DE112005003886B3 - Verfahren zum Ermitteln der Partikelemissionen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Ermitteln des Partikeleintrages in einem im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilter, mit folgenden Schritten:- Bereitstellen eines Emissionsmodells für Partikel;- Bereitstellen zumindest eines Emissionsmodells für Stickoxide;- Bereitstellen eines Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide;- Bestimmen der theoretischen Partikelmasse und/oder Partikelkonzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel für zumindest einen Betriebspunkt;- Bestimmen der Stickoxidmasse und/oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Stickoxide für zumindest einen Betriebspunkt,- Bestimmen einer effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel und der negativen Partikel-Äquivalentmasse und/oder -konzentration und- Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration in ein Modell des Partikelfilters dadurch gekennzeichnet, dass- vor dem Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder - konzentration in ein Modell des Partikelfilters eine negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder -konzentration aufgrund des Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide für die bestimmte Stickoxidmasse und/oder -konzentration bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Partikelemissionen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, Weiters betrifft die Erfindung Verfahren zum Ermitteln des Partikeleintrages in einem im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Regeneration einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eines Partikelfilters mittels eines vorzugsweise kennfeldbasierten Rechenmodells, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung in zumindest zwei, vorzugsweise zumindest fünf Zellen, eingeteilt wird, der Beladungszustandes in jeder der Zellen mittels eines Ablagerungsmodells ermittelt wird und ein Regenerationsvorgange für die Abgasnachbehandlungseinrichtung in Abhängigkeit des Beladungszustandes eingeleitet wird.
• Um eine effektive Partikelfilterregeneration durchführen zu können, ist eine möglichst genaue Kenntnis des Beladungszustandes des Partikelfilters oder der Partikelemissionen erforderlich. Ein Verfahren, welches beschreibt wie - ausgehend vom Beladungszustand des Partikelfilters und weiteren Größen wie z.B. Fahrzeit und/oder Fahrstrecke - eine Regeneration ausgelöst werden kann, ist z.B. in der DE 199 45 372 A1 beschrieben.
• Es ist bekannt, den Beladungszustand des Partikelfilters aus einer Messung der Druckdifferenz zu bestimmen. Da solche Messungen aber mit hohen Ungenauigkeiten verbunden sind, ist weiterhin bekannt, neben der Druckdifferenz auch noch eine Schätzung über die im Partikelfilter akkumulierte Masse an Partikeln heranzuziehen.
• Hierzu ist es bekannt, Partikelemissionen aus Kennfeldern abzuschätzen, in welche die Betriebsdaten des Motors, wie Drehzahl, Drehmoment, etc., eingehen. Es ist auch bekannt, die transienten Emissionen auf Basis stationärer Kennfelder und weiterer Messdaten, wie z.B. des λ-Wertes oder einer Abgasrückführrate zu bestimmen. Solche Kennfelder basieren auf einem idealen Motor. Abweichungen der Emissionen des realen Motors durch Alterung und/oder Bauteilstreuung von den im Kennfeld abgespeicherten idealen Emissionen können dabei aber nicht berücksichtigt werden.
• Messsysteme, die die Partikelemissionen kontinuierlich überwachen, sind bekannt, aber aufwendig und/oder verschleiß- und damit fehleranfällig. Die DE 101 24 235 A1 beschreibt zum Beispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zur umfassenden Charakterisierung und Kontrolle des Abgases und der Regelung von Motoren, wobei gleichzeitig oder zeitlich versetzt feste und flüssige Partikel erfasst und charakterisiert werden. Das Verfahren beruht auf der einzelnen oder kombinativen Nutzung von laserinduzierter Raman-Streuung, laserinduzierter Break-down-Spektroskopie, laserinduzierter Inonisationskopie, laserinduzierter Atomfluoreszenz-Spektroskopie, IR-/VIS-/UV-Laserabsorptions-Spektroskopie und laserinduzierter Glühtechnik. Der sensorische und steuerungstechnische Aufwand zur genauen Ermittlung der Partikelemissionen ist dabei allerdings sehr groß, so dass der serienmäßige Einsatz mit relativ hohem Kostenaufwand verbunden ist.
• Bekannte Beladungsmodelle für den Partikelfilter bilden die Realität allerdings nur unzureichend ab, da der oxidierende Einfluss von Stickoxiden auf Rußpartikel nicht berücksichtigt wird. Eine Schätzung der im Partikelfilter akkumulierten Partikelmasse lediglich auf Basis der im Abgasstrang vorhandenen Partikel ohne Berücksichtigung der Stickoxide und deren Aktivität kann aber zu groben Abweichungen führen. Insbesondere wird so die im Partikelfilter akkumulierte Partikelmasse zu hoch abgeschätzt, was zu mehr Regenerationen des Partikelfilters und somit zu erhöhtem Kraftstoff-Verbrauch führt.
• Ein im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneter Partikelfilter, insbesondere vom sogenannten „Wall-Flow“-Typ, muss bei hoher Beladung mit brennbaren Partikeln regeneriert werden. Um eine effektive Partikelfilterregeneration durchführen zu können, ist eine möglichst genaue Kenntnis des Beladungszustandes des Partikelfilters erforderlich. Ein Verfahren, wie ausgehend vom Beladungszustand des Partikelfilters und weiterer Größen, wie z.B. der Fahrzeit und/ oder der Fahrstrecke, eine Regeneration ausgelöst werden kann, ist zum Beispiel in der DE 199 45 372 A1 beschrieben.
• Es ist bekannt, den Beladungszustand des Partikelfilters aus einer Messung der Druckdifferenz zu bestimmen. Da solche Messungen aber mit hohen Ungenauigkeiten verbunden sind, ist weiterhin bekannt, neben der Druckdifferenz auch noch eine Schätzung über die im Partikelfilter akkumulierte Masse an Partikeln heranzuziehen. Hierzu ist es bekannt, Partikelemissionen aus Kennfeldern abzuschätzen, in welche Betriebsdaten der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl, Drehmoment, etc., eingehen.
• Einige bekannte Verfahren berücksichtigen lediglich die im Partikelfilter akkumulierte Masse an Partikeln, ohne Rücksicht auf die Verteilung dieser Masse innerhalb des Partikelfilters. Ein Verfahren, das die Masse an Partikeln ohne deren Verteilung berücksichtigt, kann als sogenanntes „Null-Dimensionales“ Modell des Partikelfilters angesehen werden.
• Aus der DE 102 52 732 A1 ist ein verbessertes Verfahren bekannt, wie Mithilfe eines eindimensionalen Modells der räumlichen Verteilung der Partikel im Filter die Genauigkeit der Beladungsbestimmung verbessert werden kann. Das in dieser Schrift offenbarte Verfahren nutzt die Verteilung der Partikel aber lediglich dazu, über eine verbesserte Bestimmung des Strömungswiderstandes des beladenen Partikelfilters einen Korrekturfaktor zu berechnen, der die Gesamtmasse an Partikeln genauer zu bestimmen hilft. Der Korrekturfaktor wird dazu verwendet, eine mittels Druck- und Temperatursensoren bestimmte charakteristische Größe des Partikelfilters zu korrigieren, um dadurch letztlich die Genauigkeit des Beladungszustandes zu erhöhen. Der zur Einleitung der Regeneration maßgebende Beladungszustand wird somit auf konventionelle Weise durch Drucksensoren bestimmt.
• Aus dem Artikel „Elektronik ermöglicht Innovationen in der Motorenentwicklung‟, Dr. Holger Hülser et al., MTZ 1/2003 Jahrgang 64, Seite 30 bis 37, ist ein Rechenmodell bekannt, welches die Abgasnachbehandlungseinrichtung in mehrere Zellen einteilt und den Beladungszustandes in jeder der Zellen mittels eines Ablagerungsmodells ermittelt. Durch die Kenntnis des Beladungszustandes muss eine aktive Regeneration des Partikelfilters erst dann ausgelöst werden, wenn kritische Grenzwerte überschritten werden. Gegenüber einem Partikelfiltersystem, das nur auf einer Druckmessung beruht, sind so weniger Regenerationen erforderlich.
• Aus der WO 2004/015248 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung eines erzwungenen Regenerationszyklus bei einem Partikelfilter einer DieselBrennkraftmaschine bekannt, wobei ein Emissionsmodell für Partikel und NOx, ein Partikel-Oxidationsmodel und ein Partikel-Akkumulationsmodel für die Partikelfilterbeladung verwendet werden.
