DE10161396B4

DE10161396B4 - Verfahren zur Regeneration eines in einem Dieselmotor vorgesehenen Partikelfilters

Info

Publication number: DE10161396B4
Application number: DE10161396A
Authority: DE
Inventors: Brendan Patrick Carberry; David Arthur Chelmsford Ketcher; Paul Eduard Moraal
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: US6598387B2; US20020078681A1; DE10161396A1

Abstract

Verfahren zur Regeneration eines in einem Dieselmotor (12) vorgesehenen Partikelfilters (48) hinsichtlich gasförmiger Kohlenwasserstoffe und Wasser, die sich in dem Partikelfilter während eines Betriebs des Dieselmotors bei geringer Last angesammelt haben,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren folgende Schritte aufweist:
A) Erfassen (72), wenn der Motor (12) bei niedriger Last betrieben wird;
B) Feststellen, ob der Motor für eine vorherbestimmte Zeitdauer unter niedriger Last betrieben wurde, mittels Speichern eines Zählwertes für die Zeit, während derer der Motor (12) unter niedriger Last betrieben wurde, und Vergleich des gespeicherten Zählerwertes mit einem vorherbestimmten Wert, der einem Betriebszustand entspricht, bei dem sich eine vorherbestimmte Menge an gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Wasser in dem Partikelfilter (48) angesammelt haben könnte; und
C) wenn ein Betrieb unter niedriger Last für eine vorherbestimmte Zeitdauer in Schritt (B) festgestellt worden ist, Erhöhen der Temperatur (80) des in den Partikelfilter (48) eintretenden Abgases auf einen vorherbestimmen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren, die mit einem Filter zur Entfernung von im Abgas enthaltenen Partikeln ausgestattet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration eines in einem Dieselmotor vorgesehenen Partikelfilters hinsichtlich dort angesammelter gasförmiger Kohlenwasserstoffe und Wasser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen sind Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung bekannt. Konventionelle Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren weisen insbesondere Partikelfilter, Oxidationskatalysatoren und Stickoxid(NO_x)-Katalysatoren auf. Ein Problem bei bekannten Partikelfiltern besteht darin, dass überwiegend aus Kohlenstoff bestehende Partikel dazu neigen, die Filter zu verstopfen, was zu einem verringerten Abgasfluss führt. Zur regelmäßigen Filterregeneration bzw. -spülung (purging) und zur Entfernung der Partikel aus diesen ist es bekannt, Maßnahmen vorzusehen, welche zu einem Anstieg der Abgastemperatur über ein vorherbestimmtes Niveau hinaus (z. B. bis oberhalb von 450°C) führen, so dass die Kohlenstoffpartikel, die sich im Filter angesammelt haben, verbrannt bzw. verascht werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur besteht in einer entsprechenden Steuerung einer im Ansaugrohr des Motors vorgesehen Drosselklappe. Insbesondere ist bekannt, dass die Abgastemperatur durch Drosselung bzw.
Schließen der Drosselklappe erhöht werden kann. Für eine derartige Steuerung der Drosselklappe sind mehrere Verfahren bekannt. So wird beispielsweise die Drosselklappe im Ansaugrohr dadurch gesteuert, dass die Differenz zwischen einem berechneten Zieldruck im Ansaugrohr und einem aktuellen Druck im Ansaugrohr ausgewertet wird. Der Zieldruck im Ansaugrohr wird unter Berücksichtigung der Motordrehzahl und der Last des Motors berechnet. Üblicherweise wird eine Regeneration des Partikelfilters durch Erhöhung der Abgastemperatur bei geringen Motorlasten durchgeführt. Der Regenerationsprozess erfolgt dabei planmäßig unter Einsatz einer Software für die Motorsteuerung auf der Basis einer geschätzten Partikelbeladung.
Wenn ein Dieselmotor für einen längeren Zeitraum mit der Leerlaufdrehzahl oder mit geringer Last betrieben wird, sammeln sich in dem Partikelfilter gasförmige bzw. flüchtige Kohlenwasserstoffe (gaseous hydrocarbons) sowie Wasser an, und zwar in erster Linie deshalb, weil die Abgastemperatur auf ein relativ niedriges Niveau fällt, das nicht ausreicht, die. Ablagerungen zu verdampfen. Größere Mengen abgelagerter gasförmiger Kohlenwasserstoffe bzw. größere Wassermengen haben die Bildung von blauem oder weißem Rauch bzw. Dampf im Abgas dann zur Folge, wenn der Motor von der Leerlaufdrehzahl ausgehend wieder auf höhere Drehzahlen beschleunigt wird, was höhere Abgastemperaturen zur Folge hat. Diese Dampf- bzw. Rauchbildung ist höchst unerwünscht.
Aus der US 5 207 990 A ist eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine bekannt, welche einen katalytischen Konverter und eine Kraftstoff-Einspritzdüse aufweist, die stromaufwärts einer Partikelfalle in der Abgasleitung angeordnet sind. Durch die Einspritzung von Kraftstoff stromaufwärts des katalytischen Konverters wird Oxidations wärme zur Erhöhung der Abgastemperatur erzeugt, wenn die Abgastemperatur unter einer vorbestimmten Regenerationstemperatur liegt. Die Partikelfalle kann je nach ihrem Zustand sowie je nach Abgastemperatur über einen Bypasskanal umgangen werden.
