DE10251224B4

DE10251224B4 - Method for determining a loading of a particle filter in the exhaust gas tract of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE10251224B4
Application number: DE10251224A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr. Rabl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: DE10251224A1; FR2846708A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Beladung eines Partikelfilters im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Abgaskonzentration vor dem Partikelfilter (20) verwendet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
– Eine Differenz (D) zwischen einem ersten und einem zweiten Wert für die Abgaskonzentration (K_Druck, K_base) vor dem Partikelfilter (20) dient als Indikator für den Beladungsgrad des Partikelfilters (20),
– der erste Wert für die Abgaskonzentration (K_Druck) ist ein Wert der Abgaskonzentration, der in einem vorbestimmten Betriebszustand stromaufwärts von dem Partikelfilter (20) gemessen wird, und um einen vorbestimmten Betrag vermindert wird, der der Abgaskonzentration in dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ohne Beladung des Partikelfilters (20) entspricht, und
– der zweite Wert für die Abgaskonzentration (K_base) entspricht einem für eine fehlende Beladung errechneten Abgasdruck vor dem Partikelfilter.Method for determining a loading of a particle filter in the exhaust gas tract of an internal combustion engine, in which an exhaust gas concentration upstream of the particle filter (20) is used, characterized by the following method steps:
A difference (D) between a first and a second value for the exhaust gas concentration (K_Druck, K_base) in front of the particle filter (20) serves as an indicator for the degree of loading of the particulate filter (20),
The first value for the exhaust gas concentration (K_pressure) is a value of the exhaust gas concentration measured in a predetermined operating state upstream of the particulate filter (20) and reduced by a predetermined amount corresponding to the exhaust gas concentration in the operating state of the internal combustion engine without loading Particle filter (20) corresponds, and
- The second value for the exhaust gas concentration (K_base) corresponds to a calculated for a lack of load exhaust pressure upstream of the particulate filter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Beladung eines Partikelfilters im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.The The present invention relates to a method for determining a Loading a particulate filter in the exhaust system of an internal combustion engine.

In dem Fachaufsatz von Hans-Otto Herrmann et al. in MTZ 9/2001, Seite 652 ff., „Partikelfiltersysteme für Diesel-PKW" wird erläutert, dass Partikelfilter derzeit die einzig technische Lösung darstellen, um den Ausstoß von Dieselpartikeln um mehr als 90% zu senken. Als wesentliche Herausforderung in der Partikelfiltertechnik wird die Regeneration der Filter durch Verbrennung gesehen. Zu ihrer Oxidation mit dem im mageren Dieselabgas vorhandenen Sauerstoff ist eine Temperatur von über 600°C erforderlich, die von modernen Dieselmotoren im Abgasstrang hinter dem Turbolader selbst unter Vollastbedingungen kaum erreicht wird. Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, die gewährleisten, dass der Filter bei einer entsprechenden Beladung sicher regeneriert und nicht überladen wird. Diese beiden Strategien werden als diskontinuierliche Regeneration und als kontinuierliche Regeneration bezeichnet. Zum besseren Verständnis sei noch erwähnt, dass beide Strategien sich jeweils noch in aktive und passive Regenerationsmaßnahmen unterscheiden lassen, wobei bei den aktiven Systemen zusätzliche Wärme zur Regeneration zugeführt wird und bei den passiven Systemen in der Regel katalytische Effekte, beispielsweise durch Kraftstoffadditive, ausgenutzt werden.In the technical paper by Hans-Otto Herrmann et al. in MTZ 9/2001, page 652 ff., "Particle Filter Systems for diesel cars "explains that Particle filters currently represent the only technical solution to the emission of diesel particulates to reduce more than 90%. As a major challenge in the Particulate filter technology is the regeneration of the filter by combustion seen. To their oxidation with the lean diesel exhaust existing Oxygen is a temperature of over 600 ° C required by modern day Diesel engines in the exhaust system behind the turbocharger itself under Full load conditions is barely reached. Therefore, measures must be taken guarantee, that the filter safely regenerates at a corresponding load and not overloaded becomes. These two strategies are called discontinuous regeneration and referred to as continuous regeneration. For a better understanding yet mentioned that both strategies are still in active and passive regeneration measures can be different, with the active systems additional heat for Regeneration supplied and in the passive systems usually catalytic effects, for example be exploited by fuel additives.

