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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines
im Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angeordneten Abgasfilters,
mit dem Schritt des Erhöhens
der Temperatur des Abgases über
eine gegebene Temperaturschwelle, wenn Bedingungen, die den Bedarf
an einer Filterregeneration anzeigen, erfüllt werden. Des Weiteren betrifft die
Erfindung ein System zur Regeneration eines im Abgasrohr eines Verbrennungsmotors
angeordneten Abgasfilters, das Mittel zur Ermittlung von den Bedarf an
einer Filterregeneration anzeigenden Bedingungen und Mittel zur
Erhöhung
der Temperatur des Abgases umfasst.
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Abgasfilter
werden in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren verwendet, um schädliche Emissionen
des Motors zu reduzieren. Dieselrußfilter (DPF – Diesel
particulate filter) werden zum Beispiel in Dieselmotoren verwendet,
um Dieselpartikel, die in erster Linie aus auf Kohlenstoff basierendem
Material bestehen, einzufangen und zu entfernen. Wenn das Motorabgas
durch den DPF passiert, werden die Teilchen im Filter eingefangen
und sammeln sich im Laufe der Zeit an. Dies führt zu einer Erhöhung des
Widerstands des Abgasstroms durch den DPF und deshalb zu einer Erhöhung des
Gegendrucks am Motor. Diese Erhöhung
des Gegendrucks wirkt sich nachteilig auf den Motorbetrieb und insbesondere
auf den Kraftstoffverbrauch aus. Um Gegendruck auf akzeptable Werte
zu reduzieren, wird der DPF regelmäßig regeneriert, indem die
angesammelten Teilchen, von denen die meisten brennbar sind, verbrannt
werden. Des Weiteren muss die Menge an eingefangenen Teilchen unter
einem kritischen Schwellwert gehalten werden, um eine Wärmebeschädigung des
Filters während
der Regeneration zu vermeiden.
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Es
sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, um den
richtigen Zeitpunkt für die
Regeneration eines Abgasfilters zu ermitteln. Viele davon versuchen, die
Belastung des Teilchenfilters zu schätzen, zum Beispiel durch Messung
und Vergleich der Drücke
vor und hinter dem Filter (vgl.
JP 8326523 A ).
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Des
Weiteren sind verschiedene Verfahren zur Erhöhung der Temperatur des Abgases
auf die erforderliche Höhe
zur Regeneration bekannt. Darunter sind Verfahren zur Erhöhung der
Motorlast durch Einschalten elektrischer Lasten oder durch Verringern
des Krümmerdrucks.
Für weitere
Details siehe
EP 10
81 347 A1 (198–1101).
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Ein
allen Verfahren der Zwangsregeneration durch Erhöhung der Abgastemperatur innewohnender
Nachteil ist der damit verbundene zusätzliche Kraftstoffverbrauch.
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In
der
US 4 974 414 wird
ein System mit einem Dieselrußfilter
offenbart, für
den ein Reinigungsprozess eingeleitet wird, wenn sich die Teilchenbelastung über einen
vorbestimmten Schwellwert erhöht.
Wenn eine Steuerung aufgrund der Belastungsbedingungen einen Regenerationsprozess
einleitet, kann der Beginn dieses Prozesses unterdrückt werden,
wenn die Abgastemperatur vor dem Filter unter einem vorbestimmten
Schwellwert liegt.
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Des
weiteren betrifft die
DE
195 04 184 A1 die Regeneration eines Dieselrußfilters.
Wenn die Temperatur hinter dem Filter über einen vorbestimmten Schwellwert
ansteigt, dann kann der Regenerationsprozess fortschreiten.
