DE102004017521A1

DE102004017521A1 - Drucksensordiagnose über einen Computer

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Publication number: DE102004017521A1
Application number: DE102004017521A
Authority: DE
Inventors: Michiel J. van Ann Arbor Nieuwstadt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: JP2004340138A; GB0408128D0; JP4445314B2; GB2400444B; US20040200271A1; DE102004017521B4; US6947831B2; GB2400444A

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zum Steuern der Regenerierung eines Partikelfilters anhand mindestens eines Sensors wie zum Beispiel eines Differenzdrucksensors. Die Verschlechterung des Sensors wird dann auf viele verschiedene Arten erfasst. Eine Methode nutzt den sich langsam ändernden Strömungswiderstand des Filters im Vergleich zu den durch wechselnde Motorzustände verursachten schnelleren Änderungen im Durchsatz. Standardmaßnahmen werden dann ergriffen, wenn ein schlecht gewordener Sensor erfasst wird.

Description

Bei Dieselmotoren können Partikelfilter zur Verringerung von Rußemissionen verwendet werden. Diese Filter halten Partikel zurück, die in den durch den Filter strömenden Abgasen enthalten sind. Wenn die Filter mit Ruß voll werden, werden sie in regelmäßigen Abständen regeneriert, indem die Abgastemperatur bis zu dem Punkt erhöht wird, wo der Ruß verbrannt wird. Auf diese Weise ist der Filter wieder in der Lage, den Ruß zurückzuhalten, und die Rußemissionen werden insgesamt verringert.
Die Regenerierung des Partikelfilters kann anhand des über dem Filter gemessenen Druckunterschiedes gemessen werden. Je mehr Ruß sich ansammelt, umso größer ist der gemessene Druckunterschied. Siehe zum Beispiel die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2002/0,136,936. Außerdem kann eine Verschlechterung des Partikelfilters über einen solchen Differenzdrucksensor ermittelt werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Nachteil bei solchen Systemen erkannt. Wenn die Qualität des zum Steuern der Regenerierung verwendeten Drucksensors nachlässt, kann dies insbesondere dazu führen, dass der Partikelfilter zu häufig oder zu selten regeneriert wird. Wenn er zu häufig regeneriert wird (aufgrund eines irrtümlich hohen Messwertes), kann dies zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen, da unnötigerweise Energie verbraucht wird, was die Abgastemperaturen erhöht. Ebenso kann ein zu seltenes Regenerieren (aufgrund eines irrtümlich niedrigen Messwertes) zu einer Beeinträchtigung des Fahrverhaltens führen. Ferner kann der Ausgang eines schlechten Sensors zu der irrtümlichen Feststellung führen, dass der Partikelfilter selbst schlecht geworden ist, was zu Kosten für einen Austauschfilter führt, wenn vielleicht gar kein Auswechseln des Filters erforderlich ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die obigen Nachteile überwunden durch ein System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System folgendes umfasst:
einen Drucksensor, der in den Motorauslass eingebaut ist;
einen Partikelfilter, der in den Motorauslass eingebaut ist; und
ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst:

– einen Code zum Ermitteln einer erwarteten Sensorantwort;
– einen Code zum Messen einer Signalantwort von dem Abgasdrucksensor während mindestens eines ausgewählten Betriebszustandes des Motors; und
– einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors anhand mindestens der erwarteten Sensorantwort und der Signalantwort.

Auf diese Weise ist es möglich, den Betrieb mit einem schlechter gewordenen Drucksensor zu verringern, der dazu führt, dass der Partikelfilter zu häufig oder zu selten regeneriert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die obigen Nachteile überwunden durch ein System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System Folgendes umfasst:
einen Drucksensor, der in den Motorauslass eingebaut ist;
einen Partikelfilter, der in den Motorauslass eingebaut ist; und ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst:

– einen Code zum Ermitteln mindestens eines Parameters anhand mindestens zweier Strömungsbedingungen;
– einen Code zum Messen eines Signals von dem Abgasdrucksensor; und
– einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors anhand mindestens des Parameters und des Signals.

Indem man den Drucksensor anhand der Strömungsbedingungen überwacht, kann das Wissen, dass die Rußbildung ein relativ langsamer Prozess ist, eingesetzt werden. Daher ist es möglich, die erwarteten Druckänderungen infolge einer Änderung im Durchsatz mit den tatsächlichen Messwerten zu koordinieren, um die Verschlechterung des Sensors zu ermitteln. In einem Beispiel wird zum Beispiel eine Schätzung der Sensorkennwerte anhand der Reaktionen des Drucksensors auf Änderungen im Durchsatz (unter Bedingungen, in denen die Rußbildung relativ unverändert ist) vorgenommen. Dann können diese geschätzten Sensorkennwerte mit einem erwarteten Sensorkennwert verglichen werden, um die Verschlechterung des Sensors zu erfassen. Auf diese Weise wird das zu häufige oder zu seltene Regenerieren verringert.
In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die obigen Nachteile überwunden durch ein System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System Folgendes umfasst:
einen Partikelfilter, der in den Motorauslass eingebaut ist;
einen Sensor, der in den Motorauslass eingebaut ist; und
ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst:

– einen Code zum Regenerieren des Partikelfilters anhand des Sensors; und
– einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Sensors anhand eines Betriebsparameters.

Es sei angemerkt, dass verschiedene Arten von Sensoren in dem Auslass verwendet werden könnten, wie zum Beispiel: ein Drucksensor, ein Differenzdrucksensor, ein Absolutdrucksensor, ein Luftmassensensor, ein Luft-Kraftstoff-Sensor, ein Temperatursensor, oder verschiedene andere.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es also möglich, einen Sensor zu überwachen, dessen Verschlechterung dazu führen kann, dass die Emissionen über den Wert einer gültigen gesetzlichen Vorschrift ansteigen.
Die hierin beschriebenen Vorteile werden besser verständlich durch die Lektüre von Beispielen einer Ausführungsform, bei der die Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet wird, anhand der Zeichnungen; darin zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen eines Motors, bei dem die Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet wird;
1C–1E schematische Darstellungen von beispielhaften Ausführungsformen eines Abgasreinigungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2-4 Steuerroutinen gemäß Ausgestaltungen der Erfindung;
5-6 eine Simulation der Drucksensorüberwachung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
7 eine beispielhafte Routine für die Regenerierung des SCR-Katalysators gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ein Beispiel für eine bei der Routine von 7 verwendete Funktion; und
9 eine beispielhafte Routine für die Regenerierung des Partikelfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern, von denen ein Zylinder in 1A dargestellt ist, wird durch das elektronische Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 umfasst einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32, wobei der Kolben 36 darin angeordnet und mit der Kurbelwelle 40 verbunden ist. Gemäß der Zeichnung steht der Brennraum 30 mit dem Ansaugkrümmer 44 und dem Auspuffkrümmer 48 über das Einlassventil 52 bzw. das Auslassventil 54 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 44 ist außerdem mit einem Kraftstoffeinspritzventil 80 dargestellt, das mit ihm verbunden ist, um flüssigen Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW von dem Steuergerät 12 zuzuführen. Sowohl die durch das Signal FPW gesteuerte Kraftstoffmenge als auch der Einspritzzeitpunkt sind einstellbar. Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 80 durch ein Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) zugeführt, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein Kraftstoff-Verteilerrohr umfasst. Bei dem Motor 10 wird hauptsächlich mit einer Verbrennung mittels Selbstzündung gearbeitet.
Das Steuergerät 12 ist in 1A als herkömmlicher Mikrocomputer dargestellt, der Folgendes umfasst: eine Mikroprozessoreinheit 102, Ein-/Ausgabeports 104, einen Nur-Lese-Speicher 106, einen Direktzugriffsspeicher 108 und einen herkömmlichen Datenbus. Gemäß der Zeichnung empfängt das Steuergerät 12 zusätzlich zu den bereits erörterten Signalen verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbunden Sensoren, einschließlich: die Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von dem Temperatursensor 112, der mit der Kühlhülse 114 verbunden ist; eine Messung des Krümmerdruckes (MAP) von dem Drucksensor 116, der mit dem Ansaugkrümmer 44 verbunden ist; eine Messung der Krümmertemperatur (AT) von dem Temperatursensor 117; ein Motordrehzahlsignal (RPM) von dem Motordrehzahlsensor 118, der mit der Kurbelwelle 40 verbunden ist.
