CN110831687A - 评估颗粒过滤器状态的方法和机动车用排气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种评估用于机动车内燃机的颗粒过滤器(14)的状态的方法，其中借助压差传感器(22)来测量存在于颗粒过滤器(14)的入口侧的压力与存在于颗粒过滤器(14)的出口侧的压力之差。在评估状态时考虑该压力之差。另外，借助相对压力传感器(24)来测量存在于颗粒过滤器(14)的出口侧的、相对于大气压的压力。当评估颗粒过滤器(14)状态时，也考虑借助相对压力传感器(24)测得的压力。压力变化频率和/或压力振幅位置被评估。本发明还涉及机动车用排气设备(10)。

Description

评估颗粒过滤器状态的方法和机动车用排气设备
技术领域
本发明涉及一种评估用于机动车内燃机的颗粒过滤器的状态的方法。此时借助压差传感器来测量存在于颗粒过滤器入口侧的压力与存在于颗粒过滤器出口侧的压力之差。在评估状态时考虑该压差。另外，本发明涉及一种用于机动车的排气设备。
背景技术
DE 10 2005 005 055 A1描述了一种用于内燃机排气清洁设备的干扰状态探测装置。在此情况下，压差传感器承受在柴油颗粒过滤器的正面和背面处存在的压力。依据压差测量值的振幅/幅值，例如确定在延伸至压差传感器的管线内是否存在裂纹或断裂。
从现有技术中还知道了，通过在颗粒过滤器之前和之后的借助压差传感器的压力测量，除了执行颗粒过滤器功能诊断外还确定颗粒过滤器的装载/载入。因为结合该压差，一方面可以推断是否装载，另一方面可以推断颗粒过滤器的缺陷。但在此情况下一般需要使内燃机以高的发动机负荷和高转速运行，以便获得足够清晰的信号。但是，这种诊断或装载识别所需要的内燃机工作状态在正常运行模式中很难实现或完全做不到。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种简化的且很可靠的前言所述类型的方法以及提供一种具有控制装置的排气设备，其设计用于执行这种方法。
该任务通过一种具有权利要求1的特征的方法和一种具有权利要求10的特征的排气设备来完成。在从属权利要求中说明了具有合适的本发明改进方案的有利设计。
在本发明的评估机动车内燃机用颗粒过滤器的状态的方法中，借助压差传感器来测量存在于颗粒过滤器的入口侧的压力与存在于颗粒过滤器的出口侧的压力之差。在评估状态时考虑所述压力之差。另外，借助相对压力传感器来测量存在于颗粒过滤器的出口侧的、相对于大气压的压力。在颗粒过滤器状态评估中，也考虑借助相对压力传感器测得的压力。如此评估颗粒过滤器的状态，即评估压力变化频率和/或压力振幅位置。这基于以下认识：颗粒过滤器对在颗粒过滤器的出口侧测量的压力信号具有衰减和相移的反作用。另外，在排气设备内在颗粒过滤器的入口和出口侧存在的压力不是恒定的。相反，出现了压力波动/压力跃升，这归因于内燃机的各气缸排出排气。
依据对借助压差传感器测得的压力的时间曲线的观察和对借助相对压力传感器测得的相对压力的时间曲线的观察，因而可以以很简单且很可靠的方式完成对颗粒过滤器状态的推断。同样的情况适用于振幅位置、即压力波动的出现时间。相应地，提供一种简化的且很可靠的方法。另外，这两个压力信号可以在其表征曲线中被相互比较，而不必为此以很高的发动机负荷和高转速运转。由此，可以在正常运行模式中总是达到的内燃机运行范围内完成颗粒过滤器诊断或状态评估。
在此方法中还有利的是，本来就有的或可简单且花费少地提供的呈压差传感器或相对压力传感器形式的传感器的信号被考虑用于分析以评估颗粒过滤器状态。还可以保证每位机动车使用者在在此可进行颗粒过滤器状态评估的诊断窗口或运行范围内定期运行该内燃机。