Unabhängig davon, welcher Partikelfilter eingesetzt wird, ist zur Minimierung des Kraftstoffmehrverbrauchs eine ausreichend genaue Feststellung des Beladungsgrades des Partikelfilters erforderlich. Eine zuverlässige Regeneration wird zusätzlich dadurch erschwert, dass im Stadtverkehr bei Einhaltung der Fahrbarkeit des Fahrzeugs, die durch eine Nacheinspritzung erzielbaren Temperaturen nicht immer ausreichend hoch sind, um einen vollständigen und schnellen Abbrand der akkumulierten Partikelmasse zu erzielen. In dem Fachaufsatz wird auf ein Computerprogramm hingewiesen, das ausgehend von dem Abgasvolumenstrom und dem Temperaturverlauf vor dem Filter eine Diagnose des Partikelfilters durchführt. Ebenfalls in dem Artikel angesprochen wird ein Verfahren zur Diagnose der Partikelfilter, bei dem der Druckverlust an dem Partikelfilter zwischen einer stromauf und stromab angeordneten Messstelle ausgewertet wird. Der Gesamtdruckabfall setzt sich dabei zusammen aus dem Druckverlust des Partikelfilters ohne Partikelbeladung und dem Druckverlust an der abgelagerten Partikelschicht. Das Verfahren ist jedoch sehr ungenau, da einerseits die Differenzdrücke durch Druckpulsation der beiden Kraftmaschinen überlagert werden und zum anderen der Druckabfall über der Partikelfilter vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängig ist. Eine exakte Diagnose der vollständigen Regenerierung des Partikelfilters ist nicht möglich.Independently of, which particulate filter is used to minimize the Kraftstoffmehrverbrauchs a sufficiently accurate determination of Degree of loading of the particulate filter required. A reliable regeneration will additionally thereby complicating that in city traffic while maintaining driveability of the vehicle, the achievable by post-injection temperatures are not always high enough to get a complete and to achieve rapid burning of the accumulated particle mass. In The technical paper refers to a computer program based on the exhaust gas volume flow and the temperature profile before the filter a Diagnosis of the particulate filter performs. Also in the article a method for the diagnosis of the particulate filter is addressed, wherein the pressure loss at the particulate filter between an upstream and downstream measuring point is evaluated. The total pressure drop sets this together from the pressure loss of the particulate filter without Particle loading and the pressure loss at the deposited particle layer. The However, the method is very inaccurate, on the one hand, the differential pressures by Pressure pulsation of the two engines are superimposed and the other Pressure drop over the particulate filter is dependent on the operating point of the internal combustion engine. An exact diagnosis of the complete Regeneration of the particulate filter is not possible.

Aus dem Fachaufsatz von Paul Zelenka et al. aus MTZ 9/2002, Seiten 684 ff., "Entwicklung eines Partikelfiltersystems für Nutzfahrzeuge mit brennerunterstützter Regeneration" ist bekannt, dass der Abgasgegendruck vor dem Partikelfilter bei der Regeneration um ungefähr 110 mbar fällt.Out the technical paper by Paul Zelenka et al. from MTZ 9/2002, pages 684 ff., "Development a particulate filter system for Commercial vehicles with burner-assisted Regeneration "is known that the exhaust back pressure before the particulate filter in the Regeneration at about 110 mbar falls.

Die Druckschrift DE 199 61 166 A1 offenbart drei Möglichkeiten zum Ermitteln des Beladungszustandes eines Partikelfilters im Abgasstrang einer Dieselbrennkraftmaschine:

1. Messen des Abgasgegendrucks über einen Gasdrucksensor,
2. Messen der Frischluftmasse bei geöffnetem Abgasrückführventil, um hieraus indirekt den Abgasgegendruck zu erfassen und
3. Bestimmen des Beladungszustandes aus Kennfeldern der Ruß- und NO_x-Emissionen der Brennkraftmaschine sowie einem Modell der Partikelumsetzung eines Partikelminderungssystems.

The publication DE 199 61 166 A1 discloses three ways of determining the loading state of a particulate filter in the exhaust line of a diesel engine:

1. measuring the exhaust backpressure via a gas pressure sensor,
2. Measuring the fresh air mass with the exhaust gas recirculation valve open in order to indirectly detect the exhaust back pressure from this and
3. Determining the loading state from maps of the soot and NO _x emissions of the internal combustion engine and a model of particle conversion of a particulate reduction system.