• Die US 2003/0167757 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der in einem Partikelfilter angesammelten Partikelmenge, wobei die Veränderung der räumlichen Verteilung der Partikel in dem Partikelfilter und/oder die Veränderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Partikel als Funktion von Motorbetriebszuständen und vergangener Partikelansammlung im Partikelfilter erfasst werden.
• Weiters ist aus der JP 2004-293 413 A ein System zur Steuerung der Emissionen bekannt, wobei die Menge der Partikelbeladung mittels eines mathematischen Modells auf der Basis von Motorparametern wie Motordrehzahl, Kraftstoffdurchsatz und der zeitlichen Änderung des Differenzdruckes ermittelt wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf einfache Weise eine möglichst genaue Abschätzung der Partikelemissionen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, auf Basis einer Abschätzung der im Abgas vorhandenen Stickoxide die Schätzung der im Partikelfilter abgelagerten Partikel zu verbessern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung ist es, auf Basis eines Rechenmodells eine weitere Verbesserung der Steuerung der Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
• Erfindungsgemäß wird dies durch folgende Schritte erreicht:
• - Bereitstellen eines vorzugsweise kennfeldbasierten Emissionsmodells für Partikel;
• - Bereitstellen zumindest eines vorzugsweise kennfeldbasierten Emissionsmodells für Stickoxide;
• - Bereitstellen eines vorzugsweise temperaturabhängigen Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide;
• - Bestimmen der theoretischen Partikelmasse und/oder Partikelkonzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel für zumindest einen Betriebspunkt;
• - Bestimmen der Stickoxide aufgrund des Emissionsmodells für Stickoxide für zumindest einen Betriebspunkt;
• - Bestimmen einer negativen Partikel-Äquivalenz und/oder -Konzentration aufgrund des Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide für die bestimmten Stickoxide;
• - Bestimmen der effektiven Partikelmasse und oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel und der negativen Partikel-Äquivalenz und
• - Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration in ein Modell des Partikelfilters,
wobei vor dem Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder - konzentration in ein Modell des Partikelfilters eine negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder -konzentration aufgrund des Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide für die bestimmte Stickoxidmasse und/oder -konzentration bestimmt wird.
• Die Erfindung geht von dem Faktum aus, dass die im Abgas vorhandenen Rußpartikel im Abgasstrand und/oder im Partikelfilter durch die gleichzeitig vorhandenen Stickoxide oxidiert werden und sich somit nicht im Partikelfilter festsetzen. Die Oxidation der Partikel durch Stickoxide ist als sogenannter CRT-Effekt (Continuous Regeneration Trap) bekannt und hängt stark von der Temperatur des Partikelfilters ab. Um diesen Umstand zu berücksichtigen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Partikelfiltertemperatur an zumindest einer Stelle ermittelt wird und die negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder die negative Partikel-Äquivalenzkonzentration in Abhängigkeit der Partikelfiltertemperatur bestimmt wird, wobei vorzugsweise die Partikelfiltertemperatur durch Messen der Abgastemperatur vorzugsweise stromaufwärts des Partikelfilters bestimmt wird. Dabei können auch unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen Stellen des Partikelfilters berücksichtigt werden.
• Eine noch genauere Abschätzung des Partikeleintrages lässt sich realisieren, wenn getrennte kennfeldbasierte Emissionsmodelle für die NO- und NO₂-Emissionen bereitgestellt werden und dass für den zumindest einen Betriebspunkt die NO- und/oder NO₂-Emissionen bestimmt werden und dass aufgrund der NO- und NO₂-Emissionen effektive Partikelmassen und/oder Konzentrationen bestimmt werden. Damit wird berücksichtigt, dass Stickoxide, wie NO oder NO₂ die Rußpartikel unterschiedlich stark oxidieren.
• Eine weitere Verbesserung der Abschätzung lässt sich erreichen, wenn bei der Bestimmung der effektiven Partikelmasse berücksichtigt wird, dass die im Abgasstrang vorhandenen Stickoxide, die aktuell im Abgas befindlichen Rußpartikel besser oxidieren als im Partikelfilter abgelagerte Rußpartikel.
• Da zu den Rußpartikeln aus dem Emissionsmodell die negativen äquivalenten Partikel addiert werden, können sich für die effektiven Partikel auch negative Werte ergeben. Um zu berücksichtigen, dass auch bei hohem Überschuss von Stickoxiden gegenüber Partikeln die bereits im Partikelfilter abgelagerten Partikel nur sehr langsam abgebaut werden, kann vorgesehen sein, dass der Wert für die effektive Partikelmasse nach unten begrenzt wird.
• Statt der Massenströme der Komponenten im Abgas können die entsprechenden Konzentrationen und der Volumenstrom an Abgas verwendet werden.
• Durch verbesserte Schätzung der Partikelemissionen der Brennkraftmaschine kann die Beladung eines Partikelfilters besser bestimmt werden. Die verbesserte Kenntnis der Beladung des Partikelfilters ermöglicht es, eine Regeneration zielgerichteter auszulösen, da der Sicherheitsabstand zu einem überladenen Filter, das bei Regeneration thermisch geschädigt würde, verringert werden kann. Der Kraftstoffmehrverbrauch für die Regeneration des Diesel-Partikelfilters kann damit wesentlich reduziert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert somit die Abschätzung der in einem Partikelfilter abgelagerten Masse an Rußpartikeln. Eine genaue Kenntnis der abgelagerten Partikelmasse ist wichtig, um Systeme zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Wall-Flow-Partikelfilter, bedarfsgerecht regenerieren zu können. In Verbindung mit einem geeigneten Algorithmus für die Auslösung einer Partikelfilter-Regeneration kann so die Regenerationsfrequenz wesentlich reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Software in die Motorsteuerungseinheit implementiert werden.
• Um eine weitere Verbesserung der Steuerung der Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass für jede Zelle zumindest ein Schwellwert für den maximal zulässigen Beladungszustand definiert wird, und dass der Regenerationsvorgang für die Abgasnachbehandlungseinrichtung eingeleitet wird, wenn der Beladungszustand zumindest einer Zelle über dem entsprechenden Schwellwert liegt. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass aufgrund des Beladungszustandes zumindest einer Zelle eine Zustandszahl ermittelt wird und dass der Regenerationsvorgang in Abhängigkeit der Zustandszahl eingeleitet wird.
• Im Unterschied zu bekannten Verfahren zum Betrieb eines Partikelfilters wird die räumlich inhomogene Verteilung der Partikel im Filter nicht nur zur verbesserten Bestimmung der Gesamtmasse an abgelagerten Partikeln benutzt, sondern unmittelbar zur Beeinflussung der Auslösung einer Regeneration des Partikelfilters. Diese Verbesserung in der Auslösung der Regeneration erlaubt eine Reduktion der Anzahl der Regenerationen, was den Kraftstoff-Mehrverbrauch reduziert. Insbesondere kann aber auch eine thermische Schädigung des Partikelfilters durch lokale Überhitzung besonders stark beladener Bereiche vermieden werden.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Beladungszustände in zumindest zwei Zellen des Partikelfilters bestimmt. Die Zellen des Partikelfilters können dabei fiktiv festgesetzt sein und müssen nicht unbedingt mit konstruktiv ausgebildeten Zellen übereinstimmen. Zur Erfassung von verschiedenen Zellen in Strömungsrichtung des Abgases oder quer dazu ist das Rechenmodell für die Beladung des Partikelfilters somit zumindest eindimensionaler Art, d.h., dass zumindest eine Längendimension, beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases und/oder quer dazu, erfasst wird. Neben der Gesamtmasse an Partikeln werden somit auch die Massen in unterschiedlichen Teilen des Partikelfilters berücksichtigt, um die Regeneration des Partikelfilters abhängig von der Masse an Partikeln in unterschiedlichen Zellen des Partikelfilters bzw. in Abhängigkeit von deren Verteilung einzuleiten.
