Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems eines Dieselmotors sowie Abgassystem eines Dieselmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems eines Dieselmotors, in dem ein Sensorelement angeordnet ist, mit welchem eine Rußbelastung im Abgasstrom festgestellt wird, in deren Abhängigkeit eine Regeneration eines Partikelfilters durchgeführt wird sowie ein Abgassystem eines Dieselmotors mit einem Abgasstrang, in dem ein Partikelfilter angeordnet ist, einem Abgasrückführkanai, der vom Abgasstrang abzweigt, einem Abgaskühler, der im Abgasrückführkanai angeordnet ist, einem Abgasmassenstromsensor, einem Abgasrückführventil, welches im Abgasrückführkanai angeordnet ist und einer Steuereinheit, welche mit dem Abgasmassenstromsensor sowie Mitteln zur Einleitung der Regenerationsphase des Partikelfilters verbunden ist. Dieselmotoren mit Partikelfiltern sind bekannt. In regelmäßigen Abständen oder in Abhängigkeit eines gemessenen Druckverlustes über den Partikelfilter werden Regenerationsphasen eingeleitet, in denen bei einer Temperatur von über 500°C der Ruß im Filter abgebrannt wird. Hierzu wird beispielsweise zusätzlich Kraftstoff in den Abgasstrang eingespritzt, so dass eine die Temperatur erhöhende Nachverbrennung stattfindet.

Diese Nacheinspritzungen erhöhen jedoch den Kraftstoffverbrauch deutlich. Da die Intervalle, in denen eine Regeneration notwendig ist jedoch insbesondere bei Fahrzeugen, die hauptsächlich im Stadtverkehr gefahren werden recht kurz sind, ist es wichtig die Regenerationsphase nicht rein zeitabhängig sondern in Abhängigkeit von der tatsächlichen Rußbeiastung des Partikelfilters durchzuführen.

Zu diesem Zweck ist es bekannt vor und hinter dem Partikelfilter jeweils einen Drucksensor anzuordnen, so dass bei Überschreiten eines Druckdifferenzgrenzwertes die Regenerationsphase durchgeführt wird. Ein derartig aufgebautes Abgassystem ist beispielsweise aus der DE 103 26 784 AI bekannt. Über diese Druckdifferenz wird in einer Ablagerungsberechnungseinheit über verschiedene Algorithmen auf eine Schwebstoffablagerungsmenge geschlossen und hierüber der Zeitpunkt der Regenerationsphase festgelegt.

Alternativ ist es aus der DE 10 2009 007 126 AI bekannt zur Messung der Rußbeladung hinter dem Partikelfilter ein Partikelsensorelement vorzusehen, mit welchem die Rußbeladung des Abgases hinter dem Filter gemessen wird, woraus auf die Funktionsfähigkeit des Partikelfilters geschlossen wird.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2005 061 548 B4 ein Abgasmassenstromsensor bekannt, der in Abhängigkeit seiner Aufheizzeit von einem Normalbetriebsmodus in einen Reinigungsmodus umgeschaltet werden kann, um seine Oberfläche durch Erhöhen der Temperatur von Ablagerungen frei zu brennen. All diese verschiedenen Abgassysteme weisen den Nachteil auf, dass die verwendeten Bauteile, seien es Abgassensoren oder Drucksensoren, keine zusätzliche Funktion erfüllen und entsprechend Kosten ohne zusätzlichen Nutzen verursachen. Daher werden häufig sehr kostengünstige Sensoren verwendet, die jedoch häufig nicht ausreichend robust aufgebaut sind, um eine ausreichend lange Lebensdauer sicher zu stellen. Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgassystem eines Dieselmotors sowie ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Abgassystems zur Verfügung zu stellen, mit denen eine Regenerationsphase für einen Partikelfilter festgelegt werden kann, ohne zusätzliche Bauteile 5 verwenden zu müssen und dennoch sicher zu stellen, dass eine Regeneration nur durchgeführt wird, wenn eine zu hohe Belastung des Partikelfilters mit Ruß tatsächlich besteht, so dass keine unnötige Verbrauchserhöhung erfolgt. o Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Abgassystem eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Dadurch, dass als Sensorelement ein Abgasmassenstromsensor eingesetzt wird, der bei zu hoher Rußbelastung in einen Reinigungsmodus geschaltet wird, wobei aus der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors auf eine Rußbelastung des Partikelfilters geschlossen wird, worüber der Zeitpunkt zum Durchführen der Regeneration des Partikelfilters festgelegt wird, muss kein zusätzlicher Sensor verwendet werden, um die Regenerationsphase festzulegen. Über den Abgasmassenstromsensor wird je nach Einbauort entweder eine abgeführte oder eine zum Saugrohr zurückgeführte Abgasmenge gemessen, die beispielsweise zur Motorsteuerung oder Regelung des Abgasrückführventils oder der Abgasklappe verwendet wird. Da unabhängig vom Einbauort des Abgasmassenstromsensors dieser immer mit Abgas beaufschlagt wird, dessen Rußanteil pro Masseneinheit im Wesentlichen dem Rußanteil entspricht, mit dem der Partikelfilter beaufschlagt wird, kann aus der Rußbeladung des Abgasmassenstromsensors auf die Rußbeladung des Partikelfilters geschlossen werden. Auch wäre es denkbar, aus einer Änderung der Rußbeladung an einem hinter dem Partikelfilter angeordneten Abgasmassenstromsensor auf die Beladung des Partikelfilters zu schließen.