Aus der US 5 711 149 A ist eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Dieselmotors bekannt, welche einen im Abgassystem angeordneten Partikelfilter, einen stromaufwärts des Partikelfilters angeordneten Oxidationskatalysator und eine Dieselkraftstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen von Dieselkraftstoff zu dem Oxidationskatalysator, wenn der Partikelfilter regeneriert werden muss, aufweist. Dabei erfolgt die Bestimmung, ob der Partikelfilter regeneriert werden muss, entsprechend einem unterschiedlichen Abgasdruck zwischen dem Abschnitt stromaufwärts des Partikelfilters und dem Abschnitt stromabwärts des Partikelfilters.
Aus der US 5 974 791 A ist eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem in der Abgasleitung angeordneten NO_x-Absorptionsmittel bekannt, wobei zum Erhöhen der Temperatur des NO_x-Absorptionsmittels eine SO_x-Auslöseeinrichtung vorgesehen ist, um SO_x aus dem NO_x-Absorptionsmittel auszulösen, bevor die Temperatur des NO_x-Absorptionsmittels eine vorbestimmte Temperatur erreicht, bei der Sulfatpartikel in dem NO_x-Absorptionsmittel bei einem Abgas mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu wachsen beginnen.
Aus der US 5 716 586 A ist ein Auspuff-Gas-Reiniger für einen Dieselmotor bekannt, welcher einen im Auspuff-Rohr befindlichen Partikelfilter, eine Heizeinrichtung, eine Luftzuführungseinrichtung zur Zufuhr von Luft zwischen Motor und Partikelfilter sowie eine Steuerungseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung während einer Regenerationsperiode die Luftdurchflussrate verändert.
Die vorstehend beschriebenen bekannten Steuerungsverfahren zielen jedoch nicht darauf ab, das Problem unerwünschter Rauch- bzw. Dampfemissionen nach längeren Leerlaufphasen zu beseitigen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen die Bildung unerwünschter Rauch- bzw. Dampfemissionen nach einem Betrieb des Motors im Leerlauf oder mit geringer Last reduziert bzw. vermieden werden kann.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Zur Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise ein Zählerwert für diejenige Zeitdauer gespeichert, während derer die Abgastemperatur niedriger als eine vorherbestimmte Temperatur ist, unterhalb derer sich gasförmige Kohlenwasserstoffe und Wasser in dem Filter ansammeln. Hierzu wird ein Zeitgeber (timer) zur Speicherung der Zeitzählung inkrementiert, solange sich der Motor im Leerlauf befindet oder mit niedriger Last betrieben wird. Der Zeitgeber wird dagegen dekrementiert, wenn die Abgastemperatur auf einen Wert oberhalb eines zweiten Schwellwertes ansteigt, bei dem eine Regeneration des Filters erfolgt. Wenn der Zeitzählungswert einen vorherbestimmten Wert übersteigt, der einen Filterzustand anzeigt, der deutlich vor einem Filterzustand liegt, bei dem der Filter eine derartige Menge von Kohlenwasserstoffen und Wasser angesammelt haben kann, dass dies Rauch- bzw. Dampfemissionen zur Folge haben könnte, wird ein Regenerationsvorgang eingeleitet, um die gasförmigen Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und das Wasser zu verdampfen, wodurch die Gefahr von Rauch- bzw. Dampfemissionen aus dem Auspuff reduziert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion der Rauch- bzw. Dampfemissionen in dem Abgas eines mit einem Dieselpartikelfilter ausgestatteten Dieselmotors mit folgenden Schritten bereitgestellt: Ermitteln der Temperatur des in den Dieselpartikelfilter eintretenden Abgases, Starten einer Zeitzählung dann, wenn die ermittelte Abgastemperatur unterhalb eines vorherbestimmten Temperaturwertes liegt und der Motor mit einer Drehzahl betrieben wird, welche einer Leerlaufdrehzahl entspricht bzw. der unter Niedriglast betrieben wird, Regeneration des Filters durch Erhöhung der Temperatur des Abgases sowie Ermitteln der Temperatur des Abgases, welches den Filter verlässt und Rücksetzen der Zeitzählung, wenn die gemessene Temperatur des aus dem Filter austretenden Abgases einen zweiten, vorherbestimmten Temperaturwert überschreitet, welcher größer als der erste Temperaturwert ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren zur Steuerung eines Dieselmotors bereitgestellt wird, mit dem Rauch- bzw. Dampfemissionen im Abgas reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren bereitgestellt wird, mittels dessen eine Ansammlung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Wasser in einem Dieselabgaspartikelfilter während des Leerlaufs oder eines Betriebes unter Niedriglast reduziert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motors und ein schematisches Blockdiagramm einer mit diesem in Verbindung stehenden Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 das Blockdiagramm der Steuereinrichtung gemäß 1, und
3 ein Flussdiagramm, welches die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, die unter Einsatz von Programmbefehlen einer Computersoftware ausgeführt werden können.
