-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines
Partikelfilters, insbesondere eines Dieselpartikelfilters einer
Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges.
-
Die
von einem Motor, insbesondere einem Dieselmotor, emittierten Rußpartikel
können mittels eines Partikelfilters, insbesondere mittels
eines Dieselpartikelfilters effizient aus dem Abgas entfernt werden.
Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit
des Partikelfilters wird üblicherweise ein Zustand des
Partikelfilters während des Betriebs des Motors fortlaufend überwacht.
Die Überwachung des Partikelfilters kann anhand einer Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
erfolgen, welche unter anderem abhängig ist von der Temperatur.
Diese Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie des Partikelfilters
weist herstellungsbedingt eine Bauteiltoleranz in Höhe
von +/– 10% auf. Bei Verwendung eines Differenzdrucksensors
ist durch dessen Messtoleranzen eine weitere Unsicherheit gegeben.
Ferner unterliegt der Partikelfilter einem ständigen Alterungsprozess
und einer Asche- und Rußeinlagerung, wodurch sich der Filterwiderstand
und damit die den Partikelfilter charakterisierende Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
fortlaufend ändern.
-
Aus
dem SAE-Paper 2003-01-0846 ist bekannt, eine Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
durch eine Gleichung anzunähern, in der die Druckdifferenz
als Funktion der Temperatur und des Volumenstroms dargestellt ist.
Als Eingangsgrößen dienen dabei unter anderem
die temperaturabhängigen Größen dynamische
Abgasviskosität μ(T) und Abgasdichte ρ(T).
Die Gleichung enthält weiterhin Parameter, die sich aus
Geometrie und Beschichtung des Partikelfilters ergeben, aufgrund
der herstellungsbedingten Toleranzen jedoch nicht konstant vorgegeben
werden können. Zur Parametrierung ist es daher erforderlich,
Differenzdruck, Volumenstrom und Temperatur an einer genügend
großen Anzahl von Stützstellen zu ermitteln. Das
ist jedoch nur unter definierten Bedingungen, zum Beispiel auf einem
Prüfstand, möglich.
-
Aus
der
DE 102 48 431
A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Erkennung der Beladung
eines Partikelfilters, insbesondere eines Partikelfilters zur Filterung
der Abgase einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine den Strömungswiderstand
des Partikelfilters charakterisierende Größe ausgehend
von der Temperatur im Partikelfilter und vom Druck im Partikelfilter
bestimmt wird, und aus dem Strömungswiderstand auf die
Beladung des Partikelfilters geschlossen wird. Die Temperatur im
Partikelfilter wird bestimmt, indem von Temperatursensoren vor und
hinter dem Partikelfilter erfasste Temperaturen mit Hilfe eines
Modells umgerechnet werden. Zur Bestimmung des Drucks im Partikelfilter
wird eine Druckdifferenz über den Partikelfilter bestimmt
und der Druck im Abgasstrang nach dem Partikelfilter gemessen oder
berechnet.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Fehlerdiagnose und Beladungsschätzung eines Partikelfilters
bereitzustellen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
-
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung
eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselpartikelfilters
einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges, wird eine einen zumindest
weitgehend unbeladenen Partikelfilter charakterisierende, temperaturabhängige
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie (K(T)) in eine temperaturunabhängige
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie (K) umgewandelt, mittels derer
mindestens ein Parameter (P1 bis Pn) des Partikelfilters bestimmt
und/oder überwacht wird. Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, die Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie des Partikelfilters
als Betriebskennlinie fortlaufend zu überwachen und an
den Alterungsprozess anzupassen.
-
Der
Differenzdruck oder Druckverlust eines Partikelfilters ist abhängig
von den Größen Volumenstrom und Temperatur sowie
von weiteren, den Zustand des Partikelfilters beschreibenden Größen.
