DE102014016347A1

DE102014016347A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Rußbeladung eines mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters

Info

Publication number: DE102014016347A1
Application number: DE102014016347.4A
Authority: DE
Inventors: Berthold Keppeler; Thorsten Woog
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-12
Also published as: EP3215725A1; US20170335730A1; WO2016070972A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Rußbeladung (65) eines mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters (5), mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stickoxidumsatzes (45) an dem Partikelfilter (5) und Ermitteln einer Rußbeladung (65) des Partikelfilters (5) aus dem bestimmten Stickoxidumsatz (45).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Rußbeladung eines mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters.
Gemäß aktueller und zukünftiger Emissionsrichtlinien sind deutliche Begrenzungen für Emissionen von Brennkraftmaschinen vor allem in Hinblick auf Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid-, Stickoxid- und Partikelemissionen vorgesehen. Aufgrund der zunehmenden Kraftstoffverbrauchseinsparungen beim Betrieb von Brennkraftmaschinen fallen Abgastemperaturen, welche für die katalytische Abgasnachbehandlung zur Verfügung stehen, immer weiter ab. Aus diesem Grund spielen motornahe SCR-Systeme (Selective Catalytic Reduction – SCR), welche einen motornah angeordneten Partikelfilter mit integrierter selektiv katalytischer Beschichtung beziehungsweise SCR-Beschichtung aufweisen (SDPF), bei zukünftigen Abgasnachbehandlungskonzepten eine immer wichtigere Rolle, um den gestiegenen Anforderungen begegnen zu können. Dabei ist für die Betriebsstrategie eines solchen Abgasnachbehandlungssystems wichtig, die Rußbeladung des Partikelfilters möglichst genau ermitteln zu können. Es zeigt sich nämlich, dass ein zu häufiges Auslösen einer Regeneration zu einer verstärkten Alterung der auf dem Filter aufgebrachten katalytischen Beschichtung führt und zusätzlich eine höhere Kohlendioxid- und Schadstoffemission der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Bei einer zu späten Einleitung der Regeneration kann es dagegen zu sehr hohen Temperaturgradienten innerhalb des Partikelfilters kommen, was zu dessen mechanischen Beschädigung führen kann.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 749 745 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Rußbeladung eines mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters bekannt, bei welchem zwei verschiedene Ermittlungsmethoden miteinander kombiniert werden. Zum einen wird ein Rußrohemissionsmodell oder Beladungsmodell verwendet, welches in Abhängigkeit verschiedener motorischer Parameter eine Rußemission berechnet, sowie die im Partikelfilter abgeschiedene und die durch den kontinuierlichen Rußabbrand mit Stickstoffdioxid (NO₂) abgebaute Masse bestimmt. Es wird ein weiteres Modell eingesetzt, welches die Rußbeladung über die Messung eines über den Partikelfilter abfallenden Differenzdrucks in der Abgasströmung berechnet (Differenzdruckmodell).
Nachteilig hieran ist, dass die Regeneration des Partikelfilters aus Sicherheitsgründen – insbesondere aus Gründen des Bauteilschutzes – stets dann ausgelöst wird, wenn eines der beiden Modelle eine maximal zulässige, im Steuergerät der Brennkraftmaschine hinterlegte Beladungsgrenze erreicht. Dabei zeigt sich, dass die Bestimmung der Rußbeladung aus dem Differenzdruck vor allem nach einer nicht vollständig abgelaufenen Regeneration, welche auch als Teilregeneration bezeichnet wird, sehr ungenau ist. Das Rußrohemissionsmodell zeigt seinerseits je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine sehr starke Schwankungen in der Genauigkeit, sodass es letztlich zu starken Abweichungen zwischen den mittels der beiden Modelle berechneten Rußbeladungswerten für den Partikelfilter kommen kann. Insgesamt hat dies zur Folge, dass es zu einer verfrühten Regeneration des Partikelfilters kommen kann, ohne dass diese zu dem Zeitpunkt, an dem sie gemäß einem der Modelle indiziert erscheint, tatsächlich nötig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Ermitteln einer Rußbeladung eines mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters, nämlich eines Partikelfilters mit einer Beschichtung, die selektiv katalytisch zur Reduktion von Stickstoffoxiden wirkt, mit folgenden Schritten geschaffen wird: Es wird ein – insbesondere momentaner – Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter bestimmt, und es wird aus dem bestimmten Stickoxidumsatz eine – insbesondere momentane – Rußbeladung des Partikelfilters ermittelt. Insbesondere wird die Rußbeladung des Partikelfilters in Abhängigkeit von dem bestimmten Stickoxidumsatz ermittelt. Der Stickoxidumsatz kann auch durch Mittelwertbildung einzelner in einem vorgebbaren Zeitintervall von beispielsweise einigen Sekunden bis einigen Minuten ermittelter Stickoxidumsatzwerte bestimmt werden. Insoweit hat sich gezeigt, dass sich bei einem mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilter durch die räumliche Zusammenlegung der selektiv katalytischen Reduktionsfunktion einerseits und der Partikelfilterfunktion andererseits Wechselwirkungen zwischen der Rußbeladung des Filters und dem Stickoxidumsatz in der Filterwand ergeben. Anhand dieser Abhängigkeit ist es möglich, aus dem Stickoxidumsatz auf die Rußbeladung des Partikelfilters rückzuschließen. Dieses Verfahren weist zumindest in bestimmten Betriebsbereichen eine sehr hohe Genauigkeit auf und ist daher geeignet zur Ermittlung einer hochgenauen Rußbeladung, die dann der Entscheidung über eine Regenerationsmaßnahme zugrunde gelegt werden kann, ohne dass eine verfrühte Regeneration zu befürchten ist. Insbesondere kann dies auch mit wenigstens einer weiteren Ermittlung der Rußbeladung anhand wenigstens eines weiteren Modells kombiniert werden, wobei das hier angesprochene, sehr genaue Verfahren insbesondere genutzt werden kann, um eine anhand des weiteren Modells ermittelte Rußbeladung zu korrigieren, oder um das weitere Modell selbst zu korrigieren oder anzupassen.