1 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer Brennkraftmaschine, nachfolgend Motor 12 genannt, und einer Mikrocontrollersteuerung 14. Der Motor 12 ist als Dieselmotor ausgebildet und weist ein Ansaugrohr 16, eine Drosselklappe 18, einen Stellantrieb 20 für die Drosselklappe 18, eine Kraftstoffeinspritzdüse 21, einen Auspuffkrümmer 22, eine Filteranordnung 24, einen Turbolader 26, ein EGR-Ventil (EGR = exhaust gas recirculation, Abgasrückführung) 28, einen Luftmassenstromsensor 30, einen Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18, einen Drucksensor 34, einen Drehzahlsensor 36, einen Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38 sowie Drucksensoren 40, 42 auf.
Verdichtete Luft aus dem Turbolader 26 wird von dem Ansaugrohr 16 aufgenommen und den mit 44 bezeichneten Zylindern des Motors 12 zugeleitet. Der Aufbau des Ansaugrohrs 16 kann abhängig von der Anzahl der Zylinder 44 variieren. Die Drosselklappe 18 ist innerhalb des Ansaugrohrs 16 angeordnet.
Die Drosselklappe 18 dient einer selektiven Verringerung des durch das Ansaugrohr 16 strömenden Luftmassenstroms, um hierdurch den Betrieb des Motors 12 und insbesondere die Abgastemperatur des Motors 12 zu steuern. Wenn die Drosselklappe 18 gedrosselt bzw. geschlossen wird, d. h. beispielsweise von einer voll geöffneten Stellung in eine teilweise geschlossene Stellung bewegt wird, steigt die Abgastemperatur an. Durch die Steuerung der Stellung der Drosselklappe 18 kann daher eine Erhöhung der Abgastemperatur über eine vorherbestimmte Temperatur hinaus (z. B. über 450°C) bewirkt werden, um die Filteranordnung 24 zu regenerieren. Das Verfahren zur Steuerung der Drosselklappe 18 zur Erhöhung der Abgastemperatur wird weiter unten näher erläutert. Die Drosselklappe 18 weist einen herkömmlichen Aufbau auf und kann u. a. als herkömmliches Ventil ausgebildet sein, mittels dessen eine Reduktion des Luftstroms durch das Ansaugrohr 16 bewirkt werden kann. Die Drosselklappe 18 kann beispielsweise als Butterfly-Ventil o. ä. ausgebildet sein.
Die Drosselklappe 18 wird mittels eines Stellantriebs 20 in eine bestimmte Stellung bewegt. Bei dem Stellantrieb 20 handelt es sich um einen konventionellen Stellantrieb, der beispielsweise als pneumatisch gesteuerter Stellantrieb, als Schrittmotor-Stellantrieb od. dgl. ausgebildet sein kann. Der Stellantrieb 20 reagiert auf durch die Mikrocontroller steuerung 14 erzeugte elektrische Signale, um die Stellung der Drosselklappe 18 einzustellen. Hierdurch wird wiederum der Luftstrom durch das Ansaugrohr 16 verändert.
Bei der Kraftstoffeinspritzdüse 21 handelt es sich um eine herkömmliche Einspritzeinrichtung, mittels derer Kraftstoff in einen der Zylinder 44 eingeleitet wird. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass jeder der Zylinder 44 eine zugeordnete Kraftstoffeinspritzdüse 21 aufweist, obwohl hier aus Gründen einer vereinfachten Darstellung nur eine einzige Kraftstoffeinspritzdüse 21 dargestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 21 erhält Kraftstoff von einer hier nicht dargestellten Kraftstoffpumpe und spritzt eine erste vorherbestimmte Kraftstoffmenge in einen der Zylinder 44 während eines Arbeitshubes des entsprechenden Zylinders 44 ein. Die Kraftstoffeinspritzdüse 21 kann ferner dazu verwendet werden, eine zweite vorherbestimmte Menge an Kraftstoff in einer späten Phase des Arbeitshubes des entsprechenden Zylinders 44 in einen der Zylinder 44 einzuspritzen (Nacheinspritzung von Kraftstoff), um darüber hinaus die Abgastemperatur, wie weiter unten genauer erläutert, zu steuern. Über die Mikrocontrollersteuerung 14 können insbesondere Steuersignale erzeugt werden, die bewirken, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 21 die erste bzw. die zweite vorherbestimmte Menge an Kraftstoff jeweils in einen der Zylinder 44 einspritzt.
Abgas aus den Zylindern 44 wird vom Auspuffkrümmer 22 durch den Turbolader 26 zu der Filteranordnung 24 geleitet. Der Aufbau des Auspuffkrümmers 22 kann abhängig von der Anzahl der Zylinder 44 im Motor 12 variieren. Die Filteranordnung 24 dient einer Verringerung von Emissionen und Partikeln im Abgas, bevor dieses aus dem Motor 12 in die Umgebung abgegeben wird. Die Filteranordnung 24 kann dabei beispiels weise einen Oxidationskatalysator 46 und einen Partikelfilter 48 aufweisen.