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Deshalb
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Regeneration eines Abgasfilters,
die eine bessere Kraftstoffeffizienz erreichen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein System
nach Anspruch 5 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Das
vorgeschlagene Verfahren zur Regeneration eines im Abgasrohr eines
Verbrennungsmotors angeordneten Abgasfilters umfasst den Schritt des
Erhöhens
der Temperatur des Abgases über
eine gegebene Temperaturschwelle, wenn Bedingungen, die den Bedarf
an einer Filterregeneration anzeigen, erfüllt werden. Das Verfahren ist
dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen der Temperatur im Voraus
eingeleitet wird, wenn die Isttemperatur des Abgases höher ist
als die Normaltemperatur und/oder wenn sie ansteigt. Der Bezugswert
einer „normalen" Temperatur muss
angemessen definiert werden, zum Beispiel als die Durchschnittstemperatur
bei mittlerer oder niedriger Motorlast.
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Gemäß der vorgeschlagenen
Vorgehensweise wird die Regeneration früher eingeleitet, wenn die Isttemperatur
bereits höher
ist als die Temperatur, die normalerweise bei Einleitung eines Regenerationszyklus
zu erwarten ist. Somit wird die zur Verfügung stehende hohe Temperatur
ausgenutzt und es kann Kraftstoff eingespart werden. Des Weiteren
ist der Unterschied zwischen den Betriebsarten mit und ohne Regeneration
geringer, und deshalb hat die Regeneration eine geringere Auswirkung
auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs.
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Vorzugsweise
besteht eine gegenseitige Abhängigkeit
zwischen der Temperatur des Abgases und dem Grad, zu dem die Bedingung
für die
Regeneration erfüllt
ist, das heißt,
je höher
die Temperatur, desto schwächer
kann der Bedingungsgrad sein und umgekehrt.
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Als
Alternative oder zusätzlich
zu dem alleinigen Temperaturwert des Abgases kann die Richtung der
Temperaturänderung
bewertet werden. Das heißt,
wenn die Temperatur ansteigt, kann eine Regeneration weiter fortschreiten,
und wenn die Temperatur fällt,
kann eine Regeneration weniger fortschreiten. Bei dieser Vorgehensweise
wird der Temperaturentwicklung und der Temperatur, die während des Regenerationszyklus
zu erwarten ist, Rechnung getragen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regeneration
eines im Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angeordneten Abgasfilters
bereitgestellt, das den Schritt des Erhöhens der Temperatur des Abgases über einen
gegebenen Temperaturschwellwert, wenn Bedingungen, die den Bedarf
an einer Filterregeneration anzeigen, erfüllt sind, umfasst. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen der Temperatur mit einer Verzögerung eingeleitet
wird, wenn die Isttemperatur des Abgases niedriger ist als die Normaltemperatur und/oder
wenn sie abfällt.
Der Bezugspunkt einer „normalen" Temperatur muss
wieder geeignet definiert werden, zum Beispiel als die Durchschnittstemperatur
bei mittlerer oder niedriger Motorlast.
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Das
zweite Verfahren erzielt die gleichen Vorteile wie das erste, aber
auf komplementäre
Weise. Statt eine vorteilhafte hohe Temperatur des Abgases auszunutzen,
vermeidet das zweite Verfahren eine nachteilige geringe Temperatur
des Abgases als Ausgangspunkt eines Regenerationsprozesses. Somit
kann Kraftstoff eingespart werden, der normalerweise zur Erhöhung der
Temperatur von ihrer geringen Isthöhe auf die normale Höhe erforderlich
sein würde.
Des Weiteren wird durch die Verzögerung
der Regeneration eine sehr große Änderung
des Betriebsmodus des Motors vermieden, die eine negative Auswirkung
auf das Fahrverhalten haben kann.
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Vorzugsweise
besteht eine gegenseitige Abhängigkeit
zwischen der Temperatur des Abgases und dem Grad, zu dem die Bedingung
zur Regeneration erfüllt
ist, das heißt
je niedriger die Temperatur, desto mehr muss die Bedingung erfüllt sein,
um eine Regeneration einzuleiten, und umgekehrt.
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Als
Alternative oder zusätzlich
zu dem alleinigen Temperaturwert des Abgases kann die Richtung der
Temperaturänderung
ausgenutzt werden. Das heißt,
wenn die Temperatur abnimmt, kann eine Regeneration länger verzögert werden,
und wenn die Temperatur ansteigt, kann die Regeneration weniger verzögert werden.