Das Verfahren wird bevorzugt durchgeführt in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei der Abgasstrang vorzugsweise einen Oxidationskatalysator, insbesondere einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), und/oder einen Stickoxid-Speicherkatalysator (NSK) aufweist. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts des Oxidationskatalysators und/oder des Stickoxidspeicherkatalysators ist ein nachgeschaltetes System zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet, welches den die selektiv katalytische Beschichtung aufweisenden Partikelfilter aufweist. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass dieses für ein SCR-System durchgeführt wird, welches zusätzlich zu dem mit der selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilter noch einen zur selektiven katalytischen Reduktion eingerichteten Katalysator (SCR-Katalysator) ohne Partikelfilterfunktion aufweist. Dieser ist dann vorzugsweise stromabwärts des mit der selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters angeordnet.
Vorzugsweise wird zusätzlich eine Abgasrückführeinrichtung eingesetzt. Besonders bevorzugt wird eine Mehrwege-Abgasrückführeinrichtung eingesetzt, welche eine Hochdruckabgasrückführstrecke und eine Niederdruckabgasrückführstrecke aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Rußbeladung aus dem bestimmten Stickoxidumsatz ermittelt, indem der bestimmte Stickoxidumsatz mit einem – vorzugsweise in einem Kennfeld hinterlegten – Stickoxidumsatz verglichen wird, welchen der mit der selektiv katalytischen Verbindung versehene Partikelfilter aufweist, wenn er nicht mit Ruß beladen ist, beispielsweise im Neuzustand oder nach einer vollständigen Regeneration. Insbesondere durch den Vergleich mit diesem Referenzwert des Partikelfilters ohne Rußbeladung kann die momentane Rußbeladung sehr genau bestimmt werden.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Rußbeladung mit der hier beschriebenen Vorgehensweise ermittelt wird, wenn eine – insbesondere momentane – Abgastemperatur, die vorzugsweise mittels eines in dem Abgasstrang stromaufwärts des Partikelfilters angeordneten Temperatursensor gemessen wird – größer oder gleich einer vorbestimmten Mindesttemperatur und kleiner oder gleich einer vorbestimmten Maximaltemperatur ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein eindeutiger und insbesondere eindeutig auswertbarer Zusammenhang zwischen dem Stickoxidumsatz und der Rußbeladung des Partikelfilters insbesondere in einem bestimmten Temperaturbereich für die Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters gegeben ist. Daher kann das Verfahren mit besonders hoher Genauigkeit in diesem Temperaturbereich durchgeführt werden. Dabei zeigt sich, dass die Mindesttemperatur bevorzugt von mindestens 175°C bis höchstens 210°C beträgt. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Maximaltemperatur bevorzugt von mindestens 240°C bis höchstens 280°C. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Rußbeladung vorzugsweise ermittelt, wenn die Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters von mindestens 150°C bis höchstens 300°C, vorzugsweise von mindestens 175°C bis höchstens 280°C, vorzugsweise von mindestens 175°C bis höchstens 240°C, vorzugsweise von mindestens 210°C, bis höchstens 280°C, vorzugsweise von mindestens 210°C bis höchstens 240°C, beträgt. Die hier genannten Temperaturbereiche stellen besonders geeignete Bereiche für eine hochgenaue Ermittlung der Rußbeladung anhand des bestimmten Stickoxidumsatzes dar. Die Mindesttemperatur und/oder die Maximaltemperatur können bevorzugt variabel in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine vorgegeben werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zur Ermittlung der Rußbeladung aus dem bestimmten Stickoxidumsatz ein – insbesondere momentanes – Verhältnis einer Stickstoffdioxid-Konzentration zu einer Gesamtstickoxid-Konzentration im Abgas, die sich als Summe der Stickstoffdioxid-Konzentration und einer Stickstoffmonoxid-Konzentration (NO) ergibt, stromaufwärts des Partikelfilters herangezogen wird. Es hat sich insoweit nämlich gezeigt, dass die Abhängigkeit des Stickoxidumsatzes von der Rußbeladung selbst zusätzlich von dem Verhältnis der Stickstoffdioxid-Konzentration zu der Gesamtstickoxid-Konzentration im Abgas abhängt. Insbesondere nimmt der Stickoxidumsatz mit steigendem Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid bei steigender Rußbeladung verstärkt zu. Eine sehr genaue Auswertung der Rußbeladung anhand des Stickoxidumsatzes kann daher durchgeführt werden, wenn das Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid im Abgas berücksichtigt wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Rußbeladung ermittelt wird, wenn das – insbesondere momentane – Verhältnis der Stickstoffdioxid-Konzentration zu der Gesamtstickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters größer ist als ein vorbestimmter Mindestwert. Dieser kann so definiert werden, dass jedenfalls eine sehr genaue Bestimmung der Rußbeladung anhand des Stickoxidumsatzes möglich ist. Da die Empfindlichkeit des Verfahrens mit dem steigenden Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid steigt, kann so eine sehr hohe Genauigkeit über eine geeignete Definition des vorbestimmten Mindestwerts sichergestellt werden. Dabei wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher der vorbestimmte Mindestwert von mindestens 10% bis höchstens 50%, vorzugsweise von mindestens 20% bis höchstens 40%, und besonders bevorzugt von mindestens 30% bis höchstens 50% beträgt. In diesen Bereichen ist eine hochgenaue Auswertung der Rußbeladung in Abhängigkeit von dem bestimmten Stickoxidumsatz gewährleistet.