Der Oxidationskatalysator wirkt dahingehend, dass die Abgastemperatur des Motors 12 erhöht wird, bevor das Abgas in den Partikelfilter 14 eintritt. Dabei führt insbesondere eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen oder mehrere Zylinder 44 zum Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Zylindern 44 in den Oxidationskatalysator 46. Die Oxidation der Kohlenwasserstoffe im Oxidationskatalysator 46 stellt eine exotherme Reaktion dar, die zu einer zusätzlichen Erhöhung der Abgastemperatur führt. Folglich ist die Temperatur des den Oxidationskatalysator 46 verlassenden Abgases wesentlich höher (beispielsweise bis zu 200°C) als das in die Filteranordnung 24 eintretende Abgas. Das Abgas in dem Oxidationskatalysator 46 wird vorzugsweise auf mindestens 450°C erhitzt, bevor es in den Partikelfilter 48 geleitet wird, was eine Regeneration des Partikelfilters 48 zur Folge hat.
Der Partikelfilter 48 dient zu einer Aufnahme von Partikeln bzw. Feststoffen, wie beispielsweise Kohlenstoffpartikeln, aus dem Abgas. Der Partikelfilter 48 kann einen herkömmlichen Aufbau aufweisen und beispielsweise als Stahlwollefilter, als Monolithkeramikfilter oder als spulenförmiger Keramikfilter ausgebildet sein. Wie vorstehend dargelegt, muss der Partikelfilter 48 in gewissen Intervallen regeneriert bzw. gereinigt werden, da sich der Partikelfilter 48 sonst mit Kohlenstoffpartikeln aus dem Abgas zusetzen kann. Der Partikelfilter 48 kann durch Drosselung mittels der Drosselklappe 18 und/oder Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder 44 regeneriert werden, da auf diese Weise die Abgastemperatur über eine vorherbestimmte Veraschungstempera tur (beispielsweise 450°C) der Kohlenstoffpartikel hinaus erhöht werden kann.
Der Turbolader 26 verdichtet die in den Motor 12 eingeleitete Luft. Der Turbolader 26 kann beispielsweise einen mit dem Ansaugrohr 16 verbundenen Kompressor 50 und eine zwischen dem Auspuffkrümmer 22 und der Filteranordnung 24 angeordnete Turbine 52 aufweisen.
Das EGR-Ventil 28 dient zur Reduktion der NO_x-Emissionen des Motors 12. Das EGR-Ventil 28 ist von herkömmlicher Bauart und ist zwischen dem Ansaugrohr 16 und dem Auspuffkrümmer 22 angeordnet.
Der Luftmassenstromsensor 30 erzeugt ein Signal V_A, welches den Luftmassenstrom im Ansaugrohr 16 anzeigt. Mittels der Mikrocontrollersteuerung 14 kann das Signal V_A und der Messwert für den Luftmassenstrom (MAF = mass airflow) aus dem Signal V_A abgeleitet werden. Der Luftmassenstromsensor 30 ist von herkömmlichem Aufbau und vorzugsweise in einer Einlassöffnung 54 stromaufwärts im Ansaugrohr 16 angeordnet.
Der Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18, der von konventioneller Bauart sein kann, erzeugt ein die Stellung der Drosselklappe 18 anzeigendes Signal V_V. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_V auf und leitet die Messwertposition (measured position) THR_M der Drosselklappe 18 aus dem Signal V_V ab. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Messwertposition THR_M der Drosselklappe 18 einen Bereich von 0 bis 1 annehmen, wobei der Wert 0 einer vollständig geöffneten Stellung (d. h. keine Drosselung), und der Wert 1 einer vollständig geschlossenen Stellung der Drosselklappe 18 entspricht. Die Drosselklappe kann aber auch alternative Stellungen einnehmen. So kann die Stellung der Drosselklappe 18 beispielsweise einem Prozentsatz der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Stellung entsprechen oder durch die Angabe einer Drehwinkelstellung charakterisiert werden. Der Drucksensor 34 erzeugt ein Signal V_P1, welches den Druck innerhalb des Ansaugrohrs 16 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_P1 auf und leitet daraus den gemessenen Wert des Drucks P im Ansaugrohr 16 ab. Der Drucksensor 34 ist als konventioneller Drucksensor ausgebildet.
Der Drehzahlsensor 36 erzeugt ein Signal V_N, welches die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors 12 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt ein Signal V_N auf und leitet daraus den gemessenen Wert für die Motordrehzahl N ab. Der Drehzahlsensor 36 ist ebenfalls von herkömmlicher Bauart.
Ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38 erzeugt ein Signal V_AF, welches das Luft/Kraftstoffverhältnis im Motor 12 anzeigt. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_AF auf und leitet hieraus den gemessenen Wert des Luft/Kraftstoffverhältnisses A_F ab. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38 ist von herkömmlicher Bauart und zwischen einer Turbine 52 und der Filteranordnung 24 angeordnet.