Dabei wird der Temperaturentwicklung und der Temperatur, die während des
Regenerationszyklus zu erwarten ist, Rechnung getragen.
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Vorzugsweise
werden die beiden oben erläuterten
Verfahren kombiniert. Dies bedeutet, dass bei einer Temperatur über einer
normalen Höhe
die Regeneration fortschreitet, während bei einer Temperatur
unter einer normalen Höhe
die Regeneration verzögert
wird. Auf der normalen Temperaturhöhe selbst erfolgt keine Änderung
der Zeiteinstellung der Regeneration. Des Weiteren können die
Richtung und das Ausmaß der Änderung
der Isttemperatur des Abgases beobachtet werden, das heißt, das
Fortschreiten der Regeneration kann verstärkt oder ihre Verzögerung verringert
werden, wenn die Temperatur ansteigt, und das Fortschreiten der
Regeneration kann verringert oder ihre Verzögerung verstärkt werden, wenn
die Temperatur absinkt.
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Es
gibt viele verschiedene Wege, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem
die Regeneration eines Abgasfilters erforderlich wird. Im einfachsten
Fall kann Regeneration regelmäßig eingeleitet
werden, nachdem eine gewisse Zeitspanne abgelaufen ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Bedingung, die den Bedarf an einer Filterregeneration
anzeigt, durch den Druckunterschied am Abgasfilter, das heißt den Gegendruck aufgrund
des Verstopfens des Filters, definiert. Solch ein Druckabfall lässt sich leicht
ermitteln und liefert eine quantifizierbare Anzeige der Filterbelastung.
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Als
Alternative dazu kann die den Bedarf an einer Filterregeneration
anzeigende Bedingung durch die geschätzte Belastung des Abgasfilters
definiert werden. Diese Belastung kann mit Hilfe von Prozeduren
berechnet oder geschätzt
werden, die auf der Beobachtung von verschiedenen Motorparametern
basieren und die in der Technik wohlbekannt sind.
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Die
Entscheidung zur Einleitung des Erhöhens der Temperatur des Abgases
zum Starten der Regeneration erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Fuzzy-Logik-Berechnungen. Fuzzy
Logik ist ein mathematisches System zur Implementierung verbaler Regeln
auf Grundlage unscharfer (fuzzy) Aussagen wie „die Temperatur ist hoch" oder „der Bedarf
an einem Regenerationsprozess ist gering". Fuzzy Logik quantifiziert diese Aussagen
mit Hilfe von Mitgliedschaftsfunktionen, die diesen Aussagen gemäß ihrem
Erfüllungsgrad
Werte zwischen 0 und 1 zuordnen. Nach solch einer Quantifizierung
gestattet Fuzzy Logik das Rechnen mit den Aussagen und das Bewerten
komplexer Ausdrücke
wie z.B. „je
höher die Isttemperatur,
desto stärker
sollte Regeneration fortschreiten".
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Als
Alternative kann die Implementierung (in Crisp Logik) mit Hilfe
von drei Nachschlagetabellen erfolgen. Die Abgastemperatur, ihr
Derivativ und die Filterbelastung können in Signale zwischen 0
und 1 umgewandelt werden. Zum Beispiel könnte die Temperatur als: 0
unter 200°C,
eine Rampe von 0 bis 1 zwischen 200°C und 500°C und 1 über 500°C umgewandelt werden. Die Werte
dieser Nachschlagetabellen werden dann erscheint, und wenn das Scheinen den
Wert von 1 überschreitet,
wird der Wert von 1 Regeneration gestartet.
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Des
Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein System zur Regeneration
eines im Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angeordneten Abgasfilters,
das Folgendes umfasst:
- – Mittel zur Ermittlung der
den Bedarf an einer Filterregeneration anzeigenden Bedingungen;
- – Mittel
zur Erhöhung
der Temperatur des Abgases zur Einleitung und Durchführung eines
Regenerationsprozesses im Filter;
- – Mittel
zur Ermittlung der Isttemperatur des Abgases; und
- – eine
zur Durchführung
eines Verfahrens wie oben beschrieben ausgeführte Steuerung.
