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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters
sowie eine Vorrichtung zur Diagnose eines solchen Partikelfilters
gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche.
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In
handelsüblichen
Fahrzeugen eingesetzte Dieselkraftmaschinen sind üblicherweise
mit Partikelfiltern ausgerüstet,
um Partikel aus dem Abgas herauszufiltern. Der Begriff Partikel
wird als Überbegriff für alle festen
oder flüssigen,
mit einem Gasstrom getragenen Teilchen verwendet. Partikel aus einer
dieselmotorischen Verbrennung sind neben Russpartikel noch als Tröpfchen aus
Kohlewasserstoffen oder Säuren,
Aschepartikel und Metallabrieb ausgebildet. Partikelfilter können nach
dem Stand der Technik durch Regenerationsmaßnahmen mehrmals nach ihrer
Beladung mit Partikeln gereinigt bzw. regeneriert und wieder verwendet
werden. Zur Bestimmung des optimalen Regenerationszeitpunktes ist
es erforderlich, den Beladungszustand des Dieselpartikelfilters zu
ermitteln. Auch aus Gründen
des Bauteilschutzes des Filters ist eine Ermittlung des Beladungszustands
des Dieselpartikelfilters unerlässlich.
Eine zuverlässige
Messung der Partikelemission ist auch unter dem Aspekt der gesundheitlichen
Vorsorge von entscheidender Bedeutung, zumal im Hinblick auf die Partikelgesetzgebung
eine ständige
Reduzierung der Partikelemissionen gefordert wird. Die Absenkung der
Partikelgrenzwerte stellt zunehmend hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit.
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Es
ist eine Vielzahl von Messverfahren zur Partikelmessung bekannt,
mit welcher die Partikelmasse gemessen werden kann, beispielsweise
gravimetrische Messmethoden. Eine Kalibrierung zur Messung der Partikelanzahl
oder -oberfläche
ist mit den bis jetzt bekannten Messmethoden nicht möglich.
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Üblicherweise
wird der Beladungszustand des Dieselpartikelfilters mittels einer
Differenzdruckmessung ermittelt, welcher ein Unterschied zwischen einem
Druck stromauf und stromab des Dieselpartikelfilters zugrunde gelegt
wird. Die Messergebnisse einer derartigen Differenzdruckmessung
sind jedoch abhängig
von der Genauigkeit der Messung, von dem mechanischen Zustand des
Dieselpartikelfilters sowie von der Art der Motorbelastung. Nachteilig
ist außerdem,
dass ein direkter Vergleich der Messergebnisse nicht möglich ist.
Außerdem
sind bei der bekannten Messmethode des Beladungszustands des Dieselpartikelfilters
Fehlermeldungen nicht auszuschließen. Beispielsweise kann ein
Bruch oder ein Durchbrennen des Filtermaterials zu einem niedrigeren
Druckgefälle
durch auftretende Leckagen im Filtermaterial führen, was durch die Differenzdruckmessung
fälschlicherweise
als unbeladener Filter interpretiert werden würde.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
101 02 491 A1 beispielsweise ist eine Vorrichtung im Abgassystem
eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines solchen mit Abgasrückführung, zur
Prüfung
der Belastung des Abgasstroms mit Russpartikeln, mit einem Sensor
bekannt. Als Sensor ist ein vor oder hinter dem Russpartikelfilter
vom Abgasstrom beaufschlagter, sich in Abhängigkeit von der Dauer des Motorenbetriebs
immer stärker
mit Russpartikeln bedeckender, temperaturabhängiger Widerstand in Form eines
Heißleiters
oder eines Kaltleiters vorgeschlagen. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung
soll nicht nur die Belastung des Abgasstroms mit Russpartikeln festgestellt
werden, sondern auch des aus dem Russpartikelfilter heraustretenden
Abgasstroms. Insbesondere soll der optimale Zeitpunkt zum Austausch
des Russpartikelfilters festgestellt werden.
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In
anderen Einsatzbereichen ermöglicht
die Quarzmikrowaagentechnik eine äußerst genaue Messmethode. Das
Prinzip der Quarzmikrowaagentechnik (Gravimetrie) beruht darauf,
dass eine Masseanlagerung auf einem Schwingquarzelement dessen Schwingungsfrequenz
verändert.
So verringert beispielsweise ein 10 MHz-Quarz seine Resonanzfrequenz
bereits um 1 Hz bei einer Beladung mit 4,4 ng auf einer Fläche von
einem Quadratzentimeter. Mikrowaagen ermöglichen somit einen extrem
niedrigen Messbereich im Nanogramm-Maßstab.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur präzisen
Diagnose eines Partikelfilters zu schaffen sowie eine verbesserte Diagnosevorrichtung
bereitzustellen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe besteht in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Diagnose eines in einem Abgasmassenstrom in einem Abgassystem
eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise einer Dieselbrennkraftmaschine
angeordneten Partikelfilters wird zumindest eine Messoberfläche eines
mechanisch-akustischen Sensors stromauf und/oder stromab des Partikelfilters
dem Abgasmassenstrom ausgesetzt und ein Beladungszustand der Messoberfläche mit
Partikeln ermittelt und aus dem Beladungszustand ein Diagnosewert des
Partikelfilters ermittelt.