• Vorzugsweise wird der Partikelfilter im Rechenmodell in gleich große Zellen unterteilt. Dadurch kann der Rechenaufwand so gering für möglich gehalten werden. Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass die Zellen unterschiedliche Größe aufweisen.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Ablagerungsmodell die in jede der Zellen einströmende Masse an Partikeln in einen Anteil, welcher in dieser Zelle abgelagert wird und in einen Anteil, welcher aus der Zelle ausströmt, einteilt. Für die Beladung ist vor allem der Anteil, der in jeder Zelle abgelagert wird, von Relevanz.
• Gemäß der Erfindung ist kann vorgesehen sein, dass einander entsprechende Schwellwerte zumindest zweier Zellen unterschiedlich groß definiert werden, wobei vorzugsweise der Schwellwert einer stromaufwärtigen Zelle kleiner ist als der Schwellwert einer stromabwärtigen Zelle. Überschreitet der Beladungszustand zumindest einer Zelle einen entsprechenden Schwellwert, so wird der Regenerationsvorgang eingeleitet. Es ist aber auch möglich, dass die Entscheidung über die Regenerationsnotwendigkeit aus dem Beladungszustand mehrerer Zellen abgleitet wird. So kann aus der Verteilung der Partikel in den Zellen des Partikelfilter-Modells eine Information über den Beladungszustand gewonnen werden. Diese Information über den Beladungszustand wird einem Rechenblock zugeführt, der aus dem Beladungszustand und möglichen weiteren Informationen eine Aussage über die Regenerationsnotwendigkeit bestimmt. Diese Aussage über die Regenerationsnotwendigkeit kann aus einer binären Anforderung (ja/nein) oder einer Zustandszahl bestehen, die eine Information über die Dringlichkeit einer Regeneration des Partikelfilters enthält. Die Regenerationsanforderung kann weiters mit weiteren Informationen, beispielsweise Motor- und/oder Abgasparameter, verknüpft werden, um dann tatsächlich eine Regeneration des Partikelfilters auszulösen.
• Um eine genaue Aussage über den Beladungszustand des Partikelfilters zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn für zumindest eine Gruppe von Zellen jeweils zumindest zwei Schwellwerte, vorzugsweise ein erster und ein zweiter Schwellwert, definiert wird und dass in Abhängigkeit der Häufigkeit des Überschreitens der Schwellwerte die Zustandszahl ermittelt wird, wobei vorzugsweise Überschreitungen von höheren Schwellwerten die Zustandszahl mehr beeinflusst als Überschreitungen von niedrigeren Schwellwerten.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Partikel in brennbare und nicht brennbare Partikel unterteilt werden und wenn die Beladung jeder Zelle mit brennbaren und nicht brennbaren Partikeln getrennt ermittelt wird, wobei vorzugsweise die Regeneration des Partikelfilters nur dann eingeleitet wird, wenn die Beladung einer oder mehrerer Zellen mit brennbaren Partikeln einen Schwellwert für brennbare Partikel überschreitet. Auf diese Weise kann die Regenerationseffektivität wesentlich erhöht werden.
• In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Beladungszustand in jedem der Abschnitte in Abhängigkeit der im Abgasstrom vorhandenen Stickoxiden und/oder in Abhängigkeit der Temperatur des Partikelfilters ermittelt wird. Hierbei wird berücksichtigt, dass im Abgasstrom vorhanden Stickoxide die Ablagerung von Partikeln im Partikelfilter erheblich reduzieren können, insbesondere bei hohen Temperaturen des Partikelfilters und/oder bei einer katalytischen Beschichtung des Partikelfilters. Weiters ist es möglich, den Einfluss der Stickoxide auf die im Partikelfilter abgelegte Masse an Partikeln zu berücksichtigen. Dabei kann auf Basis der aus dem Partikelemissionsmodell bestimmten Masse an Partikeln, der aus dem NOx-Emissionsmodell bestimmten Masse an Stickoxiden, sowie der Temperatur des Partikelfilters eine um dem temperaturabhängigen Einfluss der Stickoxide verminderte effektive Partikelmasse bestimmt werden, die sich im Partikelfilter ablagert.
• Die Temperatur des Partikelfilters wird berücksichtigt, da die Oxidation der Partikel durch NO_x von der Temperatur des Partikelfilters abhängt. So findet bei Temperaturen unterhalb von ca. 200°C keine Oxidation von NOx statt. In einer einfachen Ausführungsform wird im Stickoxidemissionsmodel die Masse an Stickoxiden mit einem Faktor multipliziert, der von der Temperatur des Partikelfilters abhängt, das Ergebnis von der Partikelmasse subtrahiert und das Resultat dieser Subtraktion auf einen nur leicht negativen Wert nach unten begrenzt, um die effektive Partikelmasse zu erhalten. Der Wert des genannten Faktors nimmt bei tiefen Temperaturen den Wert 0 an und entspricht bei hohen Temperaturen einem festen Wert, welcher auch die unterschiedliche (mittlere) molekulare Masse von Stickoxiden und Ruß berücksichtigt.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch
• 1 den Aufbau des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 2 einen relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuergerät;
• 3 ein einfaches Verfahren zur Korrektur des Emissionsmodells;
• 4 ein verbessertes Verfahren zur Korrektur des Emissionsmodells;
• 5 den Aufbau des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsvariante;
• 6 ein einfaches Verfahren zur Ermittlung des Partikeleintrages gemäß der Erfindung;
• 7 ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Partikeieintrages;
• 8 den grundsätzlichen Aufbau des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 9 das Partikelfilter-Modell;
• 10 den Verfahrensablauf in einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante;
• 11 den Verfahrensablauf in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante;
• 12 die Partikelverteilung in einem Partikelfilter in Strömungsrichtung; und
• 13 die kumulierte Partikelmasse pro Zelte.
• 1 zeigt zunächst den grundsätzlichen Aufbau des Systems: Im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors 1 ist ein Partikelfilter 2 angeordnet. Weiterhin ist im Abgasstrang 5, vorteilhafterweise vor dem Partikelfilter 2, ein Partikelsensor 3 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 1 wird von einem elektronischen Steuergerät ECU gesteuert. Auch der Partikelsensor 2 ist an das Steuergerät ECU angeschlossen. Weitere Sensoren wie z.B. ein Differenzdrucksensor sind möglich, aber nicht unbedingt erforderlich für das erfindungsgemäße Verfahren.
• 2 zeigt den relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuergerät 4. Ein bekanntes Emissionsmodell EM liefert auf Basis von Motorbetriebsdaten wie etwa Drehzahl n, Drehmoment M etc. einen aktuellen idealen Wert für die vom Motor emittierte Partikelmasse m_soot(t). Dieser Wert wird einem Integrator I zugeführt. Dieser Integrator I weist neben dem Signaleingang für die Partikelmasse noch einen Steuerungseingang auf.
• Weiterhin ist ein Steuerungsalgorithmus SP für den integrierenden Partikelsensor vorgesehen. Solche integrierenden Partikelsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass während eines Messintervalls Partikel auf dem Sensor gesammelt werden. Nach dem Ende des Messintervalls wird die Gesamtmasse m_soot_real an Partikeln auf dem Sensor bestimmt. Zudem ist meist eine Regenerierung des Sensors erforderlich, wodurch der integrierende Partikelsensor für die Dauer dieser Regeneration nicht zur Messung in der Lage ist. Daher ist vorgesehen, dass der Steuerungsalgorithmus SP für den integrierenden Partikelsensor neben einem Ausgang für die Partikelmasse m_soot_real noch zumindest einen weiteren SignalAusgang aufweist, über den angezeigt wird, ob gerade eine Partikelmessung aktiv ist (Signal M_aktiv). Nach der Regeneration steht der integrierende Partikelsensor für eine weitere Messung zur Verfügung.
• Dieses Signal wird nun dem Steuerungseingang des Integrators I zugeführt. Der Integrator ist dabei so ausgeführt, dass er das Eingangssignal während der Zeitspanne integriert, während der das Signal M_aktiv am Steuerungseingang anliegt. Liegt das Signal nicht mehr an, wird der Wert des Integrators in der Variablen m_soot_ideal gespeichert und gleichzeitig der Wert des Integrators auf Null zurückgesetzt. Der integrierte Wert der Emissionen m_soot_ideal aus dem Emissionsmodell EM liegt nun am Ausgang des Integrators I an.
• Sowohl dieser Wert als auch die vom integrierenden Partikelsensor während der Messdauer gemessenen reale integrierte Partikelmasse m_soot_real werden einem Vergleicher-Algorithmus V zugeführt. Dieser Vergleicher V bestimmt vorteilhafterweise nun das Verhältnis soot_ratio aus den Emissionen, die aus dem Emissionsmodell integriert werden und den realen vom Partikelsensor gemessenen Emissionen $$\text{soot\_ratio}=\text{m\_soot\_ideal}/\text{m\_soot\_real}.$$