Ein Abgasreinigungssystem 20 ist mit einem Auspuffkrümmer 48 verbunden, und mehrere beispielhafte Ausführungsformen des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere anhand von 1C–1E beschrieben.
Anhand von 1B wird nun eine alternative Ausführungsform dargestellt, wo der Motor 10 ein Direkteinspritzmotor ist, bei dem das Einspritzventil 80 so angeordnet ist, dass Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 80 durch ein Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) zuge führt, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein mit hohem Druck arbeitendes Common Rail System umfasst.
In einem Beispiel ist der Motor 10 ein Dieselmotor, der mit Schichtladungsverbrennung unter Sauerstoffüberschuss arbeitet. Alternativ können die Einstellung des Einspritzzeitpunkts und eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen verwendet werden, um eine Verbrennung mittels Selbstzündung einer homogenen Ladung zu erhalten. Wenn mit einem Magerbetrieb gearbeitet wird, können die Motorbedingungen auch so eingestellt werden, dass man einen Betrieb mit einem stöchiometrischen oder fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhält.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann ein Turbolader über den Ansaug- und Auspuffkrümmer mit dem Motor 10 verbunden sein.
Es sei angemerkt, dass bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ein NOx-absorbierender Katalysator verwendet werden kann, der NOx in einer sauerstoffreichen Umgebung speichert und das gespeicherte NOx in einer sauerstoffarmen Umgebung freisetzt bzw. reduziert.
Gemäß 1C nun umfasst das Abgasreinigungssystem 20 eine Selektive Katalytische Reduktion (SCR) 14 auf Harnstoffbasis, die einem Oxidationskatalysator 13 nachgeschaltet ist. Außerdem ist dem Katalysator 14 ein Partikelfilter 15 nachgeschaltet. Der SCR-Katalysator ist in einem Beispiel eine Formulierung aus einem unedlen Metall und Zeolith mit einer optimalen NOx-Umwandlungsleistung im Bereich von 200–500°C. Ein Reduktionsmittel wie zum Beispiel wässriger Harnstoff wird in einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) aufbewahrt und einem Reduktionsmittelzuführsystem 16 zugeführt, das mit dem Auspuffkrümmer 48 stromaufwärts von dem SCR-Katalysator 14 verbunden ist. Das Reduktionsmittel wird von einer Pumpe durch ein Regelventil abgegeben, wobei sowohl die Pumpe als auch das Ventil durch das Steuergerät 12 gesteuert werden. Luft und Reduktionsmittel werden in das Reduktionsmittelzuführsystem eingeleitet und durch ein beheiztes Element verdampft, wobei der resultierende Dampf in das in den SCR-Katalysator einströmende Abgasgemisch eingeleitet wird. Alternativ kann jede andere dem Fachmann bekannte Vorrichtung zum Zuführen von Reduktionsmittel zu einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung verwendet werden.
NOx-Sensoren, NOx₁ (17) stromaufwärts und NOx₂ (18) stromabwärts von dem SCR, sind in den Weg des in den SCR-Katalysators ein- und ausströmenden Abgases eingebaut. Die Ausgänge dieser Sensoren werden von dem Steuergerät 12 gelesen und können zur Ermittlung des NOx-Umwandlungswirkungsgrades des SCR herangezogen werden. Alternativ kann der NOx₁-Sensor 17 weggelassen werden, und die Menge an NOx in dem in den SCR-Katalysator einströmenden Abgasgemisch kann anhand der Motordrehzahl, der Last, der Abgastemperatur oder jedes anderen Parameters geschätzt werden, von dem der Fachmann weiß, dass er sich auf die NOx-Produktion des Motors auswirkt.
Der Oxidationskatalysator 13 ist ein Edelmetallkatalysator, vorzugsweise einer, der Platin enthält, zur raschen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NO) im Motorabgas. Der Oxidationskatalysator wird auch dazu verwendet, Wärme zum schnellen Aufwärmen des SCR-Katalysators 14 zuzuführen, was dadurch geschieht, dass die HC-Konzentration in dem in den Oxidationskatalysator einströmenden Abgas erhöht wird, wobei eine Exotherme erzeugt wird, wenn der zusätzliche Kohlenwasserstoff über den Oxidationskatalysator reduziert wird. Dies kann zum Beispiel über die Zylindereinspritzung während des Arbeits- oder Auslasshubes des Motors (bei einem Direkteinspritzmotor) oder auch während beider Hübe oder durch jede beliebige einer Anzahl weiterer Alternativen erfolgen, wie zum Beispiel durch Spätverstellung des Einspritzzeitpunkts, Erhöhung der Abgasrückführung (AGR) und Drosselung am Einlass, oder durch jedes andere Mittel, von dem der Fachmann weiß, dass sich dadurch die HC-Konzentration im Abgas erhöht. Alternativ können Kohlenwasserstoffe unter Verwendung dem Fachmann bekannter Mittel direkt in den in den Oxidationskatalysator einströmenden Abgasstrom eingespritzt werden. Das Reduktionsmittelzuführsystem 19 kann verwendet werden, um HC von dem Kraftstofftank oder von einem Vorratsbehälter dem Oxidationskatalysator 13 zuzuführen, um zusätzliche Wärme zum Aufwärmen des SCR-Katalysators zu erzeugen.
Der Partikelfilter (PF), in einem Beispiel ein Dieselpartikelfilter (DPF) 15, ist dem SCR-Katalysator nachgeschaltet und dient zum Zurückhalten von Partikeln (Ruß), die während des Fahrzyklus des Fahrzeugs erzeugt werden. Der PF kann aus einer Vielzahl von Materialien einschließlich Cordierit, Siliciumcarbid und anderer für hohe Temperaturen geeigneter oxidkeramischer Stoffe hergestellt werden. Sobald die Ansammlung von Ruß ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, kann mit der Regenerierung des Filters gemäß der nachfolgenden Beschreibung begonnen werden. Die Regenerierung des Filters erfolgt durch Erwärmen des Filters auf eine Temperatur, bei der die Rußpartikel schneller verbrannt werden, als neue Rußpartikel abgeschieden werden, zum Beispiel auf 400–600°C. Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung einer erhöhten Motorabgasproduktion zum Erhöhen der Temperatur des Partikelfilters auf eine Regenerierungstemperatur zu einem Wärmeschaden des vorgeschalteten SCR-Katalysators in der Systemkonfiguration der vorliegenden Erfindung führen kann. Demzufolge haben die Erfinder erkannt, dass der Filter bei einer alternativen Ausführungsform durch das Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff stromabwärts von dem SCR-Katalysator regeneriert werden könnte. Bei einer Methode ist ein Reduktionsmittelzuführsystem 19 zwischen dem SCR-Katalysator und dem Partikelfilter mit dem Auspuffkrümmer verbunden, um eine dampfförmige Mischung von Kohlenwasserstoff (z.B. Dieselkraftstoff oder ein anderes Reduktionsmittel) und Luft dem Partikelfilter zuzuführen, wodurch Regenerierungstemperaturen erreicht werden. In einem Beispiel kann der PF ein katalysierter Partikelfilter sein, der eine Zwischenschicht aus Edelmetall wie zum Beispiel Platin enthält, um die Rußverbrennungstemperatur zu senken und außerdem Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren.
Daher kann eine verbesserte Abgasreinigung erzielt werden, indem ein Oxidationskatalysator einem SCR-Katalysator auf Harnstoffbasis vorgeschaltet und ein Partikelfilter dem SCR-Katalysator nachgeschaltet wird. Diese Systemkonfiguration bietet die Möglichkeit zum schnellen Aufwärmen des SCR-Katalysators über eine durch den vorgeschalteten Oxidationskatalysator erzeugte Exotherme und eine höhere Abgastemperatur während eines Teillastbetriebs des Motors. Da der Partikelfilter dem SCR-Katalysator nachgeschaltet ist, besteht außerdem keine Gefahr eines Wärmeschadens des SCR-Katalysators während der Regenerierung des Filters, und daher sind keine separaten Kühleinrichtungen erforderlich. Ferner reduziert der Partikelfilter die Ammoniakemissionen durch das Endrohr, indem er eventuell aus dem SCR-Katalysator entweichendes Ammoniak oxidiert.
