DE102010056454A1

DE102010056454A1 - Verfahren und System zum Steuern eines Motors während eines Aufheizens bei Regeneration eines Dieselpartikelfilters

Info

Publication number: DE102010056454A1
Application number: DE102010056454A
Authority: DE
Inventors: Julian C. Mich. Tan; John Ill. Zeilstra; Christoph 49451 Thöle; Gustavo Mich. Tepedino
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102116189A; DE102010056454B4; CN102116189B; US20110162629A1; US8215294B2

Abstract

Ein Verfahren und Steuersystem zur Steuerung eines Motors während einer Dieselpartikelfilterregeneration umfasst ein Regenerationsanforderungsmodul für den Dieselpartikelfilter (DPF), das ein DPF-Regenerationsanforderungssignal erzeugt. Das Steuersystem umfasst auch ein DPF-Regenerationssteuermodul, das das Sauerstoffniveau in dem Abgas auf Grundlage eines Sauerstoffniveausignals, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas entspricht, und eines DPF-Einlasstemperatursignals, das der DPF-Einlasstemperatur entspricht, steuert.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Fahrzeugabgassysteme und insbesondere das Steuern des Aufheizens eines Dieselpartikelfilters (DPF) während der Regeneration.
HINTERGRUND
Die hier vorgesehene Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Kontextes der Offenbarung. Arbeit der derzeit bezeichneten Erfinder in dem Maße, in dem sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, wie auch Aspekte der Beschreibung, die sich zum Zeitpunkt der Einreichung nicht anderweitig als Stand der Technik qualifizieren können, sind weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zulässig.
Ein Dieselmotorbetrieb steht mit einer Verbrennung in Verbindung, die Abgas erzeugt. Während der Verbrennung wird ein Luft/Kraftstoff-Gemisch durch ein Ansaugventil an Zylinder geliefert und darin verbrannt. Nach der Verbrennung treibt der Kolben das Abgas in den Zylindern in ein Abgassystem. Das Abgas kann Emissionen enthalten, wie Stickoxide (NO_x) und Kohlenmonoxid (CO).
Es wird zunehmend mehr Abgasausstattungstechnologie hinzugefügt, um Emissionen an Dieselanwendungen einzuhalten. Eine Nachbehandlung von Abgasen umfasst die Installation mehrerer Bricks, Mischer und Injektoren für den Abgasstrom. Ein Dieselpartikelfilter wird periodisch regeneriert, um die Menge an Ruß darin zu reduzieren. Die Geschwindigkeit, mit der eine Abgastemperatur des Dieselpartikelfiltereinlasses zunimmt, kann einen DPF-Beendigungsausfall (von engl.: ”DPF ring-off failure”) erzeugen, wenn die Einlassabgastemperatur zu schnell zunimmt. Wenn die Einlassabgastemperatur zu langsam steigt, ist die Dauer der Regeneration des Dieselpartikelfilters erhöht, was die Kraftstoffwirtschaftlichkeit reduzieren kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Demgemäß sieht die vorliegende Offenbarung ein System und Verfahren zur Steuerung der Aufheizrate einer Regeneration eines Dieselpartikelfilters vor, um den Regenerationswirkungsgrad zu verbessern, indem die Menge an Abgassauerstoff gesteuert wird.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein Steuermodul ein Modul zur Anforderung einer Regeneration eines Dieselpartikelfilters (DPF), das ein DPF-Regenerationsanforderungssignal erzeugt. Das Steuersystem umfasst auch ein DPF-Regenerationssteuermodul, das das Sauerstoffniveau in dem Abgas auf Grundlage eines Sauerstoffniveausignals, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas entspricht, und eines DPF-Einlasstemperatursignals, das der DPF-Einlasstemperatur entspricht, steuert.
Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren, dass ein Regenerationszyklus für einen Dieselpartikelfilter (DPF) begonnen wird, ein Regenerationszyklus für einen Dieselpartikelfilter (DPF) begonnen wird, ein Sauerstoffniveausignal, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas entspricht, erzeugt wird, ein DPF-Einlasstemperatursignal, das der DPF-Einlasstemperatur entspricht, erzeugt wird, und das Sauerstoffniveau in dem Abgas auf Grundlage des Sauerstoffniveausignals und der Einlasstemperatur gesteuert wird.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Funktionsblockschaubild eines Motorsystems ist, das ein Abgasbehandlungssystem mit in einem Katalysator integrierten Temperatursensoren gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist;
2 ein Funktionsblockschaubild des Controllers von 1 ist;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung des Systems ist; und
4 eine Aufzeichnung des Temperatureingangs zu dem Dieselpartikelfilter in Abhängigkeit der Zeit für ein gesteuertes Aufheizen gegenüber einem ungesteuerten Aufheizen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Zu Zwecken der Klarheit sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet. Der hier verwendete Begriff ”zumindest eines aus A, B und C” sei so zu verstehen, dass ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder gemeint ist. Es sei zu verstehen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
Der hier verwendete Begriff ”Modul” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Während die folgende Offenbarung für Dieselmotoren dargestellt ist, können auch andere Typen von Motoren, wie Benzinmotoren, einschließlich Direkteinspritzmotoren, einen Nutzen aus den Lehren hier ziehen.
Nun ist Bezug nehmend auf 1 ein Dieselmotorsystem 10 schematisch gezeigt. Das Dieselmotorsystem 10 umfasst einen Dieselmotor 12 und ein Abgasbehandlungssystem 13. Das Abgasbehandlungssystem 13 umfasst ferner ein Abgassystem 14 und ein Dosiersystem 16. Der Dieselmotor 12 weist einen Zylinder 18, einen Ansaugkrümmer 20, einen Luftmassenstrom-(MAF von engl.: ”mass air flow”)-Sensor 22 und einen Motordrehzahlsensor 24 auf. Luft strömt in den Motor 12 durch den Ansaugkrümmer 20 und wird durch den MAF-Sensor 22 überwacht. Die Luft wird in den Zylinder 18 geführt und mit Kraftstoff verbrannt, um Kolben (nicht gezeigt) anzutreiben. Obwohl ein einzelner Zylinder 18 gezeigt ist, sei angemerkt, dass der Dieselmotor 12 zusätzliche Zylinder 18 aufweisen kann. Beispielsweise sind Dieselmotoren mit 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 und 16 Zylindern vorstellbar.
Abgas wird innerhalb des Zylinders 18 infolge des Verbrennungsprozesses erzeugt. Das Abgassystem 14 behandelt das Abgas vor Freisetzung des Abgases an die Atmosphäre. Das Abgassystem 14 weist einen Abgaskrümmer 26 und einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 28 auf. Der Abgaskrümmer 26 lenkt den Zylinder verlassendes Abgas in Richtung des DOC 28. Das Abgas wird in dem DOC 28 behandelt, um die Emissionen zu reduzieren. Das Abgassystem 14 umfasst ferner einen Katalysator 30, bevorzugt einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), einen Temperatursensor 31, einen Einlasstemperatursensor 32, einen Auslasstemperatursensor 34 und einen katalysierten Dieselpartikelfilter (CDPF) 36. Der DOC 28 reagiert mit dem Abgas vor Behandlung des Abgases, um Emissionsniveaus des Abgases zu reduzieren. Der Katalysator 30 reagiert anschließend zur Behandlung des Abgases, um Emissionen weiter zu reduzieren.
Der Temperatursensor 31 kann zwischen dem Motor und dem DOC 28 positioniert sein. Der Einlasstemperatursensor 32 ist vor dem Katalysator 30 angeordnet, um die Temperaturänderung an dem Einlass des Katalysators 30 zu überwachen, wie nachfolgend weiter diskutiert ist. Der Auslasstemperatursensor 34 ist nach dem Katalysator angeordnet, um die Temperaturänderung an dem Auslass des Katalysators 30 zu überwachen, wie nachfolgend weiter diskutiert ist. Obwohl das Abgasbehandlungssystem 13 so gezeigt ist, dass der Einlass- und Auslasstemperatursensor 32, 34 außerhalb des Katalysators 30 enthalten sind, können der Einlass- und Auslasstemperatursensor 32, 34 innerhalb des Katalysators angeordnet sein, um die Temperaturänderung des Abgases an dem Einlass und Auslass des Katalysators zu überwachen. Der CDPF 36 reduziert Emissionen weiter durch Abfangen von Dieselpartikeln (d. h. Ruß) in dem Abgas.
Das Dosiersystem 16 umfasst eine Injektionsfluidversorgung 38, die zur Injektion von Harnstoff von einem Tank verwendet werden kann, und einen Dosierinjektor 40. Das Dosiersystem 16 injiziert Injektionsfluid, wie Harnstoff, in das Abgas. Der Harnstoff mischt sich mit dem Abgas und reduziert die Emissionen weiter, wenn das Abgas/Harnstoff-Gemisch dem Katalysator 30 ausgesetzt ist. Ein Mischer 41 wird dazu verwendet, das Injektionsfluid, wie Harnstoff, mit den Abgasen zu mischen, bevor die Abgase in den Katalysator eintreten.