Diese Vorteile sind mit einem Abgassystem nutzbar, bei dem in der 5 Steuereinheit ein Kennfeld hinterlegt ist, über welches eine Rußbelastung des Partikeffilters in Abhängigkeit der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors und des Abgasmassenstroms bestimmbar ist. Dies bedeutet, dass über ein Kennfeld die Rußbelastung des Partikelfilters aus der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors und dem D Abgasmassenstrom ermittelt wird und aus diesem Ergebnis gegebenenfalls ein Start der Regenerationsphase des Partikelfilters folgt.

Vorzugsweise ist in der Steuereinheit zusätzlich ein Kennfeld hinterlegt, über welches eine Rußbelastung des Abgaskühlers in Abhängigkeit der i Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors und des Abgasmassenstroms bestimmbar ist, so dass über das Kennfeld die Rußbelastung eines Abgaskühlers aus der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors und dem Abgasmassenstrom ermittelt wird. Auf diese Weise kann ein optimaler Zeitpunkt zum Freibrennen des Abgaskühlers bestimmt werden. Dies kann gegebenenfalls gleichzeitig mit der Regeneration des Partikelfilters erfolgen. Dabei kann der Zeitpunkt festgelegt werden, ohne zusätzliche Sensoren anbringen zu müssen, so dass der Bauteileaufwand zur Regeneration des Partikelfilters und zum Freibrennen des Abgaskühlers minimiert wird.

Vorzugsweise arbeitet der Abgasmassenstromsensor nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie. Dies bedeutet, dass der Sensor Heizwiderstände aufweist, die erhitzt werden, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieser Heizwiderstände auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung des Heizwiderstandes oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizwiderstandstemperatur sind ein Maß für den vorhandenen Massenstrom, Diese Sensoren arbeiten sehr zuverlässig. Es sind lediglich Ablagerungen an den Oberflächen zu vermeiden, so dass beim Einsatz im Abgassystem üblicherweise zusätzliche Heizdrähte zum Abbrennen der Ablagerungen vorgesehen werden. Dies erfolgt ebenfalls aufgrund festzulegender Parameter, welche als Maß für die Schichtdicke und somit für den Rußgehalt im Abgas dienen.

Insbesondere wird aus der Aufheizzeit auf die Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors geschlossen. Eine größere Rußbelastung hat eine Erhöhung der Aufheizzeit zur Folge, so dass bei ständiger Messung der Aufheizzeit auf die jeweilige Schichtdicke und über die jeweiligen Schichtdickenänderungen auf die Rußbeladung des Abgases geschlossen werden kann. Entsprechend kann diese Aufheizzeit bei entsprechend hinterlegtem Kennfeid als Maß für die Beladung des Partikelfilters dienen.