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Die
Steuerung des Systems ist kommunikativ mit den verschiedenen Mitteln
verbunden und sammelt Informationen über die Isttemperatur des Abgases
und den Bedarf an einem Regenerationsprozess. Sie kann eine Regeneration
einleiten, indem sie eine Erhöhung
der Abgastemperatur ansteuert. Die Steuerung entscheidet über einen
Start eines Regenerationsprozesses gemäß den Grundlagen der oben erwähnten Verfahren,
das heißt,
sie leitet solch einen Start ein, wenn die Temperatur des Abgases
bereits hoch ist und/oder ansteigt, und/oder die Steuerung verzögert solch
einen Start, wenn die Temperatur des Abgases derzeit niedrig ist
und/oder abnimmt. Auf diese Weise erreicht das vorgeschlagene System
beträchtliche
Kraftstoffersparnisse.
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Der
Verbrennungsmotor des Systems ist vorzugsweise ein Dieselmotor,
während
der Abgasfilter ein Dieselrußfilter
(DPF) ist. Ein DPF muss von Zeit zu Zeit regeneriert oder gereinigt
werden, was durch Verbrennen der gesammelten brennbaren Teilchen erfolgt,
wobei die Verbrennung durch eine Erhöhung der Abgastemperatur eingeleitet
wird.
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Die
Mittel zur Ermittlung von Bedingungen, die den Bedarf an einer Filterregeneration
anzeigen, können Drucksensoren
umfassen, die dem Abgasfilter vor- und nachgeschaltet sind. Auf
diese Weise reichen zwei relativ einfache Sensoren aus, eine quantifizierbare
Anzeige der Filterbelastung auf Grundlage des Druckunterschieds
am Abgasfilter, das heißt des
Gegendrucks aufgrund des Verstopfens des Filters, bereitzustellen.
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Die
Mittel zur Ermittlung der Isttemperatur des Abgases können einen
Temperatursensor umfassen, der im Abgasrohr des Verbrennungsmotors angeordnet,
vorzugsweise dem Abgasfilter vor- oder nachgeschaltet und in der
Nähe von
diesem ist. In vielen Fällen
steht solch ein Sensor bereits für
andere Zwecke der Motorsteuerung zur Verfügung.
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Die
Steuerung des Systems ist vorzugsweise ein programmierbarer Mikroprozessor.
Ein Mikroprozessor gestattet die flexible Implementierung einer
Steuerstrategie, da sein Verhalten in erster Linie durch die Software
bestimmt wird. Des Weiteren kann der Mikroprozessor noch andere
Steueraufgaben haben. Der Mikroprozessor kann auch die Motorsteuereinheit
(ECU – engine
control unit) sein, die das ganze Motorverhalten steuert.
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur zeigt die Parameterbereiche,
die den Entscheidungen zur Regeneration oder nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung entsprechen.
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Als
Beispiel wird ein Dieselmotor mit einem Dieselrußfilter (DPF) betrachtet, obgleich
die vorliegende Erfindung nicht auf solche Fälle beschränkt ist. Ein DPF sammelt den
von einem Dieselmotor emittierten Ruß. Infolge des Kohlenstoffaufbaus
im Filter erhöht
sich der Gegendruck im Laufe der Zeit.
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Der
Filter muss von Zeit zu Zeit regeneriert werden, das heißt Partikelmasse
muss oxidiert werden, um den mit erhöhtem Gegendruck verbundenen Kraftstoffwirtschaftlichkeitsnachteil
so gering wie möglich
zu halten. Des Weiteren muss die Menge an eingefangener Teilchenmasse
unter einem kritischen Schwellwert gehalten werden, um eine Wärmebeschädigung des
Filters während
der Regeneration zu vermeiden. Andererseits führt eine Zwangsregeneration,
das heißt
eine Erhöhung
der Abgastemperatur über
normale Betriebstemperaturen, auch zu einem Kraftstoffwirtschaftlichkeitsnachteil.