Die Druckschrift DE 100 33 160 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Strömungswiderstandes des Partikelfilters, um daraus auf dem Beladungszustand des Partikelfilters zu schließen.The publication DE 100 33 160 A1 discloses a method for determining the flow resistance of the particulate filter in order to conclude on the loading condition of the particulate filter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln zuverlässig einen Indikator für den Befüllungsgrad des Partikelfilters bereitstellt.Of the Invention has for its object to provide a method reliable with simple means an indicator for the degree of filling of the particulate filter.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.According to the invention Problem solved by a method having the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt die Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Wert für eine Abgaskonzentration vor dem Partikelfilter. Der Differenzwert dient als Indikator für den Beladungsgrad des Partikelfilters und kann für eine Ansteuerung der Regeneration und/oder eine Diagnose des Partikelfilters eingesetzt werden. Der erste Wert für die Abgaskonzentration wird vor dem Partikelfilter gemessen. Hierbei befindet sich die Brennkraftmaschine in einem quasi-stationären oder einem stationären Zustand. Von dem gemessenen Wert der Abgaskonzentration wird ein Betrag abgezogen, der der Abgaskonzentration in dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ohne Beladung des Partikelfilters entspricht. Dieser Wert wird aufgrund der Parameterwerte der Verbrennung bestimmt. Für einen Abgastrakt mit einem Partikelfilter ohne Beladung, die je nach Befüllungsgrad die Abgase unterschiedlich stark zurückstaut, würde der erste Wert für die Abgaskonzentration im Idealfall verschwinden. Andersherum betrachtet, spiegelt der erste Wert für die Abgaskonzentration also die Abgaskonzentration aufgrund des beladungsbedingten Drucks an der Messstelle wider. Der zweite Wert für die Abgaskonzentration entspricht einem für einen vorbestimmten Befüllungsgrad des Partikelfilters errechneten Abgasdruckwert für den Partikelfilter. Die Differenz dieser beiden Abgaskonzentrationen gibt den Befüllungsgrad des Partikelfilters an.The method according to the invention determines the difference between a first and a second value for an exhaust gas concentration upstream of the particle filter. The difference value serves as an indicator for the degree of loading of the particulate filter and can be used for controlling the regeneration and / or a diagnosis of the particulate filter. The first value for the exhaust gas concentration is measured before the particulate filter. Here, the internal combustion engine is in a quasi-stationary or stationary state. From the measured value of the exhaust gas concentration, an amount is subtracted, which corresponds to the exhaust gas concentration in the operating state of the internal combustion engine without loading of the particulate filter. This value is determined based on the combustion parameter values. For an exhaust tract with a particle filter without loading, Depending on the degree of filling, the backflow of the exhaust gases is different, the first value for the exhaust gas concentration would ideally disappear. Viewed the other way round, the first value for the exhaust gas concentration therefore reflects the exhaust gas concentration due to the load-related pressure at the measuring point. The second value for the exhaust gas concentration corresponds to a calculated for a predetermined degree of filling of the particulate filter exhaust pressure value for the particulate filter. The difference between these two exhaust gas concentrations indicates the degree of filling of the particulate filter.

Ist der Partikelfilter weitgehend beladen, so steigt der Differenzwert an. Nach einer vollständigen Regeneration ist der Differenzwert klein.is If the particle filter is largely loaded, the difference value increases at. After a complete regeneration the difference value is small.

Im Gegensatz zu dem bekannten Druckverfahren, wird hier bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich auf die Änderung des Abgasgegendrucks durch den beladenen Partikelfilter abgestellt. Bei einer Erhöhung von 100 mbar können sich Signaländerungen in den Werten von ca. 3% einstellen, was bereits eine zuverlässige Erkennung ermöglicht.in the Contrary to the known printing method, is used here in the inventive method only on the change the exhaust back pressure by the loaded particulate filter off. at an increase of 100 mbar signal changes in the values of about 3%, which is already a reliable detection allows.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Messung der Abgaskonzentration in einem stationären oder quasistationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Hierbei handelt es sich bevorzugt um den Schubbetrieb. Gerade im Schubbetrieb, in dem keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt, ist die Abgaskonzentration bekannt und nicht veränderlich.In In a preferred embodiment, the measurement of the exhaust gas concentration takes place in a stationary or quasi-stationary Operating state of the internal combustion engine. This is it preferred to the push operation. Especially in overrun, where no Fuel injection takes place, the exhaust gas concentration is known and not changeable.

