DE102006018956A1

DE102006018956A1 - Abgassensor

Info

Publication number: DE102006018956A1
Application number: DE102006018956A
Authority: DE
Inventors: Rainer Strohmaier; Torsten Handler; Bernhard Kamp; Katharina Schaenzlin; Henrik Schittenhelm; Andreas Sturm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-10-25
Also published as: US20080000286A1; US7568376B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Masse von Partikeln oder eines Partikelmassenstroms in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine zumindest ein resistiver Partikelsensor angeordnet ist, dessen gemessene Signaländerung mit einer aus einem Motormodell ermittelten prognostizierten Signaländerung des Partikelsensors verglichen wird. Werden die gemessene Signaländerung des Partikelsensors und/oder die prgnostizierte Signaländerung des Partikelsensors unter Berücksichtigung von Einflussgrößen auf Querempfindlichkeiten des Partikelsensors korrigiert, wird es insbesondere bei der Ermittlung der prognostizierten Signaländerung des Partikelsensors möglich, dass auch bei dynamischen Betriebspunktwechseln der Brennkraftmaschine, die schneller als das Ansprechen des Partikelsensors erfolgen, eine Kompensation der Querempfindlichkeiten erfolgen kann, da die Korrektur auch für kleine, also während eines gerade durchlaufenden Betriebspunktes der Brennkraftmaschine prognostizierte Signaländerungen durchgeführt werden kann. Da die prognostizierten Signaländerungen aus einem Kennlinienfeld des Motormodells ermittelt werden, können diese für sehr kurze Zeiten und somit einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zuordenbare Messintervalle mit den dadurch bedingten sehr kleinen prognostizierten Signaländerungen bestimmt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Masse von Partikeln oder eines Partikelmassenstroms in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine zumindest ein resistiver Partikelsensor angeordnet ist, dessen gemessene Signaländerung mit einer aus einem Motormodell ermittelten prognostizierten Signaländerung des Partikelsensors verglichen wird.
Ein solcher resistiver Partikelsensor ist in der DE 101 33 384 A1 beschrieben. Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden aufgebaut, die zumindest teilweise von einem Schutzrohr überdeckt sind, das auch als Fanghülse zur Verbesserung der Ablagerung von Partikeln dient. Lagern sich Partikel aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine an dem Partikelsensor ab, so führt dies zu einer auswertbaren Änderung der Impedanz des Partikelsensors, aus der auf die Menge angelagerter Partikel und somit auf die Menge im Abgas mitgeführter Partikel geschlossen werden kann.
Partikelsensoren weisen eine starke Querempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflussgrößen wie Sensortemperatur, Abgastemperatur oder auch Abgasgeschwindigkeit auf. Dabei beeinflussen diese Größen sowohl die Anlagerung der Partikel an dem Sensor wie auch die gemessene Impedanz des Sensors.
In einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung (Aktenzeichen R312266) ist ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Erfassen von Partikeln in einem Abgasstrom beschrieben. Dabei wird zumindest ein Maß für den Abgasstrom am Partikelsensor ermittelt und bei der Bewertung des vom Partikelsensor bereitgestellten Partikelsensorsignals das Maß für den Abgasstrom berücksichtigt.
Weitere Einflussgrößen auf die Querempfindlichkeiten der Sensoren werden bei dem beschriebenen Verfahren nicht berücksichtigt. Bei der Kompensation der Querempfindlichkeiten des Partikelsensors tritt das Problem auf, dass die Signaländerungen des Partikelsensors sehr klein sind. Es kann eine vergleichsweise lange Zeit benötigt werden, um eine hinreichend Menge von Partikel zu sammeln, damit eine für das Motorsteuergerät auswertbare Signaländerung zustande kommt. Aus diesem Grund kann eine zeitnahe Kompensation der Querempfindlichkeiten teilweise nicht oder nur sehr ungenau durchgeführt werden. Die Dynamik des Partikelsensors und somit seines Ausgangssignals kann bei sich ändernden Betriebssituationen der Brennkraftmaschine nicht ausreichend sein, um den wechselnden Betriebsbedingungen zu folgen. Einer quantifizierbaren Signaländerung kann in einem solchen Fall somit nicht ein einzelner Wert, beispielsweise ein Abgasvolumenstrom, zugeordnet werden, sondern ihr muss eine Historie von sich während der Messzeit ändernden Einflussparametern zugeschrieben werden.
In einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung (Aktenzeichen R.311991) ist ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasgrenzwertes eines Verbrennungsmotors mittels einer Motorsteuerung beschrieben, wobei die Motorsteuerung mindestens einen Abgassensor aufweist und ein Fehlersignal bei Überschreitung des Abgasgrenzwertes abgegeben wird. Dabei werden die für den gegenwärtigen Fahrzustand vorhergesagten Emissionen mit Hilfe eines Motormodells ermittelt und mit dem Signal des Abgassensors oder einem daraus hergeleiteten Vergleichswert für die Emission verglichen. Der Abgassensor kann ein sammelnder Partikelsensor sein. Das Verfahren ermöglicht die Abgasüberwachung bei gegenüber standardisierten Fahrzyklen zur Festlegung der Grenzwerte abweichenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine genaue Bestimmung der in dem Abgas einer Brennkraftmaschine mitgeführten Partikelmenge mit Hilfe eines resistiven Partikelsensors ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die gemessene Signaländerung des Partikelsensors und/oder die prognostizierte Signaländerung des Partikelsensors unter Berücksichtigung von Einflussgrößen auf Querempfindlichkeiten des Partikelsensors korrigiert werden. Dabei wird es insbesondere bei der Ermittlung der prognostizierten Signaländerung des Partikelsensors möglich, dass auch bei dynamischen Betriebspunktwechseln der Brennkraftmaschine, die schneller als das Ansprechen des Partikelsensors erfolgen, eine Kompensation der Querempfindlichkeiten erfolgen kann, da die Korrektur auch für kleine, also während eines gerade durchlaufenen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine prognostizierte Signaländerungen durchgeführt werden kann. Da die prognostizierten Signaländerungen aus einem Kennlinienfeld des Motormodells ermittelt werden, können diese für sehr kurze Zeiten und somit einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zuordenbare Messintervalle mit den dadurch bedingten sehr kleinen prognostizierten Signaländerungen bestimmt werden.