Ein Temperatursensor 39 erzeugt ein Signal V_T, welches der Temperatur an der Auslassöffnung der Filteranordnung 24 entspricht. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt das Signal V_T auf und leitet hieraus den gemessenen Wert der Abgastemperatur T des in die Filteranordnung 24 eintretenden Abgases ab. Drucksensoren 40, 42 erzeugen jeweils Signale V_P2 und V_P3, welche jeweils dem Druck an der Einlass- und der Auslassöffnung der Filteranordnung 24 ansprechen. Die Mikrocontrollersteuerung 14 nimmt die Signale V_P2 und V_P3 auf und leitet hieraus jeweils die gemessenen Werte für die Einlass- und Auslass-Drücke P_I und P_O ab. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung können die Drucksensoren 40, 42 auch durch einen einzelnen differenziellen Drucksensor (hier nicht dargestellt) ersetzt werden, der ein Signal erzeugt, welches den Druckabfall über der Filteranordnung 24 anzeigt. Mittels der Mikrocontrollersteuerung 14 kann – basierend auf der Differenz zwischen den Einlass- und Auslassdrücken P_I, P_O – bestimmt werden, ob eine Regeneration des Partikelfilters 48 erforderlich ist.
Die Mikrocontrollersteuerung 14 steuert den Motor 12 und insbesondere die Drosselklappe 18. Die Mikrocontrollersteuerung 14 kann als herkömmlicher Mikrocontroller ausgebildet sein. Diese ist elektrisch mit dem Stellantrieb 20 für die Drosselklappe 18, die Kraftstoffeinspritzdüse 21, dem Luftmassenstromsensor 30, dem Positionssensor 32 für die Drosselklappe 18, dem Drucksensor 34, dem Drehzahlsensor 36, dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 38, dem Temperatursensor 39 und den Drucksensoren 40, 42 verbunden. Die Mikrocontrollersteuerung 14 beinhaltet einen hier nicht dargestellten Lesespeicher (ROM = read only memory), in welchem ein Softwareprogramm zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung abgespeichert ist.
In 2 ist die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Eine Sensoranordnung 56 mit einer Vielzahl von Sensoren ist zur Erfassung von Informationen aus dem Motor 12 und hinsichtlich der Abgase vorgesehen. Die Sensoren der Sensoranordnung 56 übertragen diese Information an ein Überwachungsglied 58 für die Beladung des Filters mit Dieselpartikeln, wobei das Überwachungsglied 58 einen Teil der die Mikrocontrollersteuerung 14 bildenden Hardware oder Software umfassen kann. Die Sensoranordnung 56 beinhaltet die zuvor beschriebenen Senso ren 30, 32, 34, 36, 38, 39, 40 und 42. Das Überwachungsglied 58 für die Beladung des Filters mit Dieselpartikeln (DPF = diesel particulate filter) nimmt die Beladung des Partikelfilters 48 mit Dieselpartikeln auf und speichert diese. Dieses Beladungsniveau entspricht im Wesentlichen der Darstellung einer Beladung mit Partikeln, die als Funktion eines vorherbestimmten, maximalen Beladungsniveaus aufgezeichnet wird, welches mit einem vorherbestimmten Niveau des Staudrucks korrespondiert, der auf das durch die Filteranordnung 24 strömende Abgas einwirkt. Das Überwachungsglied 58 für die Beladung kann in alternativer Ausgestaltung der Erfindung einen adaptiven Algorithmus zur Berechnung der im Partikelfilter 48 angehäuften Asche beinhalten. Eine Erfassung der Menge an Asche im Partikelfilter 48 ist vorteilhaft, weil es sich bei Asche um ein inertes Material handelt, welches nicht an den während des Regenerationsprozesses ablaufenden exothermen Reaktionen beteiligt ist, obwohl die Asche zu einem Anstieg des Staudrucks im Abgas beiträgt.
Die abgeschätzte Beladung des Partikelfilters 48 mit Dieselpartikeln (DPF-Beladung) wird sowohl an ein Diagnosemodul 60 als auch an ein dynamisches Schwellwert-Modul 62 übermittelt, welche beide vorzugsweise durch in der Mikrocontrollersteuerung 14 gespeicherte Softwareroutinen implementiert sind. Das Diagnosemodul 60 erhält ebenfalls Informationen von den Sensoren 56 und sendet eine Warnmeldung (warning MIL, wobei MIL = malfunction indicator lamp = Störungsanzeigeleuchte) aus, wenn die DPF-Beladung einen kritischen Schwellwert überschritten hat. Ein Überschreiten dieses kritischen Schwellwerts kann dazu führen, dass die Filteranordnung 24 bei Einleitung eines Regenerationsvorgangs schmilzt. Die Warnmeldung (MIL) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine entsprechende Leuchte im Armaturenbrett des Fahrzeugs eingeschaltet wird. Das Diagnosemodul 60 kann in ähn licher Weise die gleiche Warnung aussenden, wenn die Filteranordnung 24 Anzeichen eines erheblichen Defektes anzeigt, wie beispielsweise ein Verstopfen oder beginnendes Schmelzen des Filters in einem Ausmaß, dass eine effektive Filterung nicht weiter gewährleistet ist. Das Diagnosemodul 60 setzt schließlich auch einen Software-Merker (software flag), der einen laufenden Regenerationsvorgang beendet, falls die Temperatur des Partikelfilters 48 eine gewisse kritische Temperaturgrenze überschreitet, oberhalb derer die strukturelle Integrität der Filteranordnung 24 gefährdet ist.
