Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustandes eines in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingeschalteten

Partikelfilters sowie Einrichtung zum Reduzieren der

Partikelemission einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustandes eines in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Dieselmotors eingeschalteten Partikelfilters. Ferner betrifft die Erfin- düng eine Einrichtung zum Reduzieren der Partikelemission einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, umfassend einen in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eingeschalteten Partikelfilter sowie eine Einrichtung zum Bestimmen des Beladungszustandes des Partikelfilters.

In den Abgasstrang von Dieselmotoren werden Partikelfilter zum Auffangen von in dem Abgasstrom transportierten Feststoffteilchen, insbesondere Rußpartikeln eingeschaltet. Ein solcher Partikelfilter muss in zeitlichen Intervallen gereinigt werden, damit durch den auf dem Partikelfilter akku- mulierten Ruß der Abgasgegendruck nicht übermäßig ansteigt und dadurch die Leistungsfähigkeit des Dieselmotors beeinträchtigt wird. Zum Befreien der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters von den akkumulierten Rußpartikeln wird entweder aktiv eine Rußoxidation - ein so genannter Rußabbrand - ausgelöst oder dieser tritt bei Vorliegen geeigneter Bedingungen von selbst ein. Letzteres ist der Fall, wenn die den Partikelfilter anströmende Abgastemperatur größer ist als die Rußzündtemperatur und in dem Abgasstrom eine ausreichende Sauerstoffmenge transportiert wird.

Bei Konzeption einer Partikelfilterregeneration durch aktives Auslösen der Rußoxidation soll diese erst dann ausgelöst werden, wenn der Partikelfilter einen bestimmten Beladungszustand aufweist, damit gewährleistet ist, dass aufgrund der Vorhandenseins einer ausreichenden, auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters akkumulierten Rußmenge die ge- wünschte Oxidation auch bestimmungsgemäß abläuft. Wird der Rußoxida- tionsprozess bei einer zu geringen Rußbeladung des Partikelfilters ausgelöst, kann die Rußoxidation unvollständig erfolgen mit dem Ergebnis, dass der Ruß in einigen Bereichen des Partikelfilters nicht oxidiert wird. Infolge dessen erhöht sich der durch die Partikel hervorgerufene Abgasge-

gendruck, was sich nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit und die Leistungsfähigkeit des Dieselmotors auswirkt. Aus diesem Grunde erfolgt im Zusammenhang mit aktiven Regenerationsverfahren üblicherweise eine Bestimmung des Beladungszustandes des Partikelfilters, bevor eine Filterre- generation ausgelöst wird. Zur Beladungszustandserfassung des Partikelfilters wird typischer Weise der Druck im Abgasstrom vor und hinter dem Partikelfilter erfasst. Aus der Druckdifferenz und der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft- und Kraftstoffmenge kann in Abhängigkeit von den entsprechenden Kennlinien der Brennkraftmaschine der aktuelle Be- ladungszustand der Partikelfilters ermittelt werden. Um auf diesem Wege den Beladungszustand eines in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors eingeschalteten Partikelfilters zu bestimmen, werden Motorkenndaten benötigt. Daher eignet sich dieses Verfahren nicht oder nur eingeschränkt bei Nachrüstlösungen oder für Kleinserien, da in jedem System eine Anpassung an die jeweiligen Motorkenndaten gegeben sein muss. überdies wird mitunter bei diesem Verfahren als nachteilig angesehen, dass die der Brennkraftmaschine für den Verbrennungsprozess zugeführte Luftmenge erfasst werden muss, da nicht immer ausreichend Raum zur Verfügung steht, um ein solches Luft- volumenstrommessgerät anordnen zu können.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine eingangs genannte Einrichtung dergestalt aus- bzw. weiterzubilden, dass der Beladungszustand eines in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Partikelfilters auch unabhängig von dem Vorhandensein von Motorkenndaten und einer Erfassung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmenge möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

- Bestimmen des Abgasvolumenstroms in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter,

- Erfassen des im Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter herrschenden Druckes,

- Vergleichen des in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter bestimmten Abgasvolumenstroms mit dem erfassten vor dem Partikelfil-

ter herrschenden Druck und

- Auswerten des Ergebnisses des Vergleichs unter Berücksichtigung des Abgasgegendrucks des unbeladenen Partikelfilters und den durch eine Partikelfilterbeladung verursachten, gegenüber dem unbeladenen Filter höheren Abgasgegendruck.