Mit einem realen Partikelsensor können unter einigen Betriebsbedingungen aufgrund der mangelnden Dynamik des Partikelsensors und aufgrund von Messwertschwankungen solch kleine Signaländerungen nicht auswertbar sein. Dabei ist eine Korrektur der Querempfindlichkeiten bei der gemessenen Signaländerung, beispielsweise zum Zeitpunkt des Vergleiches mit der prognostizierten Signaländerung, zur Berücksichtigung der momentanen Querempfindlichkeiten sinnvoll. Die gemessenen und prognostizierten Signaländerungen können nach den bekannten Methoden der Gradientenmethode und der Auslösemethode ausgewertet werden. Im Falle der Gradientenmethode entspricht die Signaländerung der Anstiegsgeschwindigkeit dI/dt des Sensorstroms. Bei der Auslösemethode wird überwacht, ob das Sensorsignal eine vorgegebene Schwelle überschreitet und der Zeitpunkt des Überschreitens der Schwelle als Auslösezeitpunkt des Partikelsensors definiert.
Die wesentlichen Einflussparameter auf das Messverhalten heutiger Partikelsensoren können dadurch kompensiert werden, dass zur Korrektur der gemessenen Signaländerung und/oder der prognostizierten Signaländerung des Partikelsensors die Einflussgrößen auf die Querempfindlichkeiten des Partikelsensors Abgastemperatur und/oder Temperatur des Partikelsensors und/oder Abgasvolumenstrom und/oder der Einfluss der gasförmigen Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserdampf berücksichtigt werden. Statt dem Abgasvolumenstrom kann auch die Abgasgeschwindigkeit verwendet werden. Abhängig von dem jeweils verwendeten Sensorkonzept können jedoch auch weitere Einflussgrößen einbezogen werden.
Für die Auswertung der gemessenen und der prognostizierten Sensorsignale kann es vorgesehen sein, dass bei überschreiten einer vorgegebenen Stromschwelle oder unterschreiten einer vorgegebenen Widerstandsschwelle die gemessene Signaländerung und/oder die prognostizierte Signaländerung mit einer vorgegebenen Auslöseschwelle verglichen werden und bei Erreichen der Auslöseschwelle die gemessene Signaländerung mit der prognostizierten Signaländerung verglichen wird. Die Methode ermöglicht es, digitale Informationen „Schwelle erreicht/Schwelle nicht erreicht" zu einem bestimmten Zeitpunkt, vorzugsweise des Auslösezeitpunktes, zu vergleichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass aus einem von dem Motormodell prognostizierten Partikelmassenstrom in einem Anlagerungsmodell ein an dem Partikelsensor prognostizierter angelagerter Partikelmassenstrom unter Berücksichtigung der Einflussgrößen auf die Querempfindlichkeiten Temperatur des Partikelsensors, Abgastemperatur und/oder Abgasvolumenstrom ermittelt wird und dass durch Integration aus dem prognostizierten angelagerten Partikelmassenstrom eine prognostizierte angelagerte Masse und über ein Leitfähigkeitsmodell eine prognostizierte Signaländerung des Partikelsensors ermittelt wird. Das Motormodell gibt den für die momentane Betriebssituation der Brennkraftmaschine zu erwartenden und dem Partikelsensor zugeführten Partikelmassenstrom aus. In dem Anlagerungsmodell wird ermittelt, wie viele der prognostizierten, vorbeigeführten Partikel sich an dem Partikelsensor anlagern. Dabei berücksichtigt das Anlagerungsmodell, dass die Masse der je Zeiteinheit aus dem prognostizierten Partikelmassenstrom angelagerten Partikel abhängig von den momentanen Einflussparametern Temperatur des Partikelsensors, Abgastemperatur und Abgasvolumenstroms ist. Da die Prognose für sehr kurze Messintervalle durchführbar ist, kann so der in der momentanen Betriebsituation der Brennkraftmaschine an den Partikelsensor angelagerte Partikelmassenstrom bestimmt werden. Durch die Integration wird die über einen längeren Zeitraum bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen an den Partikelsensor angelagerter Masse von Partikeln ermitteln, welcher bei korrekter Prognose und Funktion des Partikelsensors der tatsächlich an dem Partikelsensor angelagerten Partikelmasse entspricht. Durch das Leitfähigkeitsmodell wird die prognostizierte angelagerte Masse in ein entsprechendes Signal des Partikelsensors umgerechnet, womit ein Vergleich mit dem gemessenen Signal des Partikelsensors möglich wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass aus dem von dem Motormodell prognostizierten Partikelmassenstrom in dem Anlagerungsmodell eine prognostizierte differentielle Signaländerung des Partikelsensors unter Berücksichtigung der Einflussgrößen auf die Querempfindlichkeiten des Partikelsensors Temperatur des Partikelsensor, Abgastemperatur und/oder Abgasvolumenstrom ermittelt wird und dass durch Integration der prognostizierten differentiellen Signaländerung die prognostizierte Signaländerung des Partikelsensors bestimmt wird. Bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung wird im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Variante die schwer bestimmbare Größe prognostizierter angelagerter Partikelmassenstrom nicht verwendet, sondern das Anlagerungsmodell ermittelt unter Berücksichtigung der genannten Querempfindlichkeiten direkt eine den momentanen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine entsprechende differentielle Signaländerung. Daraus wird durch Integration die mit der gemessenen Signaländerung vergleichbare prognostizierte Signaländerung über mehrere Betriebspunkte ermittelt. Der Vorteil der Ausführungsvariante liegt darin, dass das Anlagerungsmodell durch Messung der Signaländerung eines Partikelsensors im Abgas einer Brennkraftmaschine, welche mit konstanten Betriebsparametern betrieben wird, kalibriert werden kann. Dies kann entsprechend für verschiedene Betriebspunkte der Brennkraftmaschine erfolgen.