Besonders vorteilhaft ist es, vor dem Partikelfilter die Temperatur des Abgases zu messen, welche zusätzlich bei der Bestimmung der Rußbelastung des Partikelfilters berücksichtigt wird. Dementsprechend ist vorzugsweise vor dem Partikelfilter ein Temperatursensor angeordnet, der mit der Steuereinheit verbunden ist. Hierdurch kann berücksichtigt werden, ob beim normalen Motorbetrieb gegebenenfalls Temperaturen erreicht werden, die bereits eine Regeneration des Partikelfilters oder des Abgaskühlers zur Folge haben. Des Weiteren neigt der Partikelfilter bei geringeren Temperaturen schneller dazu zuzuwachsen, so dass auch die Temperatur im Kennfeld hinterlegt werden kann beziehungsweise in einen entsprechenden das Kennfeld wiedergebenden Algorithmus berücksichtigt werden kann.

In einer weiterführenden Ausführungsform ist der Abgasmassenstromsensor stromabwärts des Abgaskühlers im Abgasrückführkanal angeordnet. Dies vermindert die thermische Belastung des Abgasmassenstromsensors und erhöht die

Messgenauigkeit des Sensors.

Vorzugsweise ist die Steuereinheit mit einem Einspritzventil verbunden, über welches Kraftstoff zur Regeneration des Partikelfilters in den Abgasstrang einspritzbar ist. Dies ermöglicht die direkte Ansteuerung des Einspritzventils zur zeitgenauen und schnellen Regeneration des Partikelfilters. Es wird somit ein Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems sowie ein Abgassystem für einen Dieselmotor geschaffen, bei denen der Partikelfilter zu einem optimalen Zeitpunkt, das heißt nur bei tatsächlich vorliegender zu hoher Partikelbelastung regeneriert wird, ohne zusätzliche Sensoren verwenden zu müssen . So werden Kosten reduziert. Dabei kann die ohnehin vorhandene Rußmessung am Abgasmassenstromsensor genutzt werden, wenn entsprechende Kennfelder in der Motorsteuerung hinterlegt werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in der Figur dargestellt und wird ebenso wie das zugehörige Verfahren im Folgenden beschrieben.

Die Figur zeigt eine Prinzipskizze zweier alternativ oder gemeinsam nutzbarer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Abgassystems.

Das erfindungsgemäße Abgassystem besteht aus einem Motorblock 2, in dem in bekannter Weise eine Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches mit zugeführtem Abgas stattfindet. Vom Motorblock 2 führt ein Abgasstrang 4 zunächst in Form eines Abgaskrümmers zu einem Abgasauslass 6. Stromaufwärtig zum Abgasauslass 6 ist im Abgasstrang 4 eine Abgasklappe 8 angeordnet ist. Stromaufwärts der Abgasklappe 8 und stromabwärts eines Dieselpartikelfilters 9, der ebenfalls im Abgasstrang 4 angeordnet ist, zweigt vom Abgasstrang 4 ein Niederdruckabgasrückführkanal 10 ab.

Dieser Niederdruckabgasrückführkanal 10 befindet sich im 5 Niederdruckbereich des Verbrennungsmotors also stromabwärts einer Abgasturbine 12 eines Abgasturboladers 14. Im Niederdruckabgasrückführkanal 10 sind ein erstes Abgasrückführventil 16 sowie ein erster Abgaskühler 18 angeordnet, mittels derer die Temperatur des Abgases sowie die gewünschte Abgasmenge im o Niederdruckabgasrückführkanal 10 eingestellt werden können. Der Niederdruckabgasrückführkanal 10 mündet stromaufwärts eines Verdichters 20 des Turboladers 14 in einen Ansaugkanal 22 des Verbrennungsmotors, also in einem Bereich niedrigen Druckes vor einer Verdichtung des Abgas-Luftgemisches.