Die einrichtungsbezogene Aufgabe wird durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Einrichtung gelöst, bei der die Beladungszustandsbe- stimmungseinrichtung über einen im Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter angeordneten Drucksensor zum Erfassen des im Abgasstrang herrschenden Druckes sowie über einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter angeordneten Volumenstromsensor verfügt, welche beiden Sensoren zur Auswertung der Messergebnisses an eine Steuereinheit angeschlossen sind.

Bei diesem Verfahren - gleiches gilt für die vorbeschriebene Einrichtung - erfolgt eine Volumenstrommessung bzw. -bestimmung innerhalb des Abgasstromes und zwar in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter. Das Anordnen des Volumenstrommesssensors innerhalb des Abgasstranges hat zum Vorteil, dass für diesen kaum zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Darüber hinaus unterliegt der Volumenstrommesssen- sor bzw. sein Messkörper durch seine Anordnung hinter dem Partikelfilter nicht einer Verschmutzung. Dieser ist durch den vorgeschalteten Partikelfilter vor Verschmutzungen geschützt. Vorzugsweise zeitgleich oder quasi zeitgleich erfolgt mit der Bestimmung des Abgasvolumenstroms hinter dem Partikelfilter ein Erfassen des vor dem Partikelfilter im Abgasstrang herrschenden Druckes. Durch einen Vergleich der erhaltenen Messwerte, wobei durch die Bestimmung des Abgasvolumenstroms hinter dem Partikelfilter nicht nur der Abgasvolumenstrom bestimmt, sondern im Zuge dessen auch der statische Druck erfasst wird, lässt sich der durch den Partikelfilter mit seiner Beladung bereit gestellte Abgasgegendruck ermitteln. Dieses Ergebnis wird ausgewertet unter Berücksichtigung des durch den Partikelfilter in seinem unbeladenen Zustand bereitgestellten Abgasgegendruckes. Bei dieser Größe handelt es sich um eine Partikelfilter spe- zifische, bekannte Größe. Die Auswertung erfolgt unter Berücksichtigung dieses Wertes im Hinblick auf den der Partikelfilterbeladung zuzurechnenden Abgasgegendruckanteil. Berücksichtigt wird hierbei, dass bei einer

- A -

Partikelfilterbeladung mit Ruß der durch den Partikelfilter bereitgestellte Abgasgegendruck größer ist als bei unbeladenem Partikelfilter. Dieser Abgasgegendruckanteil ist wiederum ein Maß für die Beladung des Partikelfilters und damit für die auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfil- ters akkumulierte Rußmenge. Somit kann auf diese Weise eine BeIa- dungszustandsbestimmung durchgeführt werden, ohne dass Motorkenndaten oder eine Volumenstrombestimmung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luftstromes notwendig ist. Um für eine solche Auswertung Messwerte zur Verfügung zu haben, die ein und demselben Filterbela- dungszustand zugeordnet werden können, werden die Volumenstromerfassung und die Druckerfassung vorzugsweise zeitgleich oder quasi zeitgleich durchgeführt, in jedem Fall zweckmäßigerweise nur in einem solchen zeitlichen Abstand voneinander, in dem entsprechend der dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechenden Ru ß- akkumulationsrate von einer im Wesentlichen unveränderten Rußbeladung ausgegangen werden kann.

Als Korrekturgröße geht in die Auswertung der dem unbeladenen Partikelfilter zugeordnete Abgasgegendruck ein. Da sich diese etwa durch Asche- ansammlungen infolge von durchgeführten Filterregenerationsprozessen über die Zeit ändern kann, kann vorgesehen sein, diese in zeitlichen Abständen oder an bestimmte Betriebszustände gekoppelt zu korrigieren oder neu zu eichen.

