DE60313321T2

DE60313321T2 - Verfahren zur regeneration eines kraftfahrzeugteilchenfilters und system zur steuerung der regeneration solch eines filters

Info

Publication number: DE60313321T2
Application number: DE60313321T
Authority: DE
Inventors: Manuel Da-Silva; Marc Guyon; Erwan Radenac
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: WO2003106823A1; EP1514015B1; DE60313321D1; JP2005530088A; FR2840820B1; FR2840820A1; US7536854B2; EP1514015A1; US20060086095A1; ES2281662T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Kraftfahrzeugs sowie ein Steuerungssystem der Regeneration eines solchen Filters.
Die Heterogenität der Verbrennungsprozesse in den Motoren, insbesondere in den Dieselmotoren, hat die Erzeugung von Kohlenstoffpartikeln zur Folge, die im Motor nicht effizient verbrannt werden können. Dies äußert sich durch das Auftreten schwarzer Rauchgase am Ausgang der Abgasleitung, die für Dieselmotoren kennzeichnend sind. Dieses Phänomen tritt insbesondere während der Startphasen und während starker Beschleunigungen auf.
Die Gegenwart eines Partikelfilters in der Abgasleitung des Motors ermöglicht es, die Menge an Partikeln, Staub und anderen Russteilchen, die an die Atmosphäre abgegeben werden, beträchtlich zu verringern und die Normen zur Schadstoffminderung zu erfüllen.
Vorrichtungen zur gelenkten Regeneration ermöglichen es, die Partikel, die in dem Filter gefangen sind, in regelmäßigen Zeitabständen zu verbrennen, und das Verstopfen des letzteren zu vermeiden. Vergleiche zum Beispiel das japanische Dokument: JP 2001280118 .
Dies wird durchgeführt, indem die Temperatur im Innern des Partikelfilters bis auf eine Temperatur in der Größenordnung von 550 bis 600 °C erhöht wird, einer Temperatur, bei der sich die Kohlenstoffpartikel, die in dem Filter zurückgehalten werden, spontan entzünden.
Die Verbrennung dieser Partikel löst, in Abhängigkeit von den Funktionsbedingungen des Motors, eine Energiefreisetzung aus. Diese Energie kann aus dem Motor über den Abgasstrom abgeführt werden, in das Russbett, mit dem der Filter beladen ist übertragen, oder an die verschiedenen Elemente, aus denen der Partikelfilter, oder im Allgemeinen das Schadstoff-Reinigungssystem gebildet wird, übertragen werden.
Somit kann es in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen des Fahrzeugs vorkommen, dass die Energie, die durch die Verbrennung der Kohlenstoffpartikel freigesetzt wird, nicht abgeführt werden kann. Diese Situation äußert sich durch eine beträchtliche Erhöhung der Geschwindigkeit der einhergehenden chemischen Reaktionen und einem Überdrehen der letzteren. Diese Art von Prozess kann folglich mit einer Beeinträchtigung des Partikelfiltersystems einhergehen.
Vorrichtungen zur Diagnose des Funktionszustands des Filtersystems lösen im Allgemeinen den Beginn der Regeneration aus, wenn die Menge des im Partikelfilter gespeicherten Rußes so ist, dass die Regeneration unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen durchgeführt werden kann.