Dadurch, dass der Einfluss der aktuellen Temperatur des Partikelsensors auf die Leitfähigkeit des Partikelsensors in dem Leitfähigkeitsmodell oder in einer ersten Temperaturkorrekturstufe zur Bestimmung der prognostizierten Signaländerung berücksichtigt wird oder dass der Einfluss der aktuellen Temperatur in einer zweiten Temperaturkorrektur zur Bestimmung der gemessenen Signaländerung berücksichtigt wird, kann die prognostizierte Signaländerung direkt mit der gemessenen Signaländerung verglichen werden. Neben der angelagerten Masse an Partikeln auf dem Partikelsensor wird die Leitfähigkeit des Partikelsensors wesentlichen durch die momentane Temperatur des Partikelsensors und die Temperatur der angelagerten Partikel bestimmt. Es kann entweder die aktuelle Temperatur des Partikelsensors bei der Bestimmung der prognostizieren Signaländerung berücksichtigt werden oder die prognostizierte Signaländerung wird für eine festgelegte Temperatur des Partikelsensors bestimmt und die gemessene Signaländerung wird auf diese festgelegte Temperatur umgerechnet. Zusätzlich zu der Temperatur des Partikelsensors ist es auch denkbar, entsprechend weitere Einflussgrößen auf die Leitfähigkeit des Partikelsensors zu berücksichtigen.
Wird das Verfahren an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchgeführt, an welchen die Masse der Partikel oder der Partikelmassenstrom mit hoher Genauigkeit gemessen oder prognostiziert werden können, kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Verfahrens deutlich verbessert werden. Weiterhin ist es denkbar, solche günstigen Betriebsbedingungen bei aus den Messergebnissen abgeleiteten Entscheidungen entsprechend den jeweiligen Anwendungen gesondert zu gewichten.
Eine bevorzugte Erfindungsvariante sieht vor, dass in Abhängigkeit von einer auf dem Partikelsensor angelagerten Partikelmasse und/oder der Abgastemperatur und/oder der Temperatur des Partikelsensors und/oder des Abgasvolumenstroms und/oder des prognostizierten Partikelmassenstroms und/oder eines gemessenen Partikelmassenstroms ein Gewichtungsfaktor bestimmt wird, mit welchem der prognostizierte angelagerte Partikelmassenstrom oder die prognostizierte differentielle Signaländerung korrigiert werden. Damit wird berücksichtigt, dass eine an dem Partikelsensor vorbei tretende Partikelmasse zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Messzyklus unterschiedlich starke Beiträge zur Signalausbildung liefert, wie dies insbesondere bei der Auswertung nach der Auslösemethode der Fall sein kann. Dabei trägt eine unmittelbar nach der Regeneration des Partikelsensors angelagerte Partikelmasse weniger stark zur Auslösung bei als eine Partikelmasse, die kurz vor dem Auslösen des Partikelsensors angelagert wird.
In einer Anwendung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verfahren bei der Onboard-Diagnose (OBD) eines Partikelfilters im Abgasstrang der Brennkraftmaschine eingesetzt wird, wobei aus dem mit dem Motormodell prognostizierten Partikelmassenstrom und einem Grenzfiltermodell ein prognostizierter Partikelmassenstrom-Grenzwert, der dem Anlagerungsmodell zugeführt wird, bestimmt wird, wobei in einer Vergleichsstufe die prognostizierte Signaländerung des Partikelsensors mit der gemessenen Signaländerung des Partikelsensors verglichen werden und wobei auf einen defekten Partikelfilter geschlossen wird, wenn die gemessene Signaländerung des Partikelsensors größer ist als die prognostizierte Signaländerung. Der Partikelsensor ist dabei in Abgasrichtung nach dem zu überwachenden Partikelfilter angeordnet. Das in dem Grenzfiltermodell hinterlegte Rückhaltevermögen für Partikel entspricht dem Rückhaltevermögen eines Partikelfilters, der gerade noch den OBD-Grenzwert in einem gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzyklus einhält. Die prognostiziere Signaländerung gibt nach dem beschriebenen Verfahren einen Grenzwert für die gemessene Signaländerung in Abhängigkeit der tatsächlich durchlaufenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine aus. Liegt die gemessene Signaländerung und somit die tatsächlich am Partikelsensor angelagerte Masse an Partikeln unterhalb der für den Grenzfilter prognostizierten Werte, so kann auf einen intakten Partikelfilter geschlossen werden. Überschreitet hingegen das gemessene Sensorsignal die prognostizierte Signaländerung, so kann auf einen defekten Partikelfilter geschlossen werden, da mehr Partikel zu dem Partikelsensor gelangt sind, als nach dem Partikelfilter zulässig ist.