Das dynamische Schwellwert-Modul 62 wertet sowohl die Beladung des Dieselpartikelfilters mit Partikeln als auch die Temperatur an der Einlassöffnung der Filteranordnung 24 aus und nimmt eine Bestimmung vor, wann der Regenerationsvorgang eingeleitet werden muss. Wenn eine Entscheidung für die Durchführung der Regeneration getroffen wurde, wird ein Merker (flag) gesetzt, welcher an ein Steuermodul 64 weitergeleitet wird. Das Steuermodul 64 ist zur Aussendung einer Reihe von Signalen ausgebildet, die solche Komponenten des Motors 12 steuern, welche zur Erhöhung der Abgastemperatur auf den Schwellwert benötigt werden, der zur Regeneration des mit Partikeln beladenen Partikelfilters 48 durch Verbrennung der angesammelten Partikel erforderlich ist. Das Steuermodul 64 reagiert weiterhin auf einen durch das Diagnosemodul 60 ausgesendeten Halt-Merker (hold flag), was zu einer Beendigung eines laufenden Regenerationsvorgangs führt. Wenn der Merker zur Regeneration durch das Schwellwert-Modul 62 gesetzt wird, sendet das Steuermodul 64 Signale an die entsprechenden Steuerelemente des Motors 12, um die Abgastemperatur auf das zur Einleitung der Regeneration des Partikelfilters 48 erforderliche Niveau zu erhöhen. So wird beispielsweise zunächst ein Signal zum Schließen des EGR-Ventils und einer Turbine mit Verstelldüse VNT (wenn vorgesehen) ausgesendet, oder es wird ein Turbinenbypass auf eine feststehende Position oder alternativ auf eine geöffnete Position eingestellt. Das Steuermodul 64 sendet dann ein Signal zur Steuerung des Stellantriebs 20 aus, der die Drosselklappe 18 bewegt, um die Ansaugluftmenge zu drosseln. Diese Drosselung bewirkt einen einleitenden Anstieg der Abgastemperatur auf ein Niveau, welches erforderlich ist, um das Erreichen der sogenannten Anspringtemperatur im Oxidationskatalysator 46 sicherzustellen. Danach wird eine Nacheinspritzung in die Zylinder 44 eingeleitet, um einen weiteren Anstieg der Temperatur an der Einlassöffnung der Filteranordnung 24 zu erzielen. Für den Fall, dass ein Halt-Merker durch das Diagnosemodul 60 ausgesendet wird, öffnet das Steuermodul 64 das EGR-Ventil 28, welches daraufhin den Sauerstoffstrom in die Filteranordnung 24 reduziert. Wenn die Ansaugluft des Motors ernsthaft zurückgedrosselt wird (beispielsweise um mehr als 500 mbar), ist die Effizienz des Motors verringert, und es wird daher notwendig, den entstehenden Drehmomentmangel auszugleichen. Die Mikrocontrollersteuerung 14 beinhaltet daher ein Ausgleichsmodul 66 für das Drehmoment, welches eine Software umfasst, die eine Erhöhung der Menge des an den Motor 12 gelieferten Kraftstoffs veranlaßt. Diese Software verwertet dabei Informationen von den Sensoren 56, wie beispielsweise Informationen bezüglich des Ladedrucks, der Motordrehzahl und des Kraftstoff-Grundbedarfs. Die Ausgangswerte der Sensoren 56 und Module 58, 60 und 62 werden typischerweise mit einer relativ niedrigen Wiederholfrequenz, beispielsweise einmal pro Sekunde, abgetastet. Die Daten der Module 64 und 66 werden dagegen mit einer relativ hohen Wiederholfrequenz, beispielsweise 16 ms, abgetastet.
Wenn der Motor 12 für längere Zeit in einem relativ niedrigen Lastbereich betrieben wird, so z. B. im Leerlaufbetrieb, sinkt die Abgastemperatur bis auf ein Niveau, bei dem keine Oxidation gasförmiger Kohlenwasserstoffe und keine Verdampfung von Wasser mehr erfolgen kann – z. B. auf ein Niveau unterhalb von etwa 150°C – was zur Folge hat, dass sich die gasförmigen Kohlenwasserstoffe und das Wasser in der Filteranordnung 24 ansammeln. Die in diesem Zusammenhang verwendete Bezeichnung ”Niedriglast” bedeutet, dass der Motor derart betrieben wird, dass die Abgastemperatur unter etwa 150°C liegt. Es handelt sich dabei um Leerlaufbetriebszustände und auch um geringfügig darüber liegende Betriebszustände; dies ist im Einzelnen von einer Vielzahl von Betriebsparametern abhängig. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das in 1 und 2 dargestellte Steuersystem zur Überwachung eingesetzt, wann der Abgastemperaturwert unter denjenigen Schwellwert abfällt, bei dem eine Ansammlung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe und von Wasser beginnen kann, sowie weiterhin zum Aufzeichnen der Zeitdauer, während derer der überwachte Temperaturwert unterhalb des Schwellwertes bleibt, sowie weiterhin zur Einleitung von Schritten zur Erhöhung der Abgastemperatur über den Schwellwert. Auf diese Weise wird die Abgastemperatur nach Bedarf periodisch angehoben, um sicherzustellen, dass sich keine übermäßige Menge von Kohlenwasserstoffen und Wasser in der Filteranordnung 24 ansammelt, wenn der Motor 12 im Leerlauf- oder Niedriglastbetrieb arbeitet. Die Erhöhung der Abgastemperatur kann durch vielfältige Methoden erfolgen, einschließlich der vorstehend erläuterten, insbesondere durch Einlassdrosselung und/oder Nacheinspritzung.