Deshalb sollte der Punkt, zu dem eine Regeneration erzwungen wird,
angemessen gewählt
werden.
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Das
hier vorgeschlagene System besteht aus einem mit einem Teilchenfilter
ausgestatteten Motor und der Motorsteuereinheit (ECU), die die Steuerstrategie
für den
Motor enthält.
Ein Teil dieser Steuerstrategie ist ein DPF-Belastungsschätzungsalgorithmus,
der den Grad, zu dem der DPF mit teilchenförmigem Material gefüllt ist, überwacht.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten
für die
Implementierung solch eines Algorithmus. Gemäß einem solchen Algorithmus
wird der Strom durch den DPF mit einer Ventilgleichung oder mit
einer anderen ähnlichen Gleichung,
in der die effektive Fläche
von der DPF-Belastung
abhängt,
modelliert. Die Belastung kann deshalb durch Manipulation dieser
Gleichung rekonstruiert werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil,
dass das den Zustand des DPF beschreibende Signal von dem Motorbetriebszustand
unabhängig
ist. Die erforderlichen Sensoren können durch Rekonstruierung
der Signale aus bestehenden Signalen und ersten Grundlagen auf zwei
reduziert werden.
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Bei
einem anderen Verfahren zur Ermittlung der Belastung eines Dieselmotor-Abgasteilchenfilters wird
der Teil der Filterbelastung, der aus angesammelter Asche besteht,
ermittelt. Gemäß einer
Technik wird die Aschebelastung durch Aufzeichnung des niedrigsten
Werts der DPF-Belastung über ein
Zeitintervall ermittelt. Gemäß einer
anderen Technik erfolgt eine Schätzung
des bei jedem mehrerer DPF-Regenerationsereignisse verbleibenden
Belastungsausmaßes;
das Ausmaß der
verbleibenden Belastung unmittelbar nach dem Regenerationsereignis
entspricht der Menge der im DPF angesammelten Asche. DPF-Belastungsschätzung erfolgt
unter Verwendung von Gleichungen für Laminar- oder turbulente
Strömung
in Rohren. Diese Gleichungen stellen eine lineare oder quadratische
Beziehung zwischen dem Strom durch den DPF und dem daran gemessenen
Druckabfall her. Statt der Betrachtung der geschätzten DPF-Belastung könnten auch
andere Quantitäten,
die den Verstopfungsgrad des Filters gleichermaßen anzeigen, verwendet werden,
wie zum Beispiel normalisierter Gegendruck, effektiver Durchflussquerschnitt
usw.
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Es
können
verschiedene Strategien verwendet werden, um die Regeneration durch
Erhöhen
der Abgastemperatur einzuleiten. Eine solche Strategie enthält den Schritt
der Berechnung eines Zielmotorbetriebsparameters (Zielansaugkrümmerdruck, Zielansaugkrümmermassenluftstrom
oder Ziel-Luft/Krafstoff-Verhältnis)
als eine Funktion von Motordrehzahl und -last. Weiterhin enthält die Strategie
den Schritt der Berechnung einer angeforderten Position für eine Drosselklappe,
die im Ansaugkrümmer
des Motors angeordnet ist. Die angeforderte Position wird als Reaktion
auf den Zielmotorbetriebsparameter und einen gemessenen Motorbetriebsparameter,
bei dem es sich um einen der folgenden Parameter handelt, berechnet:
einen gemessenen Ansaugkrümmerdruck,
einen gemessenen Ansaugkrümmermassenluftstrom
oder ein gemessenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Weiterhin enthält die Strategie
den Schritt der Steuerung der Drosselklappe als Reaktion auf die
angeforderte Position zur Steuerung der Abgastemperatur des Motors
und den Schritt des Einstellens einer angeforderten Motordrehzahl
auf eine vorbestimmte Drehzahl zur weiteren Steuerung der Abgastemperatur.