In einem ersten Schritt wird zunächst eine Kennlinie eines
zumindest weitgehend unbeladenen Partikelfilters ermittelt. Diese temperaturabhängige
Kennlinie des Partikelfilters wird durch eine Umrechnung der Eingangsgrößen
Differenzdruck und Volumenstrom in eine temperaturunabhängige
Form gebracht, die im Betrieb einfach eingelernt werden kann. Dazu
werden die Eingangsgrößen mit Hilfe weiterer,
gleichzeitig aufgenommener Messgrößen in skalierte,
temperaturunabhängige Werte umgewandelt, aus denen sich
nachfolgend eine zweiparametrische, temperaturunabhängige
Differenzdruck-Volumenstrom Kennlinie ermitteln lässt.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die temperaturunabhängige
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie im Anschluss an eine Regenerationsphase
des Partikelfilters bestimmt. Auf diese Weise lassen sich temperaturunabhängige
Kennlinien über den Lebenszyklus des Partikelfilters hinweg
bei vergleichbaren Beladungszuständen ermitteln. Durch
einen Vergleich von im Anschluss an unterschiedliche Regenerationsphasen
ermittelte Kennlinien lassen sich insbesondere Aussagen über
ein langfristiges Alterungsverhalten des Partikelfilters treffen.
Durch Kennlinienvergleich mit Grenzkennlinien oder Vorgängerkennlinien
beziehungsweise durch Überwachung aktuell erfasster Messgrößen
anhand der aktuellen Kennlinie kann ein Defekt des Partikelfilters
detektiert werden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als ein Parameter
(P1 bis Pn) eines beladenen Partikelfilters anhand der temperaturunabhängigen
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie eine momentane, den beladenen
Partikelfilter beschreibende Rußmasse (mSoot)
ermittelt. Die Rußmasse kann beispielsweise durch einen
Vergleich einer Kennlinie des Partikelfilters in einem unbeladenen
Zustand (Leerkennlinie) mit einer aktuellen Kennlinie des beladenen
Partikelfilters ermittelt werden. Alternativ kann die Rußmasse
durch Auswertung der Differenz zwischen einem mit Hilfe der Leerkennlinie
berechneten Soll-Differenzdruck eines unbeladenen Partikelfilters
und einem gemessenen Ist-Differenzdruck oder in einer anderen geeigneten
Art und Weise bestimmt werden.
-
Je
nach Art, Funktion, Aufbau und Ausgestaltung des Partikelfilters
können ferner weitere den betreffenden Partikelfilter repräsentierende
Parameter bestimmt werden.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 schematisch
ein Prinzipbild für ein Verfahren zur kennliniengeführten Überwachung
eines Partikelfilters,
-
2 eine
Darstellung der Umwandlung der temperaturabhängigen Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
in eine temperaturunabhängige Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie.
-
Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße
Verfahren zur kennliniengeführten Überwachung
eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselpartikelfilters
(auch kurz DPF genannt) eines Dieselmotors. Das Verfahren kann dabei
als ein softwarebasiertes Funktionsmodul in einem Steuergerät
eines Fahrzeugs, z. B. im Motorsteuergerät oder in einem
Steuergerät zur Abgasaufbereitung und -überwachung, implementiert
sein.
-
Mittels
des Verfahrens wird der Partikelfilter fortlaufend im Betrieb überwacht,
insbesondere wird mindestens ein Parameter P1 bis Pn, z. B. eine
Beladung, insbesondere eine Ruß- und/oder Aschebeladung, und/oder
der momentane Betriebszustand bzw. die Funktionsfähigkeit
des Partikelfilters bestimmt und überwacht.
-
Die
kennliniengeführte Überwachung und Analyse, insbesondere
zur Beladungserkennung und/oder Fehlerdiagnose geht aus von einer
den Partikelfilter repräsentierenden temperaturabhängigen
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie K(T), durch die der Druckabfall über
dem Partikelfilter (und somit der Differenzdruck ΔP zwischen
Eingangs- und Ausgangsdruck des Partikelfilters) in Abhängigkeit
von dem Abgasvolumenstrom Q und der Temperatur T im Partikelfilter
dargestellt ist.
