DE102006041478A1

DE102006041478A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Rußkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006041478A1
Application number: DE102006041478A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmidt; Helmut Marx; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-06
Also published as: US8122711B2; US20080053067A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Rußkonzentration in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine oder einer Rußbeladung einer Abgasreinigungsanlage der Brennkraftmaschine, wobei die Rußkonzentration in dem Abgasstrang mittels eines sammelnden Partikelsensors bestimmt wird, der ein Sensorsignal abgibt und wobei die Rußbeladung der Abgasreinigungsanlage aus der Rußkonzentration bestimmt wird. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Sensorsignal mittels vorbestimmter Korrekturen betreffend einer Sensortemperatur und/oder einer Abgastemperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und/oder einer an dem Partikelsensor angelegten Spannung korrigiert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass Querempfindlichkeiten des Partikelsensors bei der Auswertung berücksichtigt werden und die Bestimmung der angelagerten Rußbeladung und der Rußkonzentration im Abgasstrang verbessert werden. Die Sensortemperatur geht dabei dahingehend in die Korrektur ein, dass eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Rußbeladung in einer Vorbereitungsphase bestimmt und bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden kann.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Rußkonzentration in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine oder einer Rußbeladung einer Abgasreinigungsanlage der Brennkraftmaschine, wobei die Rußkonzentration in dem Abgasstrang mittels eines sammelnden Partikelsensors bestimmt wird, der ein Sensorsignal abgibt und wobei die Rußbeladung der Abgasreinigungsanlage aus der Rußkonzentration bestimmt wird.
Aufgrund derzeit geplanter gesetzlicher Vorschriften muss der Partikelausstoß einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, vor und/oder nach einem Partikelfilter, wie beispielsweise einem Diesel-Partikelfilter, während des Fahrbetriebs überwacht werden. Weiterhin ist eine Beladungsprognose des Diesel-Partikelfilters zur Regenerationskontrolle erforderlich, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und kostengünstige Filtermaterialien einsetzen zu können. Weiterhin kann eine Regelung der Verbrennungseigenschaften der Brennkraftmaschine auf Basis der Information über den Partikelausstoß vorgesehen sein. Eine Möglichkeit zur Messung der Partikelkonzentration im Abgas ist ein resistiver Partikelsensor, der aus fingerförmig ineinander greifenden Elektroden auf einem Keramiksubstrat besteht. Lager sich Rußpartikel auf der Elektrodenstruktur ab, ändert sich die Impedanz der Einrichtung; im einfachsten Fall wird die Partikelbeladung mittels einer Widerstandsmessung ausgewertet. Zur Verbesserung der Ablagerungswahrscheinlichkeit von Partikeln auf dem Partikelsensor kann eine Fanghülse im Bereich der Elektrode vorgesehen sein. Nach dem Stand der Technik wird in einer Ausführungsform ein Schwellwert für den Widerstand beziehungsweise einen bei bekannter Spannung durch den Partikelsensor fließenden elektrischen Strom festgelegt und die Zeit vom Beginn eines Messzyklus mit einem unbeladenen Partikelsensor bis zur Erreichung dieses Schwellwerts gemessen. Nach Erreichung des Schwellwerts wird der Partikelsensor mithilfe eines integrierten Heizelements aufgeheizt und von den abgelagerten Rußpartikeln freigebrannt, so dass ein neuer Messzyklus begonnen werden kann. In einer anderen Ausführungsform wird das Widerstands- oder Stromsignal in einem variablen oder festen Raster von Messzeiten bestimmt und eine Steigung des Widerstands- oder Stromsignals bestimmt.
Ein solcher sammelnder 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 einer Fanghülse überdeckt sind. Lager 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.
In einer weiteren noch nicht veröffentlichten Anmeldung (Aktenzeichen R311991) 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 zur Ermittlung einer Partikelkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine anzugeben, das eine genauere Bestimmung der Partikelbeladung einer Abgasreinigungsanlage ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Sensorsignal mittels vorbestimmter Korrekturen betreffend einer Sensortemperatur und/oder einer Abgastemperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und/oder einer an dem Partikelsensor angelegten Spannung korrigiert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass Querempfindlichkeiten des Partikelsensors bei der Auswertung berücksichtigt werden und die Bestimmung der angelagerten Rußbeladung und der Rußkonzentration im Abgasstrang verbessert werden. Die Sensortemperatur geht dabei dahingehend in die Korrektur ein, dass eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Rußbeladung in einer Vorbereitungssphase bestimmt und bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden kann. Weiterhin kann die Sensortemperatur dahingehend berücksichtigt werden, dass eine Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelsensor abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Sensorelement erfolgt. Die Abgastemperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases am Ort des Partikelsensors beeinflussen ebenfalls die Anlagerungswahrscheinlichkeit von Partikeln am Partikelsensor und können berücksichtigt werden. Weiterhin beeinflussen die Abgastemperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases die Anlagerungswahrscheinlichkeit in der Abgasreinigungsanlage, so dass die Prognose der Beladung der Abgasreinigungsanlage mit diesen Größen korrigiert werden kann. Die an dem Partikelsensor angelegte Spannung beeinflusst die Anlagerungswahrscheinlichkeit und kann daher in die Korrektur einbezogen werden. Eine Korrektur aufgrund der an dem Partikelsensor angelegten Spannung kann entfallen, falls die Spannung konstant gehalten wird.