优选地，借助压差传感器和/或借助相对压力传感器测得的压力变化的频率被评估。在评估颗粒过滤器状态时考虑该频率。这基于以下认识，在排气设备内出现的各个压力波动的频率图像或频率图形/模式(还有相位)可以很简单地被考虑用于评估颗粒过滤器状态。即，如果颗粒过滤器或排气设备处于正常状态，则由压差传感器提供的信号具有与由相对压力传感器提供的信号一样的频率，在这里，信号表示测得的压力。但如果在各自测得的频率图形中出现差异，则允许推断出颗粒过滤器的和/或传感器的状态。
附加地或可选地，在评估颗粒过滤器状态时考虑振幅位置。即，可以将借助压差传感器在各个时刻测得的振幅表示的压力波动的出现与借助相对压力传感器在各个时刻测得的振幅表示的压力波动的出现相比较。如果此时在配属于相应的压力波动的振幅之间出现预期的或预定的时间偏移时，即预期的或预定的不同振幅位置，则也可以推断出颗粒过滤器处于正常状态。但如果表现出与颗粒过滤器处于正常状态时所预期的振幅位置存在偏差，则可以推断出故障。
优选地，当借助压差传感器未测得压力变化，其中借助相对压力传感器测得的频率同时表明相对压力变化时，推断出颗粒过滤器的过滤部件出现损伤或缺失。即，例如可能出现以下情况：在颗粒过滤器壳体中未装入过滤部件，即过滤部件被拆除，或者该过滤部件受损，致使排气没有穿过过滤部件的多孔过滤壁。压差传感器于是在颗粒过滤器的入口侧和颗粒过滤器的出口侧测得相同的压力。与此相应，由压差传感器提供的信号未表明振幅或未表明频率图形。与此相比，由相对压力传感器测得的信号表明频率图形。因此，可以很简单地确定过滤部件的拆除或损伤。
尤其当从颗粒过滤器壳体拆除过滤部件时，所述压力曲线和频率状况在颗粒过滤器的入口侧和出口侧的、即在颗粒过滤器前后的测量部位处是一样的。因此如果为了形成差而从在入口侧测得的压力减去在出口侧测得的压力，则通过两个压力相减而得到的压差信号为零。与此相比，由相对压力传感器提供的信号还可以识别在排气设备内的压力的脉动，这归结于在各自转速下自内燃机气缸中周期性排出排气。因此，通过在预定的时间段内将由压差传感器提供的信号与由相对压力传感器提供的信号相比较，可以推断出颗粒过滤器的过滤部件缺失。
已经被证明进一步有利的是，当借助压差传感器和借助相对压力传感器测得各自的压力变化频率，其中各自频率具有相反振幅时，推断出一条压力管线出了故障，这条压力管线从压差传感器延伸至存在于颗粒过滤器的入口侧的用于压力管线的接合部位。即，当例如压力管线自入口侧接合部位断开或脱出时，则在颗粒过滤器的入口侧借助压差传感器测得的压力信号等于零。而相对压力传感器测量在颗粒过滤器出口侧的具有如下频率的压力变化，该频率归因于自各个内燃机气缸排出排气。
如果现在从利用压差传感器测得的入口侧压力信号中减去利用压差传感器在出口侧测得的压力信号，则得到相对于用相对压力传感器测得的压力信号的180°相位移。于是，由压差传感器提供的信号和由相对压力传感器提供的信号相减也为零。通过考虑或分析相应的一方面由压差传感器提供和另一方面由相对压力传感器所提供的频率图形，可以很简单地推断出通至位于颗粒过滤器入口侧的接合部位的压力管线出现故障。
优选地，当借助相对压力传感器未测得相对压力变化，其中利用压差传感器测得的频率同时表明压力变化时，则推断出一条压力管线出现故障，这条压力管线从压差传感器延伸至存在于颗粒过滤器的出口侧的压力管线用接合部位。即，当例如延伸至出口侧的接合部位的压力管线自排气设备的一条排气管路断开或脱出时，则该相对压力传感器不提供具有振幅的信号或不提供频率图形，而是提供基本恒定的信号。与此相比，由压差传感器测得的信号表明如下频率，在排气设备中因为内燃机气缸排出排气而以该频率存在压力波动。在这里，也可以从一方面由压差传感器提供且另一方面由相对压力传感器提供的信号的比较中很容易推断出通向颗粒过滤器出口侧的压力管线出现故障。