-
Im
Detail wird mittels eines vorgebbaren Schätzalgorithmus
eine Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie K des rußfreien
Partikelfilters in einer temperaturunabhängigen Form ermittelt
gemäß: ΔP ~ =
A·Q ~ + B·Q ~2 [1]wobei der
Differenzdruck ΔP und der (Abgas-)Volumenstrom Q skaliert
werden gemäß: ΔP ~ = ΔP·ρ/μ2 und [2] Q ~ = Q·ρ/μ [3]mit Q = Volumenstrom, ΔP
= Differenzdruck, ρ = Abgasdichte, μ = dynamische
Abgasviskosität, A, B = Parameter der temperaturunabhängigen
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie des Dieselpartikelfilters.
-
In
einem ersten Schritt 1 werden die Messgrößen ΔP,
Q, T und ρ erfasst, die zur Schätzung der Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
K(T) erforderlich sind. In einem zweiten Schritt 2 werden
die Messgrößen ΔP und Q gemäß den
Gleichungen [2] und [3] skaliert, um die Kennlinie in ihrer temperaturunabhängi gen
Form [1] schätzen zu können. Die dynamische Abgasviskosität μ wird
dabei aus der Temperatur T nach der Formel μ = μ0·(T/T0)υ berechnet.
-
In
einem dritten Schritt 3 wird aus den skalierten Messwerten P ~ und Q ~ die
Kennlinie K in einer temperaturunabhängigen Form [1] mittels
einer Schätzung gebildet. Dies geschieht mit Hilfe eines
geeigneten Schätzalgorithmus wie beispielsweise einem rekursiven
Kalman-Filter. Der dritte Schritt 3 wird vorzugsweise nach
einer Regeneration durchgeführt, da dann der Partikelfilter
weitgehend rußfrei ist und somit vergleichbare Zustände
vorliegen; er kann zur Bestimmung der verschiedenen Parameter P1
... Pn aber auch mit anderen Randbedingungen, also zum Beispiel
in einem teilweise beladenen Zustand des Partikelfilters, zum Einsatz kommen.
Die ermittelte temperaturunabhängige Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
des rußfreien Filters wird zur Fehlerdiagnose und Analyse
des Partikelfilters verwendet.
-
In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel werden die geschätzten
Kennlinienparameter A, B vor einer Freigabe einer Parameterprüfung
unterzogen (in 1 nicht dargestellt). Dabei
wird geprüft, ob die Werte bestimmte, physikalisch sinnvolle
Grenzen wie A > 0
einhalten oder ob die Qualität des Schätzergebnisses (Varianz)
gewisse Mindestanforderungen erfüllt. Abhängig
vom Prüfungsergebnis werden die Kennlinienparameter A,
B zur Verwendung in dem nachfolgend erläuterten vierten
Schritt 4 bis siebten Schritt 7 freigegeben.
-
In
einem vierten Schritt 4 erfolgt eine Bewertung des Ergebnisses
der Schätzung und der Kennlinie im Hinblick auf möglich
Defekte des Filters. Dazu werden vorteilhaft Referenz kennlinien
herangezogen, zum Beispiel eine Kennlinie, die bei der vorhergehenden
Schätzung ermittelt wurde oder eine „Neukennlinie",
also eine zu einem sehr frühen Zeitpunkt aufgenommenen
Kennlinie. Eine Neukennlinie kann beispielsweise an einem neuen
Partikelfilter direkt nach einer Einlaufphase (Degreening) und damit
praktisch noch ohne relevanten Ascheanteil ermittelt und gespeichert
sein. Auch Grenzkennlinien können als Referenzkennlinien
vorgesehen sein, zum Beispiel eine so genannte „Worstcase"-Kennlinie,
die zur Erfüllung der geforderten Diagnoseanforderungen
nie unter- oder überschritten werden darf.
-
Ein
deutliches Abfallen der Kennlinie im Vergleich zur Vorgängerkennlinie
wird als Bruch des Partikelfilters und somit als defekter Partikelfilter
gewertet. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel wird
eine Fehlermeldung erst bei mehrfachem Auftreten des Fehlers ausgegeben
(Entprellen). Ein sehr starkes Abfallen der Kennlinie oder ein Unterschreiten
der „Worstcase"-Kennlinie wird hingegen als ein sicherer
Bruch erkannt und somit unmittelbar als Defekt bewertet und ausgegeben
(Parameter P1).