Das Steuergerät 12 steuert im Allgemeinen die Menge und den Zeitpunkt der Harnstoff- und HC-Einspritzung gemäß Motorbetriebsparametern wie zum Beispiel der NOx-Menge im Abgas, der Abgastemperatur, der Katalysatortemperatur und verschiedene andere Parameter. Wenn eine Regenerierung des Partikelfilters er forderlich ist, steuert das Steuergerät 12 insbesondere die Menge und den Zeitpunkt der HC-Einspritzung stromaufwärts von dem Partikelfilter, um die Filtertemperatur auf eine gewünschte Regenerierungstemperatur anzuheben. Die nachfolgend beschriebene 5 liefert eine zusätzliche Beschreibung, wie die Einspritzung von Reduktionsmittel berechnet wird, um die NOx-Emissionen wirksam zu reduzieren.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Abgasanlage nur den Oxidationskatalysator 20 und den Partikelfilter 15 ohne die Vorrichtungen 13, 14 und 16 umfassen. In diesem Fall wird nach wie vor mit einer druckluftunterstützten Einspritzung von Dieselkraftstoff (oder einem anderen geeigneten Reduktionsmittel) stromaufwärts von dem DPF über die Vorrichtung 19 gearbeitet.
Ferner sei angemerkt, dass gemäß der Zeichnung zusätzliche Temperatursensoren 120 und 122 dem DPF vor- bzw. nachgeschaltet sind. Ferner wird ein Differenzdrucksignal (Δp) von den Drucksensoren 124 und 126 ermittelt. Es sei angemerkt, dass auch ein einzelner Druckunterschied verwendet werden kann, um den Druckunterschied über dem DPF 15 zu messen. Ferner wird auch ein Temperatursensor 128 vor einem Dieseloxidationskatalysator (DOC) verwendet. In einem Beispiel können die Drucksensoren piezoelektrische Sensoren sein. Es können jedoch auch verschiedene andere Arten von Drucksensoren verwendet werden, wie zum Beispiel ohmsche, kapazitive oder verschiedene andere Drucksensoren.
1D zeigt eine alternative Ausführungsform eines Abgasreinigungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein zusätzlicher Oxidationskatalysator 20 dem Partikelfilter vorgeschaltet ist, um die Rußverbrennungstemperaturen zu senken. Der Oxidationskatalysator kann ein separater Katalysator sein oder kann in den Partikelfilter integriert sein, indem er als Zwischenschicht auf dem Einlass des Partikelfilters (nicht dargestellt) angeordnet ist. Durch die Zwischenschicht wird die Baugröße des Systems verringert und sein Wärmemanagement verbessert.
1E ist noch eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Ammoniakaufzehrungskatalysator 21 zwischen dem SCR-Katalysator und dem Partikelfilter angeordnet ist. Der Ammoniakaufzehrungskatalysator wandelt wahlweise etwas von dem möglicherweise aus dem SCR- Katalysator entweichenden Ammoniak in Stickstoff um. Damit erhöht sich der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Systems insgesamt, da verhindert wird, dass der Partikelfilter entwichenes Ammoniak in NOx umwandelt.
Noch eine weitere alternative Konfiguration besteht darin, einen Partikelfilter an einem stromaufwärtigen Ort zu verwenden, wobei wahlweise zusätzliche Katalysatoren stromabwärts von dem Partikelfilter angeordnet sind.
Wie oben beschrieben, filtert der Dieselpartikelfilter (DPF), um die Emission von Partikeln zu reduzieren. Dieselpartikelfilter sammeln Ruß durch einen Prozess der Wandfilterung. Eine zunehmende Rußmenge auf dem DPF erhöht den Gegendruck, was eine negative Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch hat. Dieser Ruß wird daher in ausgewählten Abständen abgebrannt (regeneriert), z.B. nach jeweils mehreren hundert Kilometern Fahrt, oder wenn der Druckunterschied einen ausgewählten Wert erreicht, oder wenn der Abgasgegendruck einen Schwellenwert erreicht.
In einem Beispiel kann das stromabwärtige Einspritzventil, das zerstäubten Dieselkraftstoff in den Auspuffkrümmer oder in das Flammrohr nach dem Turbo einspritzt, beim Regenerieren des DPF behilflich sein. Der Differenzdrucksensor überwacht die Rußbelastung des DPF und wird beim Erfassen einer Verschlechterung des DPF herangezogen.
Im Allgemeinen wird der Druckabfall (Δp) auf dem Dieselpartikelfilter durch den Volumendurchsatz (F) und die Rußbelastung des DPF sowie andere Faktoren (die gewünschtenfalls mit eingeschlossen werden können) beeinflusst. Der Druckabfall besteht aus Kontraktions- und Expansionsverlusten, Reibungsverlusten der Strömung entlang den Wänden und Druckverlusten infolge der Strömung durch ein poröses Medium. Bei einem sauberen DPF kann die Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Strömung durch die Darcy-Forchheimer-Gleichung (1) näherungsweise dargestellt werden: Δp=c0+c1ν·F+c2ρ·F2 (1)
Die Rußmenge in dem DPF wirkt sich hauptsächlich auf den linearen Term in dieser Gleichung aus (siehe A.G. Konstandopoulos, E. Skaperdas, M. Masoudi, "Iner tial contributions to the pressure drop of diesel particulate filters", SAE 2001-01-0909; und A.G. Konstandopoulos, M. Kostoglou, E. Skaperdas, E. Papaioannou, D. Zarvalis, E. Kladopoulou, "Fundamental studies of diesel particulate filters: transient loading, regeneration and aging", SAE 2000-01-1016). Mit Hilfe dieser Information ist es möglich, die folgende Beziehung der Gleichung (2) zu bilden: Δp=R(Ruß)(c0+c1ν·F)+c2ρ·F2=:g(Ruß, F) (2)wobei F der Volumendurchsatz, ρ die Dichte und ν die Viskosität ist.
Die Koeffizienten c_i kann man aus einem experimentellen Fließtest des DPF erhalten. Ferner können Dichte und Viskosität des Abgases anhand der Abgastemperatur und experimenteller Testdaten geschätzt werden. Die Beschränkung R(Ruß) ist eine monotone Funktion der Rußmenge in Gramm/Liter. Bei einer Methode wird mit der DPF-Regenerierung begonnen, wenn die Rußbelastung über einer bestimmten Grenze liegt, um den Ruß abzubrennen (siehe die nachfolgend beschriebenen Schritte 214–218 in 2). Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Routine einfach die Überwachung starten, ob der Druckunterschied einen eingestellten Schwellenwert für den Druckunterschied erreicht.
Wenn die Beschränkung unter einem bestimmten Niveau liegt, das einem sauberen DPF entspricht, kann der DPF alternativ schlecht geworden sein und erhöhte Rußmengen abgeben, vorausgesetzt der Messwert von dem Differenzdrucksensor ist korrekt.
Diese Funktionen werden nun insbesondere anhand der folgenden Routinen näher beschrieben.
Wie für einen Durchschnittsfachmann klar ist, können die nachfolgend in den Flussdiagrammen beschriebenen Routinen eine oder mehrere einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien wie zum Beispiel ereignisgesteuerte und unterbrechungsgesteuerte Strategien, Multitasking-Strategien, Multithreading-Strategien und dergleichen darstellen. An sich können verschiedene dargestellte Schritte oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt bzw. in manchen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der Erfindung zu erzielen, dient aber einer einfacheren Darstellung und Beschreibung. Wenngleich dies nicht explizit dargestellt ist, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass einer oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen je nach der speziell verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden können.