Die Aussagesicherheit für eine Erkennung des defekten Partikelfilters lässt sich dadurch erhöhen, dass auf einen defekten Partikelfilter geschlossen wird, wenn in mehreren aufeinander folgenden Messzyklen die gemessene Signaländerung des Partikelsensors größer ist als die prognostizierte Signaländerung.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass der von dem Motormodell prognostizierte Partikelmassenstrom nach Multiplikation mit einem vorgegebenen Vektor von Rückhaltefaktoren für den Partikelfilter als ein Vektor von prognostizierten Partikelmassenströmen dem Anlagerungsmodell zugeführt wird, daraus ein Vektor von prognostizierten Signaländerungen berechnet wird und nach Vergleich des Vektors von prognostizieren Signaländerungen mit der gemessenen Signaländerung ein Rückhaltefaktor für den Partikelfilter bestimmt wird. Auf Basis des bestimmten Rückhaltefaktors kann darauf geschlossen werden, ob ein defekter Partikelfilter vorliegt. Die durch Multiplikation mit dem Vektor gebildeten Werte unterscheiden sich untereinander dadurch, dass sie unterschiedlich stark von dem besten Schätzwert des prognostizierten Partikelmassenstroms aus dem Motormodell abweichen. Durch den Vergleich der durch den Vektor erhaltenen Einzelwerte an prognostizierten Signaländerungen mit der gemessenen Signaländerung lassen sich die besten Einzelwerte im Vektor der angenommenen Rückhaltefaktoren ermitteln, auf deren Basis die Aussage über den Schädigungsgrad des Partikelfilters erfolgt. Dabei kann der tatsächliche Rückhaltefaktor durch Interpolation der benachbarten, am ehesten die gemessene Signaländerung vorhersagenden Rückhaltefaktoren bestimmt werden. Es ist nach dieser Methode nicht erforderlich, alle relevanten Einflussgrößen auf die Querempfindlichkeiten des Partikelsensors wie Abgasvolumenstrom, Temperatur des Partikelsensors oder Partikelmassenstrom zeitabhängig für das Integrationsintervall aufzuzeichnen, es muss lediglich ein von Speicherumfang wesentlich kleinerer Vektor der prognostizierten Signaländerung mitgeschrieben werden.
In einer weiteren Anwendung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verfahren zur Anpassung eines Emissionskennfeldes des Motormodells zur Bestimmung der prognostizierten Masse von Partikeln oder des prognostizierten Partikelmassenstroms eingesetzt wird, wobei die prognostizierte Signaländerung des Partikelsensors mit der gemessenen Signaländerung verglichen wird und wobei bei einer Abweichung zwischen der prognostizierten Signaländerung und der gemessenen Signaländerung eine Korrektur des Emissionskennfeldes des Motormodells erfolgt. Anhand der prognostizierten Masse von Partikeln beziehungsweise des prognostizieren Partikelmassenstroms kann eine Beladungsprognose eines Partikelfilters durchgeführt werden. Die Korrektur des Emissionskennfeldes erfolgt dadurch, dass dort abgelegte Partikelkonzentrationen oder Partikelmassenströme erhöht oder abgesenkt werden. Dadurch können zum Beispiel Driften über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine, beispielsweise aufgrund von Einspritzdüsendriften, erfasst und ausgeglichen werden.
Eine einfache, mit geringem Rechenaufwand umsetzbare Anpassung des Emissionskennfeldes lässt sich dadurch erreichen, dass die Korrektur des Motormodells dadurch erfolgt, dass alle Werte des Emissionskennfeldes des Motormodells mit einem Adaptionsfaktor multipliziert werden, wobei der Adaptionsfaktor aus dem Verhältnis zwischen der gemessenen Signaländerung und der prognostizierten Signaländerung bestimmt wird.
Die Genauigkeit der Anpassung des Emissionskennfeldes lässt sich verbessern, indem die Korrektur des Motormodells dadurch erfolgt, dass Werte des Emissionskennfeldes des Motormodells an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine korrigiert werden, die in einem vorherigen Zeitraum seit Beginn eines Messzyklus angefahren wurden. Auf diese Weise können für verschiedene Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unterschiedliche Korrekturfaktoren in das Emissionskennfeld eingebracht werden.
Eine weitere Steigerung der Genauigkeit lässt sich dadurch erreichen, dass die Korrektur des Motormodells dadurch erfolgt, dass Werte des Emissionskennfeldes des Motormodells an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine korrigiert werden, indem sie mit einer Funktion korrigiert werden, die in einem Suchalgorithmus bestimmt wird, der das Motormodell so lange korrigiert, bis die gemessene Signaländerung und die prognostizierte Signaländerung übereinstimmen.