Dennoch ist es möglich, dass unter sehr spezifischen Fahrbedingungen, zum Beispiel in einer städtischen Umgebung, die Bedingungen, die für den Beginn der Regeneration erforderlich sind, nicht erreicht werden. Der Start einer Regeneration unter diesen Bedingungen kann schädliche Auswirkungen auf das Filtersystem haben.
Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters bereitzustellen, das es ermöglicht, die Auswirkungen einer Regeneration auf das Filtersystem in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen des Fahrzeugs zu bestimmen.
Somit schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Kraftfahrzeugs vor, wonach Mittel zur Regeneration des Filters eingesetzt werden, sobald der Wert des Beladungsniveaus des Fil ters einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Nach einem allgemeinen Kennzeichen dieses Verfahrens erfolgt eine Berechnung eines Parameters, der für die Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel repräsentativ ist, und die Funktion der Regenerationsmittel wird in Abhängigkeit vom Wert dieses Parameters gesteuert.
Nach einem anderen Kennzeichen dieses Regenerationsverfahrens wird die Berechnung des Parameters während der Fahrt des Fahrzeugs fortwährend durchgeführt.
Die Berechnung dieses Parameters wird zum Beispiel während des Einsatzes der Regenerationsmittel durchgeführt.
Nach einem anderen Kennzeichen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Parameter, der für die Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel repräsentativ ist, durch das Verhältnis zwischen dem Abgasmassenstrom aus dem Motor des Fahrzeugs und der Masse des verbrannten Rußes während des Einsatzes der Regenerationsmittel, während eines vorbestimmten Zeitraums gebildet.
Zum Beispiel wird dieser Parameter, der für die Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel repräsentativ ist, durch das Verhältnis zwischen dem augenblicklichen Abgasmassenstrom und der Geschwindigkeit der Russverbrennung gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Funktion der Regenerationsmittel ausgehend von einem Vergleich zwischen dem Wert des Parameters und mindestens einem im Speicher gespeicherten Schwellenwert gesteuert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird der Abgasmengenstrom einer Kartographie entnommen, die im Speicher eines Zentralrechners zur Steuerung der Funktion des Kraftfahrzeugmotors gespeichert ist.
Die verbrannte Russmasse wird zum Beispiel einer Kartographie entnommen, die im Speicher im Zentralrechner gespeichert ist. Sie kann ebenfalls ausgehend von der vorher verbrannten Russmasse und von der Regenerationsgeschwindigkeit des Filters bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Regenerationsgeschwindigkeit des Filters einer Kartographie entnommen, die im Speicher eines Zentralrechners zur Steuerung der Funktion des Fahrzeugmotors gespeichert ist, in Abhängigkeit von der inneren Temperatur des Partikelfilters.
Schließlich wird die innere Temperatur Tfap des Partikelfilters zum Beispiel berechnet, ausgehend von dem Verhältnis: Tfap = aTe + (1-a) × Tsworin