Anhand von 2 wird nun eine Routine zum Steuern der Regenerierung des Partikelfilters beschrieben. Zunächst misst die Routine in Schritt 210 die Betriebsbedingungen einschließlich Abgasdurchsatz (F), Abgastemperatur und verschiedene andere Faktoren. In Schritt 212 ermittelt die Routine dann die maximale Rußbelastung (Rmax), oberhalb der eine Regenerierung des Partikelfilters erforderlich ist. Der Wert der maximalen Rußbelastung kann über experimentelle Tests ermittelt werden oder auf einen von den Betriebsbedingungen abhängigen veränderlichen Wert eingestellt werden. Als Nächstes berechnet die Routine in Schritt 214 den maximalen Druckunterschied (ΔPmax), welcher der maximalen Rußbelastung unter den aktuellen Betriebsbedingungen gemäß der in 2 angegebenen Gleichung entspricht.
Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 216, wo die Routine vergleicht, ob der aktuell gemessene Druckunterschied (ΔP) größer oder gleich dem in Schritt 214 ermittelten erlaubten maximalen Druckunterschied ist. Wenn die Antwort auf Schritt 216 "Ja" lautet, verlangt die Routine in Schritt 218 eine Regenerierung des Partikelfilters. Es können verschiedene Methoden verwendet werden, um die Regenerierung des Partikelfilters durchzuführen, wie zum Beispiel: Mittels einer Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Motor eine exotherme Reaktion erzeugen, um die Temperatur des Partikelfilters auf eine Selbstzündungstemperatur anzuheben, wo die in dem Filter vorhandenen Partikel abgebrannt werden.
Um mit 2 fortzufahren, geht die Routine weiter zu Schritt 220, wo die Routine vergleicht, ob der gemessene Druckunterschied kleiner ist als ein minimaler Druckunterschied (ΔPmin). Der minimale Druckunterschied ist die minimale Beschränkung, die unter den aktuellen Betriebsbedingungen gelten sollte, wobei angenommen wird, dass die Vorrichtung Partikel zurückhält. Wenn die Antwort auf Schritt 220 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 222, um eine Verschlechterung des Katalysators anzuzeigen.
Es sei angemerkt, dass in Schritt 216 der aktuell gemessene Druckunterschied unter Verwendung der Übertragungsfunktion von Gleichung 4 ermittelt wird. In einem speziellen Beispiel verwendet die Routine die Nennwerte a0 und B0 für die angenommenen aktuellen Werte a1 und b1. Bei einer alternativen Ausführungsform verwendet die Routine die nachfolgend anhand von 3 und 4 ermittelten adaptiven Parameter von Steigung und Versatz für die aktuellen Werte von b1 und a1.
Sensorüberwachung
Das nominale Sensorsignal kann mit dem Druck in Beziehung gesetzt werden, wie aus Gleichung (3) hervorgeht: Δp_volts=a0·Δp+b0 (3)
Dieses Signal wird also durch die Übertragungsfunktion von Eingangsspannung in Druck umgekehrt, wie aus Gleichung (4) hervorgeht: Δp=(Δp_volts–b1)/a1 (4)wobei nominal: b₁ = b₀ und a₁ = a₀.
Die Nennwerte b₀ und a₀ können auf statistischen Daten der Durchschnitts- oder Mittelwerte von Produktionssensoren beruhen. Diese Nennwerte können im Speicher (z.B. KAM) des Steuergeräts 12 gespeichert werden.
Ein möglicher Verschlechterungszustand des Drucksensors, der während des Betriebs des Fahrzeugs auftreten kann, ist eine Änderung im Versatz b₀, so dass der tatsächliche Wert b₁ nicht gleich b₀ ist. Eine solche Verschlechterung kann erfasst werden, wie es anhand von 3 beschrieben ist.
Anhand von 3 wird nun eine Routine zur Ermittlung der Verschlechterung des Abgasdrucksensors über eine erfasste Änderung im Sensorversatz beschrieben. Zunächst ermittelt die Routine in Schritt 310, ob sich der Fahrzeugschlüssel in der "Ein"-Stellung des Schlüssels befindet. Wenn die Antwort auf Schritt 310 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 312. In Schritt 312 stellt die Routine fest, ob sich der Motor im "Aus"-Zustand befindet (z.B. ob die Motordrehzahl kleiner ist als eine vorbestimmte Drehzahl). Wenn die Antwort auf Schritt 312 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 314, um die Sensorspannung (ΔP_volts) abzulesen und dies als Schätzwert für den Versatz bhat1(b ^) abzuspeichern. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 316, um festzustellen, ob die Überwachung des Sensorversatzes aktiviert wurde. Diese Aktivierung basiert auf verschiedenen Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel: Motorkühlmitteltemperatur und verschiedene andere Parameter.
Wenn die Antwort auf einen der Schritte 310, 312, 314 oder 326 "Nein" lautet, endet die Routine einfach.
In Schritt 318 (nach der Antwort "Ja" auf Schritt 316) stellt die Routine fest, ob der Absolutwert des Unterschieds zwischen dem geschätzten Versatzwert von Schritt 314 und dem abgespeicherten nominalen Sensorversatz (B0) größer ist als ein Schwellenwert ∊1. Wenn die Antwort auf Schritt 318 "Nein" lautet, dekrementiert die Routine den Zähler C1 in Schritt 320. Wenn alternativ die Antwort auf Schritt 318 "Ja" lautet, inkrementiert die Routine den Zähler C1 in Schritt 322. Von Schritt 320 oder 322 geht die Routine weiter zu Schritt 324, um festzustellen, ob der Wert des Zählers C1 größer ist als ein Grenzwert L1. Wenn die Antwort auf Schritt 324 " Ja" lautet, hat ein verschlechterter Sensorversatz so lange bestanden, dass in Schritt 326 eine Sensorversatzverschlechterung angezeigt wird. Die Routine endet dann.
Allgemein gesagt ermittelt die Routine somit den Sensorwert und die Bedingungen, unter denen geschätzt wird, dass der Druckunterschied, der im Auspuff gemessen wird, im Wesentlichen Null sein dürfte, weil es im Wesentlichen keine Strömung gibt. Die Bedingungen von Schritt 310 und 312 sind also ein Beispiel für solche Bedingungen. Außerdem sei angemerkt, dass der Schätzwert für den Versatz (bhat1, b ^₁) von Schritt 314 gemäß vorliegender Beschreibung bei der Übertragungsfunktion als adaptiver Wert verwendet werden kann, um den tatsächlichen Druckunterschied zu ermitteln und dadurch eine höhere Genauigkeit des Druckes bereitzustellen wenn festgestellt wird, dass ein solcher adaptiver Wert bei Sensorbereichsverschiebungen zu berücksichtigen ist. Außerdem sei angemerkt, dass der in Schritt 318 verwendete Wert B0, bezogen auf eine statistische Abtas tung des Sensorversatzes korrekt funktionierender Sensoren, der erwartete Nennwert ist. Außerdem sei angemerkt, dass die Angabe in Schritt 326 verwendet werden kann, um festzustellen, dass sich der Sensor verschlechtert hat und daher eine Standardmaßnahme durchgeführt werden sollte und eine Lampe aufleuchten sollte, um den Fahrer des Fahrzeugs zu alarmieren. Die Standardmaßnahme kann zum Beispiel das Abschalten der Partikelfilterregenerierung oder verschiedene andere Modifikationen umfassen.
Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann also die Verschlechterung des Drucksensors, die zu einer Veränderung im Versatz führt, durch Ablesen von Δp_volts ermittelt werden, wenn das Steuersystem aktiviert ist und der Motor noch nicht angelassen wurde. Mit anderen Worten, da der tatsächliche Durchsatz bekannt ist (hier ist er als im Wesentlichen Null bekannt), ist der Wert für die Spannung (Δp_volts) gleich b1, und es ist möglich, den Versatzwert der Übertragungsfunktion zu ermitteln.
Ein zweiter möglicher Verschlechterungszustand des Drucksensors, der auftreten kann, ist eine Änderung in der Verstärkung, so dass der tatsächliche Wert a₁ nicht gleich a₀ ist. Eine mögliche Ursache für eine solche Verschlechterung können Ablagerungen auf der Membran des Sensors sein. Der Sensor wird dann schlechtere Werte liefern, was möglicherweise zu einer zu häufigen oder zu seltenen Regenerierung des Partikelfilters führt.