Ist es vorgesehen, dass der von dem Motormodell prognostizierte Partikelmassenstrom nach Multiplikation mit einem vorgegebenen Vektor von Adaptionsfaktoren als ein Vektor von prognostizierten Partikelmassenströmen dem Anlagerungsmodell zugeführt wird, daraus ein Vektor von prognostizierten Signaländerungen berechnet wird und nach Vergleich des Vektors von prognostizieren Signaländerungen mit der gemessenen Signaländerung ein Adaptionsfaktor für das im Motormodell hinterlegte Emissionskennfeld bestimmt wird, so kann die Adaption des Emissionskennfeldes mit geringem benötigten Speicherbedarf durchgeführt werde, da die in einem Integrationsintervall angefahrenen Betriebspunkte mit den zugehörigen Abgasvolumenströmen, Temperaturen und Partikelmassenströmen nicht mehr zeitabhängig aufgezeichnet werden müssen. Es genügt, den vom Speicherbedarf deutlich geringeren Vektor der prognostizierten Signaländerung mitzuschreiben. Dies macht sich insbesondere bei der Adaption des Emissionskennfeldes des Motormodells, bei dem das Emissionskennfeld so lange variiert wird, bis die prognostizierte und die gemessene Signaländerung übereinstimmen, bemerkbar, da durch dieses iterative Verfahren ein besonders hoher Speicherbedarf vorliegt.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausgangssignal eines resistiven Partikelsensors,
2 ein Ablaufschema zur Überwachung eines Partikelfilters,
3 ein vereinfachtes Ablaufschema zur Überwachung des Partikelfilters,
4 ein Ablaufschema zur Überwachung des Partikelfilters mittels einer Auslösemethode,
5 ein Ablaufschema zur Anpassung eines Motormodells,
6 ein Ablaufschema mit Temperaturkorrektur eines gemessenen Sensorsignals,
7 ein weiteres Ablaufschema zur Überwachung des Partikelfilters mittels der Auslösemethode,
8 ein Ablaufschema zur Korrektur einer prognostizierten Signaländerung des Partikelsensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt das Ausgangssignal eines, hier nicht dargestellten, resistiven Partikelsensors 1, wie er im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine verwendet wird, um den Beladungszustand eines Diesel-Partikelfilters festzustellen oder dessen Funktion für eine Onboard-Diagnose zu überwachen. Der Partikelsensor 1 weist zwei kammartige ineinander greifende Elektroden auf, die dem Abgasstrom ausgesetzt sind. Lagern sich Rußpartikel ab, steigt die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Partikelsensor 1 ist ein Strom messbar. Die abgelagerte Partikelmasse kann aus der Höhe des Stroms festgestellt werden. In der 1 ist ein gemessenes Sensorsignal 10 entlang einer Zeitachse 40 auf einer Stromachse 41 abgetragen. Durch die zunehmende Beladung des Sensors steigt das gemessene Sensorsignal 10 an. Schwankungen des gemessenen Sensorsignals treten durch eine Querempfindlichkeit des Partikelsensors 1 mit der Temperatur auf. Neben der absoluten Höhe des Stromes durch den Partikelsensor 1, der durch das gemessene Sensorsignal 10 erfasst wird, kann auch eine über einen festgelegten Zeitraum erfolgte gemessene Signaländerung 11 zur Bewertung der Beladung des Partikelsensors 1 dienen. Nach einem Freibrennen des Partikelsensors 1 führt eine Beladung zunächst nicht zu einem messbaren Stromfluss, da die abgelagerten Partikel keinen zusammenhängenden Strompfad zwischen den Elektroden bilden. Üblicherweise wird daher eine Auslöseschwelle 42 festgelegt, ab der das gemessene Sensorsignal 10 bewertet wird. Diese Auslöseschwelle 42 wird zu einem Auslösezeitpunkt 43 nach einem Freibrennen des Partikelsensors 1 erreicht und stellt ein Maß für die Ablagerungsrate am Partikelsensor 1 dar. Diese Variante der Auswertung des Ausgangssignals des Partikelsensors 1 wird Auslösemethode genannt.
2 zeigt ein Ablaufschema zur Überwachung des Diesel-Partikelfilters mittels des Partikelsensors 1. In einem Motormodell 60 wird aufgrund aktueller Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ein prognostizierter Partikelmassenstrom 22 bestimmt, der einem Grenzfiltermodell 61 zugeführt wird. In dem Grenzfiltermodell 61 wird modelliert, welcher Anteil des prognostizierten Partikelmassenstroms 22 in einem grenzwertigen Partikelfilter zurückgehalten wird und welcher Anteil ihn durchdringt und als ein prognostizierter Partikelmassenstrom-Grenzwert 23 verlässt. Zur Modellierung des Anlagerungsverhaltens der im Abgas vorhandenen Partikel an dem Partikelsensor 1 dient ein Anlagerungsmodell 62, dem als Einflussgrößen 30 auf die Querempfindlichkeiten ein Abgasvolumenstrom 31, eine Abgastemperatur 32 und eine Temperatur 33 des Partikelsensors 1 zugeführt werden. Statt des Abgasvolumenstroms 31 kann auch eine Abgasgeschwindigkeit am Ort des Partikelsensors 1 verwendet werden. Aus den Einflussgrößen 30 und dem prognostizierten Partikelmassenstrom-Grenzwert 23 bestimmt das Anlagerungsmodell 62 einen prognostizierten angelagerten Partikelmassenstrom 24, der in einer Integrationsstufe 51 zu einer prognostizierten angelagerten Masse 25 integriert wird. Die prognostizierte angelagerte Masse 25 wird in einem Leitfähigkeitsmodell 63 unter Berücksichtigung der Temperatur 33 zu einer prognostizierten Signaländerung 20 umgerechnet. Das Leitfähigkeitsmodell 63 berücksichtigt dabei zum einen die aufgrund der Ausbildung der Partikelbelegung auftretenden Strompfade und den daraus folgenden elektrischen Widerstand der Anordnung als auch die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands des Schichtmateriales. Die prognostizierte Signaländerung 20, die wegen der Verwendung des Grenzfiltermodells 61 die für einen grenzwertigen Partikelfilter zu erwartende Signaländerung darstellt, wird in einer Vergleichsstufe 50 mit der gemessenen Signaländerung 11 verglichen. Ist die gemessenen Signaländerung 11 höher als die prognostizierte Signaländerung 20, wird auf einen defekten Partikelfilter geschlossen und ein Diagnosesignal 70 erzeugt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass erst bei mehreren aufeinander folgen Diagnosen eines defekten Partikelfilters das Diagnosesignal 70 erzeugt wird, um Fehldiagnosen zu vermeiden.