Te: die Eingangstemperatur des Partikelfilters bezeichnet;
Ts: die Ausgangstemperatur des Partikelfilters bezeichnet; und
a: einen Koeffizienten bezeichnet, der in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Eingangstemperatur Te und der Ausgangstemperatur Ts, ausgehend von einer kartographierten Funktion im Zentralrechner erstellt wird.

Gemäß der Erfindung wird ebenfalls ein Steuerungssystem zur Regeneration eines Partikelfilters eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, das Kontrollmittel des Beladungsniveaus des Partikelfilters umfasst, um den Einsatz von Mitteln zur Regeneration auszulösen.
Gemäß einem Aspekt dieses Systems umfasst dieses ferner Mittel zur Berechnung eines repräsentativen Parameters der Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel, um die Funktion der Regenerationsmittel in Abhängigkeit vom Wert des Parameters zu steuern.
Andere Aufgaben, Kennzeichen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Lektüre der folgenden Beschreibung hervor, die allein als nicht beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird, die auf schematische Weise die innere Struktur eines Verbrennungsmotors illustriert, der mit einem Partikelfilter ausgestattet ist, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung eingesetzt wird.
In 1 ist der Motor, der mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, ein Dieselmotor, der mit einem Turboverdichter überverdichtet wird.
Im dargestellten Beispiel umfasst der Motor 10 vier Zylinder, wie etwa 12, die hintereinander angeordnet sind. Er wird durch einen Einlassverteiler 14 mit Frischluft versorgt, der wiederum über eine Versorgungsleitung 16 versorgt wird, die mit einem Luftfilter (nicht dargestellt) versehen und mit einem Durchflussmesser 18 ausgestattet ist.
Außerdem ist der Motor 10 mit einem Abgaskrümmer 20 versehen, der mit einer Abgasleitung 22 verbunden ist, die mit einem Partikelfiltersystem versehen ist, das im Wesentlichen aus einem Oxidationskatalysator 24 und einem Partikelfilter 26 gebildet wird.
Ein Kreislauf zur Rückführung der Abgase 28, der mit einem Rückführungsventil 30 versehen ist, gewinnt einen Teil der Abgase, die aus der Verbrennung stammen, zurück, und spritzt sie erneut in den Einlassverteiler 14 ein.
Der Motor 10 wird durch eine Versorgungsleitung 32 mit Kraftstoff versorgt. Zum Beispiel ist dieser Versorgungskreislauf ein Hochdruckkreislauf mit Einlassrampe.
Schließlich steuert ein ordnungsgemäß programmierter Rechner, der mit der allgemeinen Referenznummer 34 bezeichnet ist, die Funktion des Motors 10, vor allem die eingespritzte Kraftstoffmenge oder den Zündzeitpunkt des Motors, um das Drehmoment zu liefern, das vom Fahrer angefordert wird.
Insbesondere empfängt der Rechner 34 Messsignale aus den Sensoren, wie etwa 36, mit denen die Abgasleitung stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters 26 bestückt ist, die aus dem Durchflussmesser 18 kommt, mit dem die Einlassleitung 16 bestückt ist, und benutzt den Wert anderer Funktionsvariablen des Motors, wie etwa die Nenndrehzahl des Motors, die Umgebungslufttemperatur, die Funktionsfluidtemperatur usw., wie dem Fachmann gut bekannt ist.
Er beinhaltet alle Hardware- und Softwaremittel, um die verschiedenen Funktionsparameter des Motors zu lenken, wie etwa die Kraftstoffeinspritzung, das Betätigen der Einlass- und Abgasventile, die Menge an rückgeführtem Gas usw., aus einer Kartographie 38, die im Speicher im Rechner 34 gespeichert ist.
Insbesondere überwacht er den Wert des Beladungsniveaus des Partikelfilters, und, wenn dieser Wert einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, setzt er die Regenerationsmittel des Filters 26 ein. Diese Regenerationsmittel werden von Mitteln herkömmlicher Art gebildet, die dem Fachmann gut bekannt sind. Sie werden im Folgenden daher nicht ausführlich beschrieben.