Um eine gewisse Messwertredundanz und dadurch eine bessere Qualität des Ergebnisses der Beladungszustandsbestimmung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass vor der Auswertung mehrere Abgasvolumenbestimmungen und entsprechend mehrere Druckbestimmungen durchgeführt werden, wobei in die Auswertung jeweils die Mittelwerte oder auch ge- wichtete Mittelwerte eingehen. Eine Wichtung der Mittelwerte kann in Abhängigkeit von dem ermittelten Abgasvolumenstrom erfolgen, da bei höherem Abgasvolumenstrom, also beispielsweise bei einem Lastbetrieb der Brennkraftmaschine eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden kann. Gleichfalls ist es möglich, mehrere Auswertungen vorzunehmen und in die Entscheidungsfindung zum Auslösen bestimmter Aktionen deren Mittelwert oder gewichteten Mittelwert eingehen zu lassen.

Neben der Abgasvolumenstrombestimmung und der Druckmessung wird vorzugsweise auch eine Temperaturerfassung durchgeführt, um die erhaltenen Messwerte im Hinblick auf die im Abgasstrang herrschende Temperatur korrigieren zu können.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Einrichtung eignen sich zum Einsatz im Rahmen aktiver Partikelfilterregenerationsstrategien. Gleichfalls lässt sich dieses Verfahren oder diese Einrichtung auch zur überprüfung oder überwachung des Beladungszustandes von Partikelfil- tern bei passiven Regenerationsstrategien einsetzen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 : Ein schematisierter Längsschnitt durch den Abgasstrang eines Dieselmotors mit einem Partikelfilter und einer Einrichtung zum Bestimmen des Beladungszustandes des Partikelfilters und

Fig. 2: ein Querschnitt durch den Abgasstrang entlang der Linie A -

B.

In einem Abgasstrang 1 , von dem in Figur 1 lediglich ein Ausschnitt wiedergegeben ist und welcher Abgasstrang an einen Dieselmotor ange- schlössen ist, ist ein Partikelfilter 2 angeordnet. Der Partikelfilter 2 dient zum Filtern der von dem Dieselmotor emittierten Abgase. Zurückgehalten werden von dem Partikelfilter 2 in dem Abgasstrom befindliche Feststoffteilchen, insbesondere Rußpartikel. Derartige Filter sind hinlänglich bekannt.

Um den Partikelfilter 2 in zeitlichen Abständen durch Einleiten einer Ru ß- oxidation zu regenerieren, ist dem Abgasstrang 1 eine Einrichtung zum Bestimmen des Beladungszustands des Partikelfilters 2 zugeordnet. Diese Einrichtung dient somit zum Bestimmen der auf der anströmseitigen Ober- fläche des Partikelfilters akkumulierten Rußmenge. Diese Einrichtung um- fasst einen Drucksensor 3, der in Strömungsrichtung des Abgases (durch den Blockpfeil in Figur 1 angedeutet) dem Partikelfilter 2 vorgeschaltet ist.

Der Drucksensor 3 ist angeordnet, um den statischen Druck in dem vor dem Partikelfilter 2 befindlichen Teil des Abgasstranges zu messen. Daher ist der Drucksensor 3 selbst außerhalb des Abgasstranges angeordnet und steht mit diesem über ein in den Abgasstrang mündendes Messrohr 4 in Verbindung. Die Beladungszustandsbestimmungseinrichtung umfasst des Weiteren in Strömungsrichtung des Abgases dem Partikelfilter 2 nachgeschalteten einen Volumenstromsensor 5. Der Volumenstromsensor 5 verfügt über einen als Messkörper dienenden Messkonus 6, in dem zwei Messstellen angeordnet sind. Bei dem Messkonus 6 handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen rotationssymmetrischen Körper, der in Figur 1 in einem Längsschnitt gezeigt ist. Der Messkonus 6 verfügt über einen an den eigentlichen Konus, der, wie aus Figur 1 erkennbar, entgegen der Strömungsrichtung des Abgases geneigt ist, über einen zylindrischen Fortsatz 7. In diesen ist eine Sackbohrung 8 einge- bracht, die wiederum über einen Messkanal 9 mit einem Drucksensor 10 in Verbindung steht. Der Drucksensor 10 dient zum Erfassen des sich bei strömendem Abgas in der Sackbohrung 8 ausbildenden Staudruckes und damit zum Erfassen des durch den Abgasstrom bereitgestellten Gesamtdruckes. Mündend in den abströmseitigen Bereich des Messkonus 7 ist eine weitere Sackbohrung 1 1 eingebracht. Diese ist über einen Messkanal

12 an einen weiteren Drucksensor 13 angeschlossen. Da sich die innerhalb der Sackbohrung 1 1 befindliche Messstelle des Drucksensors 13 im Strömungsschatten des den Abgasstrang durchströmenden Abgases befindet, wird an dieser der abströmseitig bezüglich des Partikelfilters 2 herr- sehende statische Druck gemessen.