In Strömungsrichtung des Abgases vor dem ersten Abgasrückführventil 16 und vor dem ersten Abgaskühler 18 ist im Niederdruckabgasrückführkanal 10 ein Abgasmassenstromsensor 24 angeordnet, der somit stromabwärtig zum Dieselpartikelfilter 9 angeordnet ist. Dieser dient in bekannter Weise zur Bestimmung des rückgeführten Abgasmassenstromes und ist mit einer Steuereinheit 25 verbunden, welche die Daten des Abgasmassenstromsensors 24 verarbeitet und beispielsweise zur optimierten Einstellung des Abgasrückführventils 16 nutzt. Die Position vor dem Abgaskühler 18 und dem Abgasrückführventil 16 vermindert die Neigung zur Kondensatbildung im Bereich des Abgasmassenstromsensors 24, da vor dem Abgaskühler die höchsten Temperaturen im Niederdruckabgasrückführkanal 10 vorliegen, wobei die Temperatur des Abgases im Vergleich zur Temperatur am Auslass des Motorblocks 2 bereits deutlich geringer ist. Die Anordnung vor dem Abgasrückführventil 16 verhindert, dass Störungen der Strömung durch das Abgasrückführventil 16 Einfluss auf die Messung haben. Der Abgasmassenstromsensor 24 ist ein nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitender Sensor, der beispielsweise einen Heizwiderstand aufweist, der dazu dient, in einem Reinigungsmodus Ablagerungen auf dem Keramikkörper abzubrennen, um so eine einwandfreie Funktion des Abgasmassenstromsensors 24 zu gewährleisten. Dieses Freibrennen erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit der Aufheizdauer der Heizwiderstände des Abgasmassenstromsensors 24. Im vorliegenden Fall ist der Abgasmassenstromsensor 24 stromabwärts zum Partikelfilter 9 angeordnet, so dass von einer relativ geringen Rußbelastung auszugehen ist, die jedoch bei starker Beladung des Partikelfilters 9 aufgrund der sinkenden Aufnahmefähigkeit steigen wird. Entsprechend kann über ein in der Steuereinheit 25 hinteriegtes Kennfeld aus der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors 24, die sich beispielsweise aus der Aufheizzeit beziehungsweise der Aufheizzeitänderung ergibt sowie dem tatsächlichen Abgasmassenstrom auf eine zu hohe Rußbeladung des Partikelfilters 9 geschlossen werden. Wird diese festgestellt, wird eine Regenerationsphase des Partikelfilters 9 eingeleitet, indem zusätzlicher Kraftstoff über das Einspritzventil 27 in den Abgasstrang 4 eingespritzt wird, wodurch eine Nachverbrennung entsteht, durch die die Temperatur so weit erhöht wird, dass der Partikelfilter 9 freigebrannt wird. Selbstverständlich werden über die Steuereinheit 25 auch die weiteren Aggregate zur Durchführung der Regenerationsphase in bekannter Weise angesteuert. Der Abgasmassenstrom kann dabei aus dem rückgeführten Abgasmassenstrom sowie der angesaugten Luftmenge berechnet werden.

Zusätzlich können diese Werte des Abgasmassenstromsensors 24 auch zum Freibrennen des Abgaskühlers 18 beziehungsweise des Abgasrückführventils 16 genutzt werden, wozu entweder ein separates Kennfeld hinterlegt wird, um auf ein notwendiges Abbrennen zu schließen oder jeweils mit der Regeneration des Partikelfilters 9 auch eine Regeneration des Abgaskühlers 18 eingeleitet wird. Bei Hinterlegung eines separaten Kennfeldes wird selbstverständlich direkt der gemessene rückgeführte Abgasmassenstrom mit der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors 24 in Abhängigkeit der Rußbeladung des 5 Abgaskühlers 18 hinterlegt.

Zu weiteren Verbesserung dieser Steuerung wird vor dem Partikelfilter 9 ein Temperatursensor 29 angeordnet, der ebenfalls mit der Steuereinheit verbunden ist und dessen Werte ebenfalls im Kennfeld berücksichtigt o werden können. Insbesondere eignet sich dieser Temperatursensor 29, um festzustellen ob im Betrieb Temperaturen entstehen, die gegebenenfalls eine Regeneration unnötig machen.

Alternativ kann diese Regeneration auch in Abhängigkeit der Messewerte eines zweiten Abgasmassenstromsensors 34 erfolgen, der in einem Hochdruckabgasrückführkanal 28 angeordnet ist und somit stromaufwärtig zum Partikelfilter 9 angeordnet ist.

Der Ansaugkanal 22 führt von der Mündung des Niederdruckabgasrückführkanals 10 über den Verdichter 20 des Turboladers 14 zu einem Ladeluftkühler 26, in dem das verdichtete Luft- Abgasgemisch zur Verbesserung der Verbrennung abgekühlt wird. Von hier aus führt der Ansaugkanal 22 zum Motorblock 2, wobei in diesem Strömungsweg eine Abzweigung angeordnet ist, an der der Hochdruckabgasrückführkanal 28 in den Ansaugkanal 22 mündet.