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter mittels stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters angeordneten Stickoxidsensoren bestimmt wird. Solche Sensoren sind bevorzugt ohnehin in dem Abgasstrang vorgesehen, sodass es für die Durchführung des Verfahrens keiner zusätzlichen, teuren Elemente bedarf. Das Verfahren ist daher sehr kostengünstig durchführbar. Zugleich kann der Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter mithilfe der stromaufwärts und stromabwärts derselben vorgesehenen Sensoren sehr genau bestimmt werden. Dabei wird bevorzugt eine Differenzmessung der Gesamtstickoxid-Konzentration im Abgas zwischen der Messstelle stromaufwärts und der Messstelle stromabwärts des Partikelfilters durchgeführt. Der Stickoxidumsatz kann so zugleich sehr einfach und sehr genau bestimmt werden.
Ein stromabwärts des Partikelfilters angeordneter Stickoxidsensor kann auch stromabwärts eines zusätzlichen, stromabwärts des Partikelfilters vorgesehenen SCR-Katalysators ohne Partikelfilterfunktion angeordnet sein.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Verhältnis der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters anhand der – insbesondere momentanen – Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters oder stromaufwärts eines – insbesondere stromaufwärts des Partikelfilters angeordneten – Oxidationskatalysators, einem Abgasmassenstrom über dem Oxidationskatalysator, und/oder einem Alterungszustand des Oxidationskatalysators, ermittelt wird. Besonders bevorzugt wird das Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid in Abhängigkeit von wenigstens einem der genannten Parameter aus einem Kennfeld ausgelesen. Dieses ist besonders bevorzugt in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine, welche den Abgasstrang, in dem das Verfahren durchgeführt wird, aufweist, hinterlegt. Jeder der hier genannten Parameter charakterisiert für sich genommen das hier angesprochene Verhältnis, wobei insbesondere die genannten Parameter gemeinsam eine sehr genaue Bestimmung des Verhältnisses ermöglichen, sodass diese geeignet sind, ein Kennfeld für das Verhältnis aufzuspannen.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Rußbeladung durch Vergleichen des bestimmten Stickoxidumsatzes mit einem vorbestimmten Stickoxidumsatz des unbeladenen Partikelfilters – also ohne Rußbeladung – verglichen wird. Das so durchgeführte Verfahren erreicht eine besonders hohe Genauigkeit, was bereits oben näher ausgeführt wurde. Dabei wird der vorbestimmte Stickoxidumsatz des unbeladenen Partikelfilters vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom über dem Partikelfilter, der Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters, dem Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid stromaufwärts des Partikelfilters, einer Reduktionsmittel-Beladung, insbesondere einer Ammoniak-Beladung (NH₃), des Partikelfilters, einem Alterungszustand des Partikelfilters und/oder einem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine, deren Abgasstrang den Partikelfilter aufweist, ermittelt. Besonders bevorzugt wird der vorbestimmte Stickoxidumsatz in Abhängigkeit von wenigstens einem der hier genannten Parameter aus einem – insbesondere in einem Steuergerät für die Brennkraftmaschine hinterlegten – Kennfeld ausgelesen. Dabei ist jeder der hier genannten Parameter bereits für sich genommen charakteristisch für den vorbestimmten Stickoxidumsatz. Insbesondere aber sind die hier genannten Parameter in Kombination miteinander charakteristisch für den vorbestimmten Stickoxidumsatz, sodass sie sich in besonderer Weise eignen, um ein Kennfeld für den vorbestimmten Stickoxidumsatz aufzuspannen. Insbesondere wird bevorzugt der Stickoxidumsatz des nicht mit Ruß beladenen Partikelfilters in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms über den Partikelfilter, der Temperatur stromaufwärts des Partikelfilters, dem Stickstoffdioxid zu Stickoxid-Verhältnis vor dem Partikelfilter, der Reduktionsmittel-Beladung des Partikelfilters und dem Alterungszustand des Partikelfilters in dem Steuergerät hinterlegt und anhand der genannten Faktoren für den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgelesen. Die Reduktionsmittel-Beladung des Partikelfilters wird vorzugsweise mithilfe eines geeigneten Modells ermittelt, insbesondere berechnet.