另外，当借助压差传感器和/或相对压力传感器测得的频率图形不同于基于内燃机运行而预期的压力变化频率的图形时，可以推断出压差传感器和/或相对压力传感器出现故障。当压差传感器或相对压力传感器处于正常状态时，由压差传感器或相对压力传感器提供的信号可以划归至发动机阶次，即内燃机阶次。即，该频率取决于内燃机转速。因此，相关的发动机阶次约等于内燃机转速乘以系数0.5(在内燃机的四冲程工作方式中)乘以对颗粒过滤器供应排气的气缸的缸数。如果在排气设备中每分钟由传感器测得的压力波动的数量基本等于所确定的值，则该频率图像可归因于所计算出的发动机阶次。即，频率图像或频率图形对应于在各自的发动机转速下的预期图谱，从而可以假定各自传感器处于正常状态。
为了信号分析，可以采用离散傅里叶变换(DFT)、尤其是快速傅里叶变换(FFT)。若在此情况下得到低的信噪比或者频率图像或频率图形代表所有的发动机频率，则可以推断出各自传感器的损伤或出现故障。
已被证明进一步有利的是，基于借助压差传感器和/或相对压力传感器测得的频率来确定内燃机转速，并且将所确定的转速与测得的内燃机转速相比较。通过这种方式，可以很简单地确定借助压差传感器和/或相对压力传感器测得的频率是否与在内燃机转速下预期的频率一致。与此相应，可以检查借助压差传感器或相对压力传感器测得的频率的真实性。这用于质量控制。另外，所确定的转速与所测得的转速的这种比较可能被考虑用于识别压差传感器或相对压力传感器的缺陷。
优选地，结合借助压差传感器测得的压力相对于借助相对压力传感器测得的压力的变化来确定颗粒过滤器的装载。因为压差信号与相对压力信号之比随着颗粒过滤器的装载/加载增大而改变。即，压差信号的振幅随着颗粒过滤器的装载增大而增大，而相对压力传感器的信号基本保持恒定或甚至减小。在此情况下，压差信号振幅增大直至用于依据内燃机负荷且涉及各自发动机转速的颗粒过滤器最大装载的极限值。因此，通过比较借助压差传感器测得的压力与借助相对压力传感器测得的压力，可以很简单地确定颗粒过滤器的装载。
优选地，当内燃机以来自以下转速范围的至少一个转速运行时，颗粒过滤器状态被确定，该转速范围从空转转速直至与最大容许内燃机转速相关的内燃机中转速。即，尤其在内燃机的近空转运行范围内，存在着在单位时间内从各个内燃机气缸排出的排气比较少的情况。与此相应，这些压力波动在时间上相隔比较远。这简化了作为时间函数的借助压差传感器或借助相对压力传感器的依靠测量技术的压力测得。
另外，在内燃机以延后点火时刻工作时，最好确定颗粒过滤器的状态。因为排气由此具有高的冲击性，故出现很强脉冲的排气质量流。与此相应，归因于内燃机气缸排出排气的各个压力波动具有高幅值。由此，可以很好地测量压力时间曲线，并且尤其在压力变化时的频率图形是容易看到的。尤其是，在具有相应延后的点火时刻位置的近空转运行范围内的内燃机热态运行很好地适用于借助一方面由压差传感器提供和另一方面由相对压力传感器提供的压力信号的分析的颗粒过滤器状态评估。
根据本发明的机动车用排气设备包括颗粒过滤器，机动车内燃机的排气可被供给至该颗粒过滤器。控制装置用于颗粒过滤器状态的评估。借助压差传感器，可以测量存在于颗粒过滤器入口侧的压力与存在于颗粒过滤器出口侧的压力之差。该控制装置被设计成在评估状态时考虑压差。该排气设备包括相对压力传感器，借此可以测量存在于颗粒过滤器出口侧的、相对于大气压的压力。另外，该控制装置设计用于在评估颗粒过滤器状态时也考虑借助该相对压力传感器测得的压力并且评估压力变化频率和/或压力振幅位置。该排气设备的控制装置因此设计用于执行本发明的方法。
尤其是，该控制装置为此能够在诊断范围内评估由压差传感器和由相对压力传感器提供的传感器信号以及确认与发动机转速、即内燃机转速相关的评估的可信度。