Dieser Hochdruckabgasrückführkanal 28 zweigt vom Abgaskanal 4 stromaufwärts der Turbine 12 des Turboladers 14 ab. In diesem Hochdruckabgasrückführkanal 28 ist ein zweites Abgasrückführventil 30 zur Regelung des Abgasmassenstroms und ein zweiter Abgaskühler 32 zur Regelung der Temperatur des Abgases angeordnet. Der Abgasmassenstromsensor 34, der ebenfalls nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet, ist stromabwärts des Abgaskühlers 32 angeordnet. Hier liegt eine nicht mehr so hohe Abgastemperatur wie am Eintritt des Hochdruckabgasrückführkanals 28 vor. Dies ermöglicht eine genauere Messung, da diese Sensoren nicht für die extrem hohen Abgastemperaturen ausgelegt und kalibriert sind. So können für beide Abgasrückführkanäle 10, 28 gleiche Sensoren 24, 34 verwendet werden. Über diesen Abgasmassenstromsensor 34 kann ebenfalls auf direkte und exakte Weise der Abgasmassenstrom im Hochdruckabgasrückführkanal 28 als auch die Rußbeladung des Abgasmassenstroms beispielsweise über die Aufheizzeit gemessen und der Steuereinheit 25 zur Regelung dieser zweiten Abgasmenge und zum Rückschluss auf die Rußbelastung des Partikelfilters 9 zur Verfügung gestellt werden. Im Gegensatz zur ersten Ausführung zur Anordnung des Abgasmassenstromsensors wird im vorliegenden Fall der Abgasmassenstromsensor 34 mit der gleichen Rußbeladung pro Volumeneinheit des Abgases beaufschlagt wie der Partikelfilter 9. Entsprechend kann auch aus der Rußbelastung dieses Abgasmassenstromsensors 34 auf eine Rußbelastung des Partikelfilters 9 geschlossen werden und damit ein Zeitpunkt zum Durchführen der Regeneration des Partikelfilters 9 festgelegt werden. Dies kann wiederum über ein Kennfeld in der Steuereinheit 25 erfolgen, in der die Rußbeladung des Partikelfilters 9 über der Rußbeladung des Abgasmassenstromsensors 34 in Abhängigkeit des Abgasmassenstromes ermittelt wird. Dabei kann wiederum aus dem angesaugten Luftmassenstrom und dem rückgeführten Abgasmassenstrom auf den abgeführten Abgasmassenstrom geschlossen werden.

Im Übrigen läuft das Verfahren in gleicher Weise ab ,wie bereits zur Ausführung im Niederdruckbereich beschrieben, so dass auch hier beispielsweise der Abgaskühler falls notwendig regeneriert werden kann, was hier aufgrund der hohen Temperaturen seltener notwendig sein wird. Es wird somit ohne zusätzliche anzubringende Mess mittel möglich, die Rußbeladung des Partikelfilters zu ermitteln und somit zum optimalen Zeitpunkt eine Regenerationsphase einzuleiten. Durch das Einsparen weiterer Messmittel entstehen im Vergleich zu bekannten Ausführungen geringere Kosten. Im Vergleich zu Ausführungen, bei denen die Regeneration in festgelegten Intervallen stattfindet, wird Kraftstoff eingespart.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Sowohl Abgassystem mit einem reinen Niederdruck oder einem reinen Hochdruckkanal aber auch Systeme mit beiden Abgasrückführkanälen eignen sich für das beschriebene Verfahren. Auch können unterschiedlich arbeitende Abgasmassenstromsensoren eingesetzt werden. Das Kennfeld oder die Kennfelder können entweder in einer separaten Steuereinheit oder im Motorsteuergerät hinterlegt werden. Gegebenenfalls kann statt eines Kennfeldes auch ein entsprechender Algorithmus hinterlegt werden, um die Abhängigkeit der Werte wiederzugeben. Die Kennfelder sind für die Motoren jeweils vorab durch Versuche zu ermitteln.