Wenigstens einer der Alterungszustände des Oxidationskatalysators und/oder des Partikelfilters werden vorzugsweise als Alterungsfaktor ermittelt, und zwar insbesondere abhängig von den Faktoren Temperatur über Zeit. Insbesondere kann ein Temperatur-Zeit-Integral für wenigstens eines der genannten Abgasnachbehandlungselemente gebildet werden, aus dem dann ein Alterungszustand bestimmt wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Rußbeladung des Partikelfilters zusätzlich zu der bisher beschriebenen Vorgehensweise im Rahmen des Verfahrens mittels eines Beladungsmodells und weiter zusätzlich anhand eines über dem Partikelfilter abfallenden Differenzdrucks – insbesondere über ein Differenzdruckmodell – bestimmt wird. Es stehen dann drei Möglichkeiten zur Bestimmung der Rußbeladung zur Verfügung, die wechselseitig zur Korrektur der ermittelten Rußbeladung genutzt werden können und so in Kombination miteinander eine besonders hohe Genauigkeit der Ermittlung der Rußbeladung sicherstellen. Bevorzugt wird eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt, wenn eine der Ermittlungsmethoden eine Rußbeladung als Ergebnis zurückgibt, die einen vorbestimmten Maximalwert für die Rußbeladung erreicht oder überschreitet. So kann gewährleistet werden, dass der Partikelfilter jedenfalls stets dann regeneriert wird, wenn dies indiziert ist.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Rußbeladung anhand des Stickoxidumsatzes bestimmt wird, wenn ein anhand des Beladungsmodells bestimmter, erster Beladungswert für die Rußbeladung und ein anhand des Differenzdrucks bestimmter, zweiter Beladungswert für die Rußbeladung eine Differenz aufweisen, die einen vorbestimmten Differenzgrenzwert erreicht oder überschreitet. Das hier beschriebene, sehr genaue Verfahren zur Ermittlung der Rußbeladung über den bestimmten Stickoxidumsatz wird also bevorzugt dann eingesetzt, wenn die anderen beiden Ermittlungsmethoden stark differierende Ergebnisse liefern, wobei dies ein Hinweis darauf ist, dass wenigstens eine der Ermittlungsmethoden momentan keine zuverlässigen Beladungswerte liefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die anhand des Stickoxidumsatzes bestimmte Rußbeladung vorzugsweise zur Korrektur des ersten und/oder des zweiten Beladungswerts, und/oder zur Korrektur der diesen Beladungswerten zugrunde liegenden Ermittlungsmethoden verwendet. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die mithilfe des Verfahrens aus dem Stickoxidumsatz ermittelte Rußbeladung – jedenfalls in bestimmten Betriebsbereichen – die genauest möglich ermittelbare Rußbeladung darstellt. Diese kann daher in besonders günstiger Weise zur Korrektur der anderweitig ermittelten Beladungswerte und/oder der Ermittlungsmethode zur Ermittlung dieser Beladungswerte herangezogen werden. Es ist dabei möglich, dass eine Regeneration des Partikelfilters verschoben wird, obwohl diese durch eines der Modelle indiziert ist, wenn nämlich das Verfahren, nach welchem die Rußbeladung anhand des bestimmten Stickoxidumsatzes ermittelt wird, keine Regeneration indiziert. In diesem Fall wird vielmehr die eine Regeneration indizierende Ermittlungsmethode und/oder der anhand dieser Ermittlungsmethode ermittelte Beladungswert mithilfe des durch das hier beschriebene Verfahren ermittelten Beladungswerts korrigiert.
Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass mittels Ansteuerung einer Abgasrückführeinrichtung und/oder mittels aktivem Heizen eines Oxidationskatalysators gezielt Bedingungen eingestellt werden, unter denen die Rußbeladung des Partikelfilters aus dem bestimmten Stickoxidumsatz ermittelbar ist. Dabei wird vorzugsweise eine Abgasrückführeinrichtung verwendet, welche eine Hochdruckabgasrückstrecke und eine Niederdruckabgasrückführstrecke aufweist. Eine Strategie zur Ansteuerung der Abgasrückführeinrichtung kann dann bedarfsgerecht so angepasst werden, dass die Abgasrückführung komplett über die Hochdruckabgasrückführstrecke erfolgt, wodurch eine möglichst gute Stickstoffdioxidbildung an dem Oxidationskatalysator erreicht wird. Weiterhin kann zusätzlich oder alternativ durch eine Änderung einer Gesamt-Abgasrückführrate und/oder durch aktives Heizen des Oxidationskatalysators, insbesondere mittels einer elektrischen Heizeinrichtung, ein angestrebter Temperaturbereich für die Abgastemperatur gezielt eingestellt werden. Insgesamt ist es so möglich, Bedingungen in Hinblick auf die Abgastemperatur oder in Hinblick auf das Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid im Abgas zu schaffen, bei welchen eine sehr genaue Bestimmung der Rußbeladung mithilfe des hier beschriebenen Verfahrens möglich ist.