In 3 ist ein Flussdiagramm dargestellt, in dem die grundlegenden Verfahrensschritte gemäß der Erfindung dargestellt sind, die bevorzugt durch Softwarebefehle implemen tiert werden, die in der Mikrocontrollersteuerung 14 gespeichert sind. Ein Teil dieser Software kann auch Softwareroutinen für die in 2 dargestellten Module bilden.
Das Verfahren beginnt mit Block 68, in dem das System initialisiert wird. Ein Zeitgeber oder Timer, der sowohl Hardware als auch Software umfassen kann, wird gemäß Block 70 auf Null gesetzt. Wie bereits vorstehend erläutert, erfasst die Mikrocontrollersteuerung 14 kontinuierlich die Temperatur des Abgases sowohl oberhalb als auch unterhalb der Filteranordnung 24. In Schritt 72 erfolgt eine Entscheidung, ob die Abgastemperatur oberhalb der Filteranordnung 24 höher als ein vorherbestimmter Wert ist – beispielsweise 150°C –, der einem Betriebszustand entspricht, bei dem sich der Motor im Leerlaufbetrieb oder geringfügig oberhalb des Leerlaufbetriebes (d. h. Niedriglast) befindet, und sich gasförmige Kohlenwasserstoffe und Wasser in dem Filter 48 ansammeln können. Wenn die ermittelte Abgastemperatur oberhalb des Filters den ersten Schwellwert übersteigt, so wird in Schritt 74 der Zeitgeber dekrementiert. Wenn der Zeitgeber jedoch auf einen negativen Wert dekrementiert wird, so wird er auf den Wert Null zurückgesetzt.
Wenn andererseits die Abgastemperatur oberhalb des Filters niedriger als der erste Temperaturschwellwert ist, so wird in Schritt 76 der Zeitgeber inkrementiert, wonach in Schritt 78 eine Abfrage erfolgt, ob die Temperatur des aus der Filteranordnung 24 austretenden Abgases größer ist als ein zweiter Schwellwert, der höher liegt als der erste Schwellwert, beispielsweise bei 180°C. Wenn die ermittelte Abgastemperatur unterhalb der Filteranordnung niedriger liegt als der zweite Schwellwert, dann wird in einem Schritt 80 das Steuermodul 64 (2) dazu veranlasst, Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur einzuleiten, bis die ermittelte Temperatur des aus der Filteranordnung 24 austretenden Abgases höher ist als der zweite Schwellwert. Der in Block 80 angedeutete Schritt der Temperaturerhöhung des Abgases erfolgt nur dann, wenn der Zeitgeberwert einen Schwellwert überschreitet, der einem Motorzustand entspricht, bei dem der Motor für eine vorherbestimmte Zeitdauer im Leerlauf oder unter Niedriglast derart betrieben wurde, dass sich Kohlenwasserstoffe bzw. Wasser in der Filteranordnung 24 hätten ansammeln können.
Wenn die ermittelte Temperatur des aus der Filteranordnung 24 austretenden Abgases den zweiten, höheren Schwellwert übersteigt, wodurch angezeigt wird, dass der Filter hinsichtlich Wasser und gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespült bzw. regeneriert wurde, wird der Zeitgeber in Schritt 82 auf den Wert Null zurückgesetzt, und der Ablauf wird mit einer Wiederholung der Schritte 72 bis 82 fortgesetzt.
Aus vorstehenden Darlegungen ist ersichtlich, dass Rauch- oder Dampfemissionen aus Dieselabgasen, die auf längeren Leerlaufbetriebsphasen beruhen, wesentlich dadurch reduziert werden können, dass ermittelt wird, ob der Motor im Leerlauf oder mit Niedriglast betrieben wird, und dass festgestellt wird, ob der Motor für eine vorherbestimmte Zeitdauer im Leerlauf oder unter Niedriglast betrieben wurde, und dass die Temperatur des in den Partikelfilter eintretenden Abgases in ausreichendem Maße derart erhöht wird, dass der Filter regeneriert wird, bevor der Motor einer derartigen Lastanforderung ausgesetzt wird, bei der sonst auf den gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder dem Wasser in der Filteranordnung beruhender Rauch oder Dampf entstehen würde. Die gespeicherte Zeitzählung wird bevorzugt mit einem vorherbestimmten Wert verglichen, der einem Betriebszustand ent spricht, bei dem eine vorherbestimmte Menge gasförmiger Kohlenwasserstoffe sowie von Wasser sich in dem Filter angesammelt hätte. Diese Ansammlung hängt üblicherweise von der Zeitdauer ab, während derer der Motor im Leerlauf oder unter Niedriglast betrieben wurde. Das Verfahren umfasst ferner eine Dekrementierung des Zeitgebers, wenn die Temperatur des Abgases oberhalb der Filteranordnung einen vorherbestimmten Wert übersteigt, der Motordrehzahlen oberhalb der Leerlaufdrehzahl oder bei Niedriglastbetrieb entspricht. Auf diese Weise wird über den Zeitgeber eine laufende Zustandsermittlung hinsichtlich einer geschätzten Menge an in der Filteranordnung angesammelten gasförmigen Kohlenwasserstoffen und/oder Wasser realisiert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das beschriebene Verfahren besonders effektiv und ökonomisch arbeitet.