针对本发明方法所描述的优点和优选实施方式也适用于本发明的排气设备，反之亦然。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节来自以下对一个优选实施例的描述以及结合附图。之前在说明中提到的特征和特征组合以及随后在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅在各自所表明的组合中、也在其它组合中或本身单独地可使用，而没有超出本发明范围，其中：
图1非常示意性地示出了机动车排气设备的局部，在这里，借助压差传感器且借助相对压力传感器来测量在颗粒过滤器上游或下游的压力；
图2示出在从颗粒过滤器的壳体中拆除颗粒过滤器的过滤部件时的由压差传感器和相对压力传感器提供的信号的时间曲线；
图3示出在如下情况下的由压差传感器和相对压力传感器提供的信号，此时在颗粒过滤器上游的一条压力管线未被连接至排气设备的排气管路；
图4示出在如下情况下的由压差传感器和相对压力传感器提供的信号，此时在颗粒过滤器下游的一条压力管线未被连接至排气设备的排气管路；
图5示出在传感器能良好工作时的由压差传感器提供的和由相对压力传感器提供的频率图像；
图6示出在传感器受损时的由压差传感器提供的和由相对压力传感器提供的频率图像。
具体实施方式
图1很示意性地示出机动车的排气设备10的局部。排气设备10包括排气管路12，机动车内燃机(未示出)的排气通过该排气管路被供给至颗粒过滤器14。颗粒过滤器14包括壳体16和安置在壳体16内的过滤部件18。图1所示的排气设备10的部件仅被示意性示出且未说明所示部件的相对于彼此的实际尺寸比。
在这里，借助比如呈控制器形式的控制装置20来评估颗粒过滤器14的状态。为此，给控制装置20提供由压差传感器22和相对压力传感器24测得的测量值。压差传感器22的第一腔室26通过第一压力管线28流体连通至颗粒过滤器14的入口侧。为此，第一压力管线28在存在于颗粒过滤器14的入口侧的接合部位30处被连接至排气管路12。
按照相似方式，压差传感器22的第二腔室32通过第二压力管线34在出口侧连接至颗粒过滤器14。与此相应地，第二压力管线34在颗粒过滤器14的出口侧、确切说在另一个接合部位36上被连接至排气管路12。腔室26、32通过腔室分隔壁38相互分隔开。依据存在于腔室26、32内的压力，获知压差或者存在于颗粒过滤器14的入口侧的压力与存在于颗粒过滤器14的出口侧的压力之间的差。相对压力传感器24测量存在于颗粒过滤器14的出口侧的、相对于大气压的压力。
因此，将要通过控制装置20分析的压差信号由在颗粒过滤器14之前和在颗粒过滤器14之后的相对压力形成，颗粒过滤器尤其可以是快燃颗粒过滤器、即用于用汽油驱动的强制点火式发动机的颗粒过滤器。但是，颗粒过滤器14也可以被设计成柴油颗粒过滤器。存在于颗粒过滤器14之后或下游的且借助相对压力传感器24所获得的相对压力信号也由控制装置20来分析。
在这里分析由压差传感器22和相对压力传感器24测量的压力的频率图像和相位，以评估颗粒过滤器14的状态。例如，当压差信号具有与在颗粒过滤器14的下游借助相对压力传感器24测量的相对压力信号相同的频率时，可以推断出颗粒过滤器14处于正常状态。另外，压差信号与相对压力信号的关系随着颗粒过滤器14的装载增大而改变。因为压差信号振幅一直增大至颗粒过滤器14的最大装载的极限值。与之相比，在颗粒过滤器14下游所测得的相对压力保持基本恒定，或者该相对压力减小。与此相应，所述“关系”随着颗粒过滤器14的装载增大而增大。优选地，当达到所述关系的极限值或预定阈值时，执行颗粒过滤器14的再生。
图2现在示出以下情况，该过滤部件在排气设备10运行中被排气流过并在此情况下从排气中除去颗粒，据此可推断出过滤部件18从壳体16中拆除。图2示出由压差传感器22提供的信号的第一曲线40。该压力信号未表现出振幅或频率图形。另一曲线42示出由相对压力传感器24提供的信号。在此情况下可看到在曲线42中前后相继的压力变化或以一定频率进行的压力波动。该压力波动归因于内燃机气缸排出排气。当过滤部件18拆除时，压差传感器22同时测得在颗粒过滤器14的入口侧和在颗粒过滤器14的出口侧的相同的压力。通过所获压力彼此相减，压差信号变为零，从而曲线40基本笔直延伸。