Die gezielte Einstellung solcher günstigen Bedingungen wird bevorzugt insbesondere dann durchgeführt, wenn die beiden anderen Ermittlungsmethoden, also insbesondere das Beladungsmodell und das Differenzdruckmodell, stark verschiedene Beladungswerte zurückgeben, wobei eine Differenz zwischen den Beladungswerten vorzugsweise einen vorbestimmten Differenzgrenzwert erreicht oder überschreitet.
Zur Erfindung gehört auch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, welches zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens eingerichtet ist. Dabei ist es möglich, dass es sich bei dem Steuergerät um das Motorsteuergerät (Engine Control Unit – ECU) der Brennkraftmaschine handelt. Alternativ ist es auch möglich, dass zur Durchführung des Verfahrens ein separates Steuergerät vorgesehen ist.
Es ist möglich, dass das Verfahren unmittelbar in eine elektronische Struktur, insbesondere eine Hardware, des Steuergeräts implementiert ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass jedenfalls bestimmte Verfahrensschritte, vorzugsweise das gesamte Verfahren, als Computerprogrammprodukt gegeben ist. Insoweit ist vorzugsweise in das Steuergerät ein Computerprogrammprodukt geladen, welches Schritte aufweist, aufgrund derer eine Ausführungsform des Verfahrens durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft.
Zur Erfindung gehört auch eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens, und/oder die ein Steuergerät aufweist, welches eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens. Dabei ist der Brennkraftmaschine insbesondere ein Abgasstrang mit wenigstens einem der im Rahmen des Verfahrens beschriebenen Abgasnachbehandlungselemente zugeordnet.
Zur Erfindung gehört schließlich auch ein Kraftfahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Personenkraftwagen, als Lastkraftwagen oder als Nutzfahrzeug ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine samt Abgasstrang, für welche eine Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer Rußbeladung durchführbar ist;
2 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Stickoxidumsatz an einem mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilter und der Rußbeladung desselben in Abhängigkeit von der Temperatur;
3 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Stickoxidumsatz und der Rußbeladung in Abhängigkeit einem Verhältnis von einer Stickstoffdioxid-Konzentration zu einer Gesamtstickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters, und
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasstrang 3, für welche das hier beschriebene Verfahren bevorzugt durchgeführt wird. Der Abgasstrang 3 weist einen mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilter 5 auf, der eingerichtet ist, um einerseits Rußpartikel aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 zu filtern und andererseits im Abgas vorhandene Stickoxide selektiv katalytisch zu reduzieren. Ein solcher Partikelfilter 5 wird allgemein auch als SDPF bezeichnet. Stromabwärts des Partikelfilters 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich noch ein SCR-Katalysator 7 angeordnet, der ebenfalls eingerichtet ist zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, wobei er jedoch keine Partikelfilterfunktion aufweist. Stromaufwärts des Partikelfilters 5 ist eine Eindosiereinrichtung 9 für ein Reduktionsmittel angeordnet, welches mittels der Eindosiereinrichtung 9 in den Abgasstrom eindosierbar ist, wobei es dann mit den Stickoxiden an der selektiv katalytischen Beschichtung des Partikelfilters 5 und des SCR-Katalysators 7 umgesetzt wird, wodurch die Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden.
Als Reduktionsmittel wird über die Eindosiereinrichtung 9 vorzugsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom eingedüst, wobei der Harnstoff mit dem heißen Abgas reagiert und unter Bildung von Ammoniak zerfällt, welches dann als eigentliches Reduktionsmittel in dem Partikelfilter 5 und vorzugsweise in dem SCR-Katalysator 7 wirkt.
Um den Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter 5 bestimmen zu können, ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel stromaufwärts der Eindosiereinrichtung 9 ein erster Stickoxidsensor 11 angeordnet, wobei unmittelbar stromabwärts des Partikelfilters 5 – hier insbesondere zwischen dem Partikelfilter 5 und dem SCR-Katalysator 7 – ein zweiter Stickoxidsensor 13 angeordnet ist. Der zweite Stickoxidsensor 13 kann auch stromabwärts des SCR-Katalysators 7 angeordnet sein. Über eine Differenzmessung der Signale der beiden Stickoxidsensoren 11, 13 ist, insbesondere unter Berücksichtigung des Signals des ersten Stickoxidsensors 11, ein momentaner absoltur bzw. relativer Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter 5 bestimmbar.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist stromaufwärts des Partikelfilters 5 und insbesondere auch stromaufwärts der Eindosiereinrichtung 9 ein Oxidationskatalysator 15 angeordnet. Anstelle des Oxidationskatalysators 15 oder zusätzlich zu dem Oxidationskatalysator 15 ist es möglich, dass stromaufwärts des Partikelfilters 5 und insbesondere stromaufwärts der Eindosiereinrichtung 9 ein Stickoxidspeicherkatalysator (NSK) angeordnet ist.