In 3 ist ein gegenüber 2 vereinfachtes Ablaufschema für die Diagnose des Partikelfilters gezeigt. Auch hier wird der im Motormodell 60 bestimmte prognostizierte Partikelmassenstrom 22 dem Grenzfiltermodell 61 zugeführt, der prognostizierte Partikelmassenstrom-Grenzwert 23 bestimmt, und dieser dem Anlagerungsmodell 62 zugeführt. In dem Ablagerungsmodell 62 wird jedoch direkt eine prognostizierte differentielle Signaländerung 26 bestimmt, die in der Integrationsstufe 51 zu einer prognostizierten integralen Signaländerung 21 integriert wird. In einer ersten Temperaturkorrekturstufe 52 wird aus der prognostizierten integralen Signaländerung 21 die prognostizierte Signaländerung 20 bestimmt, die in der Vergleichsstufe 50 mit der am Partikelsensor 1 gemessenen Signaländerung 11 verglichen wird.
Die Verwendung einer Auslösemethode zur Bewertung der Tauglichkeit des Partikelfilters ist in 4 dargestellt. Das am Partikelsensor 1 gemessene Sensorsignal 10 wird einer Schwellwertstufe 54 zugeführt, in der bewertet wird, inwiefern ein vorgegebener Schwellwert von dem gemessenen Sensorsignal 10 erreicht wird. Ist der Schwellwert erreicht, gibt die Schwellwertstufe 54 ein Zeitsignal 72 an die Vergleichsstufe 50, in der der Vergleich zwischen der prognostizierten Signaländerung 20 und dem gemessenen Sensorsignal 10, das dem Schwellwert entspricht, vorgenommen wird. Ist die prognostizierte Signaländerung 20, hierbei kann es sich auch um die prognostizierte Signaländerung 20 seit dem letzten Freibrennen handeln, kleiner als der Schwellwert, wird auf einen defekten Partikelfilter geschlossen. In dieser Ausführungsform erfolgt der Vergleich in der Vergleichsstufe 50 nur einmalig nach jedem Freibrennen des Partikelsensors 1, so dass der Programmablauf verkürzt wird.
Zusätzlich zu der Anwendung in der Onboard-Diagnose von Partikelfiltern kann das erfindungsgemäße Verfahren auch vorteilhaft für die Anpassung des Motormodells 60 zur präziseren Bestimmung des prognostizierten Partikelmassenstroms 22 verwendet werden. Diese Anwendung ist in 5 dargestellt. In dem Motormodell 60 wird der prognostizierte Partikelmassenstrom 22 bestimmt und dem Anlagerungsmodell 62 zugeführt, in dem er unter Berücksichtigung der Einflussgrößen 30 auf die Querempfindlichkeiten Abgasvolumenstrom 31, Abgastemperatur 32 und Temperatur 33 des Partikelsensors 1 in die prognostizierte differentielle Signaländerung 26 umgerechnet wird. Durch Integration in der Integrationsstufe 51 wird die prognostizierte integrale Signaländerung 21 bestimmt, aus der in der ersten Temperaturkorrekturstufe 52 unter Berücksichtigung der Temperatur 33 die prognostizierte Signaländerung 20 bestimmt wird. In der Vergleichsstufe 50 wird die prognostizierte Signaländerung 20 mit der gemessenen Signaländerung 11 des Partikelsensors 1 verglichen und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs in einer Anpassungsstufe 55 ein Adaptionsfaktor 71 bestimmt, der in das Motormodell 60 eingeht und der so ausgelegt ist, dass im nächsten Durchlauf des Verfahrens der Unterschied zwischen der prognostizierte Signaländerung 20 und der gemessenen Signaländerung 11 des Partikelsensors 1 verringert ist, dass das Motormodell 60 die realen Verhältnisse somit besser modelliert. Der Adaptionsfaktor 71 kann in einer einfachen Ausführungsform das Verhältnis von gemessener Signaländerung 11 und prognostizierter Signaländerung 20 sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, nur jene Betriebspunkte eines Emissionskennfelds im Motormodell 60 zu ändern, die im vorangegangenen Fahrzyklus angefahren wurden.
Eine besonders gute Adaption des Emissionskennfelds im Motormodell 60 wird erreicht, wenn zeitaufgelöst die aus den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine folgenden Einflussgrößen 30 auf die Querempfindlichkeit gespeichert werden und die Adaption so lange erfolgt, bis die prognostizierte Signaländerung 20 und die gemessenen Signaländerung 11 übereinstimmen. Dies kann jedoch einen hohen Speicherplatz erfordern. Dies kann vermieden werden, indem mit dem Motormodell 60 nicht nur ein einzelner Wert des prognostizierten Partikelmassenstroms 22 bestimmt wird, sondern ein Vektor von solchen Werten, die jeweils in einem festen Verhältnis zu dem prognostizierten Partikelmassenstrom 22 stehen. Die folgenden Berechnungen werden jeweils mit allen Werten des Vektors durchgeführ. In der Vergleichsstufe wird ermittelt, welcher Wert aus dem Vektor am besten mit dem gemessenen Wert übereinstimmt. Auch kann eine Interpolation zwischen Werten aus dem Vektor durchgeführt werden. Hierdurch wird ermittelt, bei welchem Verhältnis der gemessene und der prognostizierte Wert am besten übereinstimmen. Vorteilhaft ist an dieser Ausführung, dass der Speicherbedarf nur durch die Anzahl der Elemente des Vektors bestimmt wird.