Die Abgaskonzentration wird bevorzugt über eine λ-Sonde oder einen NO_x-Sensor berechnet.The exhaust gas concentration is preferably calculated via a λ probe or a NO _x sensor.

Der Abgasdruck zur Bestimmung einer zweiten Abgaskonzentration setzt sich zusammen aus dem Umgebungsdruck und dem Abgasdruckverlust im Abgastrakt von der Messstelle bis zum Abgasanlagenende. Hierbei wird der Abgasdruckverlust bevorzugt abhängig von einem Abgasvolumenstrom und/oder der Temperatur bestimmt.Of the Exhaust pressure for determining a second exhaust gas concentration sets together from the ambient pressure and the exhaust gas pressure loss in Exhaust tract from the measuring point to the end of the exhaust system. in this connection the exhaust pressure loss is preferably dependent on an exhaust gas volume flow and / or the temperature determined.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispielt wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert.One preferred embodiment will be explained with reference to the following figures.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter, 1 a schematic view of an internal combustion engine with a particle filter,

2 ein Flussdiagramm, das die wesentlichen Schritte des Verfahrens enthält, und 2 a flowchart containing the essential steps of the method, and

3 die prozentuale Stromänderung in Abhängigkeit von der Druckerhöhung. 3 the percentage change in current as a function of the pressure increase.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Ansaugstutzen 12. Kraftstoff wird aus einem Tank 14 über eine Leitung 16 zugeführt. Im Abgastrakt 18 ist ein Partikelfilter 20 vorgesehen. Gemes sen wird eine druckabhängige Abgaskonzentration von einem Sensor 22 stromaufwärts von dem Partikelfilter. In der nachfolgenden Beschreibung sei beispielhaft angenommen, dass es sich bei dem Sensor 22 um eine lineare λ-Sonde handelt. Es sind jedoch grundsätzlich auch andere Sensoren möglich, so lange diese druckabhängige Abgaskonzentrationen messen. 1 shows a schematic view of an internal combustion engine 10 with an intake manifold 12 , Fuel gets out of a tank 14 over a line 16 fed. In the exhaust tract 18 is a particle filter 20 intended. Gemes sen is a pressure-dependent exhaust gas concentration from a sensor 22 upstream of the particulate filter. In the following description, it is assumed by way of example that the sensor 22 is a linear λ probe. However, other sensors are generally possible as long as they measure pressure-dependent exhaust gas concentrations.

Der Messwert der λ-Sonde sei K_MES 24. Im Schubbetrieb ist die Sauerstoffkonzentration maximal und somit liegt der höchste Wert für den Pumpstrom der λ-Sonde vor. Der gemessene Wert wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 26 auf den Wert K_Druck umgerechnet. Der Wert K_Druck ergibt sich als der gemessene Wert K_Mess minus der Abgaskonzentration in dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ohne Partikelfilter. Im Schubbetrieb, bei dem eine maximale Sauerstoffkonzentration vorliegt, entspricht also der zu subtrahierende Wert für die Abgaskonzentration, der Abgaskonzentration in dem Abgastrakt ohne Partikelfilter. Der so berechnete Wert für die Abgaskonzentration K_Druck ist im wesentlichen vom Druck abhängig.The measured value of the λ probe is K_MES 24 , In overrun mode, the oxygen concentration is maximum and thus the highest value for the pump current of the λ-probe is present. The measured value is in a subsequent process step 26 converted to the value K_Print. The value K_Druck results as the measured value K_Mess minus the exhaust gas concentration in the operating state of the internal combustion engine without particle filter. In overrun operation, in which a maximum oxygen concentration is present, the exhaust gas concentration value to be subtracted thus corresponds to the exhaust gas concentration in the exhaust gas tract without a particulate filter. The calculated value for the exhaust gas concentration K_Druck is essentially dependent on the pressure.