Um einen solchen Zustand zu überwachen, nutzt diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die Tatsache, dass die Rußbildung ein relativ langsamer Prozess ist (der über hunderte von gefahrenen Kilometern stattfindet), so dass die Beschränkung R in einem relativ kurzen Zeitraum näherungsweise als relativ konstant ermittelt werden kann. Allgemein gesagt werden Werte des Drucksensors und für den Abgasdurchsatz für zwei oder mehr Zustände [(Δp₁, F₁),(Δp₂, F₂)] verwendet, die in einem relativ kurzen Zeitraum auftreten. Da die Beschränkung infolge der Rußbildung im Allgemeinen unverändert geblieben ist, kann die folgende Beziehung von Gleichung (5) verwendet werden, um normale Betriebsbedingungen unabhängig von der Rußbelastung zu charakterisieren:
Wenn bei einer beispielhaften Ausführungsform diese mindestens zwei Werte weit auseinander liegen (jenseits eines bestimmten kalibrierbaren Wertes), hat eine Änderung in der Verstärkung a₀ stattgefunden, und ein Flag zeigt an, dass sich der Differenzdrucksensor verschlechtert hat. Wenn man darüber hinaus mehr Paare (Δp_i,F_i) erhält, kann eine Routine die Quotienten für alle Paare berechnen und die Differenz für alle Quotienten prüfen. Selbst wenn also die Rußbelastung nicht genau oder überhaupt nicht bekannt ist, dürften die Quotienten unabhängig von der Rußbelastung fast gleich sein. An sich ist es möglich, die Verschlechterung in der Sensorverstärkung genau zu ermitteln, indem man dazu Informationen über mindestens zwei Betriebszustände heranzieht.
Bei einer alternativen Methode wird ein adaptiver Algorithmus verwendet, um den tatsächlichen Verstärkungswert adaptiv zu lernen. Diese adaptiv gelernte Verstärkung kann verwendet werden, um sowohl den Druckunterschied genauer zu messen als auch die Sensorverschlechterung zu überwachen.
Aus den obigen Gleichungen (2) und (4) kann eine Gleichung für die Verstärkung hergeleitet werden, wie aus Gleichung (6) hervorgeht (wo V die Kurzform ist für Δp_volts).
In einem Beispiel besteht der erste Zustand, bei dem die ersten Werte (V₁ und F₁) ermittelt werden, gleich nach dem Anlassen des Motors, in der "Ein"-Stellung des Zündschlüssels. Ferner können diese Werte für eine vorgewählte Zeitdauer Bemittelt werden. Alternativ können diese Werte abgelesen werden, bevor der Abgasdurchsatz F₁ über einem bestimmten Schwellenwert (L2) liegt, oder können Bemittelt werden, bis der Abgasdurchsatz F₁ über dem Schwellenwert liegt. In noch einem weiteren Beispiel können die Werte im Leerlauf des Motors abgelesen werden.
Dann berechnet die Routine a0hat (a ^₀) für jeden Prüfmoment, in dem F₂ größer ist als ein bestimmter Schwellenwert (L3), wie aus Gleichung (7) hervorgeht (es sei angemerkt, dass Gleichung (7) mit einem Tiefpassfilter mit der Filterkonstanten kf als Koeffizient arbeitet). Die Berechnung in Gleichung (6) wird genauer, wenn sich F₁ und F₂ um einen ausgewählten Betrag unterscheiden, weshalb F₁ in einem Beispiel bei niedrigem Durchsatz (z.B. im Leerlauf) und F₂ in einem Beispiel bei hohem Durchsatz aufgezeichnet wird. A ^0(t+1)=kfA ^0(t)+(1–kf)a ^0(t+1) (7)wobei t der Musterwert ist, der in einem Beispiel die Abtastzeit darstellt. Es sei jedoch angemerkt, dass ungleiche Abtastzeiten verwendet werden können sowie ereignisgesteuerte Filter, wo in den Zündabständen Proben gezogen werden. Ferner sei angemerkt, dass ein alternativer Filter anstelle der in Gleichung (7) gezeigten Form verwendet werden kann.
Diese Schätzung (A ^₀) wird sich im Rahmen der Genauigkeit der Annahme einer relativ konstanten Rußbelastung, und dass F₁ und F₂ weit genug auseinander liegen, dem wahren a ^₀ annähern.
Wenn sich A ^₀ und a₀ um mehr als einen kalibrierbaren Betrag unterscheiden, wird eine Verstärkungsverschlechterung des Drucksensors angezeigt. Diese wird nachfolgend anhand von 4 ausführlicher beschrieben.
Anhand von 4 wird nun eine Routine zum Überwachen der Sensorverstärkung des Differenzdrucksensors beschrieben. Zunächst stellt die Routine in Schritt 410 fest, ob die Überwachung der Sensorsteigung aufgrund verschiedener Bedingungen wie zum Beispiel der Tatsache, dass die Motorkühlmitteltemperatur höher ist als ein Schwellenwert, aktiviert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 410 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 412. In Schritt 412 stellt die Routine fest, ob sich das Fahrzeug in der "Ein"-Stellung des Zündschlüssels befindet. Wenn die Antwort auf Schritt 412 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 414. In Schritt 414 stellt die Routine fest, ob die aktuellen Betriebsbedingungen gleich nach dem Anlassen des Motors bestehen. Die Routine kann zum Beispiel feststellen, ob die Motordrehzahl größer ist als eine vorbestimmte Motordrehzahl, was auf einen erfolgreichen Motorstart hindeutet. Alternativ kann die Routine einfach überwachen, ob sich das Fahrzeug gerade im Leerlaufzustand des Motors befindet.
Wenn die Antwort auf Schritt 414 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 416. In Schritt 416 stellt die Routine fest, ob der Abgasdurchsatz (F) kleiner ist als ein Schwellenwert (L2). Wenn die Antwort auf Schritt 416 "Ja" lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 418. In Schritt 418 liest die Routine den ersten Satz von Durchsatz- und Spannungswerten (F1, V1) ab. Wenn die Antwort auf einen der Schritte 410 bis 416 "Nein" lautet, überspringt die Routine Schritt 418 und geht direkt weiter zu Schritt 420. Von Schritt 418 geht die Routine ebenfalls weiter zu Schritt 420. In Schritt 420 stellt die Routine fest, ob der Abgasdurchsatz größer ist als ein Schwellenwert (L3). Wenn die Antwort auf Schritt 420 "Nein" lautet, endet die Routine einfach. Wenn alternativ dazu die Antwort auf Schritt 420 "Ja" lautet, geht die Routine weiter, um den geschätzten Sensorverstärkungswert in Schritt 422 und 424 gemäß der nachfolgenden Beschreibung zu aktualisieren.
In Schritt 422 liest die Routine die aktuellen Durchsatz- und Spannungswerte ab und setzt diese Werte vorübergehend auf (F2, V2). Unter Verwendung der Gleichungen 6 und 7 aktualisiert die Routine dann den geschätzten und gemittelten Verstärkungswert (A ^₀). Von Schritt 424 geht die Routine weiter, um dann mit Hilfe des aktualisierten und gemittelten adaptiven Verstärkungswertes festzustellen, ob sich der Drucksensor verschlechtert hat.
Insbesondere geht die Routine von Schritt 424 weiter zu Schritt 426. In Schritt 426 stellt die Routine fest, ob der Absolutwert des Unterschiedes zwischen der adaptiven Verstärkungsschätzung und dem nominalen (erwarteten) Verstärkungswert (A0) größer ist als ein Schwellenwert (∊2). Wenn die Antwort auf Schritt 426 "Ja" lautet, inkrementiert die Routine den Zähler C2. Alternativ dekrementiert die Routine den Zähler C2 in Schritt 430. Von Schritt 428 oder 430 geht die Routine dann weiter zu Schritt 432, um festzustellen, ob der Zählwert größer ist als ein Schwellenwert (L4). Wenn die Antwort auf Schritt 432 "Nein" lautet, endet die Routine. Wenn alternativ die Antwort auf Schritt 432 "Ja" lautet, zeigt die Routine eine Verschlechterung des Sensors (d.h. eine Verschlechterung der Sensorverstärkung) an.
Auf diese Weise kann die Schätzung des Sensorverstärkungswertes verwendet werden, um zu überwachen, ob der Sensor eine genaue und zuverlässige Information liefert. Wenn sich die adaptive Schätzung der Sensorverstärkung außerhalb eines akzeptablen Wertes bewegt (der anhand statistischer Daten einer Charge von Drucksensoren ermittelt werden kann), kann die Verschlechterung des Sensors dem Fahrer des Fahrzeugs über eine aufleuchtende Lampe angezeigt werden.