Ein Steuermodul 42 regelt und steuert den Betrieb des Motorsystems 10 und überwacht den Betrieb des Dosiersystems 16.
Ein Abgasdurchflusssensor 44 kann ein Signal erzeugen, das der Abgasströmung in dem Abgassystem entspricht. Obwohl der Sensor zwischen dem Katalysator 30 und dem CDPF 36 gezeigt ist, können verschiedene Stellen in dem Abgassystem zur Messung verwendet werden, einschließlich nach dem Abgaskrümmer und vor dem Katalysator 30.
Ein Temperatursensor 46 erzeugt ein Partikelfiltertemperatursensorsignal, das einer gemessenen Partikelfiltertemperatur entspricht. Der Temperatursensor 46 kann an oder in dem Dieselpartikelfilter 36 angeordnet sein. Der Temperatursensor 46 kann auch kurz nach oder kurz vor dem Dieselpartikelfilter relativ zu dem Abgasstrom angeordnet sein. Der Temperatursensor 46 kommuniziert ein Signal der gemessenen Partikelfiltertemperatur an das Steuermodul 42.
Andere Sensoren in dem Abgassystem können einen Sauerstoffsensor 50 aufweisen, der ein Sauerstoffniveausignal erzeugt, das dem Niveau an Sauerstoff in den Abgasen in dem Abgassystem entspricht. Der Sauerstoffsensor kann ein Lambda-Sensor oder ein anderer Typ von Sensor sein, der ein Signal erzeugt, das dem Niveau an Sauerstoff in den Abgasen entspricht. Ein NOx-Aus-Sensor 52 (der Sensor 52 sollte zwischen 34 und 44 angeordnet sein) kann stromabwärts, wie nach dem SCR 30, zur Erzeugung eines Signals positioniert sein, das den den SCR verlassenden Stickoxiden entspricht. Zusätzlich erzeugt ein Ammoniak-(NH₃)-Sensor 54 ein Signal, das der Menge an Ammoniak in dem Abgasstrom entspricht.
Das Steuermodul 42 kann dazu verwendet werden, eine elektronische Drossel 60 und ein Abgasrückführungs-(AGR)-Ventil 62 zu steuern, das Abgase in den Ansaugkrümmer 20 rezirkuliert. Die elektronische Drossel 60 und das AGR-Ventil 62 können gesteuert werden, um das Sauerstoffniveau in den Abgasen zu ändern.
Das Steuermodul 42 kann die Abgasbedingungen und eine Regeneration des Dieselpartikelfilters steuern. Weitere Einzelheiten des Steuermoduls 42 und des Abgassteuermoduls 60 sind nachfolgend vorgesehen.
Nun Bezug nehmend auf 2 kann das Steuermodul 42 ein Regenerationssteuermodul 110 für den Dieselpartikelfilter (DPF) aufweisen. Das DPF-Regenerationssteuermodul 110 kann Signale von verschiedenen anderen Modulen aufnehmen. Das DPF-Regenerationssteuermodul 110 kann ein Temperatursignal von einem DPF-Temperaturmodul 112 aufnehmen. Das DPF-Temperaturmodul 112 kann ein Temperatursignal erzeugen, das der Eingangstemperatur des Dieselpartikelfilters entspricht. Das Temperatursignal kann auch auf Grundlage einer Schätzung der Motorbetriebsbedingungen erzeugt werden.
Ein Leerlaufzustandsmodul 114 kann auch in Verbindung mit dem Dieselpartikelfilter-Regenerationssteuermodul 110 stehen. Das Leerlaufzustandsmodul 114 kann ein Signal erzeugen, das dem entspricht, ob sich der Motor in einem Leerlaufzustand befindet. Der Motor kann in einem Leerlaufzustand sein, wenn das Fahrzeug in der Park- oder Neutralstellung ist. Der Motor kann auch in dem Leerlaufzustand sein, wenn das Fahrzeug gestoppt ist. Die hier dargestellten Lehren werden ausgeführt, wenn das Fahrzeug nicht im Leerlauf ist und die DPF-Eingangstemperatur unterhalb einer DPF-Aufheiztemperatur liegt.