Wird die am Partikelsensor angelegte Spannung mit einem Spannungsabfall an einem als Messwiderstand genutzten Vorwiderstand korrigiert, kann die am Partikelsensor anliegende Spannung und der durch den Partikelsensor fließende Strom genauer bestimmt werden. Weiterhin kann der Einfluss der an dem Partikelsensor anliegenden Spannung auf die Anlagerungswahrscheinlichkeit berücksichtigt werden.
Wird das Sensorsignal mit einer reduzierten Anlagerungswahrscheinlichkeit aufgrund der am Partikelsensor angelegten Spannung korrigiert, kann die Bestimmung der Partikelkonzentration im Abgasstrang verbessert werden.
Ein Einfluss einer Anlagerung von Rußflocken auf das Sensorsignal kann korrigiert werden, indem das Sensorsignal mit einer vorbestimmten maximalen Änderung pro Zeiteinheit korrigiert wird. Rußflocken können zu einer sprunghaften Änderung des Sensorsignals führen, die die Auswertung verfälschen kann. Durch eine Begrenzung der maximal erlaubten Änderung pro Zeiteinheit kann dies korrigiert werden.
Wird das Sensorsignal mit einer temperaturabhängigen Leitfähigkeit einer Rußablagerung auf dem Partikelsensor unter Berücksichtigung der Sensortemperatur korrigiert, kann die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Rußbeladung in einer Konstruktionsphase bestimmt und bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden.
Eine Ausführungsform mit einer besonders zuverlässigen und robusten Bestimmung der Partikelkonzentration im Abgasstrom sieht vor, dass das Sensorsignal als ein elektrischer Strom durch den Partikelsensor aufgenommen wird und dass aus dem Sensorsignal durch eine Signalglättung und eine Gradientenbildung ein Stromgradient gebildet wird.
Eine Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung der Partikelkonzentration im Abgas sieht vor, dass das Sensorsignal mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasstrang und mit einem Einfluss einer im Bereich einer Sensorfläche des Partikelsensors angebrachten Fanghülse korrigiert wird.
Wird das Sensorsignal mit dem Temperaturunterschied zwischen Abgastenperatur und der Temperatur des Partikelsensors korrigiert, kann die von der Temperaturdifferenz abhängige Ablagerungsgeschwindigkeit in der Korrektur berücksichtigt werden.
Wird die prognostizierte Rußbeladung der Abgasreinigungsanlage mit der Abgastemperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasstrang korrigiert, kann erreicht werden, dass die Prognose diese Einflüsse auf die Anlagerungswahrscheinlichkeit berücksichtigt und damit verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennkraftmaschine mit Abgasreinigungsanlage,
2 ein Signaldiagramm für einen Partikelsensor.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Eine Brennkraftmaschine 10, die als Dieselmotor ausgeführt sein kann, bekommt Verbrennungsluft über eine Luftzuführung 11 zugeführt. Dabei kann die Luftmenge der Verbrennungsluft mittels eines Luftmassenmessers 12 in der Luftzuführung 11 bestimmt werden. Die Luftmenge kann bei einer Korrektur einer Anlagerungswahrscheinlichkeit von im Abgas der Brennkraftmaschine 10 vorhandenen Partikeln verwendet werden. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgasstrang 18 abgeführt, in dem eine Abgasreinigungsanlage 17 angeordnet ist. Diese Abgasreinigungsanlage 17 kann als Diesel-Partikelfilter ausgeführt sein. Weiterhin sind im Abgasstrang 18 eine Lambdasonde 15 und ein Partikelsensor 16 angeordnet, deren Signale einer Motorsteuerung 14 zugeführt werden. Die Motorsteuerung 14 ist weiterhin mit dem Luftmassenmesser 12 verbunden und bestimmt auf Basis der ihr zugeführten Daten eine Kraftstoffmenge, die über eine Kraftstoff-Dosierung 13 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt werden kann. Der Partikelsensor 16 kann in einer von der in 1 dargestellten abweichenden Ausführungsform auch in Strömungsrichtung des Abgases nach der Abgasreinigungsanlage 17 angeordnet sein. Mit den gezeigten Vorrichtungen ist eine Beobachtung des Partikelausstoßes der Brennkraftmaschine 10 (On Board Monitoring) und eine Prognose der Beladung der als Dieselpartikelfilter ausgebildeten Abgasreinigungsanlage 17 möglich.