Auf diese Weise ist es auch möglich, die Sensorantwort festzustellen, wenn der Abgasdurchsatz größer ist als ein Schwellenwert. Ein solches Vorgehen führt zu einer größeren Genauigkeit, indem Updates unter hinreichend klaren Strömungsbedingungen gewährleistet werden. Der aktualisierte Parameter kann somit mit einem Erwartungswert verglichen werden, um die Verschlechterung des Sensors zu ermitteln.
Außerdem sei angemerkt, dass es möglich ist, die hierin beschriebenen Diagnoseverfahren für den beim Steuern des DPF verwendeten Absolut- oder Differenzdrucksensor zu verwenden. Wenn zum Beispiel ein Absolutdrucksensor verwendet wird, kann er dem DPF vorgeschaltet sein und in Kombination mit einer auf der Drehzahllast basierenden Schätzung des Abgasdruckes verwendet werden, um den Differenzdruck zu bilden.
Durch Überwachen des Sensors in der in 3 und 4 beschriebenen Weise ist es also möglich, Veränderungen in der Steigung oder im Versatz oder in beidem am Sensorausgang im Vergleich zum Druck zu erfassen. Diese Information kann dann verwendet werden, um die Verschlechterung des Sensors zu erfassen. Durch Aussteuern von Updates der Schätzung unter ausgewählten Bedingungen (zum Beispiel bei hohem Durchsatz) kann ein genaueres Ergebnis erzielt werden.
5 und 6 zeigen eine Simulation der Drucksensorüberwachung. Die ersten 10 Sekunden finden im Leerlauf statt und dienen zum Setzen eines Referenzwertes für F und dp_volts. Das obere Fenster in 5 zeigt den Strömungseingang, ein sinusförmiger Verlauf. Das zweite Fenster zeigt den realen und den gemessenen Druckabfall, wenn die tatsächliche Sensorverstärkung a0=0,08 und die kalibrierte Verstärkung bzw. der Erwartungswert a1=0,1 ist. Das dritte Fenster zeigt den resultierenden Spannungsverlauf und das Flag, das anzeigt, wann der Durchsatz hoch genug ist, damit die Überwachung die Verstärkung schätzt. In 5 beträgt der Schwellenwert (L3) 40 kg/h. Das vierte Fenster zeigt die resultierende Schätzung von A ^₀ aus Gleichung (7). In 6 ist der Schwellenwert L3 auf 150 kg/h gesetzt, und das vierte Fenster zeigt, dass die Schätzung genauer wird, wenn das Paar (Δp,F) unter Strömungsbedingungen geprüft wird, die von dem Referenzpunkt im Leerlauf weiter entfernt sind.
Es sei angemerkt, dass es verschiedene alternative Methoden gibt sowie Modifikationen, die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Diese sind nachfolgend zusammengefasst.
Zum Beispiel können die Routinen von 3 und 4 warten, bis ein stationärer Zustand erreicht ist, bevor ein Paar (Δp, F) geprüft wird, um Einschwingvorgänge an geprüften Daten zu verringern. Die Routine kann zum Beispiel eine vorbestimmte Zeit warten, bevor in Schritt 410 die Sensorüberwachung aktiviert wird. Alternativ kann die Routine eine vorbestimmte Anzahl von Motorumdrehungen warten oder kann die Überwachung aktivieren, wenn Veränderungen in den Strömungszuständen unter einem Schwellenwert liegen. Bei noch einer weiteren Alternative können die Routinen von 3 und 4 warten, bis die Abgastemperatur einen bestimmten Wert erreicht, bevor ein Paar (Δp, F) geprüft wird, um genauere Messwerte zu erhalten. Weiterhin kann die Aktivierung von Schritt 410 auf einen Zeitraum begrenzt werden, wo festgestellt wird, dass die Veränderung der Rußbelastung kleiner ist als eine vorgewählte Rußmenge (z.B. weniger als 5%, 10%, 30%, etc. der Rußbelastung).
Die hierin beschriebenen Diagnoseverfahren gelten auch für andere Konfigurationen mit Drucksensoren bzw. Differenzdrucksensoren, die bei einer Vorrichtung verwendet werden, deren Strömungscharakteristik sich innerhalb kürzerer Zeit ermitteln lässt, wenngleich sie sich über längere Zeiträume langsam ändert. Die hierin beschriebenen Routinen können zum Beispiel zur Überwachung von Drucksensoren verwendet werden, die ein allmähliches Zusetzen bei Verdunstungssystemen zur Leckerkennung überwachen.
Wenn bei solchen alternativen Systemkonfigurationen ein sich langsam ändernder Parameter in additiver Weise in die Strömungscharakteristik eingeht (und nicht in multiplikativer Form), dann kann die Differenz Δp1–Δp2 und g(F1)–g(F2) anstelle des Quotienten berechnet werden, und der Unterschied zwischen diesen Differenzen kann verglichen werden. Wenn alternativ die Strömungscharakteristik dergestalt ist, dass es eine weitere mathematische Operation (z.B. die Operation X{}) gibt, die unabhängig von dem sich langsamer ändernden Parameter (in unserem Fall die Rußbelastung) X(g(F1),g(F2)) ergibt, dann kann die Routine mit Hilfe dieser Operation X{} die Messwerte vergleichen.
Ferner kann, wie oben beschrieben, dann, wenn mehrere Quotienten Δpi/Δpj einen von der Verstärkung der Übertragungsfunktion verschiedenen Wert a0 liefern, das angepasste a0 verwendet werden, um die neuen Werte zu reflektieren und einen Betrieb des Systems mit verminderter Kapazität aufrechtzuerhalten. Dies ist die Berechnung für A ^₀ in Gleichung (7). Mit anderen Worten, selbst wenn der Sensor auf eine unerwartete und schlechter gewordene Weise arbeitet, kann die adaptive Art der Routinen verwendet werden, um dieser Verschlechterung Rechnung zu tragen, um immer noch einen akzeptablen Betrieb des Fahrzeugs bereitzustellen, bis weiteren Maßnahmen ergriffen werden.
Außerdem sei angemerkt, dass die Sensorüberwachung auch auf jede allgemeine Übertragungsfunktion von Spannung bis Druck anwendbar ist, nicht nur auf eine lineare. Mit anderen Worten, wenn ein Drucksensor verwendet wird, der in der Ausgangsspannung auf Änderungen in dem erfassten Druck nichtlinear reagiert, dann kann diese neue Übertragungsfunktion einfach anstelle der bei der obigen Beschreibung verwendeten linearen Funktion verwendet werden. Zum Beispiel kann die Routine dahingehend modifiziert werden, dass sie zunächst die nominale Nichtlinearität umkehrt, so dass die Beziehung linear wird, und dann die obigen Algorithmen zur Überwachung von Versatz und Verstärkung anwendet.
Schließlich sei angemerkt, dass die hierin beschriebene Überwachungsmethode genauso gut für andere Sensoren gilt, die eine bekannte kürzere Charakteristik zwischen einer abhängigen und einer unabhängigen Größe (Δp=g(F) im obigen Fall) haben, aber einer längerfristigen Veränderung (die Abhängigkeit von g vom Ruß im obigen Fall) unterliegen.
Wenn festgestellt wurde, dass der zum Steuern der DPF-Regenerierung verwendete Sensor sich verschlechtert hat, dann kann eine Beleuchtungslampe aktiviert werden, um den Fahrer des Fahrzeugs zu alarmieren. Ferner wird eine Standard maßnahme durchgeführt, wenn die DPF-Regenerierung unterbrochen ist. Alternativ kann die DPF-Regenerierung fortgesetzt werden, aber nach anderen Verfahren wie zum Beispiel aufgrund der zurückgelegten Fahrstrecke, aufgrund einer oben beschriebenen Schätzung des in dem DPF zurückgehaltenen Rußes oder nach verschiedenen anderen Verfahren aktiviert werden.