Schließlich
enthält
die Strategie den Schritt des Einspritzens einer vorbestimmten Kraftstoffmenge
in einen der Zylinder des Motors spät im Arbeitshub des einen oder
der mehreren Zylinder zur weiteren Steuerung der Abgastemperatur.
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Ein
anderer Teil der vorliegenden Erfindung betrifft den verbesserten
Algorithmus zur Ermittlung, wann eine Zwangsfilterregeneration eingeleitet
werden soll. In der Regel würde
ein Schwellwert für
die DPF-Belastung definiert und eine Regeneration eingeleitet (erzwungen)
werden, wenn die geschätzte Teilchenmasse
im Filter eine gewisse Anzahl von Gramm pro Liter Filtervolumen überschreitet.
Stattdessen wird vorgeschlagen, diesen Schwellwert als eine Funktion
aktueller Motorbetriebsbedingungen, insbesondere als eine Funktion
der Abgastemperatur, zu gestalten. Wenn die Abgastemperatur bereits ziemlich
nahe an dem Punkt liegt, an dem eine Regeneration stattfinden könnte, dann
wäre es
angemessen, die Abgastemperatur etwas zu erhöhen, um eine Regeneration einzuleiten,
und zwar selbst dann, wenn der Filter nur teilweise belastet ist.
wenn der Filter nur teilweise belastet ist und die Abgastemperatur ziemlich
niedrig ist, dann sollte nichts geschehen.
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Wenn
der Filter andererseits auf eine kritische Höhe belastet ist, sollte die
Regeneration unabhängig
von den aktuellen Abgastemperaturen eingeleitet werden.
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Im „grauen
Bereich" dazwischen
könnte
die Regeneration schließlich
eingeleitet werden, wenn die Abgastemperatur nahe dem Schwellwert
liegt und ansteigt.
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Unter
Verwendung von Terminologie der Fuzzy Logik könnte die „dynamische Schwellwertstrategie" durch das Diagramm
der beigefügten
Figur wie folgt beschrieben werden.
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Die
Temperaturhöhen „niedrig", „mittel" und „hoch" sind in diesem Diagramm
bezüglich
der zur Regeneration erforderlichen Temperatur definiert. Die Zuordnung
einer gegebenen Isttemperatur zu den verschiedenen Höhen erfolgt
mit angemessen gewählten
Fuzzy-Logik-Mitgliedschaftsfunktionen. Die
DPF-Belastungsintervalle „sehr
niedrig", „niedrig", „mittel", „hoch" und „zu hoch" sind bezüglich der kritischen
Belastungshöhe
definiert. Die Zuordnung einer gegebenen Belastungsbedingung zu
den verschiedenen Höhen
erfolgt wieder mit geeignet gewählten
Fuzzy-Logik-Mitgliedschaftsfunktionen.
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Als
Nächstes
werden Fuzzy-Regeln wie:
„WENN
die Isttemperatur niedrig ist UND die DPF-Belastung mittel ist, DANN keine Regeneration erzwingen"
auf Grundlage
der Istdaten für
Temperatur und DPF-Belastung
bewertet. Dies führt
in erster Linie zu der dargestellten Unterteilung des Parameterraums entlang
der schraffierten Diagonalen, wobei das Diagramm einen oberen Bereich,
in dem Regeneration eingeleitet wird, und einen unteren Bereich,
in dem Regeneration nicht erzwungen wird, aufweist. Auf dem schraffierten
Streifen, der den oberen von dem unteren Bereich trennt, hängt die
Entscheidung über einen
Start der Regeneration oder nicht von der Richtung der Änderung
der Isttemperatur ab. Wenn nämlich
die Temperatur in diesem Bereich ansteigt, dann wird Regeneration
eingeleitet, und wenn Temperatur in diesem Bereich sinkt, dann wird
Regeneration verzögert.
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Es
versteht sich wiederum, dass die Strategie auch in Crisp Logik implementiert
werden kann, wie oben auf Seite 6 beschrieben.