  
• Auch weitere mathematische Verfahren, um die Abweichung zwischen den realen und den aus dem Emissionsmodell ermittelten idealen Emissionen zu beschreiben, wie etwa die relative Differenz, sind hier möglich und auch im erfindungsgemäßen Verfahren enthalten.
• Der Wert für die Abweichung, vorteilhafterweise also der Wert soot_ratio wird nun einem weiteren Algorithmus zur Korrektur MK des Emissionsmodells EM zugeführt. Für die Korrektur des Emissionsmodells gibt es mehrere Möglichkeiten, die im Folgenden näher beschrieben werden.
• 3 stellt ein sehr einfaches Verfahren zu dieser Korrektur MK dar. Aus der Abweichung, soot_ratio, wird ein Faktor f_K bestimmt, der mit dem Ausgang des Emissionskennfelds m_soot_roh(t) multipliziert wird. Die korrigierte geschätzte Partikel-Emission bestimmt sich so in jedem Betriebspunkt zur Zeit t zu: $$\text{m\_soot}\left(\text{t}\right)=\text{m\_soot\_roh}\left(\text{t}\right)*\text{f\_K}.$$

  
• Im einfachsten Fall ist dieser Korrekturfaktor gleich dem Kehrwert des zuvor bestimmten Verhältnisses von geschätzten und gemessenen Emissionen soot_ratio: $$\text{f\_K}=1/\text{soot\_ratio}=\text{m\_soot\_real}/\text{m\_soot\_ideal}$$