Der Messkörper 6 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Tragekörper 14 an dem den Abgasstrang 1 in dem gezeigten Abschnitt bildenden Rohr 15 gehalten. Der Tragekörper 14 ist mit der Innen- seite des Rohrs 15 verschweißt. In den Tragekörper 14 sind zwei die Messkanäle 9, 12 bildende Bohrungen angeordnet. Die Messkanäle 12,

13 setzen sich außerhalb des Rohres 15 jeweils fort in Messrohre 16 bzw.

17, bevor der eigentliche Drucksensor 10 bzw. 13 angeschlossen ist. Die Drucksensoren 3, 10, 13 sind sämtlich außerhalb des Abgasstranges 1 angeordnet und beaufschlagen mit ihren Messsignalen eine Steuereinheit

18, typischer Weise einen Mikroprozessor. Die Steuereinheit 18 wertet die von den Drucksensoren 3, 10, 13 erhaltenen Messwerte gemäß einem

vorbestimmten Algorithmus aus. Zusätzlich ist an das Steuergerät 18 eine in Figur 1 nicht dargestellte Temperaturmesseinrichtung angeschlossen, mit der die im Abgasstrang 1 herrschende Temperatur erfasst wird. Die Temperatur wird als Korrekturgröße im Rahmen der Auswertung der erhal- tenden Messwerte verwendet.

Der in Figur 1 dargestellte Messkonus 6 verfügt über eine strömungstechnisch wirksame Abrisskante 19. Diese dient zur Wirbelerzeugung und unterstützt somit positiv die Messwertgewinnung durch den Volumenstrom- sensor 5, und zwar hinsichtlich der der Sackbohrung 1 1 zugeordneten Messstelle zum Erfassen des statischen Drucks.

In dem in Figur 2 gezeigten Querschnitt ist die Aufhängung des Konuskörpers 6 innerhalb des Rohrs 15 erkennbar.

Zum Bestimmen des Beladungszustandes des Partikelfilters 2 wird mit dem Drucksensor 3 der innerhalb des Abgasstranges 1 vor dem Partikelfilter 2 herrschende statische Druck erfasst. Zeitgleich oder quasi gleichzeitig wird mit dem Volumenstromsensor 5 eine Abgasstromvolumenmes- sung durchgeführt. Dieses erfolgt durch Erfassen des Gesamtdruckes mit dem Drucksensor 10 und des statischen Druckes mit dem Drucksensor 13. Unter der Voraussetzung, dass innerhalb des Abgasstroms vor und hinter dem Partikelfilter ein energetisch gleiches Niveau herrscht, können die ermittelten Messwerte vor dem Partikelfilter 2 und hinter demselben unmittelbar miteinander verglichen werden. Ausgewertet wird das Vergleichsergebnis, welches beispielsweise im Zuge einer Subtraktion ermittelt wird im Hinblick auf den durch den Partikelfilter 2 und seine Rußbeladung erzeugten Abgasgegendruck. Da der Abgasgegendruck des unbela- denen Partikelfilters 2 bekannt ist, kann ohne weiteres der der Rußbela- düng zuzuordnende Anteil des erfassten Abgasgegendruckes bestimmt werden. Da der Beladung des Partikelfilters 2 zuzuordnende Abgasgegendruck proportional zu der an auf der Anströmseite des Partikelfilters 2 akkumulierten Rußmenge ist, erhält man auf diese Weise einen die akkumulierte Rußmenge widerspiegelnden Wert. Je nach Einsatz der BeIa- dungszustandsbestimmungseinrichtung im Rahmen des verwendeten Abgasreinigungssystems können in Abhängigkeit von dem ermittelten Beladungszustand Aktionen durch die Steuereinheit 18 ausgelöst werden oder