In Schritt 28 wird aus dem Wert für den Umgebungsdruck P₀ und den Druckabfällen zwischen der Messstelle und dem Abgasaustritt ein Druckwert an der Messstelle bestimmt. Da der Beladungsgrad des Partikelfilters nicht bekannt ist, kann bei dieser Druckbestimmung der Druckabfall aufgrund der Beladung des Partikelfilters nicht berücksichtigt werden. In Schritt 30 wird eine Basiskonzentrationsgröße K_base ermittelt, die dem in Schritt 28 ermittelten Gasdruck entspricht. Es wird also die Abgaskonzentration ermittelt, die allein aufgrund des Gasdrucks vorläge, wenn ein nicht beladener Partikelfilter vorgesehen wäre.In step 28 is determined from the value for the ambient pressure P ₀ and the pressure drops between the measuring point and the exhaust gas outlet, a pressure value at the measuring point. Since the degree of loading of the particulate filter is not known, the pressure drop due to the loading of the particulate filter can not be taken into account in this pressure determination. In step 30 a basic concentration size K_base is determined, which corresponds to that in step 28 determined gas pressure corresponds. Thus, the exhaust gas concentration is determined which would be present solely on the basis of the gas pressure if a non-loaded particulate filter were provided.

In Schritt 32 wird die Differenz zwischen den Abgaskonzentrationen K_Druck und K_base aus den Verfahrensschritten 26 bzw. 30 gebildet. Da K_Druck im wesentlichen den Wert der Abgaskonzentration angibt, der aufgrund des Druckabfalls durch die Beladung des Partikelfilters angibt und K_base den Wert für die Abgaskonzentration ohne eine Beladung beschreibt, ist die Differenzgröße D ein Indikator für die Partikelfilterbeladung.In step 32 is the difference between the exhaust gas concentrations K_Druck and K_base from the process steps 26 respectively. 30 educated. Since K_Druck essentially indicates the value of the exhaust gas concentration, which indicates due to the pressure drop through the loading of the particulate filter and K_base describes the value for the exhaust gas concentration without a load, the difference size D is an indicator for the particulate filter loading.

Die Größe D wird nachfolgend in einer Steuerung 34 eingesetzt, um eine Regeneration des Partikelfilters anzusteuern. Die Differenzgröße D kann auch an eine Diagnoseeinrichtung 36 für einen Partikelfilter weitergeleitet werden.The size D is subsequently in a controller 34 used to control a regeneration of the particulate filter. The difference quantity D can also be sent to a diagnostic device 36 be forwarded for a particulate filter.

3 zeigt die prozentuale Stromänderung einer linearen λ-Sonde abhängig von einer Druckerhöhung. Die Druckerhöhung ist bezogen auf einen Basisdruck von 1 bar. Wie aus dem Diagramm aus 3 erkennbar, beträgt die Stromänderung ungefähr 3% bei einer Druckerhöhung von 100 mbar. Der zweite Wert für die Abgaskonzentration kann über den Zusammenhang aus 3 bestimmt werden, indem dem errechneten Druckwert eine Stromänderung zugeordnet wird. 3 shows the percentage change in current a linear λ probe depending on an increase in pressure. The pressure increase is related to a base pressure of 1 bar. As seen from the diagram 3 recognizable, the change in current is about 3% at a pressure increase of 100 mbar. The second value for the exhaust concentration may be over the context 3 be determined by a current change is assigned to the calculated pressure value.

Claims

Method for determining a loading of a particulate filter in the exhaust gas tract of an internal combustion engine, in which an exhaust gas concentration upstream of the particulate filter ( 20 ), characterized by the following method steps: - a difference (D) between a first and a second value for the exhaust gas concentration (K_Druck, K_base) in front of the particulate filter ( 20 ) serves as an indicator of the degree of loading of the particulate filter ( 20 ), The first value for the exhaust gas concentration (K_Druck) is a value of the exhaust gas concentration, which in a predetermined operating state upstream of the particulate filter ( 20 ) is measured, and is reduced by a predetermined amount, the exhaust concentration in the operating condition of the internal combustion engine without loading the particulate filter ( 20 ), and - the second value for the exhaust gas concentration (K_base) corresponds to a calculated exhaust pressure for a missing load before the particulate filter.

Method according to claim 1, characterized in that that the measurement of exhaust concentration in a quasi-stationary or stationary Operating state of the internal combustion engine takes place.

Method according to claim 2, characterized in that that the operating state is the overrun mode.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the exhaust gas concentration with a linear λ-probe or a NO _x sensor is measured.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized the exhaust gas pressure is determined from the ambient pressure and the Exhaust gas pressure losses in the exhaust gas tract from the measuring point to the exhaust system end, being for the pressure loss at the particle filter, this is set without loading.

Method according to claim 5, characterized in that that the exhaust pressure loss depends is determined by exhaust gas volumetric flow and / or temperature.