  
• Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn bei jeder Messung der Korrekturfaktor auf Basis von soot_ratio nur wenig geändert wird, um Schwankungen zu glätten. Zu diesem Zweck wird der letzte Wert von f_K in einer Variablen f_K_alt gespeichert um mit jeder Änderung von soot_ratio, die bei einer neuen Messung des integrierenden Partikelsensors auftritt, den Wert f_K nach der Gleichung: $$\text{f\_K}=\text{f1}*\text{f\_K\_alt}+\left(1-\text{f1}\right)/\text{soot\_ratio}$$

  

  zu bestimmen, wobei f1 ein Faktor zwischen 0 und 1 ist, bevorzugt zwischen 0,85 und 0,95. Die Neuberechnung findet hier jeweils dann statt, wenn aus dem Signal Messung_aktiv erkannt wird, dass eine Partikelmessung abgeschlossen wurde.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, den Wert von f_K nur dann zu ändern, wenn soot_ratio innerhalb eines bestimmten Plausibilitätsintervalls liegt, um bei Fehlmessungen eine Verfälschung zu verhindern. Die Grenzen dieses Plausibilitätsintervalls hängen von der Messgenauigkeit des integrierenden Partikelsensors ab, vorteilhaft sind hier Grenzwerte von 0,5 und 2.
• 4 zeigt ein verbessertes Verfahren zur Korrektur des Emissionsmodells EM. Diesem verbesserten Verfahren zur Korrektur liegt der Gedanke zugrunde, dass die Abweichungen zwischen den im Emissionskennfeld abgelegten Emissionen eines idealen Motors und den realen Emissionen vom Betriebspunkt des Motors abhängen können. Darum wird hier statt eines einheitlichen Faktors für alle Betriebspunkte ein Korrektur-Kennfeld KK eingesetzt, in dem betriebspunktabhängige Korrekturfaktoren abgelegt sind. Zur Bestimmung der Partikelemissionen m_soot(t) wird nun der Wert des Emissionsmodells m_soot_roh(t) mit dem aus dem Korrektur-Kennfeld KK abgelesenen vom aktuellen Betriebspunkt abhängigen Korrekturfaktor multipliziert. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Korrektur-Kennfeld KK über den gleichen Eingangsgrößen aufgespannt wird, die auch in das Emissionsmodell EM eingehen, also z.B. Drehzahl n und Drehmoment M des Motors. Es ist aber auch möglich, dass das Korrektur-Kennfeld über weniger Eingangsgrößen aufgespannt ist als das Emissions-Kennfeld.
• Die Bestimmung der betriebspunktabhängigen Korrekturfaktoren wird nun erläutert: Während eine Messung des integrierenden Partikelsensors aktiv ist (Signal M_aktiv) wird in einem weiteren Kennfeld H („Histogramm“), das über den gleichen Eingangsgrößen aufgespannt ist wie das Korrektur-Kennfeld KK, die relative Häufigkeit der Motorbetriebspunkte während der Dauer der Messung des integrierenden Partikelsensors bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Korrektur-Kennfeld KK und das Histogramm H über den Größen Motordrehzahl und Drehmoment aufgespannt. Beide Achsen sind nun in Intervalle der Breite Δn für die Drehzahl und ΔM für das Drehmoment geteilt, z.B. Intervalle in einer Breite von 100 Umdrehungen pro Minute für die Motordrehzahl n und Intervalle in einer Breite von 5% des maximalen Motordrehmoments 5. Die Stützstellen und damit die Anzahl der Felder im Korrektur-Kennfeld KK sind dabei gleich wie im Histogramm H.
• In festen Zeitabständen Δt, z.B. alle 20 ms, während der Messdauer des integrierenden Partikelsensors wird nun dasjenige Intervall bestimmt, in dem der aktuelle Motorbetriebspunkt liegt. Der Häufigkeitswert H_abs(n, M) dieses Intervalls wird dann um 1 erhöht. Nach dem Ende der Messdauer des integrierenden Partikelsensors wird der relative Häufigkeitswert h_rel(n, M) jedes Intervalls bestimmt, indem der absolute Häufigkeitswert H_abs(n, M) durch die Länge der Messung in Einheiten von Δt geteilt wird.
• Weiterhin wird am Ende der Messdauer der Korrekturfaktor f_K nach der Gleichung $$\text{f\_K}=1/\text{soot\_ratio}=\text{m\_soot\_real}/\text{m\_soot\_ideal}$$

  

  bestimmt. Für alle diejenigen Felder im Korrektur-Kennfeld KK, für die der Wert h_rel(n, M) im korrespondierenden Feld des Histogramms H nun den Wert h_rel_min von z.B. 0,02 übersteigt, wird der Wert des Korrektur-Kennfeldes modifiziert.
• Wie oben bereits dargelegt, kann der Wert des Korrektur-Kennfeldes f_K(n, M) an diesen Stellen durch den Wert f_K ersetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, analog zu dem oben für einen einzigen Parameter dargestellten Verfahren, die letzten Werte von f_K(n, M) für alle Felder des Korrektur-Kennfelds in einem neuen Kennfeld Korrektur_Kennfeld_alt zu speichern, das dann die Felder f_K_alt(n, M) enthält. Nach Abschluss einer Messung des integrierenden Partikelsensors wird dann für alle Felder im Korrekturkennfeld, für die der Wert h_rel(n, M) im korrespondierenden Feld des Histogramms den Wert h_rel_min von z.B. 0,02 übersteigt, der Wert des Korrektur-Kennfeldes nach der Gleichung: $$\text{f\_K}\left(\text{n}\text{,M}\right)=\text{f1}*\text{f\_K\_alt}\left(\text{n}\text{,M}\right)+\left(1-\text{f1}\right)/\text{soot\_ratio}$$

  