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Vorteilhafterweise
ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine zumindest phasenweise kontinuierliche Bestimmung des Beladungszustands
der Messoberfläche
möglich,
wobei eine in-situ-Auskunft über
das Niveau der Emissionen und über
den Grad der Beladung des Dieselpartikelfilters gegeben werden kann.
Eine Fehlmessung, die sich beispielsweise aufgrund eines Druckgefälles durch
auftretende Leckagen in einem beschädigten Filtermaterial ergebt, könnte günstigerweise
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vermieden werden. Somit können
unnötige
Regenerationen des Filters unterbunden und der Kraftstoffverbrauch
verringert werden.
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Das
erfindungsgemäße Diagnoseverfahren zur
kontinuierlichen Bestimmung der Russmassen sowie der Anzahl der
Partikel lässt
sich vorteilhaft nicht nur in-situ, sondern insbesondere auch im
Rahmen eines OBD-Systems (On-Board-Diagnose-System) anwenden, wie
es für
neu zugelassene Dieselbrennkraftmaschinen ab dem Jahr 2003 obligatorisch ist,
um eine einwandfreie Funktion einer Abgasreinigungsvorrichtung zu
gewährleisten.
Dadurch werden günstigerweise
kontinuierlich Rückschlüsse auf
die Güte
der Gemischbildung und die Vollständigkeit der Verbrennung ermöglicht.
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Als
weiterer Vorteil kommt hinzu, dass durch die verbesserte Erkennung
des Beladungszustands des Partikelfilters ein verbesserter Bauteileschutz
bereitgestellt wird, beispielsweise bei katalytischen Beschichtungen
wie einer NOx-absorbierenden Beschichtung auf dem Dieselpartikelfilter.
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Aufgrund
der verbesserten Messmethode können
außerdem
Dieselpartikelfiltermaterialien, die empfindlicher auf eine Überladung
mit Russ reagieren, als beispielsweise Materialien aus Siliciumcarbid (SiC),
eingesetzt werden. Dies hat zum Vorteil, dass andere Filtermaterialien
verwendet werden können, die
zwar die hohen Anforderungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit,
hoher Abscheidegrade für
Partikel, geringem Druckverlust und langer Standzeit erfüllen, jedoch
kostengünstiger
sind. In Frage kommen beispielsweise sehr oberflächenreiche Strukturen aus hochwarmfesten
Materialien wie keramische oder metallische Sinterstrukturen, insbesondere
keramische oder metallische Faserstrukturen.
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Sowie
weitere Verbindungen und Substanzen.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Diagnose eines in einem Abgassystem einer Dieselbrennkraftmaschine
angeordneten Partikelfilters ist in dem Abgassystem stromauf und/oder
stromab des Partikelfilters ein mechanisch-akustischer Sensor mit
einer Messoberfläche
angeordnet. Außerdem ist
erfindungsgemäß eine Einheit
vorgesehen, die aus Messsignalen des Sensors den Beladungszustand
der Messoberfläche
mit Partikeln ermittelt und aus dem Beladungszustand einen Diagnosewert
des Partikelfilters ermittelt.
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In
einer besonders günstigen
Weiterbildung kann als Sensor ein Schwingquarzelement verwendet
werden, dem die Messoberfläche
zugeordnet ist, wobei zumindest eine Resonanzfrequenz oder eine Änderung
einer Resonanzfrequenz des Schwingquarzes ermittelt und aus der
Resonanzfrequenz oder der Änderung
der Resonanzfrequenz der Beladungszustand der Messoberfläche ermittelt
wird. Bei Einwirkung von mechanischer Energie auf das Schwingquarzelement,
das piezoelektrische Eigenschaften aufweist, wird eine elektrische
Spannung innerhalb des Quarzelements erzeugt. Je dünner das Quarzelement
ausgebildet ist, umso höher
ist dessen Resonanzfrequenz. Kommt es zu einer Anlagerung von Partikeln
aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine auf dem Quarzelement,
so wird das Signal der Resonanzfrequenz erhöht. Die Beeinflussung der Schwingung
kann dabei als Maß für die Anlagerung von
im Abgas befindlichen Partikeln herangezogen werden. Somit wird
vorteilhafterweise eine direkte Messung der Partikelbeladungszustandes
ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung wird aus dem Beladungszustand eine
Belastung des Abgasmassenstroms mit Partikeln ermittelt, wobei der
Beladungszustand zur Ermittlung einer auf der Messoberfläche angelagerten
Masse von Partikeln verwendet wird. Insbesondere kann zumindest
einer der Parameter Form, Durchmesser, Agglomerationszustand oder
chemische Zusammensetzung der Partikel ermittelt werden.