In den bisher dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wird die Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Partikelsensors 1 in den prognostizierten Werten berücksichtigt, um den Vergleich mit gemessenen Werten zu ermöglichen. In der Ausführung nach 6 wird demgegenüber die Temperaturkorrektur am gemessenen Signal vorgenommen. Wie in 4 wird auf Basis der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und dem im Motormodell 60 abgelegten Emissionskennfeld nach Verarbeitung im Grenzfiltermodell 61 und im Anlagerungsmodell 62 die prognostizierte differentielle Signaländerung 26 bereitgestellt. Aus dieser wird in der Integrationsstufe 51 die, in diesem Fall nicht mit der Temperatur 33 korrigierte, prognostizierte Signaländerung 20 erzeugt. Die vom Partikelsensor 1 bereit gestellte gemessene Signaländerung 11 wird in einer zweiten Temperaturkorrekturstufe 53, die die Temperatur 33 des Partikelsensors 1 berücksichtigt, in eine gemessene temperaturkorrigierte Signaländerung 13 umgewandelt, die in der Vergleichsstufe 50 mit der prognostizierten Signaländerung 20 verglichen wird. In diesem Fall findet der Vergleich daher mit für eine wählbare Temperatur charakteristischen Signalen statt.
In 7 ist eine Ausführungsform der Onboard-Diagnose gemäß der Auslösemethode dargestellt, bei der die Temperaturkorrektur am gemessenen Sensorsignal 10 vorgenommen wird. Wie in 6 wird auf Basis des Motormodells 60 die prognostizierte Signaländerung 20 erzeugt. Der Partikelsensor 1 erzeugt das gemessene Sensorsignal 10, das der zweiten Temperaturkorrekturstufe 53 zugeführt wird, die ein gemessenes temperaturkorrigiertes Sensorsignal 12 erzeugt, welches der Schwellwertstufe 54 zugeführt wird. Erreicht das gemessene temperaturkorrigierte Sensorsignal 12 den vorgegebenen Schwellwert, wird das Zeitsignal 72 erzeugt, das die Vergleichsstufe 50 veranlasst, das gemessene temperaturkorrigierte Sensorsignal 12 mit der prognostizierten Signaländerung 20 für den gesamten Messzyklus zu vergleichen. Ist das gemessene temperaturkorrigierte Sensorsignal 12 höher als die prognostizierte Signaländerung 20, wird auf einen defekten Partikelfilter geschlossen und das Diagnosesignal 70 ausgelöst.
Zur Berücksichtigung einer weiteren Querempfindlichkeit des Partikelsensors 1 kann es vorgesehen sein, in der Prognose die Anlagerung von Partikeln auf einem gerade freigebrannten Partikelsensor 1 anders zu wichten als die Anlagerung an einem bereits mit Partikeln belegten Partikelsensor 1. Eine solche Ausführungsform ist in der 8 dargestellt. Wie bereits in 7 dargestellt, wird auf Basis des Motormodells 60 die prognostizierte differentielle Signaländerung 26 ermittelt. Aus der prognostizierten Signaländerung 20 seit dem letzten Freibrennen, die die Beladung des Partikelsensors 1 repräsentiert, wird in einer Wichtungsstufe 57 diese Beladung bewertet und ein Gewichtungsfaktor 73 ausgegeben, der dem unterschiedlichen Anlagerungsverhalten bei unterschiedlicher Beladung des Partikelsensors 1 Rechnung trägt. In einer Multiplikationsstufe 56 wird die prognostizierte differentielle Signaländerung 26 mit dem Gewichtungsfaktor 73 multipliziert und die gewichtete prognostizierten differentielle Signaländerung 27 berechnet, aus der in der Integrationsstufe 51 die prognostizierten Signaländerung 20 seit dem letzten Freibrennen berechnet wird. Diese wird in der Vergleichsstufe 50 mit der gemessenen Signaländerung 11 des Partikelsensors 1 verglichen. In einer Erweiterung der Ausführungsform können weitere Einflussfaktoren auf den Gewichtungsfaktor 73 wie der Abgasvolumenstrom 31, die Abgastemperatur 32, die Temperatur 33 des Partikelsensors 1 oder ein Partikelmassenstrom im Abgaskanal berücksichtigt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Gewichtungsfaktor statt auf die prognostizierte differentielle Signaländerung 26 auf den prognostizierten Partikelmassenstrom 22 angewendet werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Masse von Partikeln oder eines Partikelmassenstroms in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine zumindest ein resistiver Partikelsensor (1) angeordnet ist, dessen gemessene Signaländerung (11) mit einer aus einem Motormodell (60) ermittelten, prognostizierten Signaländerung (20) des Partikelsensors (1) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Signaländerung (11) des Partikelsensors (1) und/oder die prognostizierte Signaländerung (20) des Partikelsensors (1) unter Berücksichtigung von Einflussgrößen (30) auf Querempfindlichkeiten des Partikelsensors (1) korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der gemessenen Signaländerung (11) und/oder der prognostizierten Signaländerung (20) des Partikelsensors (1) die Einflussgrößen (30) auf die Querempfindlichkeiten des Partikelsensors (1) Abgastemperatur (32) und/oder Temperatur (33) des Partikelsensors (1) und/oder Abgasvolumenstrom (31) und/oder der Einfluss der gasförmigen Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserdampf berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei überschreiten einer vorgegebenen Stromschwelle oder unterschreiten einer vorgegebenen Widerstandsschwelle die gemessene Signaländerung (11) oder die prognostizierte Signaländerung (20) mit einer vorgegebenen Auslöseschwelle (42) verglichen werden und bei Erreichen der Auslöseschwelle (42) die gemessene Signaländerung (11) mit der prognostizierten Signaländerung (20) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem von dem Motormodell (60) prognostizierten Partikelmassenstrom (22) in einem Anlagerungsmodell (62) ein an dem Partikelsensor (1) prognostizierter angelagerter Partikelmassenstrom (24) unter Berücksichtigung der Einflussgrößen (30) auf die Querempfindlichkeiten Temperatur (33) des Partikelsensors (1), Abgastemperatur (32) und/oder