Der Oxidationskatalysator 15 weist vorliegend eine Heizeinrichtung 17 auf, die bevorzugt als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet ist.
Die Brennkraftmaschine 1 weist auch einen Ladeluftstrang 19 auf, über den ihr Ladeluft zuführbar ist. In für sich genommen bekannter Weise ist in dem Ladeluftstrang ein Verdichter 21 angeordnet, der durch eine in dem Abgasstrang 3 angeordnete Turbine 23 antreibbar ist. Es ist insoweit eine Turboladereinrichtung bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verwirklicht.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist außerdem eine Abgasrückführeinrichtung 25 auf, welche hier eine Hochdruckabgasrückführstrecke 27 und eine Niederdruckabgasrückführstrecke 29 aufweist. Dabei zweigt die Hochdruckabgasrückführstrecke 27 stromaufwärts der Turbine 23 aus dem Hochdruckbereich des Abgasstrangs 3 ab, wobei sie stromabwärts des Verdichters 21 in den Hochdruckbereich des Ladeluftstrangs 19 mündet. Die Niederdruckabgasrückführstrecke 29 zweigt stromabwärts des SCR-Katalysators 7 aus dem Niederdruckbereich des Abgasstrangs 3 ab und mündet stromaufwärts des Verdichters 21 in den Niederdruckbereich des Ladeluftstrangs 19.
Im Rahmen des Verfahrens wird die Heizeinrichtung 17 bevorzugt gezielt angesteuert, um die Abgastemperatur in einen Bereich zu bringen, in welchem das Verfahren mit hoher Genauigkeit durchführbar ist. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt auch die Abgasrückführeinrichtung 25 in einer Weise angesteuert, dass Bedingungen geschaffen werden, bei welcher das Verfahren mit hoher Genauigkeit durchführbar ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Abgasrückführung insgesamt auf die Hochdruckabgasrückführstrecke 27 umgestellt wird, sodass eine möglichst hohe Stickstoffdioxidbildung am Oxidationskatalysator 15 erreicht wird. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass eine Gesamtabgasrückführrate gezielt beeinflusst wird, um die Abgastemperatur – zusätzlich oder alternativ zu der Ansteuerung der Heizeinrichtung 17, in einen Bereich gebracht wird, in welchem das Verfahren besonders effizient und mit hoher Genauigkeit durchführbar ist. Zur Ermittlung der Abgastemperatur ist im Übrigen vorzugsweise noch ein in 1 nicht dargestellter Temperatursensor vorgesehen, mit welchem die Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters 5 erfassbar ist.
2 zeigt eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Abhängigkeit des Stickoxidumsatzes U(NO_x) – aufgetragen gegen die Abgastemperatur T stromaufwärts des Partikelfilters 5 – von der Rußbeladung des Partikelfilters 5. Dabei ist mit einer durchgezogenen Kurve 31 der Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter 5 bei einer ersten, höheren Rußbeladung des Partikelfilters 5 dargestellt, wobei mit einer zweiten, strichlierten Kurve 33 der Stickoxidumsatz an dem Partikelfilter 5 bei einer zweiten, niedrigeren Rußbeladung gegen die Temperatur des Abgases vor dem Partikelfilter 5 aufgetragen ist. Ebenfalls ist in 2 angedeutet, dass ein Temperaturbereich zwischen einer Mindesttemperatur T_min und einer Maximaltemperatur T_max existiert, in dem das Verfahren mit besonders hoher Empfindlichkeit angewendet werden kann, weil Kurven, welche den Stickoxidumsatz U(NO_x) in Abhängigkeit von der Temperatur T für verschiedene Rußbeladungen des Partikelfilters 5 beschreiben, vergleichsweise große Abstände voneinander aufweisen. Insbesondere ergeben sich in diesem Temperaturbereich auch keine Kurvenkreuzungen, sodass eine eindeutige Zuordnung des Stickoxidumsatzes U(NO_x) zu der Rußbeladung möglich ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn – wie dies bevorzugt durchgeführt wird – der momentane Stickoxidumsatz mit einem Referenzwert für den unbeladenen Partikelfilter 5 und insoweit mit einer Basislinie oder Basiskurve verglichen wird.
