Zitat:
Dieselpartikelfilter
Um die bei Abgasgesetzgebung EURO5 und EURO6 geforderten Partikelemissionen einhalten zu können, ist das Fahrzeug mit einem Dieselpartikelfilter ausgestattet.
Im Filtergehäuse des Filters befinden sich der Oxidationskatalysator und der eigentliche Dieselpartikelfilter. Der Oxidationskatalysator ist vor dem Dieselpartikelfilter angeordnet.
Ausstattungsabhängig kann statt des Oxidationskatalysators auch ein Stickoxidkatalysator eingebaut sein.
Für den Oxidationskatalysator wird ein mit Platin und Palladium beschichtetes Metallsubstrat verwendet. Der Dieselpartikelfilter selber besteht aus einem wanddurchlässigen Monolithen aus Keramik, der ebenfalls mit Platin und Palladium beschichtet ist.
| Hinweis! Die Beschreibung des Dieselpartikelfilters wird anhand des Motors N47D20O1 US-Variante vorgenommen. Prinzipiell gilt die Beschreibung für alle anderen Dieselmotoren mit Dieselpartikelfilter. |
Übersicht Dieselpartikelfilter mit Oxidationskatalysator:
1 | Lambdasonde vor Katalysator | 2 | Abgastemperatursensor vor Katalysator |
3 | Steckverbindung 3-polig | 4 | Differenzdrucksensor Partikelfilter |
5 | Steckverbindung 2-polig | 6 | Steckverbindung 2-polig |
7 | Steckverbindung 2-polig | 8 | Steckverbindung 2-polig |
1 | Abgastemperatursensor nach Katalysator | 2 | Lambdasonde nach Katalysator |
3 | Steckverbindung 5-polig | |
Bauteil-Kurzbeschreibung
Sensorik am Dieselpartikelfilter
Differenzdrucksensor Dieselpartikelfilter
| Hinweis! In anderen Modellen kann nur ein Abgasdrucksensor eingebaut sein. |
Mit dem Signal des Differenzdrucksensors und des Abgastemperatursensors steuert die Digitale Diesel Elektronik (DDE) die Regeneration des Dieselpartikelfilters. Der Differenzdrucksensor misst den Druck im Abgassystem vor sowie nach dem Partikelfilter. Wenn der Abgasdruck über den zulässigen Wert von 750 mbar Überdruck steigt, wird von der Digitalen Diesel Elektronik die Regeneration des Partikelfilters eingeleitet (Beladung des Dieselpartikelfilters überschritten).
Im Differenzdrucksensor wandelt eine Blechmembran den Abgasdruck in einen Weg um. Dieser Weg wird von 4 druckempfindlichen Widerständen in ein Spannungssignal umgesetzt. Der Messbereich des Abgasdrucksensors liegt bei -0,05 bis 1,0 bar absolut, was einer Spannung von 0,875 bis 4,5 Volt entspricht.
Der Differenzdrucksensor ist über eine 3-polige Steckverbindung angeschlossen.
Der Sensor wird mit 5 Volt von der Motorsteuerung versorgt.
1 | Steckverbindung 3-polig | 2 | Differenzdrucksensor Dieselpartikelfilter |
Abgastemperatursensor vor Oxidationskatalysator und Abgastemperatursensor vor Dieselpartikelfilter
Die Drosselklappe drosselt unter bestimmten Betriebsbedingungen die Ansaugluft. Dadurch wird in Kombination mit 1 bis 2 Nacheinspritzungen eine Erhöhung der Abgastemperatur bewirkt (Regeneration des Dieselpartikelfilters). Der Abgastemperatursensor dient zur Regelung der Abgastemperatur während der zyklischen Regeneration.
Zur Temperaturerfassung wird ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand verwendet. Die Schaltung beinhaltet einen Spannungsteiler, an dem der Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen werden kann. Über eine für den Sensor spezifische Kennlinie wird in eine Temperatur umgerechnet. Im Abgastemperatursensor ist ein Heißleiter (NTC) eingebaut, dessen Widerstandswert bei steigender Temperatur sinkt. Der Widerstand verändert sich temperaturabhängig von 96 kΩ bis 32 Ω, was einer Temperatur von -40 °C bis 800 °C entspricht.