10: Fahrzeug
12: Motor
14: Mikrocontrollersteuerung
16: Ansaugrohr
18: Drosselklappe
20: Stellantrieb
21: Kraftstoffeinspritzdüse
22: Auspuffkrümmer
24: Filteranordnung
26: Turbolader
28: EGR-Ventil
30: Luftmassenstromsensor
32: Positionssensor
34: Drucksensor
36: Drehzahlsensor
38: Luft/Kraftstoffverhältnissensor
39: Temperatursensor
40: Drucksensor
42: Drucksensor
44: Zylinder
46: Oxidationskatalysator
48: Partikelfilter
50: Kompressor
52: Turbine
54: Einlassöffnung
56: Sensoren
58: Überwachungsglied
60: Diagnosemodul
62: Schwellwertmodul
64: Steuermodul
66: Ausgleichsmodul
68–82: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Regeneration eines in einem Dieselmotor (12) vorgesehenen Partikelfilters (48) hinsichtlich gasförmiger Kohlenwasserstoffe und Wasser, die sich in dem Partikelfilter während eines Betriebs des Dieselmotors bei geringer Last angesammelt haben, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: A) Erfassen (72), wenn der Motor (12) bei niedriger Last betrieben wird; B) Feststellen, ob der Motor für eine vorherbestimmte Zeitdauer unter niedriger Last betrieben wurde, mittels Speichern eines Zählwertes für die Zeit, während derer der Motor (12) unter niedriger Last betrieben wurde, und Vergleich des gespeicherten Zählerwertes mit einem vorherbestimmten Wert, der einem Betriebszustand entspricht, bei dem sich eine vorherbestimmte Menge an gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Wasser in dem Partikelfilter (48) angesammelt haben könnte; und C) wenn ein Betrieb unter niedriger Last für eine vorherbestimmte Zeitdauer in Schritt (B) festgestellt worden ist, Erhöhen der Temperatur (80) des in den Partikelfilter (48) eintretenden Abgases auf einen vorherbestimmen Temperaturwert, der im Hinblick auf eine Regeneration hinsichtlich der gasförmigen Kohlenwasserstoffe und des Wassers ausreichend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherschritt ausgeführt wird, indem periodisch ein Zeitgeber (Timer) während desjenigen Zeitraums inkrementiert wird (76), in dem die Temperatur des Abgases unterhalb des vorherbestimmten Temperaturwertes liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherschritt ein Dekrementieren (74) des Zeitgebers während desjenigen Zeitraums umfasst, in dem die Temperatur des Abgases den vorherbestimmten Temperaturwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch den Schritt eines Rücksetzens des Zeitgebers (82), wenn die Temperatur des aus dem Filter (48) austretenden Abgases einen zweiten, vorherbestimmten Temperaturwert (T_limit_2) übersteigt, der grösser ist als der erste Temperaturwert (T_limit_1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (C) ausgeführt wird, indem die Ansaugluft des Motors (12) gedrosselt wird, bis die Temperatur des aus dem Filter (48) austretenden Abgases einen zweiten, vorherbestimmten Temperaturwert übersteigt, der grösser ist als der erste Temperaturwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (C) ausgeführt wird, indem eine Kraftstoffnacheinspritzung in die Verbrennungszylinder des Motors (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt A) das Ermitteln der Temperatur des in den Partikelfilter (48) eintre tenden Abgases umfasst, und im Schritt B) die Zeitzählung gestartet wird, wenn die im Schritt A) ermittelte Temperatur des in den Partikelfilter (48) eintretenden Abgases unterhalb eines ersten vorherbestimmten Temperaturwertes (T_limit_1) liegt, welcher einen Niedriglastbetrieb des Dieselmotors (12) anzeigt, bei dem sich gasförmige Kohlenwasserstoffe und Wasser ansammeln können.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (C) einen geänderten Motorbetrieb solange umfasst, bis die Temperatur des Abgases ausreicht, um die gasförmigen Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und das in dem Filter (48) angesammelte Wasser zu verdampfen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass Schritt (C) ausgeführt wird, indem die Luftzufuhr des Motors (12) solange gedrosselt wird, bis ein in dem Filter vorgesehener Oxidationskatalysator (46) anspringt bzw. seine Light-off-Temperatur erreicht.