图2的纵坐标是时间轴46。关于时间轴46绘制的压力的分析表明以下陈述：因为相对压力传感器24发现或提供脉冲压力信号，故通过考虑呈时间函数(曲线40)形式的由压差传感器22提供的压力和呈时间函数(曲线42)形式的由相对压力传感器24提供的压力，可以推断出从壳体16中拆除了过滤部件18。
结合图3可以示出以下情况，此时控制装置20在评估颗粒过滤器14的状态时确定第一压力管线28不再在接合部位30被连接至排气管路12。例如压力管线28可以从排气管路12断开。
图3也示出了压差信号的曲线48，即借助压差传感器22测量的压力的时间曲线。压差通过在颗粒过滤器14上游的压力即存在于腔室26内的压力与在颗粒过滤器14下游测量的压力即存在于腔室32内的压力相减来形成。在此情况下，从腔室26内的压力中减去腔室32内的压力。
但是，在图3所示的情况下在颗粒过滤器14上游的压力信号为零。由此，曲线48确实示出了具有各个压力波动的某个频率图形。但是，该压力信号的相位相对于由相对压力传感器24提供并且在图3中由另一曲线50示出的压力信号偏移180°。通过从压差信号中减去相对压力信号，得到也如图3所示的基本恒定的曲线52。
图4以曲线图示出了以下情况，在这里，第二压力管线34从排气管路12断开，即，在这里，第二压力管线34不再在接合部位36连接至排气管路12。在此，曲线56示出了由压差传感器22提供的压力信号，其作为时间函数表示具有一定频率的压力变化。与此相比，相对压力传感器24提供一个恒定信号，其在图4中由另一恒定曲线58示出。
但通过分析分别由压差传感器22和相对压力传感器24提供的信号也可确定是否其中一个所述传感器受损。例如在图5中的左侧图示中示出曲线62，在此可根据内燃机转速将频率分配给发动机阶次。因为在表明由压差传感器22提供的信号的曲线62中可以识别出相互清晰区分开的压力波动。通过相似方式，相对压力传感器24提供一个频率图像，其在图5中的右侧图示中由另一曲线64示出。在这里，各个压力波动也可被归因于排气中的脉冲，其源于在相应转速或发动机转速下由各个内燃机气缸排出排气。
与此相比，在图6左侧图示中示出的曲线66和在图6的右侧图示中示出的另一曲线68分别示出了受损的压差传感器22的信号(左侧图示)的和受损的相对压力传感器24的信号(右侧图示)。在此出现低的信噪比，并且相应的频率图像不符合根据发动机转速的任何发动机阶次。相反，该频率图像代表所有的发动机频率，而该信号不能归因于排气脉冲、即由内燃机气缸完成的排气排出。
而当这些传感器处于正常状态时，出现在排气管路12中的观察到的脉冲或压力波动归因于每个内燃机气缸排出排气。在此情况下，该频率等于发动机转速(转/分钟)除以60再乘以气缸数，发动机每转一次所述气缸都排出供给至颗粒过滤器14的排气。依据此关系可以校验由压差传感器22或相对压力传感器24测量的频率的真实性。因为可依据观察到的频率来确定或计算内燃机转速。当该计算结果与比如借助转速传感器测得量的内燃机转速一致时，则这能够说明由压差传感器22或相对压力传感器24提供的信号或频率图像是真实的。
附图标记列表
10 排气设备
12 排气管路
14 颗粒过滤器
16 壳体
18 过滤部件
20 控制装置
22 压差传感器
24 相对压力传感器
26 腔室
28 压力管线
30 接合部位
32 腔室
34 压力管线
36 接合部位
38 腔室分隔壁
40 曲线
42 曲线
46 时间轴
48 曲线
50 曲线
52 曲线
56 曲线
58 曲线
62 曲线
64 曲线
66 曲线
68 曲线

Claims (10)