Ein Regenerationsanforderungsmodul für den Dieselpartikelfilter (DPF) 116 kann ein DPF-Regenerationsanforderungssignal erzeugen. Das DPF-Regenerationsanforderungssignal kann an das DPF-Regenerationssteuermodul 110 kommuniziert werden. Das DPF-Regenerationssignal kann eine Dieselpartikelfilterregeneration auslösen.
Ein Abgassauerstoffmodul 118 erzeugt ein Abgassauerstoffsignal, das der Menge an Abgassauerstoff in dem Abgassystem entspricht. Das Abgassauerstoffsignal kann von einem Lambdasensor oder einem anderen Typ von Sauerstoffsensor erzeugt werden. Das Abgassauerstoffsignal von dem Abgassauerstoffmodul 118 wird an das Dieselpartikelfilter-Regenerationssteuermodul 110 kommuniziert.
Ein Motordrehzahlmodul 120 erzeugt ein Motordrehzahlsignal, das der Drehzahl des Motors entspricht. Das Motordrehzahlmodul 120 kann ein Signal empfangen, das dem Kurbelwellendrehzahl- oder einem anderen Drehzahlsensor in dem Motor entspricht. Das Motordrehzahlsignal kann auch von verschiedenen anderen Typen von Sensoren erzeugt werden, einschließlich einem Getriebeeingangssensor oder anderen Sensoren innerhalb des Fahrzeugs.
Ein Motorlastmodul 122 kommuniziert ein Motorlastsignal an das DPF-Regenerationssteuermodul 110. Das Motorlastmodul 122 erzeugt ein Signal, das dem Betrag der Last an dem Motor entspricht. Die Motorlast kann durch die Größe des Drehmoments des Motors gemessen werden. Das Motordrehmoment kann durch Sensoren gemessen oder auf Grundlage der Motorbetriebsbedingungen berechnet werden.
Das DPF-Regenerationssteuermodul 110 kann in Kommunikation mit verschiedenen anderen Motorkomponenten stehen, wie dem AGR-Steuermodul 130 und dem Drosselsteuermodul 132. Das Leerlaufzustandsmodul 114 kann Steuersignale erzeugen, um eine vorbestimmte Menge an Motorabgassauerstoff zu erhalten, um ein steuerbares Aufheizen des DPF-Katalysators zuzulassen. Sowohl das AGR-Steuermodul 130 als auch das Drosselsteuermodul 132 können gesteuert werden, um die Menge an Motorabgassauerstoff zu steuern. Selbstverständlich können andere Fahrzeugkomponenten verwendet werden, um den Abgassauerstoff zu steuern.
Nun Bezug nehmend auf 3 ist ein Verfahren zur Steuerung der Regeneration dargestellt. Bei Schritt 210 wird eine Dieselpartikelfilter-Regenerationsanforderung erzeugt. Verschiedene Bedingungen, wie ein Rußaufbau, können eine Regeneration nötig machen. Bei Schritt 212 wird bestimmt, ob der Motor in einem Leerlaufzustand ist. Wenn der Motor in einem Leerlaufzustand ist, betreibt der Schritt 214 den Motor in einer Leerlaufregenerationsstrategie. Bei Schritt 216 endet das Verfahren.
Zurück Bezug nehmend auf Schritt 212 vergleicht, wenn der Motor nicht in einem Leerlaufzustand arbeitet, der Schritt 218 die Dieselpartikelfilter-Eingangstemperatur mit einer Dieselpartikelfilter-Aufheiztemperatur. Wenn die Dieselpartikelfilter-Eingangstemperatur nicht kleiner als die Dieselpartikelfilter-Aufheiztemperatur ist, aktiviert der Schritt 220 einen normalen Regenerationsprozess und setzt einen Sauerstoffsollwert auf Grundlage einer Motordrehzahl und Motorlast. Nach Schritt 220 werden das AGR und die Ansaugdrossel bei Schritt 222 gesteuert, um das festgesetzte Sauerstoffniveau zu erhalten. Nach dem Schritt 222 endet das System bei Schritt 224.