Mit Bezug auf 7 wird nun eine beispielhafte Routine zum Steuern der Einspritzung eines Reduktionsmittels in den SCR-Katalysator unter Verwendung eines Reduktionsmittelzuführsystems dargestellt. Zunächst wird in Schritt 710 die Menge an NOx in dem in die Vorrichtung einströmenden Abgasgemisch, NOx_fg, anhand der Motorbetriebsbedingungen geschätzt. Diese Bedingungen können die Motordrehzahl, die Motorlast, die Abgastemperaturen, die Temperaturen in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, den Einspritzzeitpunkt, die Motortemperatur und sonstige Parameter umfassen, von denen der Fachmann weiß, dass sie die durch den Verbrennungsprozess erzeugte NOx-Menge anzeigen. Alternativ kann ein NOx-Sensor verwendet werden, um die Menge an NOx in dem Abgasgemisch zu messen. Als Nächstes wird in Schritt 712 die Reduktionsmitteleinspritzmenge im stationären Zustand, RA_{inj_1}, anhand der folgenden Gleichung berechnet:
wobei RA_fg die Menge an Reduktionsmittel im Motorbetriebsgas ist, die anhand der Motorbetriebsbedingungen ermittelt werden kann. Diese Anfangsmenge an Reduktionsmittel, RA_{inj_1}, wird im stationären Zustand bewertet und liefert eine bei jeder Motordrehzahl und jedem Lastpunkt einzuspritzende Basismenge an Reduktionsmittel. Die Menge wird kalibriert, um ein bestimmtes Verhältnis zwischen Betriebsgasreduktionsmittel und NOx, R_des, zu erreichen. Das Verhältnis erhält man normalerweise als Abgleich zwischen der NOx-Umwandlung und dem Kraftstoffverbrauch infolge der Einspritzung von Reduktionsmittel, und es ist in diesem Beispiel auf ungefähr 10 gesetzt. Als Nächstes wird in Schritt 700_ die zugrunde liegende Reduktionsmitteleinspritzmenge im stationären Zustand, RA_{inj_1}, modifiziert, um Motorbetriebsbedingungen wie zum Beispiel der Motorkühlmitteltemperatur T_c, der Abgastemperatur T_eg, der Stellung EGR_pos des Abgasrückführungsventils, dem Einspritzbeginn SOI und anderen Parametern Rechnung zu tragen: RAinj_2 = RAinj_1·f1(Tc)·f2(Teg)·f3(SOI)·f4(EGRpos)
Die Routine geht dann weiter zu Schritt 716, wo die momentane Änderung in der Pedalstellung wie folgt berechnet wird:
wobei T_s die Abtastrate ist und pps(t) die Pedalstellung zum Zeitpunkt t bezeichnet. Als Nächstes wird in Schritt 718 ein Tiefpassfilter angewandt, um das Rauschen zu glätten: pps_diff_lp(t)=(1–kf)·pps_diff_lp(t–1)+kf·pps_diff(t–1)wobei k_f die Filterrate steuert. Die Routine geht dann weiter zu Schritt 720, worin die Reduktionsmittelmenge weiter modifiziert wird, um einem instationären Verhalten des Motors Rechnung zu tragen, wie es sich durch Änderungen in der Pedalstellung zeigt: RAinj_3=RAinj_2·f5(pps_diff_lp)wobei die Funktion f₅ so gestaltet ist, dass eine Einspritzung von zu viel Reduktionsmittel beim Treten des Pedals und eine Einspritzung von zu wenig Reduktionsmittel beim Loslassen des Pedals möglich sind. Bei einer alternativen Ausführungsform können anstelle der Pedalstellung ein Motordrehzahl- oder Kraftstoffbedartssensor oder jeder andere Parameter, von dem der Fachmann weiß, dass er ein Maß für ein instationäres Verhalten des Motors liefert, verwendet werden, um RA_{inj_3} zu erhalten.
Die Routine geht dann weiter zu Schritt 724, worin RA_{inj_3} und Luft dem Reduktionsmittelzuführsystem 19 zugeführt werden. Die Routine endet dann. Ein Beispiel für f₅ ist insbesondere anhand von 8 dargestellt.
Um einen wirksameren NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines SCR-Katalysators zu erzielen, kann daher gemäß der vorliegenden Erfindung die einzuspritzende Menge an Reduktionsmittel eingestellt werden, um Änderungen in der NOx-Menge im Motorabgas Rechnung zu tragen, die durch das instationäre Verhalten des Motors verursacht werden. Dies gelingt durch kontinuierliches Überwachen von Motorparametern, die ein Maß für ein instationäres Verhalten des Motors liefern können, wie zum Beispiel ein Sensor für die Pedalstellung, und durch Einstellen der einzuspritzenden Menge an Reduktionsmittel in Abhängigkeit von gefilterten momentanen Änderungen in diesen Parametern. Da die NOx-Produktion normalerweise beim Treten des Pedals ansteigt und beim Loslassen des Pedals abnimmt, wäre das Ergebnis einer solchen Maßnahme die Erhöhung der eingespritzten Basismenge im ersteren Fall und eine Verminderung der eingespritzten Basismenge im letzteren Fall. Durch Verwendung einer Reduktionsmittelzuführeinheit werden ferner eine schnelle Systemantwort, ein effizienterer Betrieb des Systems, eine bessere Abgasreinigung und ein sparsamerer Kraftstoffverbrauch sichergestellt.
Mit Bezug auf 9 wird nun ein alternatives Beispiel eines Verfahrens zum Regenerieren eines Partikelfilters dargestellt, das anstelle von oder zusätzlich zu der Partikelfilterregenerierung anhand eines über dem Filter gemessenen Druckunterschiedes verwendet werden kann.
Da bei einer beispielhaften Systemkonfiguration der Partikelfilter dem SCR-Katalysator nachgeschaltet ist, kann das Regenerieren des Filters durch Anheben der stromaufwärtigen Abgastemperatur auf Regenerierungstemperatur über das Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff in den Oxidationskatalysator einen Wärmeschaden des SCR-Katalysators verursachen. Die Erfinder haben daher ein alternatives Verfahren zum Regenerieren eines einem SCR-Katalysator nachgeschalteten Partikelfilters entwickelt, wobei die Temperatur des Partikelfilters auf eine Temperatur angehoben wird, bei der Kohlenwasserstoffe exotherm mit Sauerstoff in dem Abgas reagieren werden, und anschließend zusätzliche Kohlenwasserstoffe in den dem SCR-Katalysator nachgeschalteten Partikelfilter eingespritzt werden. Die resultierende Exotherme regeneriert den Filter, ohne einen Wärmeschaden des SCR-Katalysators zu verursachen.
Zunächst wird in Schritt 810 die in dem Partikelfilter vorhandene gesamte Partikelmenge, spa, ermittelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Menge ständig aktualisiert, und sie basiert auf der aktuell vorhandenen Partikelmenge und der pro vorbestimmter Abtastzeit während des Verbrennungsprozesses erzeugten Zuwachsmenge an Partikeln, die anhand von Motorbetriebsbedingungen wie zum Beispiel der Kraftstoffeinspritzmenge und der Motordrehzahl ermittelt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 812, worin die Partikelfiltertemperatur, T_f, geschätzt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Temperatur anhand von Motorbetriebsbedingungen unter Verwendung von in einem Speicher gespeicherten vorgegebenen Kennfeldern geschätzt. Die Motorbetriebsparameter umfassen die Motordrehzahl, die Kraftstoffeinspritzmenge, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und die Motortemperatur. Jedes andere dem Fachmann bekannte Verfahren zum Schätzen einer Temperatur einer Abgasreinigungsvorrichtung kann bei der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden.