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Ist
der Sensor temperaturstabilisiert ausgebildet, kann günstigerweise
zumindest ein Teilbereich der Messoberfläche auf eine die Partikel zerstörende erhöhte Temperatur
gebracht werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass während einer
Messphase der Beladungszustand der Messoberfläche ermittelt und während einer
Regenerationsphase zumindest ein Teilbereich der Oberfläche auf
die erhöhte
Temperatur gebracht wird. So kann der Sensor nach einer vorher definierten
Messphase durch einen Heizer auf eine Temperatur von mindestens
600°C aufgeheizt
und die angelagerten Partikel abgebrannt werden.
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Aus
einer Partikelmasse, die auf einer stromauf des Dieselpartikelfilters
angeordneten Messoberfläche
angelagert ist, kann anschließend
ein Diagnosewert des Partikelfilters ermittelt werden. Im Anschluss
an die Regenerationsphase des Dieselpartikelfilters kann der Sensor
erneut in eine Messphase übergehen.
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Aus
einer Masse von Partikeln, die auf einer stromab des Dieselpartikelfilters
angeordneten Messoberfläche
angelagert wird, kann dabei bevorzugt die Belastung des Abgasmassenstroms
stromab des Dieselpartikelfilters mit Partikeln ermittelt werden.
Ein Maß für die Filterfunktion
des Dieselpartikelfilters kann günstigerweise
aus einem Vergleich der auf einer stromauf des Dieselpartikelfilters
angeordneten Messoberfläche
zu der auf einer stromab des Dieselpartikelfilters angeordneten
Messoberfläche angelagerten
Masse von Partikeln gewonnen werden.
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Günstigerweise
können
auch bei einem Einsatz des Sensors stromauf des Dieselpartikelfilters Rückschlüsse auf
den Beladungszustand des Dieselpartikelfilters gezogen werden. Bevorzugt
kann der Sensor für
eine On-board-Diagnose eines Partikelfilters eingesetzt werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der Diagnosevorrichtung zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens
wird eine zuverlässige,
auf dem Prinzip der Gravimetrie beruhende Messmethode bereitgestellt,
die nicht nur eine hohe Empfindlichkeit aufweist, sondern sich durch
eine vorteilhafte Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit auszeichnet,
wodurch die Anforderungen an eine Stabilität der Messtechnik zuverlässig erfüllt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren erfüllt
nicht nur die hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit, sondern
ermöglicht
auch eine Messung von Partikelmasse und Partikelanzahl in-situ und
OnBoard in einem Fahrzeug während
der Fahrt.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von
der Zusammenfassung in den Ansprüchen
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand einer
Zeichnung.
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In 1 ist
ein Verbrennungsmotor 1 vorzugsweise ein Dieselmotor mit
einer Abgasanlage 2 und einem Partikelfilter 3 schematisch
dargestellt. Der Partikelfilter 3 umfasst eine oxidationskatalytische
Beschichtung 4, beispielsweise aus einem Edelmetallmaterial
wie Platin, Rhodium oder Palladium. Die Abgasanlage 2 weist
stromauf und stromab des Partikelfilters 4 dem Abgas ausgesetzte
mechanisch-akustische Sensoren 5 bzw. 6 auf, die
mit einer Auswertungseinheit 7 verbunden sind. Zur Veranschaulichung
des Abgasstroms sind in der 1 in der
Abgasanlage 2 Pfeile in Fließrichtung des Abgases eingezeichnet.
Auch eine Konfiguration mit nur einem Sensor stromauf oder stromab
des Partikelfilters 3 wird von der Erfindung umfasst.
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Es
versteht sich, dass der Verbrennungsmotor 1 sowie die Abgasanlage 2 mit
einer Motorsteuerung sowie mit verschiedenen weiteren Sensoren, beispielsweise
zur Messung von Temperatur, Lambdawert des Abgases oder dergleichen
verbunden sind, die in 1 nicht zeichnerisch dargestellt
sind.
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Der
mechanisch-akustische Sensor 5 weist eine Messoberfläche auf
und verändert
bei einer Beladung der Messoberfläche mit Partikeln seine Schwingungseigenschaften.
Aus diesen wird ein Beladungszustand mit aus dem Abgas auf die Oberfläche abgelagerten
Partikeln ermittelt. Aus dem Beladungszustand wird ein Diagnosewert
des Partikelfilters ermittelt. Der Diagnosewert ist dabei eine Beladung
des Filters mit Partikeln und/oder ein Maß für die Filterfunktion des Partikels.