nicht. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in nicht dargestellter Art und Weise an die Steuereinheit 8 eine Heizeinrichtung angeschlossen, mit der anströmseitig die Temperatur zum Auslösen einer Filterregeneration erhöht werden kann. überschreitet der erfasste BeIa- dungszustand des Partikelfilters einen vorgegebenen Schwellwert, wird diese Heizeinrichtung angesteuert, mit der Folge, dass dann der gewünschte Rußabbrand erfolgt und der Partikelfilter 2 regeneriert. Dabei ist der Schwellwert so gewählt, dass bei überschreiten desselben gewährleistet ist, dass eine vollständige Filterregeneration mit hoher Wahrschein- lichkeit erfolgen wird. Gemäß dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird bei Feststellen einer hinreichenden Rußbeladung unmittelbar eine Filterregeneration gestartet. Damit stellt das Signal der Auswerteeinheit nach Feststellen dieses Beladungszustandes ein Regenerationssignal dar. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ne- ben dem durch dieses Verfahren bereitgestellten Regenerationssignal entsprechende Signale weiterer, auf das Auslösen einer Rußregeneration Einfluss nehmende Parameter, wie beispielsweise der aktuelle Betriebszustand des Motors oder das aktuelle Fahrprofil in die Auswertung einbezogen werden.

Der in die Auswertung eingehende Abgasgegendruckwert des unbelade- nen Partikelfilters ändert sich im Zuge der Betriebsdauer der Abgasreinigungsanlage. Da sich dieser insbesondere durch infolge sukzessiver Ascheakkumulation erhöht, kann im Anschluss an einzelne oder auch an jede Filterregeneration eine weitere Beladungszustandsbestimmung durchgeführt werden, um einen aktuellen Abgasgegendruckwert des regenerierten und somit unbeladenen Partikelfilters zu erhalten. Somit ist im Rahmen dieser Ausführungen unter dem Begriff "unbeladener Partikelfilter" nicht nur der fabrikneue Partikelfilter und der von diesem bereitgestell- te Abgasgegendruck zu verstehen, sondern auch der Partikelfilter, dessen Abgasgegendruck durch Ascheeinlagerungen im Zuge seiner Lebensdauer erhöht ist. Eine solche Kalibrierung kann je nach Ausgestaltung des Abgasreinigungssystems und/oder der Abgasreinigungsstrategie auf solche Filterregenerationen beschränkt sein, bei denen systemseitig mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit darauf geschlossen werden kann, dass die Filterregeneration vollständig abgelaufen und mithin der gesamte oder quasi der gesamte, auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters

akkumulierte Ruß oxidiert worden ist.

In den Figuren ist im Wege eines Beispiels lediglich eine Ausgestaltung der Erfindung beschrieben. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung des Volumenstromsensors bzw. seines Messkörpers. Daher kann ohne Weiteres anstelle des in den Figuren gezeigten Messkonus 6 auch ein Blechkörper eingesetzt werden, durch den eine Staudruckmessstelle und eine im Strömungsschatten befindliche Messstelle für den statischen Druck bereitgestellt ist.

Die Beschreibung der Erfindung macht deutlich, dass sich das beschriebene Verfahren sowie die beschriebene Einrichtung insbesondere auch bei solchen Dieselbrennkraftmaschinen in den Abgasstrang implementiert werden können, bei denen eine Schnittstelle zu dem Motormanagement und/oder zur Erfassung von motorspezifischen Kenngrößen nicht vorhanden oder nicht möglich ist. Somit handelt es sich bei diesem Verfahren und bei dieser Einrichtung um Systeme, die autark betrieben werden können. Dieses ist ein Grund dafür, weshalb dieses Verfahren und diese Einrichtung insbesondere zur Nachrüstung oder auch für Brennkraftmaschi- nen von Arbeitsmaschinen geeignet sind.

Bezugszeichenliste

Abgasstrang

Partikelfilter

Drucksensor

Messrohr

Volumenstromsensor

Messkonus zylindrischer Fortsatz

Sackbohrung

Messkanal

Drucksensor

Sackbohrung

Messkanal

Drucksensor

Tragekörper

Rohr

Messrohr

Messrohr

Steuereinheit

Abrisskante