  bestimmt, wobei f1 ein Faktor zwischen 0 und 1 ist, bevorzugt zwischen 0,85 und 0,95.
• Weiterhin werden nach der Neuberechung des Korrektur-Kennfelds KK alle Werte H_abs(n, M) im Histogramm auf Null zurückgesetzt.
• Das Steuerungsverfahren kann in das Motorsteuergerät implementiert werden. Alternativ ist es auch möglich, das Steuerungsverfahren in ein externes Steuergerät, z.B. in einen „Fahrzeugführungsrechner“, der vielfach in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, zu implementieren.
• Bei Einsatz von Sensoren, die zwischen brennbaren und nicht-brennbaren Partikeln unterscheiden können, kann das Verfahren separat für brennbare und nichtbrennbare Partikel durchgeführt werden.
• 5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Systems in einer zweiten Ausführungsvariante: Im Abgasstrang 15 eines Verbrennungsmotors 11 ist ein Partikelfilter 12 angeordnet. Weiters ist im Ausführungsbeispiel im Abgasstrang 15 vor dem Partikelfilter 12 ein Oxidations-Katalysator 16 angeordnet. Der Oxidationskatalysator kann aber auch gegebenenfalls entfallen. Zur Bestimmung der Temperatur des Partikelfilters 12 ist zumindest ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der vor oder nach dem Partikelfilter 12 angebracht sein kann, evtl. auch vor dem Oxidationskatalysator 16.
• Der Verbrennungsmotor wird von einem elektronischen Steuergerät 14 gesteuert. Auch der zumindest eine Temperatursensor 13 ist an das Steuergerät 14 angeschlossen. Weitere Sensoren wie z.B. ein Differenzdrucksensor sind möglich, aber nicht unbedingt erforderlich für das erfindungsgemäße Verfahren.
• Im elektronischen Steuergerät 14 ist auch ein Modell vorhanden, das aus dem Signal des zumindest einen Temperatursensors und weiteren Größen zumindest eine mittlere Temperatur des Partikelfilters 12 berechnet. Ein komplexeres Modell, das Temperaturen an mehreren Stellen des Partikelfilters 12 (z.B. Eingang, Mitte, Ausgang) berechnet ist möglich, aber nicht unbedingt erforderlich.
• 6 zeigt den relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuergerät 14. Ein bekanntes Emissionsmodell EMP für Partikel liefert einen Wert für die vom Motor 11 emittierte Partikelmasse m_soot. Ein weiteres Emissionsmodell EMNOX liefert einen Wert für die im Abgasstrom vor dem Eingang des Partikelfilters 12 vorliegende Masse an Stickoxiden, m_NOx. In einfachen Fällen entspricht die Größe m_soot und/oder m_NOX jeweils einem festen Wert, in anderen Ausführungsformen wird dieser Wert einem Kennfeld über Motorbetriebsdaten wie etwa Drehzahl n und Drehmoment M entnommen. Auch komplexere Modelle, in die noch weitere Motorbetriebsdaten eingehen, sind hier möglich.
• In einer besonderen Ausführungsform wird ein Emissionsmodell verwendet, welches statt einer einzigen Masse an Stickoxiden zwei getrennte Massen für NO (Stickstoffoxid) und NO₂ (Distickstoffoxid) bestimmt.
• Weiterhin ist in den Steuerungsalgorithmen ein Modell CRT-M für die Oxidation der Rußpartikel durch NOx vorgesehen, welches einen Faktor f_CRT bestimmt, in welchem Maße die Stickoxide im Partikelfilter 12 die im Abgas vorhandenen Partikel oxidieren. Dieser Faktor hängt in erster Linie von der Temperatur des Partikelfilters 12 ab. So findet bei Temperaturen von unterhalb ca. 200°C keine Oxidation durch NO_X statt.
• In einer einfachen Ausführungsform besteht dieses Modell CRT-M aus einer Kennlinie über der Temperatur des Partikelfilters 12, welche bei tiefen Temperaturen den Wert Null annimmt und bei hohen Temperaturen einem festen Wert entspricht. Dieser feste Wert berücksichtigt auch die unterschiedliche (mittlere) molekulare Masse von Stickoxiden und Ruß und entspricht somit dem Kehrwert des experimentell bestimmbaren Verhältnisses von NOx zu Partikeln (NO_X-Soot-Ratio) ab welchem keine Ruß-Partikel mehr im Partikelfilter abgelagert werden In weiteren Ausführungsformen können in diesem Modell CRT-M auch unterschiedliche Temperaturen an unterschiedlichen Stellen des Partikelfilters 12 und/oder eine Trennung der Stickoxide in NO und NO₂ berücksichtigt werden. Dieses Modell CRT-M kann gleichermaßen für unbeschichtete Partikelfilter wie für Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung eingesetzt werden. Bei katalytisch beschichteten Partikelfiltern 12 werden in der Regel die Faktoren f_CRT bei gleicher Temperatur höher sein als bei unbeschichteten Partikelfiltern.
• Durch Multiplikation dieses Faktors f_CRT mit der aus dem NOx-Emissionsmodell EMNO_X bestimmten Masse an Stickoxiden m_NO_X wird dann eine negative Partikel-Äquivalentmasse m_soot_neg bestimmt, welche ausdrückt, welche Masse an im Abgas vorhandenen Rußpartikeln bei der aktuellen Temperatur des Partikelfilters 12 durch NOx oxidiert werden kann.
• In einem weiteren Rechenschritt werden die mit dem Emissionsmodell EMP abgeschätzte Partikelmasse m_soot und die negative Partikel-Äquivalentmasse m_soot_neg addiert, um so die effektive Masse m_soot_eff an Partikeln zu bestimmen, die sich im Partikelfilter 12 absetzen kann.
• Diese effektive Partikelmasse m_soot_eff wird nun einem Rechenmodell eines Partikelfilters DPF-M zugeführt. In einer einfachen Ausführung besteht dieses Modell lediglich aus einem einfachen Integrator, der die in das Filter 12 eingetragenen Partikel einfach aufintegriert. In weiteren Ausführungsformen kann auch ein komplexeres Modell eines Partikelfilters 12 eingesetzt werden, z.B. ein Modell, das über mehrere Zellen in Strömungsrichtung des Abgases verfügt.
• 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens: Hierbei wird noch berücksichtigt, dass die im Abgasstrang 15 vorhandenen Stickoxide die aktuell im Abgas befindlichen Rußpartikel sehr viel besser oxidieren als solche Partikel, die bereits im Partikelfilter 12 abgelagert sind. Nach der oben hergeleiteten Berechnungsvorschrift für m_soot_eff können sich für diese Größe bei einem sehr hohen Verhältnis von NOx zu Partikeln im Abgasstrom ja negative Werte ergeben. Um zu berücksichtigen, dass auch bei hohem Überschuss von NOx gegenüber Partikeln die bereits im Partikelfilter 12 abgelagerten Partikel nur sehr langsam abgebaut werden, ist demnach vorgesehen, einen Rechenblock Be einzusetzen, der den Wert der in die Berechnung der Filterbeladung eingehenden effektiven Partikelmasse auf den nur leicht negativen Wert m_soot_eff_lim begrenzt.
• Anstelle der in den Ausführungsbeispielen und den Figuren verwendeten Massenströme der Komponenten im Abgas können auch die entsprechenden Konzentrationen und der Volumenstrom an Abgas verwendet werden.
• Das Steuerungsverfahren kann in das Motorsteuergerät implementiert werden. Alternativ ist es auch möglich, das Steuerungsverfahren in ein externes Steuergerät, z.B. in einen „Fahrzeugführungsrechner“, der vielfach in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, zu implementieren.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für Diesel- als auch für Otto-Motoren.
• 8 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Systems. Im Abgasstrang 102 einer Brennkraftmaschine 101 ist ein Partikelfilter 103 angeordnet. Gegebenenfalls kann vor dem Partikelfilter 103 noch ein nicht weiter dargestellter Oxidationskatalysator positioniert sein.
• Mit Bezugszeichen CPU ist die Motorsteuereinheit bezeichnet. Aufgrund des durch die Motorsteuereinheit CPU vorgegebenen Motorbetriebspunkts werden im Emissionsmodell 105 Rohemissionen, wie NOx, HC, CO, Partikelemissionen oder dergleichen berechnet. Teil des Emissionsmodells 105 ist ein Partikel-Emissionsmodell EMP, welches Werte für die Massen bzw. die Konzentrationen der Partikel im Abgas liefert. Zur Modulierung der Ablagerung der Partikel im Partikelfilter 103 ist ein Partikelfiltermodell PF-M vorgesehen. Gegebenenfalls können die Emissionsmodelle 105, EMP und das Partikelfiltermodell PF-M über Sensoren 107, 108 in Korrekturschritten 108, 109 modifiziert werden. Das Partikelfiltermodell PF-M ermittelt den Beladungszustand und gibt Anforderungen zur Durchführung einer Regeneration an eine Regenerationssteuereinheit 110 weiter, die über die Motorsteuereinheit CPU den nächsten Regenerationsvorgang für den Partikelfilter 103 einleitet. Mit Bezugszeichen 111 sind der Motorsteuereinheit CPU zugeführte Daten über den Fahrzeug-Zustand und über die Fahrsituation bezeichnet. Das Emissionsmodell 105, das Partikel-Emissionsmodell EMP und/oder das Partikelfiltermodell PF-M können in die Motorsteuereinheit CPU integriert sein. Es ist aber auch möglich, zumindest eines der Modelle in ein separates Steuergerät oder in ein anderes Steuergerät, beispielsweise einen sogenannten „Fahrzeugführungsrechner“, der vielfach in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, zu implementieren.
• 9 zeigt den relevanten Ausschnitt der Steuerungsalgorithmen im Motorsteuergerät CPU. Ein bekanntes Partikel-Emissionsmodell EMP liefert einen Wert für die Masse m_soot bzw. die Konzentration der Partikel im Abgas. Dieses Modell EMP kann hierzu auf Motorbetriebsgrößen wie etwa Drehzahl n und Drehmoment M und/oder auf Daten von im Abgasstrang angeordneten Sensoren 106, 107 zurückgreifen. Mit m_A ist der Abgas-Volumenstrom bezeichnet.
• Weiterhin ist in den Steuerungsalgorithmen ein Partikelfilter-Modell PF-M vorgesehen, welches die Ablagerung der Partikel im Partikelfilter 103 modelliert. Bekannt sind hier bisher Modelle, welche die Gesamtmasse an Partikeln bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt hier ein Modell ein, das aus n fiktiven Zellen Z1, Z2, ... Zn besteht, wobei n zumindest 102, vorteilhafterweise etwa 4-8 beträgt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn diese Modell-Zellen Z1, Z2, ... Zn in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet sind, es sich also um ein 1-dimensionales Modell des Partikelfilters 103 handelt.
• Diese mehreren Zellen Z1, Z2, ... Zn können unterschiedlich große Abschnitte des Partikelfilters 103 simulieren, aber der Rechenaufwand ist besonders gering, wenn jede Zelle Z1, Z2, ... Zn einen gleich großen Abschnitt des Partikelfilters 103 modelliert.
• Aus der Verteilung der Partikel in den Zellen Z1, Z2, ... Zn des Partikelfilter-Modells PF-M wird dann eine Information über den Beladungszustand, BZ, gewonnen, wie weiter unten ausführlich erläutert wird. Diese Information über den Beladungszustand BZ wird dann einem Rechenblock R_ANF zugeführt, der aus BZ und möglichen weiteren Informationen eine Anforderung ANF bestimmt, dass das Partikelfilter 103 zu regenerieren ist. Diese Anforderung ANF, kann, wie in der Literatur bekannt, aus einer binären Anforderung (ja/nein) oder einer Zustandszahl bestehen, die eine Information über die Dringlichkeit einer Regeneration des Partikelfilters enthält.
• Die Regenerations-Anforderung ANF kann, wie ebenfalls bekannt, in weiteren, hier nicht dargestellten Rechenblöcken mit weiteren Informationen verknüpft werden um dann tatsächlich eine Regeneration des Partikelfilters 103 auszulösen.
• 10 zeigt das Modell PF-M des Partikelfilters 103. In jeder der n Zellen Z1, Z2, ... Zn mit dem Index i ist die Masse an Partikeln m_i abgelegt, d.h. m-1 in der ersten Zelle Z1, m_2 in der zweiten Zelle Z2 usw. Ein einfacher Algorithmus zur Berechnung der Verteilung der Partikel in den einzelnen Zellen Z1, Z2, ... Zn teilt die Partikelmasse m_i_ein, die am Eingang jeder der Zellen Z1, Z2, ... Zn des Modells PF-M ankommt, in zwei Anteile m_i_par und m_i_trans auf. Dabei stellt m_par den Teil der Partikel dar, der parallel zur Strömungsrichtung 112 des Abgases weiter transportiert wird, während m_trans denjenigen Teil der Partikel darstellt, der transversal zur Richtung des Abgasstromes 112 bewegt und auf der Wand des Partikelfilters 103 abgelagert wird. Für jede Zelle Z1, Z2, ... Zn gilt also die Gleichung: $$\text{m\_i\_ein}=\text{m\_i\_trans}+\text{m\_i\_par}.$$