3 zeigt schematisch und diagrammatisch die Abhängigkeit des Stickoxidumsatzes U(NO_x) – aufgetragen gegen die Temperatur T des Abgases stromaufwärts des Partikelfilters 5 – von einem Verhältnis einer Stickstoffdioxidkonzentration zu einer Gesamtstickoxidkonzentration im Abgas. Dabei ist in das Diagramm von 3 ein erstes Kurvenpaar 35 eingezeichnet, welches Stickoxidumsätze bei einem ersten, höheren Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid im Abgas darstellt. Dabei zeigt eine erste Kurve 37, die durchgezogen dargestellt ist, die Temperaturabhängigkeit des Stickoxidumsatzes für eine erste, höhere Rußbeladung des Partikelfilters 5, wobei eine zweite, strichpunktierte Kurve 39 diesen Verlauf für eine zweite, niedrigere Rußbeladung des Partikelfilters 5 zeigt. Ein zweites Kurvenpaar 39 ist entsprechend für ein zweites, niedrigeres Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid im Abgas dargestellt. Dieses zweite Kurvenpaar 39 weist eine dritte, strichliert dargestellte Kurve 41 auf, welche den Stickoxidumsatz in Abhängigkeit von der Temperatur für die erste, größere Rußbeladung des Partikelfilters 5 darstellt, wobei das zweite Kurvenpaar 39 eine vierte, punktiert dargestellte Kurve 43 aufweist, welche den Stickoxidumsatz in Abhängigkeit von der Temperatur für die zweite, geringere Rußbeladung des Partikelfilters 5 darstellt. Dabei liegen den Kurvenpaaren 35, 39 die identischen ersten und zweiten Rußbeladungen zugrunde. Aus 3 wird somit unmittelbar klar, dass eine deutlichere Separation des Stickoxidumsatzes in Abhängigkeit von der Rußbeladung des Partikelfilters 5 dann existiert, wenn das Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid höher ist. Das Verfahren ist mit besonders hoher Genauigkeit bei einem vergleichsweise hohen Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid durchführbar, insbesondere wenn ein vorbestimmter Minimalwert für das Verhältnis überschritten wird. Dieser beträgt zwischen mindestens 10% bis höchstens 50%, vorzugsweise zwischen mindestens 20% bis höchstens 40% und besonders bevorzugt zwischen mindestens 30% bis höchstens 50%.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens nach Art eines Ablaufdiagramms. Im Rahmen des Verfahrens wird der momentane Stickoxidumsatz 45 an dem Partikelfilter 5 vorzugsweise mithilfe der Stickoxidsensoren 11, 13 bestimmt. Aus einem Kennfeld 47 wird als Referenzwert der beladungsfreie Stickoxidumsatz 49, welchen der Partikelfilter 5 aufweist, wenn er nicht mit Ruß beladen, also entweder neu oder vollständig regeneriert ist, aufweist. Das Kennfeld 47 ist dabei aufgespannt über einem Alterungsfaktor 51 für den Partikelfilter 5, dem Verhältnis 53 der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxidkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters 5 im Abgas, der Temperatur 55 stromaufwärts des Partikelfilters 5 im Abgas, einem Abgasmassenstrom 57 über den Partikelfilter 5, und einer Reduktionsmittel-Beladung 59, insbesondere einer Ammoniak-Beladung des Partikelfilters 5.
Entsprechend wird der beladungsfreie Stickoxidumsatz 49 in Abhängigkeit von den links des Kennfelds 47 dargestellten Parametern ausgelesen. Dabei sind vorzugsweise der Alterungsfaktor 51 und das Verhältnis 53 der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxidkonzentration dimensionslos. Die Temperatur 55 wird bevorzugt in °C angegeben, der Abgasmassenstrom 57 vorzugsweise in kg/h, und die Reduktionsmittel-Beladung 59 bevorzugt in g.
Der Alterungsfaktor 51 wird vorzugsweise in Abhängigkeit der Faktoren Temperatur und Zeit bestimmt, insbesondere als Temperatur-Zeit-Integral.
Das Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Gesamtstickoxid im Abgas wird vorzugsweise anhand der Temperatur des Abgases stromaufwärts des Oxidationskatalysators 15 oder der Temperatur stromaufwärts des Partikelfilters 5, dem Abgasmassenstrom über dem Oxidationskatalysator, und dem Alterungszustand des Oxidationskatalysators 15 – ebenfalls aus einem hier nicht dargestellten Kennfeld – ermittelt. Die Reduktionsmittel-Beladung 59 resultiert vorzugsweise aus einer Modellrechnung.