Zurück Bezug nehmend auf Schritt 218 wird, wenn die Dieselpartikelfilter-Eingangstemperatur kleiner als die Dieselpartikelfilter-Aufheiztemperatur ist, Schritt 230 ausgeführt. Bei Schritt 230 wird ein Aufheiz-Sauerstoffsollwert auf Grundlage der Drehzahl und Last des Motors bestimmt. Bei Schritt 232 wird ein Sauerstoffmultiplikator auf Grundlage des bestimmten Sauerstoffniveaus und der Dieselpartikelfilter-Eingangstemperatur bestimmt. Der Multiplikator bei Schritt 232 erlaubt eine schnelle Zunahme der Temperatur auf nahe einer vorbestimmten Temperatur ohne Überschießen bzw. Überschreiten der Temperatur und Beanspruchung des Dieselpartikelfilters.
Nach Schritt 232 werden der Aufheiz-Sauerstoffsollwert und der Sauerstoffmultiplikator bei Block 234 kombiniert. Der Block 234 kann ein Multiplikationsblock oder ein anderer Block sein, der in der Lage ist, die beiden Signale zu kombinieren. Das kombinierte Signal kann die Geschwindigkeit der Aufheizung oder die Steigung des Temperatursignals einstellen.
Bei Schritt 236 wird ein modifizierter Aufheiz-Sauerstoffsollwert auf Grundlage des Sauerstoffmultiplikators und des Aufheiz-Sauerstoffsollwerts bestimmt. Nach Schritt 236 werden das AGR und die Ansaugdrossel bei Schritt 232 gemäß dem modifizierten Aufheiz-Sauerstoffsollwert, der bei Schritt 236 bestimmt ist, gesteuert.
Nun Bezug nehmend auf 4 ist eine Aufzeichnung einer Dieselpartikelfiltertemperatur unter Verwendung zwei verschiedener Lambdas veranschaulicht. Die Dieselpartikelfilter-Eingangstemperatur bei einem Lambda zwischen 1,1 und 1,4 überschreitet die Solltemperatur nach einer vorbestimmten Zeitdauer. Dieses Überschreiten der Temperatur kann den Dieselpartikelfilter beanspruchen und dessen Lebensdauer reduzieren. Die DPF-Eingangstemperatur mit einem Lambda von 1,5 ist ebenfalls gezeigt. Die Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators ist bei etwa 300°C veranschaulicht. Durch Steuerung der Sauerstoffmenge kann die Steigung der Temperatursignale gesteuert werden, um einen Schaden an dem Dieselpartikelfilter zu verhindern.
Durch Steuerung des Abgassauerstoffniveaus wird das Kundenerlebnis verbessert, indem das Verhindern eines zu schnellen Aufheizens des DPF und das Verhindern eines zu langsamen Aufheizens des DPF reduziert werden. Dies kann eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs steigern.
Die breiten Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert sein. Daher sei, während diese Offenbarung bestimmte Beispiele aufweist, der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht so beschränkt, da andere Abwandlungen dem Fachmann nach einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden.

Claims

Steuermodul für einen Motor, umfassend: ein Regenerationsanforderungsmodul für einen Dieselpartikelfilter (DPF), das ein DPF-Regenerationsanforderungssignal erzeugt; und ein DPF-Regenerationssteuermodul, das das Sauerstoffniveau in einem Abgas auf Grundlage eines Sauerstoffniveausignals, das einem Sauerstoffniveau in dem Abgas entspricht, und eines DPF-Einlasstemperatursignals, das der DPF-Einlasstemperatur entspricht, steuert.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das DPF-Regenerationssteuermodul das Sauerstoffniveau in dem Abgas steuert, wenn die Motordrehzahl über einer Leerlaufdrehzahl liegt.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das DPF-Regenerationssteuermodul das Sauerstoffniveau in dem Abgas steuert, wenn die Einlasstemperatur unterhalb einer Aufheiz-DPF-Temperatur liegt.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das DPF-Regenerationssteuermodul ein Sauerstoffniveau auf Grundlage einer Motorlast und -drehzahl steuert, wenn der Motor in einem Leerlaufzustand ist.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoffniveausignal auf einer Motorlast basiert.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoffniveausignal auf einer Motordrehzahl basiert.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoffniveausignal auf einer Motorlast und Motordrehzahl basiert.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei ein Abgasrückführungssteuermodul eine Abgasrückführung steuert, um das Sauerstoffniveau in dem Abgas zu steuern.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei ein Drosselsteuermodul eine Ansaugdrossel steuert, um das Sauerstoffniveau in dem Abgas zu steuern.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei ein Abgasrückführungssteuermodul eine Abgasrückführung steuert, und ein Drosselsteuermodul eine Ansaugdrossel steuert, um das Sauerstoffniveau in dem Abgas zu steuern.