  
• Zudem ist die Partikelmasse m_i_par, die aus Zelle Zi parallel zum Abgasstrang transportiert wird, gleichzeitig diejenige Partikelmasse, die am Eingang der nächsten Zelle Z1, Z2, ... Zn mit dem Index i+1 ankommt. Es gilt also: $$\text{m\_}\left(\text{i}+1\right)\_\text{ein}=\text{m\_i\_par}.$$

  
• Am Eingang der ersten Zelle Z1 kommt die gesamte Partikelmasse an, es gilt also: $$\text{m\_1\_ein}=\text{m\_soot}.$$

  
• Weiterhin kann man davon ausgehen, dass ein „Wall Flow“ Partikelfilter die Partikel nahezu vollständig aus dem Abgas herausfiltert, dass also am Ausgang der letzten Zelle in guter Näherung keine Partikel mehr parallel transportiert werden. Es gilt also: $$\text{m\_n\_par}\approx \text{0}\text{.}$$

  
• Die in jeder Zelle Z1, Z2, ... Zn abgelagerte Partikelmasse m_1 ergibt sich durch Integration des transversalen Anteils m_i_trans über die Zeit.
• Die Aufteilung von m_i_ein in die beiden Anteile m_i_par und m_i_trans wird vorteilhafterweise durch einen Faktor f_i beschrieben, welcher für jede Zelle unterschiedlich ist. Es gilt also: $$\text{m\_i\_par}=\text{f\_i}\times \text{m\_i\_ein}$$

  

  und: $$\text{m\_i\_trans}=\left(1-\text{f\_i}\right)\times \text{m\_i\_ein}$$

  
• Da, wie oben ausgeführt, am Ende des Partikelfilters nahezu keine Partikel entweichen, gilt die Beziehung: $$\text{f\_1}\times \text{f\_2}\times \dots \text{f\_n}\approx \text{0}.$$

  
• Aus der Literatur ist bekannt, dass die Ablagerung der Partikel auf der Wand des Filters mit der lokalen Strömungsgeschwindigkeit durch die Wand v_i_trans steigt. Daher ist es vorteilhaft, in jedem Rechenschritt die Faktoren f_i durch eine quadratische Abhängigkeit von v_i_trans zu berechnen: $$1-\text{f\_i}=\text{f}+\text{g}\times \text{v\_i\_trans}+\text{h}\times {\left(\text{v\_i\_trans}\right)}^2$$