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Vorzugsweise
ist der Sensor 5 ein Schwingquarzelement mit Messoberfläche. Erfindungsgemäß wird zumindest
eine Resonanzfrequenz oder eine Änderung
einer Resonanzfrequenz des Schwingquarzelements ermittelt und aus
der Resonanzfrequenz oder der Änderung
der Resonanzfrequenz der Beladungszustand der Messoberfläche ermittelt.
Der Beladungszustand wird optional auch zur Ermittlung von zumindest
einem der Parameter Form, Durchmesser, Agglomerationszustand oder
chemische Zusammensetzung der angelagerten Partikel verwendet.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert.
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Der
Sensor 5 oder 6 wird vorzugsweise in einer Messphase
und einer Regenerationsphase betrieben. Während oder am Ende der Messphase
wird aus dem Signal des Sensors 5, 6 von der Auswerteeinheit
der Beladungszustand des Sensors 5, 6 mit Partikeln
ermittelt und der Diagnosewert des Partikelfilters bestimmt. Nach
einer derartigen Messphase wird der Sensor 5, 6 auf
eine hinreichend hohe Temperatur aufgeheizt um die Messoberfläche von
Partikeln zu befreien. Sensor 5 misst den Beladungszustand,
während
Sensor 6 Auskunft über
die Partikelmasse, in dem den Dieselpartikelfilter verlassenen Abgas
liefert. Üblicherweise
beträgt
die Temperatur während
der Regenerationsphase mindestens 600°C. Anschließend kann erneut eine Messphase beginnen.
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Aus
einer Partikelmasse, die innerhalb eines zeitlichen Messintervalls
auf einer stromauf des Dieselpartikelfilters angeordneten Messoberfläche des Sensors
angelagert ist, wird die Belastung des Abgasmassenstroms mit Partikeln
bestimmt und damit der Eintrag von Partikeln in den Partikelfilter
ermittelt.
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Aus
einer Masse von Partikeln, die innerhalb eines zeitlichen Messintervalls
auf einer stromab des Dieselpartikelfilters angeordneten Messoberfläche des
Sensors angelagert wird, wird die Belastung des Abgasmassenstroms
stromab des Dieselpartikelfilters mit Partikeln ermittelt.
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Ein
Maß für die Filterfunktion
des Partikelfilters wird aus einem Vergleich der in einem Messintervall
auf einer stromauf des Dieselpartikelfilters angeordneten Messoberfläche zu der
auf einem stromab des Dieselpartikelfilters angeordneten Messoberfläche angelagerten
Masse von Partikeln gewonnen. Falls die Differenz einen vorgegebenen
Wert unterschreitet wird eine Fehlfunktion des Partikelfilters angenommen
und kann mittels Weitergabe an das Motorsteuergerät im Rahmen
der OBD (Onboard Diagnose) als Fehler erkannt werden.
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Der
Partikelfilter 3 wird in Betrieb der Brennkraftmaschine
mit filtrierten Partikeln beladen und muss daher intervallmäßig bzw.
diskontinuierlich regeneriert werden. Zur Regeneration werden die
aufgefangenen Partikel auf eine Zündtemperatur von beispielsweise
500, 550 oder 600 C aufgeheizt.
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Eine
Notwendigkeit zur Regeneration kann auf verschiedene Weise festgestellt
werden, beispielsweise in Abhängigkeit
von der Belastung des Abgasmassenstroms mit Partikeln im zeitlichen
Verlauf des Betriebes der Brennkraftmaschine oder der Filterfunktion
des Filters.
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Falls
eine Notwendigkeit für
eine Regeneration des Partikelfilters festgestellt wird, erfolgt
vorzugsweise von der Motorsteuerung eine Anforderung einer Regeneration.
Nach einer Anforderung einer Regeneration wird beispielsweise der
Verbrennungsmotor für
ein Zeitintervall Δt1 mit einem motorischen Lambda λ < 1 Luft-Kraftstoffgemisch
betrieben. Im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung des
Partikelfilters erfolgt eine exotherme Oxidierung von Luft-Kraftstoffgemisch
und damit eine Aufheizung von aufgefangenen Partikel bis auf eine
Zündtemperatur
oder einen höheren
Temperaturwert. Es versteht sich, dass auch andere Regenerationsmethoden,
beispielsweise mittels eines Brenners oder einer Sekundärlufteinblasung,
eine Regeneration durch eigene Aufheizung beispielsweise durch Anlegen
einer Spannung. an ein Sensorheizelement, durch Corona Entladung
oder anderen Mechanismen die eine Erhöhung der Sensoroberfläche, und
somit ein Freibrennen des Sensor Elementes gewährleisten. denkbar sind.