Es ist dennoch festzuhalten, dass diese Mittel im Wesentlichen aus Mittel bestehen, die es ermöglichen, im Partikelfilter ein besonderes gasförmiges Milieu zu schaffen, das auf eine Temperatur in der Größenordnung zwischen 550 und 600 °C erwärmt wird, um eine Energie zu erbringen, die für eine spontane Entzündung der Kohlenstoffpartikel notwendig ist, die in dem Filter 26 enthalten sind.
Die Bestimmung des Beladungsniveaus des Filters betreffend, kann dieses von verschiedenen Mitteln durchgeführt werden, zum Beispiel, indem die Differenz des Drucks gemessen wird, der stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters herrscht.
Um außerdem zu vermeiden, dass die Regeneration nicht unter Bedingungen durchgeführt wird, wie etwa, dass sie Gefahr läuft, die Elemente zu beeinträchtigen, aus denen das System zur Behandlung der gasförmigen Abströme gebildet wird, berechnet der Rechner 34 während der Fahrt des Fahrzeugs, und insbesondere während der Regeneration, einen Parameter, der für die Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel repräsentativ ist, und lenkt diese Regenerationsmittel, in Abhängigkeit vom Wert des so berechneten Parameters, um zu vermeiden, dass die Regeneration in Situationen durchgeführt wird, in denen die durch die Verbrennung des Rußes freigesetzte Energie nicht mehr abgeführt werden kann, was sich in einem Überdrehen der einsetzenden chemischen Reaktionen äußern würde.
Dieser Kontrollparameter wird zum Beispiel aus dem Verhältnis zwischen dem Abgasmassenstrom und der Masse des verbrannten Rußes gebildet. Dieses Verhältnis wird während der Regeneration in regelmäßigen Zeitabständen während eines Zeitraums, der von einer Sekunde bis zu einer Dauer reichen kann, die der Regenerationsphase entspricht, berechnet.
Wie sich vermuten lässt, entspricht in dem Fall, in dem dieser Zeitraum die Größenordnung einer Sekunde hat, dieses Verhältnis tatsächlich dem Verhältnis zwischen dem augenblicklichen Abgasmassenstrom und der Geschwindigkeit der Russverbrennung.
Der Rechner 34 berechnet also die Differenz zwischen dem so berechneten Verhältnis und den Schwellenwerten d1ref und d2ref, die im Speicher eingespeichert sind, und die durch einen vorherigen Lernprozess erhalten werden.
Somit wird angenommen, dass die Regeneration normal abläuft, wenn der berechnete Parameter niedriger als der erste Schwellenwert d1ref ist. Die mit den einsetzenden chemischen Reaktionen einhergehende Energie wird vollständig über den Abgasstrom abgeführt. Wenn der Parameter andererseits im Bereich zwischen d1ref und d2ref liegt, besteht die Gefahr, dass die Regeneration überdreht.
Die Fahrbedingungen und damit die Anforderungen des Fahrers bedingen also das Auftreten einer solchen Überdrehung. Unter diesen Bedingungen besteht eine potentielle Gefahr der Beschädigung des Partikelfilters. Der Rechner 34 löst also die Ausführung einer Steuerungsprozedur der Regenerationsmittel aus, um die Regenerationsgeschwindigkeit zu limitieren oder zu verringern, oder sie gegebenenfalls sogar zu stoppen.
Wenn der berechnete Parameter schließlich größer ist als der zweite Schwellenwert d2ref, wird angenommen, dass die sich die Regeneration überdreht, und dass der Filter beschädigt wurde. Der Unterschied zwischen dem Parameter und diesem Schwellenwert d2ref ermöglicht es daher, einen Hinweis auf den Grad der Beschädigung zu geben. Der Fahrer des Fahrzeugs wird daher über diese Situation informiert und wird aufgefordert, zur Überprüfung und Wartung in eine Werkstatt zu fahren.
Die Berechnungsprozedur des Kontrollparameters zur Funktion der Regenerationsmittel betreffend, ist der Gasmassenstrom ein Wert, der der Kartographie 38 entnommen wird, in Abhängigkeit von den Funktionsparametern des Motors. Die verbrannte Russmasse kann eben falls der Kartographie 38 entnommen werden. Als Variante kann sie ausgehend von der zuvor verbrannten Russmasse berechnet werden, das heißt, während des vorherigen Berechnungszeitraums, und aus der Regenerationsgeschwindigkeit des Filters.
Anders ausgedrückt, die Russmasse M(i+1) zum Zeitpunkt i+1 wird bestimmt, ausgehend von dem Verhältnis: M (i+1) = M(i) – V(i),worin:

