems beeinflußbarer Parameter zur Einhaltung eines in Abhängigkeit wenigstens einer Systemgröße des Partikelfiltersystems und/oder einer Betriebsgröße der Dieselbrennkraftmaschine vorgebba­ ren Wertes zumindest während der Regeneration vorgebbaren zeitab­ hängigen Wertes geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus der Beeinflussung der zumindest einen Komponente resultierende Parameter (Regelgröße) erfaßt und ein Sollwert (Führungsgröße) für den Parameter während der Regene­ ration aus einem Kennfeld, insbesondere einer Kennlinie, entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung in Abhängigkeit zumin­ dest eines Grenzwertes erfolgt, wobei der zumindest eine Grenzwert aus zumindest einer Systemgröße des Partikelfiltersystems berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Grenzwert weiterhin aus zumindest einer Störgröße berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung wenigstens in Abhängig­ keit der berechneten bzw. erfaßten Störgröße erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Beeinflussung der als Brenn­ stoffzufuhreinrichtung (Dosierventil) ausgebildeten Komponente des Brennersystems resultierende Parameter die Temperatur am Eingang des Partikelfilters ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur vor bzw. nach der Re­ generation des Partikelfilters auf einem vorgebbaren Wert unterhalb des Temperaturwertes gehalten wird, der während der Regeneration geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funktionsprüfung der zumindest einen Komponente des Partikelfiltersystemes durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überprüfung der Funktionstüch­ tigkeit des Partikelfilters anhand von vorgegebenen Werten, insbeson­ dere von Kennfeldwerten, durchgeführt wird.