-
Zur
dauernden Überwachung des Partikelfilters wird in einem
fünften Schritt 5 aus den Parametern A, B und
dem skalierten Volumenstrom Q ~ ein erwarteter skalierter Differenzdruck
dPskal_empty (Sollwert) des leeren Filters
berechnet als dPskal_empty = A·Q ~ +
B·Q ~2. Der erwartete skalierte
Differenzdruck wird verglichen mit einem gemäß der
Formel ΔP ~ = ΔP·ρ/μ2
aus Messwerten berechneten skalierten Differenzdruck (Istwert).
Der aus Messwerten berechnete skalierte Differenzdruck streut um
den erwarteten skalierten Differenzdruck aufgrund von Messfehlern
und Phasenverschiebungen zwischen dem im Steuergerät modellierten
Volumenstrom und dem gemessenen Differenzdruck. Wenn das Verhältnis
von Istwert zu Sollwert unterhalb einer Grenze liegt und der Fehler über
mehrere Messzyklen anliegt, wird auf einen Fehler erkannt.
-
In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann aus den Parametern
A, B und den vorhandenen Eingangswerten gemäß der
nachfolgend noch näher erläuterten temperaturabhängigen
Kennlinie des rußfreien Partikelfilters ΔPleer = A·μ(T)·Q
+ B·ρ(T)·Q2 auch
ein erwarteter unskalierter, also temperaturabhängiger,
Differenzdruck berechnet und mit einem gemessenen tatsächlichen
Differenzdruck ΔP verglichen werden. Auf einen Fehler wird
erkannt, wenn ΔP den erwarteten Wert ΔPleer um eine vorher festgelegte Toleranzgrenze
unterschreitet.
-
In
einem sechsten Schritt 6 lässt sich mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch eine Ascheeinlagerung abschätzen, indem
die aktuelle Kennlinie mit einer „Neukennlinie", also einer
zu einem sehr frühen Zeitpunkt aufgenommenen Kennlinie
verglichen wird, beispielsweise mit einer an dem noch neuen Partikelfilter
direkt nach einer Einlaufphase (Degreening) und damit praktisch
noch ohne relevanten Ascheanteil ermittelten und gespeicherten Kennlinie.
-
Bei
einer Verschiebung der Kennlinie K gegenüber der Neukennlinie
nach oben wird auf eine zunehmende Ascheablagerung erkannt. Eine
starke Verschiebung der Kennlinie repräsentiert einen möglicherweise verstopften
und somit nicht funktionsfähigen Partikelfilter.
-
In
einem siebten Schritt 7 lässt sich ein Russeintrag
msoot mit Hilfe einer aktuellen Kennlinie
und der aktuellen Messda ten abschätzen. Wird in einem Vergleich 8 ein
Referenzwert 9 überschritten, so wird nachfolgend
eine Regeneration initiiert.
-
In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann für
den fünften Schritt 5 und/oder den siebten Schritt 7 zuvor
eine zeitliche Filterung der Parameteränderungen erfolgen,
durch die ein geglätteter Ausgleich zwischen den alten
und den neuen Parametern sichergestellt ist.
-
Nachfolgend
sind im Detail die Beziehungen zur Ermittlung der skalierten Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
mit den Kennlinienparametern A und B erläutert.
-
Ein
Druckverlust eines leeren Partikelfilters (w = 0, w = Dicke der
Rußablagerung) kann beschrieben werden gemäß:
mit Q
= Volumenstrom, ΔP
leer = Differenzdruck
eines unbeladenen rußfreien Partikelfilters, w
s =
Filterwanddicke, α = Filterzellengröße, β =
Forchheimer Koeffizient in einer porösen Wand, ζ =
Korrekturfaktor, ρ = Abgasdichte, μ = dynamische
Abgasviskosität, V
Trap = effektives
Filtervolumen, L = Filterlänge, F = Konstante, k
w = Permeabilität Filterwand.