In einem Differenzglied 61 wird nun vorzugsweise eine Differenz 62 zwischen dem momentanen Stickoxidumsatz 45 und dem beladungsfreien Stickoxidumsatz 49 gebildet. Diese Differenz 62 geht in ein Ermittlungsglied 63 ein, in welches außerdem bevorzugt das Verhältnis 53 der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxidkonzentration eingeht. Aus diesem Verhältnis 53 und der in dem Differenzglied 61 ermittelten Differenz 62 wird nun durch das Ermittlungsglied 63 die momentane Rußbeladung 65 des Partikelfilters 5 berechnet. Diese stellt insbesondere in dem für das Verfahren optimalen Temperaturbereich sowie bei einem den vorbestimmten Mindestwert überschreitenden Verhältnis 53 einen sehr genauen Wert für die Rußbeladung des Partikelfilters 5 dar. Dabei ist es insbesondere möglich, diesen Wert zur Korrektur anderer Ermittlungsmethoden, insbesondere eines Rußbeladungsmodells und/oder eines Differenzdruckmodells, heranzuziehen.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens insbesondere eine vorzeitige Regeneration des Partikelfilters 5 vermieden werden kann. Dadurch wird das Regenerationsintervall des Partikelfilters 5 verlängert, was eine Einsparung von Kraftstoff und eine verringerte thermische Belastung der katalytischen Beschichtung des Abgasnachbehandlungssystems zur Folge hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2749745 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Rußbeladung (65) eines mit einer selektiv katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters (5), mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stickoxidumsatzes (45) an dem Partikelfilter (5) und Ermitteln einer Rußbeladung (65) des Partikelfilters (5) aus dem bestimmten Stickoxidumsatz (45).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbeladung (65) ermittelt wird, wenn eine Abgastemperatur (55) in einem Abgasstrang (3) stromaufwärts des Partikelfilters (5) größer oder gleich einer vorbestimmten Mindesttemperatur (T_min) und kleiner oder gleich einer vorbestimmten Maximaltemperatur (T_max) ist, wobei vorzugsweise die Mindesttemperatur (T_min) von mindestens 175°C bis höchstens 210°C und/oder die Maximaltemperatur (T_max) von mindestens 240°C bis höchstens 280°C beträgt, oder wobei die Abgastemperatur (55) stromaufwärts des Partikelfilters (5) vorzugsweise von mindestens 150°C bis höchstens 300°C, vorzugsweise von mindestens 175°C bis höchstens 280°C, vorzugsweise von mindestens 175°C bis 240°C, vorzugsweise von mindestens 210°C bis höchstens 280°C, vorzugsweise von mindestens 210°C bis höchstens 240°C, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Rußbeladung (65) aus dem bestimmten Stickoxidumsatz (45) ein Verhältnis (53) einer Stickstoffdioxidkonzentration zu einer Gesamtstickstoffkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters (5) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbeladung (65) ermittelt wird, wenn das Verhältnis (53) der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxidkonzentration im Abgas stromaufwärts des Partikelfilters (5) größer ist als ein vorbestimmter Mindestwert, wobei vorzugsweise der Mindestwert von mindestens 10% bis höchstens 50%, vorzugsweise von mindestens 20% bis höchstens 40% beziehungsweise von mindestens 30% bis höchstens 50% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidumsatz (45) an dem Partikelfilter (5) mittels stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters angeordneten Stickoxidsensoren (11, 13) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (53) der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxidkonzentration anhand der Abgastemperatur (55) stromaufwärts des Partikelfilters (5) oder einer Abgastemperatur stromaufwärts eines Oxidationskatalysators (15), einem Abgasmassenstrom (57) über dem Oxidationskatalysator (15), und/oder einem Alterungszustand des Oxidationskatalysators (15) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbeladung (65) durch Vergleichen des bestimmten Stickoxidumsatzes (45) mit einem vorbestimmten Stickoxidumsatz (49) des unbeladenen Partikelfilters (5) verglichen wird, wobei der vorbestimmte Stickoxidumsatz (49) des Partikelfilters (5) vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom (57) über dem Partikelfilter, der Abgastemperatur (55) stromaufwärts des Partikelfilters (5), dem Verhältnis (53) der Stickstoffdioxidkonzentration zu der Gesamtstickoxidkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters (5), einer Reduktionsmittelbeladung des Partikelfilters (5), einem Alterungszustand des Partikelfilters (5), und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine (1), welche den Partikelfilter (5) aufweist, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbeladung (65) des Partikelfilters (5) zusätzlich mittels eines Beladungsmodells und anhand eines über dem Partikelfilter (5) abfallenden Differenzdrucks bestimmt wird, wobei bevorzugt eine Regeneration durchgeführt wird, wenn eine dieser Ermittlungsmethoden eine Rußbeladung als Ergebnis zurückgibt, die einen vorbestimmten Maximalwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbeladung anhand des Stickoxidumsatzes (45) bestimmt wird, wenn ein anhand des Beladungsmodells bestimmter, erster Beladungswert und ein anhand des Differenzdrucks bestimmter, zweiter Beladungswert eine Differenz aufweisen, die einen vorbestimmten Differenzgrenzwert erreicht oder überschreitet, wobei die anhand des Stickoxidumsatzes (45) bestimmte Rußbeladung vorzugsweise zur Korrektur des ersten und/oder des zweiten Beladungswerts und/oder zur Korrektur wenigstens einer der diesen Beladungswerten zugrunde liegenden Ermittlungsmethoden, nämlich dem Beladungsmodell und/oder dem Differenzdruckmodell, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Ansteuerung einer Abgasrückführeinrichtung (25) und/oder mittels aktivem Heizen eines Oxidationskatalysators (15) gezielt Bedingungen eingestellt werden, unter denen die Rußbeladung (65) des Partikelfilters (5) aus dem Stickoxidumsatz (45) ermittelbar ist.