  
• Die Geschwindigkeiten v_i_trans können mit aus der Literatur bekannten Verfahren aus der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases vor dem Partikelfilter und dem Strömungswiderstand durch die Wand jeder Zelle bestimmt werden, wobei dieser Strömungswiderstand seinerseits von der bereits in Zelle Zi abgelagerten Partikelmasse m_i abhängt.
• Selbstverständlich sind auch komplexere Abhängigkeiten möglich, werden aber der Klarheit wegen hier nicht näher erörtert.
• Abhängig von dem Beladungszustand des Partikelfilters 103, der durch die in jeder Zelle Zi abgelagerten Partikelmasse m_i charakterisiert ist, kann der Rechenblock R_ANF nun eine Anforderung zur Regeneration des Partikelfilters 103 stellen.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in jeder Zelle Zi abgelagerte Partikelmasse m_i durch das dieser Zelle Zi zugeordnete Volumen des Partikelfilters 103 dividiert um so die Partikelbeladung B_i jeder Zelle Zi zu bestimmen. Übersteigt nun die Partikelbeladung einer Zelle Zi einen Schwellwert B_max, wird eine Regeneration angefordert. Der Schwellwert B_max ist abhängig vom Material des Partikelfilters 103 und der Einbausituation im Abgasstrang 102. Für ein Partikelfilter 103 aus Siliziumkarbid (SiC) ist eine maximale Beladung zwischen 2 g/l und 12 g/l, besonders vorteilhafterweise zwischen 8 g/l und 10 g/l vorteilhaft.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird für den Vergleich nicht die Beladung B_i einer einzelnen Zelle Zi, sondern die über mehrere Zellen z.B. zwei oder drei Zellen, gemittelte Beladung herangezogen.
• In einer weiteren Ausgestaltung werden für unterschiedliche Teile des Partikelfilters 103 unterschiedliche Partikelbeladungs-Schwellwerte B_max berücksichtigt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Schwellwert im vorderen Teil des Partikelfilters 103 einen geringeren Wert hat als im hinteren Teil, da eine übermäßig hohe Beladung des Partikelfilters 103 im vorderen Teil besonders schnell zu einer Verstopfung des Partikelfilters 103 führen kann.
• Wenn die Regenerations-Anforderung ANF nicht aus einem binären ja/nein Wert sondern aus einer Zustandszahl besteht, die eine Information über die Dringlichkeit einer Regeneration des Partikelfilters enthält, ist es vorteilhaft, wenn diese Zustandszahl von der Anzahl der Zellen Zi des Partikelfilters 103 abhängt, deren Beladung B_i den Schwellwert B_max überschreitet.
• Hierbei ist es noch vorteilhafter, wenn es einen ersten Schwellwert B_max_1 und einen zweiten Schwellwert B_max_2 gibt, wobei B_max_2 vorteilhafterweise größer ist als B_max_1. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt die Zustandszahl von der Anzahl der Zellen ab, deren Beladung B_i den ersten Schwellwert B_max_1 überschreitet sowie von der Anzahl der Zellen, deren Beladung B_i ebenfalls den zweiten Schwellwert B_max_2 überschreitet, wobei die Anzahl der Zellen deren Beladung den Wert B_max_2 überschreitet einen größeren Einfluss auf den Wert der Zustandszahl hat als die Anzahl der Zellen Zi, deren Beladung lediglich den Wert B_max_1 überschreitet.
• Weiterhin ist es vorteilhaft die Partikel in brennbare Partikel (Ruß) und nicht brennbare Partikel (Asche) zu unterteilen und die Beladung jeder Zelle Zi mit brennbaren und nicht brennbaren Partikeln getrennt zu berechnen.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, eine Regeneration des Partikelfilters 103 nur dann anzufordern, wenn die Beladung einer oder mehrerer gemittelter Zellen Zi mit brennbaren Partikeln einen Schwellwert B_brennbar_max überschreitet.
• 11 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird berücksichtigt, dass im Abgasstrom vorhandene Stickoxide (NOx) die Ablagerung von Partikeln im Partikelfilter 103 erheblich reduzieren können (sogenannter CRT-Effekt), insbesondere bei einer hohen Temperatur des Partikelfilters und/oder bei einer katalytischen Beschichtung des Partikelfilters 103.
• Daher ist vorgesehen, zusätzlich zu dem Emissionsmodell für Partikel, EMP, ein weiteres Modell EMNO_x zu verwenden, welches die Emission an Stickoxiden beschreibt. Solch ein Modell liefert einen Wert m_NO_x für die Masse oder Konzentration an Stickoxiden im Abgasstrom, welcher z.B. aus einem Kennfeld gewonnen werden kann, das Drehzahl n, Drehmoment M oder ähnliche Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine als Eingang enthält.
• Weiterhin ist ein NO_x-Einfluss-Modell (NO_x-MOD) vorgesehen, welches den Einfluss der Stickoxide auf die im Partikelfilter 103 abgelegte Masse an Partikeln berücksichtigt. Dieses Modell bestimmt auf Basis der aus dem Partikel-Emissionsmodell EMP bestimmten Masse an Partikeln m_soot, der aus dem NO_x-Emissionsmodell EMNO_x bestimmten Masse an Stickoxiden m_NO_x sowie der Temperatur des Partikelfilters T_PF eine um den temperaturabhängigen Einfluss der Stickoxide verminderte effektive Partikelmasse m_soot_eff, die sich im Partikelfilter 103 ablagert.
• Die Temperatur T_PF wird berücksichtigt, da die Oxidation der Partikel durch NO_x von der Temperatur des Partikelfilters 103 abhängt. So findet bei Temperaturen von unterhalb ca. 200°C keine Oxidation durch NO_x statt.
• In einer einfachen Ausführungsform wird im Modell NO_x-MOD die Masse m_NO_x an Stickoxiden mit einem Faktor f_Temp multipliziert, der von der Temperatur des Partikelfilters T_PF abhängt, das Ergebnis von der Partikelmasse m_soot subtrahiert und das Resultat dieser Subtraktion auf einen nur leicht negativen Wert nach unten begrenzt, um die effektive Partikelmasse m_soot_eff zu erhalten. Der Wert des Faktors f_Temp nimmt bei tiefen Temperaturen den Wert Null an und entspricht bei hohen Temperaturen einem festen Wert, welcher auch die unterschiedliche (mittlere) molekulare Masse von Stickoxiden und Ruß berücksichtigt.
• In 12 ist die Partikelmassenverteilung in Strömungsrichtung nach einer Beladung relativ zur Position im Partikelfilter gezeigt. Mit A ist dabei die gemessene Masse m_p der Partikel, mit B die aus dem Ablagerungsmodell ermittelte Masse m_p der Partikel im Partikelfilter bezeichnet, wobei der Partikelfilter 103 in vier Zellen eingeteilt wurde. Die kumulierte Masse m_p der Partikel pro Zelle Z1, Z2, Z3, Z4 ist in 13 für gemessene und mit dem Ablagerungsmodell ermittelte Massen A, B dargestellt. Es ist eine gute Übereinstimmung zwischen realen und errechneten Ergebnissen erkennbar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand von Massenströmen der Komponenten im Abgas erörtert. Anstelle der Massenströme können aber auch die entsprechenden Konzentrationen und der Volumenstrom der Abgase verwendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ermitteln des Partikeleintrages in einem im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilter, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Emissionsmodells für Partikel; - Bereitstellen zumindest eines Emissionsmodells für Stickoxide; - Bereitstellen eines Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide; - Bestimmen der theoretischen Partikelmasse und/oder Partikelkonzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel für zumindest einen Betriebspunkt; - Bestimmen der Stickoxidmasse und/oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Stickoxide für zumindest einen Betriebspunkt, - Bestimmen einer effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration aufgrund des Emissionsmodells für Partikel und der negativen Partikel-Äquivalentmasse und/oder -konzentration und - Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder -konzentration in ein Modell des Partikelfilters dadurch gekennzeichnet, dass - vor dem Akkumulieren der effektiven Partikelmasse und/oder - konzentration in ein Modell des Partikelfilters eine negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder -konzentration aufgrund des Modells für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide für die bestimmte Stickoxidmasse und/oder -konzentration bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsmodell für Partikel und/oder das Emissionsmodell für Stickoxide kennfeldbasiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell für die Oxidation der Rußpartikel durch Stickoxide temperaturabhängig ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte kennfeldbasierte Emissionsmodelle für die NO- und NO₂-Emissionen bereitgestellt werden und dass für den zumindest einen Betriebspunkt die NO- und/oder NO₂-Emissionen bestimmt werden und dass aufgrund der NO- und NO₂-Emissionen effektive Partikelmassen und/oder Konzentrationen bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfiltertemperatur an zumindest einer Stelle ermittelt wird und die negative Partikel-Äquivalentmasse und/oder die negative Partikel-Äquivalentkonzentration in Abhängigkeit der Partikelfiltertemperatur bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfiltertemperatur durch Messen der Abgastemperatur vorzugsweise stromaufwärts des Partikelfilters bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der effektiven Partikelmasse berücksichtigt wird, dass die im Abgasstrang vorhandenen Stickoxide die aktuell im Abgas befindlichen Rußpartikel besser oxidieren als im Partikelfilter abgelagerte Rußpartikel.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für die effektive Partikelmasse nach unten begrenzt wird.

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