-
Durch
Zusammenfassung der jeweiligen Konstanten ergibt sich eine einfache
weiterhin temperaturabhängige und volumenstromabhängige
Funktion gemäß: ΔPleer = A·μ(T)·Q
+ B·ρ(T)·Q2 [5]mit A, B
= Parameter der Kennlinie des rußfreien Filters.
-
Durch
Erweiterung der Funktion mit ρ(T)/μ(T)2 [6]ergibt
sich die temperaturunabhängige Kennlinie K gemäß: ΔP ~ = A·Q ~ + B·Q ~2 [7]mit ΔP ~ = ΔP·ρ/μ2 und [8] Q ~ = Q·ρ/μ [9]mit Q = Volumenstrom, ΔP
= Differenzdruck, ρ = Abgasdichte, μ = dynamische
Abgasviskosität, A, B = Parameter der Kennlinie K.
-
Damit
können aus einem Satz gemessener Filterkenngrößen – Volumenstrom
Q, Differenzdruck ΔP, Abgasdichte ρ und Temperatur
T – die Parameter A, B bestimmt werden.
-
Im
Folgenden ist im Detail die Abschätzung der Kennlinie eines
beladenen Partikelfilters näher beschrieben.
-
Der
Druckverlust des beladenen Partikelfilters (w > 0) setzt sich zusammen aus dem Anteil
des leeren Filters (ΔP
leer) und
dem russabhängigen Anteil (ΔP
Soot).
Die Summe kann wie folgt beschrieben werden:
-
Nach
der Literatur (vergleiche zum Beispiel SAE-Paper 2003-01-0846) lässt
sich die Russdicke abschätzen gemäß
-
Durch
Einsetzen der Gleichung [11] in Gleichung [10] und Linearisierung
mit Hilfe einer Taylorreihenentwicklung ergibt sich die folgende
Gleichung:
-
Aus
einem Vergleich von [10] und [12] lässt sich ein rußbedingter
Differenzdruckanteil ΔPSoot bestimmen
zu ΔPsoot =
C·msoot·μ(T)·Q. [13]mit mSoot = Rußmasse, C = Parameter für
die Rußbeladung des Partikelfilters.
-
Die
temperaturunabhängige Kennlinie K lässt sich wie
folgt beschreiben: ΔP ~ = (A
+ C·mSoot)·Q ~ + B·Q ~2. [12]
-
Anhand
der ermittelten temperaturunabhängigen Kennlinie K kann
die Rußbeladung in Abhängigkeit vom Filtertyp
gemäß C·mSoot geschätzt
werden.
-
Die
Ungenauigkeit der Ermittlung der Rußbeladung aufgrund des
Filterfaktors C kann dabei reduziert werden, indem geeignete Randbedingungen,
wie z. B. betriebswarmer Partikelfilter oder keine so genannten CRT-Effekte,
eingestellt werden, wodurch die Werte der Rußdichte ρSoot und der Rußpermeabilität
ksoot konstant sind. Trotz der Ungenauigkeiten
ist mittels der temperaturunabhängigen Kennlinie K gemäß [12]
eine einfache Rußschätzung gegeben, die bei kleinem
Parametrierungsaufwand eine hohe Genauigkeit aufweist.
-
2 enthält
eine Darstellung der Umwandlung einer temperaturabhängigen
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie K(T) in eine temperaturunabhängige
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie K.
-
Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch das Einlernen und regelmäßig wiederholte
Anpassen der aus der temperaturabhängigen Kennlinie für
einen leeren Partikelfilter abgeleiteten temperaturunabhängigen
Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie die Überwachung des
Partikelfilters im laufenden Betrieb unter Berücksichtigung
des Alterungszustandes und der momentanen Ruß- oder Aschebeladung
des Partikelfilters möglich ist. Hierdurch ist ein besonders
genaues und empfindliches Überwachungsverfahren gegeben.
Darüber hinaus ist eine hinreichend genaue Schätzung
der Rußbeladung aufgrund der regelmäßig
angepassten und somit wesentlich genaueren und empfindlicheren Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie
möglich. Dies führt zudem zu optimierten Regenerationszyklen
und somit zur Senkung des Kraftstoffbedarfs.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