1 | Abgastemperatursensor | 2 | Steckverbindung 2-polig |
Systemfunktionen
Strategie Regeneration Dieselpartikelfilter
Da der Dieselpartikelfilter eine begrenzte Kapazität für eine Beladung mit Ruß aufweist, muss der Dieselpartikelfilter regelmäßig regeneriert werden. Daher wird vom Motorsteuergerät die Höhe der Beladung des Dieselpartikelfilters ermittelt. Die Regeneration beginnt ab einer bestimmten Grenze der Beladung mit Ruß.
Der Beginn der Regeneration hängt von folgenden Parametern ab:
- Differenzdruck im Dieselpartikelfilter
- Fahrprofil seit der letzten Regeneration
Um den angesammelten Ruß im Inneren des Dieselpartikelfilters zu oxidieren, muss die Abgastemperatur auf 580 °C angehoben werden. Um unter allen Bedingungen die Abgastemperatur erhöhen zu können, sind Maßnahmen in der Motorsteuerung integriert.
Von der Motorsteuerung geregelte und gemessene Parameter über Sensoren wie folgt:
- Luftmassenmesser
- Kühlmitteltemperatursensor
- Kurbelwellensensor
- Ansauglufttemperatursensor
- Umgebungsdrucksensor
- Ladedrucksensor
- Differenzdrucksensor Dieselpartikelfilter
- Abgastemperatursensor vor Oxidationskatalysator
- Abgastemperatursensor vor Dieselpartikelfilter
- Kraftstoffdrucksensor
- Eingelegter Gang
- Fahrgeschwindigkeit
- Füllstand Kraftstoffbehälter
Betrieb des Dieselpartikelfilters
Analyse des Differenzdrucks oder Abgasdrucks im Dieselpartikelfilter
Der Dieselpartikelfilter ist mit einem Differenzdrucksensor bestückt, welcher die anliegende Druckdifferenz stetig überwacht. Aus dem Differenzdruck wird mit dem berechneten Abgasmassenstrom die Beladung mit Ruß im Dieselpartikelfilter ermittelt.
Die Eingangsgrößen sind:
- Abgasmassenstrom (berechnet aus dem gemessenen Luftmassenstrom, dem Massenstrom der Abgasrückführung und der Kraftstoffeinspritzmenge)
- Abgastemperatur vor Dieselpartikelfilter
- Absoluter Innendruck im Dieselpartikelfilter (berechnet aus dem Modell für Druck im Abgassystem, dem Umgebungsdrucksensor und dem Differenzdrucksensor oder Abgasdrucksensor)
Analyse des Fahrprofils seit der letzten Regeneration
Die DDE überwacht die gefahrene Strecke seit der letzten Regeneration. Aus dem Fahrprofil wird eine maximale Fahrstrecke errechnet, bei der die Regeneration ausgelöst wird.
Die Eingangsgrößen sind:
- Aufheizen des Dieselpartikelfilters
- Regeneration des Dieselpartikelfilters
Im Regenerationsbetrieb wird der Dieselpartikelfilter aufgeheizt. Wenn die Aufheizphase beendet ist, wird bei einer Kühlmitteltemperatur über 60 °C die Regeneration gestartet.
Aufheizphase
In der Aufheizphase werden Eingangsgrößen verändert, um eine wärme abgebende Reaktion im Dieselpartikelfilter zu erreichen. Dazu wird die Luftmasse reduziert und der Schwerpunkt der Verbrennung nach hinten verschoben, um eine erhöhte Abgastemperatur zu erreichen.
Eingangsgrößen sind:
- Luftmasse
- Abgasrückführungsrate
- Ladedruck
- Menge und Zeitpunkt der Haupteinspritzung und Nacheinspritzung
- Luftdrall im Brennraum
Steigt die Temperatur des Dieselpartikelfilters über 400 °C, wird vom Modus Aufheizphase in den Modus Regeneration gewechselt.