M(i): die Russmasse zum Zeitpunkt i bezeichnet, und
V(i): die Regenerationsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt i bezeichnet.

Die Regenerationsgeschwindigkeit V(i) wird ebenfalls der Kartographie 38 entnommen, in Abhängigkeit von der inneren Temperatur des Partikelfilters 26, ausgehend von dem folgenden Verhältnis: Tfap = aTe + (1-a) × Tsworin:

Te: die Eingangstemperatur des Partikelfilters bezeichnet;
Ts: eine Ausgangstemperatur des Partikelfilters Filters bezeichnet; und a einen Koeffizienten bezeichnet, der in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Eingangstemperatur Te und der Ausgangstemperatur Ts, ausgehend von einer kartographierten Funktion im Zentralrechner erstellt wird.

Anders ausgedrückt, um die verbrannte Russmasse zu berechnen, berechnet der Rechner 34 ausgehend von dem zuvor beschriebenen Verhältnis die innere Temperatur des Partikelfilters, und entnimmt der Kartographie 38 eine entsprechende Regenerationsgeschwindigkeit, und berechnet dann die verbrannte Russmasse ausgehend von dieser Regenerationsgeschwindigkeit.
Wie sich vermuten lässt, ermöglicht die soeben beschriebene Erfindung, während der Regeneration über einen Hinweis auf die Gefahren zu verfügen, die mit den Regenerationsbedingungen assoziiert sind, und folglich die Funktion der Regenerationsmittel anzupassen, um jede Beeinträchtigung des Partikelfilters zu vermeiden.

Claims

Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (36) eines Kraftfahrzeugs, wonach Mittel zur Regeneration des Filters eingesetzt werden, sobald der Wert des Beladungsniveaus des Filters einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass eine Berechnung eines Parameters erfolgt, der für die Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel repräsentativ ist, und dass die Funktion der Regenerationsmittel in Abhängigkeit vom Wert dieses Parameters gesteuert wird, wobei der für die Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel repräsentative Parameter durch Berechnung des Verhältnisses zwischen dem Abgasmassenstrom aus dem Motor des Fahrzeugs und der Masse des verbrannten Rußes während eines vorbestimmten Zeitraums oder durch das Verhältnis zwischen dem augenblicklichen Abgasmassenstrom und der Geschwindigkeit der Rußverbrennung erstellt wird.
Verfahren zur Regeneration nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Parameters während der Fahrt des Fahrzeugs fortwährend durchgeführt wird.
Verfahren zur Regeneration nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Parameters während des Einsatzes der Regenerationsmittel durchgeführt wird.
Verfahren zur Regeneration nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Regenerationsmittel ausgehend von einem Vergleich zwischen dem Wert des Parameters und mindestens einem im Speicher gespeicherten Schwellenwert gesteuert wird.
Verfahren zur Regeneration nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmengenstrom einer Kartographie (38) entnommen wird, die im Speicher eines Zentralrechners zur Steuerung der Funktion des Kraftfahrzeugmotors gespeichert ist.
Verfahren zur Regeneration nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrannte Rußmasse einer Kartographie (38) entnommen wird, die im Speicher eines Zentralrechners zur Steuerung der Funktion des Kraftfahrzeugmotors gespeichert ist.
Verfahren zur Regeneration nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrannte Rußmasse ausgehend von der vorher verbrannten Rußmasse und von der Regenerationsgeschwindigkeit des Filters bestimmt wird.
Verfahren zur Regeneration nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsgeschwindigkeit des Filters einer Kartographie (38) entnommen wird, die im Speicher eines Zentralrechners zur Steuerung der Funktion des Fahrzeugmotors gespeichert ist, in Abhängigkeit von der inneren Temperatur des Partikelfilters.
Verfahren zur Regeneration nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Temperatur Tfap des Partikelfilters berechnet wird, ausgehend von dem Verhältnis Tfap = aTe + (1-a) × Tsworin Te die Eingangstemperatur des Partikelfilters bezeichnet; Ts die Ausgangstemperatur des Partikelfilters bezeichnet; und a einen Koeffizienten bezeichnet, der in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Eingangstemperatur Te und der Ausgangstemperatur Ts, ausgehend von einer kartographierten Funktion im Zentralrechner erstellt wird.
Steuerungssystem der Regeneration eines Partikelfilters (26) eines Kraftfahrzeugs, das Kontrollmittel (34) des Beladungsniveaus des Partikelfilters umfasst, um den Einsatz von Mitteln zur Regeneration des Filters auszulösen, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Mittel zur Berechnung eines repräsentativen Parameters der Funktionsbedingungen der Regenerationsmittel umfasst, um die Funktion der Regenerationsmittel in Abhängigkeit vom Wert des Parameters nach dem Verfahren zur Regeneration aus einem der Ansprüche 1 bis 9 zu steuern.