Als Nächstes wird in Schritt 814 ermittelt, ob der Partikelfilter regeneriert werden sollte. Vor allem wenn die vorhandene Partikelmenge (spa) größer ist als die maximale Grenzmenge S2, oder wenn die Partikelfiltertemperatur T_f größer ist als die Temperaturgrenze T1 und spa größer ist als die Grenzmenge S1, ist eine Regenerierung angezeigt. Die vorliegende Erfindung nutzt also höhere Partikelfiltertemperaturen, die unter bestimmten Fahrbedingungen auftreten können, indem sie vorhandene Partikel zu diesem Zeitpunkt beseitigt, selbst wenn die Gesamtmenge spa unter der maximalen Grenzmenge S2 liegt. Der Kraftstoffverbrauch wird also reduziert, indem der Partikelfilter opportunistisch regeneriert wird, weil geringere Mengen an Energie erforderlich sind, um die Filtertemperatur auf die Regenerierungstemperatur zu erhöhen. Wenn die Antwort auf Schritt 814 Nein lautet, endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 814 Ja lautet, d.h. eine Partikelfilterregenerierung angezeigt ist, geht die Routine weiter zu Schritt 816, wo festgestellt wird, ob T_f größer ist als T_ex, was die Temperatur ist, oberhalb der Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff im Abgas exotherm reagieren wird. Wenn die Antwort auf Schritt 816 Ja lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 818, worin eine dampfförmige Mischung von Kohlenwasserstoff und Luft in das über das Reduktionsmittelzuführsystem in den Partikelfilter einströmende Abgas eingespritzt wird. Alternativ kann jede andere dem Fachmann bekannte Vorrichtung verwendet werden, um Reduktionsmittel einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zuzuführen. Die resultierende Exotherme führt dann dazu, dass die Temperatur des Partikelfilters auf Regenerierungstemperatur ansteigt. Die Menge des eingespritzten Kohlenwasserstoffs und die für eine vollständige Filterregenerierung erforderliche Länge der Einspritzzeit werden vorzugsweise anhand von Betriebsbedingungen wie spa, Filtertemperatur, Motordrehzahl, Kraftstoffeinspritzmenge, Druckunterschied, etc.
ermittelt. Sobald die Filterregenerierung abgeschlossen ist, endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 816 Nein lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 818, worin die Partikelfiltertemperatur über T_ex erhöht wird, indem die Temperatur des Abgasstromes stromaufwärts von dem Partikelfilter angehoben wird, indem zum Beispiel durch Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff eine exotherme Reaktion in dem Oxidationskatalysator 13 erzeugt wird, oder durch den Motor betreffende Maßnahmen wie zum Beispiel eine Spätverstellung des Einspritzzeitpunkts, eine Erhöhung der Abgasrückführung oder das Schließen eines Einlassdrosselventils. Die Routine läuft dann durch Schritt 816, bis T_ex erreicht ist.
Es sei angemerkt, dass je nach den Betriebsbedingungen bzw. der Systemkonfiguration die zusätzliche Einspritzung von Schritt 820 weggelassen werden kann.
Es ist also möglich, den Partikelfilter zu regenerieren, indem zunächst die Temperatur des stromaufwärtigen Abgases so eingestellt wird, dass die Temperatur des Partikelfilters auf eine Temperatur angehoben wird, oberhalb der Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff im Abgas exotherm reagieren wird, und indem dann durch Einspritzen von zusätzlichem Kohlenwasserstoff in den Filter Regenerierungstemperaturen erzielt werden.
Damit endet die Beschreibung der Erfindung. Wenn der Fachmann sie liest, dürften ihm viele Änderungen und Modifikationen in den Sinn kommen, ohne dabei vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Den Umfang der Erfindung sollen daher die folgenden Ansprüche definieren:

Claims

System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System Folgendes umfasst: einen in den Motorauslass eingebauten Drucksensor; einen in den Motorauslass eingebauten Partikelfilter; und ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: – einen Code zum Ermitteln mindestens eines Parameters anhand mindestens zweier Strömungsbedingungen; – einen Code zum Messen eines Signals von dem Abgasdrucksensor; und – einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors anhand mindestens des Parameters und des Signals.
System nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Dieselmotor ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, der den Druckunterschied über dem Partikelfilter misst.
System nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor ein dem Partikelfilter nachgeschalteter Absolutdrucksensor ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter mit einem Oxidationskatalysator verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter mit einem NOx-Adsorber verbunden ist.
Verfahren zum Überwachen eines Drucksensors, wobei der Sensor sowohl auf einen ersten als auch auf einen zweiten Parameter reagiert und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen eines Signals von dem Drucksensor mindestens während eines Zustands, indem die Veränderung des ersten Parameters größer ist als ein erster Betrag und die Veränderung des zweiten Parameters kleiner ist als ein zweiter Betrag; und Ermitteln der Verschlechterung des Sensors anhand des Signals und eines Referenzwertes.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Parameter den Abgasdurchsatz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Parameter den in einem Partikelfilter enthaltenen Ruß umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Betrag und der zweite Betrag im Wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Betrag und der zweite Betrag im Wesentlichen verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Antwort eine erwartete Signalantwort des Sensors während des Zustands ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ermitteln der erwarteten Antwort des Sensors während des Zustands das Ermitteln der erwarteten Antwort des Sensors während des Zustands anhand der Veränderung des ersten Parameters umfasst.
Verfahren zum Überwachen eines Drucksensors in einem Motorauslass, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen eines Signals von dem Drucksensor während mindestens eines ersten und eines zweiten Strömungszustands; Ermitteln einer erwarteten Antwort des Sensors während der Strömungszustände; und Ermitteln einer Verschlechterung des Sensors, wenn sich das Signal um einen Betrag von der erwarteten Antwort unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Strömungszustand einen Zustand mit hohem Durchsatz und einen Zustand mit niedrigem Durchsatz umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Strömungszustand einen Leerlaufzustand und einen nicht im Leerlauf befindlichen Zustand umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Sensor den Druckunterschied über einem Partikelfilter misst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Motor ein Dieselmotor ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erwartete Antwort eine erwartete Antwort aufgrund von Strömungsbedingungen umfasst, die sich in einem schnelle ren Maße ändern als ein Zeitmaß von Änderungen in der Strömungsbeschränkung.
System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System Folgendes umfasst: einen Drucksensor, der in den Motorauslass eingebaut ist; einen Partikelfilter, der in den Motorauslass eingebaut ist; und ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: – einen Code zum Ermitteln einer erwarteten Sensorantwort; – einen Code zum Messen einer Signalantwort von dem Abgasdrucksensor während mindestens eines ausgewählten Betriebszustands des Motors; und – einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Abgasdrucksensors anhand mindestens der erwarteten Sensorantwort und der Signalantwort.
System nach Anspruch 20, wobei die erwartete Sensorantwort ermittelt wird, wenn der Motor ausgeschaltet ist.
System nach Anspruch 20, wobei die erwartete Sensorantwort ermittelt wird, wenn der Motor arbeitet.
System nach Anspruch 20, wobei der Code zum Ermitteln einer erwarteten Sensorantwort aktiviert wird, wenn der Abgasdurchsatz größer ist als ein Schwellenwert.
System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System Folgendes umfasst: einen Partikelfilter, der in den Motorauslass eingebaut ist; einen Sensor, der in den Motorauslass eingebaut ist; und ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: – einen Code zum Regenerieren des Partikelfilters anhand des Sensors; und – einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Sensors anhand eines Betriebsparameters.
System nach Anspruch 24, wobei der Sensor ein Differenzdrucksensor ist.
System nach Anspruch 24, wobei der Sensor ein Temperatursensor ist.
System für ein Fahrzeug, das einen Motor mit einer Abgasanlage hat, wobei das System Folgendes umfasst: einen Sensor, der in den Motorauslass eingebaut ist, so dass der Sensor dem Abgas ausgesetzt ist; einen Partikelfilter, der in den Motorauslass mit dem Sensor eingebaut ist; und ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm zum Ermitteln der Verschlechterung des Sensors, wobei das Computerspeichermedium Folgendes umfasst: – einen Code zum Ermitteln mindestens eines Betriebsparameters des Sensors anhand mindestens zweier Strömungsbedingungen des Abgases; – einen Code zum Messen eines Signals von dem Sensor über die Zeit; und – einen Code zum Ermitteln der Verschlechterung des Sensors über die Zeit anhand mindestens des Parameters und des Signals.
System nach Anspruch 27, wobei die Sensorermittlung der Verschlechterung aufgrund einer Anzeige von stationären Strömungsbedingungen beginnt.
System nach Anspruch 27, wobei die Sensorermittlung der Verschlechterung aufgrund einer Anzeige, dass die Temperatur der Abgasanlage über einem Grenzwert liegt, beginnt.