Regeneration
Im Modus Regeneration werden die Eingangsgrößen so verändert, dass die Abgastemperaturen weiter bis auf 580 °C ansteigen. Dieser Anstieg wird durch eine weitere Reduktion der Luftmasse und einer abermals verspäteten Verbrennung erreicht.
Um diesen Effekt zu erreichen, werden folgende Eingangsgrößen verändert:
- Luftmasse
Der Sollwert der Luftmasse wird über die Motordrehzahl und die Kraftstoffeinspritzmenge berechnet. Abhängig vom Umgebungsdruck wird der Sollwert angepasst, um eine stabile Verbrennung auf verschiedenen Höhen über Meeresspiegel zu gewährleisten.
- Abgasrückführungsrate
Die gewünschte Abgasrückführungsrate wird aus der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge berechnet. In Abhängigkeit von Umgebungsdruck und Ansauglufttemperatur wird der Sollwert so angepasst, dass eine stabile Verbrennung auf verschiedenen Höhen über Meeresspiegel und niedrigen Temperaturen gegeben ist.
- Ladedruck
Der gewünschte Ladedruck wird ebenfalls aus der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge berechnet. Der Sollwert des Ladedrucks ist abhängig vom Umgebungsdruck und der Ansauglufttemperatur. Er wird so gebildet, dass bei niedriger Temperatur eine stabile Verbrennung möglich ist und die maximale Drehzahl des Abgasturboladers nicht überschritten wird.
- Einspritzdruck
Der gewünschte Kraftstoffeinspritzdruck hängt von der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge ab.
- Menge und Zeitpunkt der Haupteinspritzung und Nacheinspritzung
Bei geringem Umgebungsdruck erfolgen Anpassungen, um sicherzustellen, dass die maximal zulässige Temperatur für den Abgasturbolader nicht überschritten wird.
- Luftdrall im Brennraum
Der Sollwert für die Position der Drallklappe wird aus der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge berechnet.
Abschaltstrategie der Regeneration
Die Regeneration ist nur innerhalb von definierten Grenzen der Kühlmitteltemperatur, der Abgastemperatur und des Umgebungsdrucks möglich. Auch außerhalb dieser Grenzen ist die reinigende Wirkung des Dieselpartikelfilters gegeben. Daher gibt es keinen Einfluss auf die Abgasemissionen.
Die Grenzen für eine Abschaltung der Regeneration sind wie folgt definiert:
- Kühlmitteltemperatur zwischen 60 °C und 110 °C
Die untere Grenze der Kühlmitteltemperatur ist notwendig um eine stabile Verbrennung zu gewährleisten. Die obere Grenze schützt den Motor vor thermischer Zerstörung.
- Abgastemperatur zwischen 220 °C und 690 °C vor Oxidationskatalysator
Die untere Grenze der Abgastemperatur ist notwendig um eine ausreichende Wärme bildende Reaktion im Oxidationskatalysator sowie Dieselpartikelfilter zu erreichen. Die obere Grenze der Abgastemperatur ist ein Schutz vor zu hoher thermischer Belastung des Oxidationskatalysators sowie Dieselpartikelfilters. Die obere Grenze kann nur bei Fehlfunktionen des Motors überschritten werden.
- Abgastemperatur zwischen 220 °C und 670 °C vor Dieselpartikelfilter
Die untere Grenze der Abgastemperatur ist notwendig um eine ausreichende Wärme bildende Reaktion im Oxidationskatalysator sowie Dieselpartikelfilter zu erreichen. Die obere Grenze der Abgastemperatur ist ein Schutz vor zu hoher thermischer Belastung des Oxidationskatalysators sowie Dieselpartikelfilters. Die obere Grenze kann nur bei Fehlfunktionen des Motors überschritten werden.
- Umgebungsdruck größer 0,6 bar
Bei niedrigeren Umgebungsdrücken wird die maximal zulässige Drehzahl des Abgasturboladers überschritten und daher die Regeneration gesperrt.