1.一种评估用于机动车内燃机的颗粒过滤器(14)的状态的方法，
其中，借助压差传感器(22)来测量存在于该颗粒过滤器(14)的入口侧的压力与存在于该颗粒过滤器(14)的出口侧的压力之差，并且
其中，在评估状态时考虑该压力之差，
其特征是，
借助相对压力传感器(24)来测量存在于该颗粒过滤器(14)的出口侧的、相对于大气压的压力，并且在该颗粒过滤器(14)的状态评估中也考虑借助该相对压力传感器(24)测量的压力，
其中，结合对借助压差传感器(22)获得的压力时间曲线和对借助相对压力传感器(24)获得的相对压力时间曲线的观察，推断出该颗粒过滤器(14)的状态，并且评估压力变化频率和/或压力振幅位置。
2.根据权利要求1的方法，其特征是，对借助所述压差传感器(22)和/或借助所述相对压力传感器(24)测量的压力变化的频率进行评估，其中，在评估状态时考虑该频率和/或该振幅位置。
3.根据权利要求2的方法，其特征是，当借助该压差传感器(22)未获知压力变化，其中借助该相对压力传感器(24)测得的频率同时表明相对压力变化时，推断出该颗粒过滤器(14)的过滤部件(18)的损伤或缺失。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征是，当借助该压差传感器(22)和借助该相对压力传感器(24)测得的相应压力变化频率具有彼此相反的振幅时，推断出压力管线(28)出故障，该压力管线从该压差传感器(22)延伸至存在于该颗粒过滤器(14)的入口侧的、用于该压力管线(28)的接合部位(30)。
5.根据权利要求2至4之一的方法，其特征是，当借助该相对压力传感器(24)未发现相对压力变化，其中借助该压差传感器(22)测得的频率同时表明压力变化时，推断出压力管线(34)出故障，该压力管线从该压差传感器(22)延伸至存在于该颗粒过滤器(14)的出口侧的、用于该压力管线(34)的接合部位(36)。
6.根据权利要求2至5之一的方法，其特征是，当借助该压差传感器(22)和/或借助该相对压力传感器(24)测得的频率图形不同于基于内燃机运行而预期的压力变化的频率图形时，推断出该压差传感器(22)和/或该相对压力传感器(24)出故障。
7.根据权利要求2至6之一的方法，其特征是，基于借助该压差传感器(22)和/或借助该相对压力传感器(24)测得的频率来确定内燃机转速，并且将所确定的转速与测得的内燃机转速相比较。
8.根据权利要求1至7之一的方法，依据借助该压差传感器(22)测得的压力相对于借助该相对压力传感器(24)测得的压力的变化，确定颗粒过滤器(14)的装载。
9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征是，当该内燃机以延后点火时刻和/或以来自以下转速范围的至少一个转速——该转速范围从空转转速直至与内燃机的最大容许转速相关的内燃机的中转速——被驱动时，对该颗粒过滤器(14)的状态进行确定。
10.一种用于机动车的排气设备，具有：
能被供以机动车内燃机的排气的颗粒过滤器(14)，
用于评估颗粒过滤器(14)状态的控制装置(20)，和
压差传感器(22)，借助该压差传感器能测量存在于该颗粒过滤器(14)的入口侧的压力与存在于该颗粒过滤器(14)的出口侧的压力之差，其中，该控制装置(20)设计用于在评估状态时考虑该压力之差，
其特征是，
该排气设备(10)包括相对压力传感器(24)，借助于该相对压力传感器能测量存在于该颗粒过滤器(14)的出口侧的、相对于大气压的压力，其中，该控制装置(20)设计用于在评估该颗粒过滤器(14)的状态时也考虑借助该相对压力传感器(24)测得的压力，并且用于评估压力变化频率和/或压力振幅位置。
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