2 zeigt ein Signaldiagramm 20 für die an dem Partikelsensor 16 und in dessen Umfeld auftretenden Signale sowie für die daraus abgeleiteten Signale. In der gezeigten Ausführungsform ist der Partikelsensor 16 als sammelnder Partikelsensor 16 ausgebildet. Der Partikelsensor wird über einen als Messwiderstand verwendeten Vorwiderstand mit Spannung beaufschlagt, so dass ein durch die elektrisch leitfähige Rußbeladung sich einstellender Strom als Ausgangssignal verwendet werden kann.
Die Signale sind entlang einer Zeitachse 31 abgetragen. Auf einer Sensorsignal-Achse 30 ist ein Sensorsignal 24 als elektrischer Strom durch den Partikelsensor 16 in Mikroampere abgetragen. Aus dem Sensorsignal 24 wird eine Sensorsignal-Steigung 21 bestimmt, die entlang einer Sensorsignal-Steigungs-Achse 32 in willkürliche Einheiten abgetragen ist. Aus dem Sensorsignal 24 und der Sensorsignal-Steigung 21 wird eine Rußkonzentration 25 bestimmt, die auf einer Rußkonzentrations-Achse 34 in mg/m³ aufgetragen ist. Eine Abgastemperatur 22 ist entlang einer Temperatur-Achse 33 dargestellt. Aus den vorbenannten Größen und weiteren hier nicht dargestellten Größen kann eine Rußbeladung 23 der Abgasreinigungsanlage 17 bestimmt werden, die entlang einer Rußbeladungs-Achse 35 in Milligramm abgetragen ist. Die Rußbeladung 23 ist ein integraler Wert, der in einem Dieselpartikelfilter deponiert würde. Erreicht die Rußbeladung 23 einen vorbestimmten Grenzwert, kann die Abgasreinigungsanlage 17 durch Freibrennen entladen werden. Das Signal für die Rußkonzentration 25 erlaubt eine Überwachung der Funktion der Brennkraftmaschine 10 kann aber auch bei Einbau des Partikelsensors 16 hinter der Abgasreinigungsanlage 17 zur On-Board-Diagnose der als Dieselpartikelfilter ausgebildeten Abgasreinigungsanlage 17 verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Rußkonzentration (25) in einem Abgasstrang (18) einer Brennkraftmaschine (10) oder einer Rußbeladung (23) einer Abgasreinigungsanlage (17) der Brennkraftmaschine (10), wobei die Rußkonzentration (25) in dem Abgasstrang (18) mittels eines sammelnden Partikelsensors (16) bestimmt wird, der ein Sensorsignal (24) abgibt und wobei die Rußbeladung (23) der Abgasreinigungsanlage (17) aus der Rußkonzentration (25) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) mittels vorbestimmter Korrekturen betreffend einer Sensortemperatur und/oder einer Abgastemperatur (22) und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und/oder einer an dem Partikelsensor (16) angelegten Spannung korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Partikelsensor (16) angelegte Spannung mit einem Spannungsabfall an einem als Messwiderstand genutzten Vorwiderstand korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) mit einer reduzierten Ablagerungswahrscheinlichkeit aufgrund der am Partikelsensor (16) angelegten Spannung korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) mit einer vorbestimmten maximalen Änderung pro Zeiteinheit korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) mit einer temperaturabhängigen Leitfähigkeit einer Rußablagerung auf dem Partikelsensor (16) unter Berücksichtigung der Sensortemperatur korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) als ein elektrischer Strom durch den Partikelsensor (16) aufgenommen wird und dass aus dem Sensorsignal (24) durch eine Signalglättung und eine Gradientenbildung ein Stromgradient gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasstrang (18) und mit einem Einfluss einer im Bereich einer Sensorfläche des Partikelsensors (16) angebrachten Fanghülse korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (24) mit dem Temperaturunterschied zwischen Abgastemperatur (22) und der Temperatur des Partikelsensors (16) korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die prognostizierte Rußbeladung (23) der Abgasreinigungsanlage (17) mit der Abgastemperatur (22) und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasstrang (18) korrigiert wird.