Abgasvolumenstrom (31) ermittelt wird und dass durch Integration aus dem prognostizierten angelagerten Partikelmassenstrom (24) eine prognostizierte angelagerte Masse (25) und über ein Leitfähigkeitsmodell (63) eine prognostizierte Signaländerung (20) des Partikelsensors (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem von dem Motormodell (60) prognostizierten Partikelmassenstrom (22) in dem Anlagerungsmodell (62) eine prognostizierte differentielle Signaländerung (26) des Partikelsensors (1) unter Berücksichtigung der Einflussgrößen (30) auf die Querempfindlichkeiten des Partikelsensors (1) Temperatur (33) des Partikelsensors (1), Abgastemperatur (32) und/oder Abgasvolumenstrom (31) ermittelt wird und dass durch Integration der prognostizierten differentiellen Signaländerung (26) die prognostizierte Signaländerung (20) des Partikelsensors (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der aktuellen Temperatur (33) des Partikelsensors (1) auf die Leitfähigkeit des Partikelsensors (1) in dem Leitfähigkeitsmodell (63) oder in einer ersten Temperaturkorrekturstufe (52) zur Bestimmung der prognostizierten Signaländerung (20) berücksichtigt wird oder dass der Einfluss der aktuellen Temperatur (33) in einer zweiten Temperaturkorrektur (53) zur Bestimmung der gemessenen Signaländerung (11) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, an welchen die Masse der Partikel oder der Partikelmassenstrom mit hoher Genauigkeit gemessen oder prognostiziert werden können.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer auf dem Partikelsensor (1) angelagerten Partikelmasse und/oder der Abgastemperatur (32) und/oder der Temperatur (33) des Partikelsensors (1) und/oder des Abgasvolumenstroms (31) und/oder des prognostizierten Partikelmassenstroms (22) und/oder eines gemessenen Partikelmassenstroms ein Gewichtungsfaktor bestimmt wird, mit welchem der prognostizierte angelagerte Partikelmassenstrom (24) oder die prognostizierte differentielle Signaländerung (26) korrigiert werden.
Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Onboard-Diagnose (OBD) eines Partikelfilters im Abgasstrang der Brennkraftmaschine eingesetzt wird, wobei aus dem mit dem Motormodell (60) prognostizierten Partikelmassenstrom (22) und einem Grenzfiltermodell (61) ein prognostizierter Partikelmassenstrom-Grenzwert (23), der dem Anlagerungsmodell (62) zugeführt wird, bestimmt wird, wobei in einer Vergleichsstufe (50) die prognostizierte Signaländerung (20) des Partikelsensors mit der gemessenen Signaländerung (11) des Partikelsensors (1) verglichen wird und wobei auf einen defekten Partikelfilter geschlossen wird, wenn die gemessene Signaländerung (11) des Partikelsensors (1) größer ist als die prognostizierte Signaländerung (20).
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen defekten Partikelfilter geschlossen wird, wenn in mehreren aufeinander folgenden Messzyklen die gemessene Signaländerung (11) des Partikelsensors (1) größer ist als die prognostizierte Signaländerung (20).
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Motormodell (60) prognostizierte Partikelmassenstrom (22) nach Multiplikation mit einem vorgegebenen Vektor von Rückhaltefaktoren für den Partikelfilter als ein Vektor von prognostizierten Partikelmassenströmen (22) dem Anlagerungsmodell (62) zugeführt wird, daraus ein Vektor von prognostizierten Signaländerungen (20) berechnet wird und nach Vergleich des Vektors von prognostizieren Signaländerungen (20) mit der gemessenen Signaländerung (11) ein Rückhaltefaktor für den Partikelfilter bestimmt wird.
Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Anpassung eines Emissionskennfeldes des Motormodells (60) zur Bestimmung der prognostizierten Masse von Partikeln oder des prognostizierten Partikelmassenstroms (22) eingesetzt wird, wobei die prognostizierte Signaländerung (20) des Partikelsensors (1) mit der gemessenen Signaländerung (11) verglichen wird und wobei bei einer Abweichung zwischen der prognostizierten Signaländerung (20) und der gemessenen Signaländerung (11) eine Korrektur des Emissionskennfeldes des Motormodells (60) erfolgt.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Motormodells (60) dadurch erfolgt, dass alle Werte des Emissionskennfeldes des Motormodells (60) mit einem Adaptionsfaktor (71) multipliziert werden, wobei der Adaptionsfaktor (71) aus dem Verhältnis zwischen der gemessenen Signaländerung (11) und der prognostizierten Signaländerung (20) bestimmt wird.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Motormodells (60) dadurch erfolgt, dass Werte des Emissionskennfeldes des Motormodells (60) an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine korrigiert werden, die in einem vorherigen Zeitraum seit Beginn eines Messzyklus angefahren wurden.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Motormodells (60) dadurch erfolgt, dass Werte des Emissionskennfeldes des Motormodells (60) an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine korrigiert werden, indem sie mit einer Funktion korrigiert werden, die in einem Suchalgorithmus bestimmt wird, der das Motormodell (60) so lange korrigiert, bis die gemessene Signaländerung (11) und die prognostizierte Signaländerung (20) übereinstimmen.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Motormodell (60) prognostizierte Partikelmassenstrom (22) nach Multiplikation mit einem vorgegebenen Vektor von Adaptionsfaktoren (71) als ein Vektor von prognostizierten Partikelmassenströmen (22) dem Anlagerungsmodell (62) zugeführt wird, daraus ein Vektor von prognostizierten Signaländerungen (20) berechnet wird und nach Vergleich des Vektors von prognostizieren Signaländerungen (20) mit der gemessenen Signaländerung (11) ein Adaptionsfaktor (71) für das im Motormodell (60) hinterlegte Emissionskennfeld bestimmt wird.