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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors
zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor
auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende
interdigitale Elektroden und ein, durch eine Isolationsschicht von
den Elektroden getrenntes Heizelement aufweist, mit dem der Partikelsensor
in einer Regenerationphase aufgeheizt und dabei eine Rußbeladung
am Partikelsensor entfernt werden kann.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur
Eigendiagnose eines Partikelsensors.
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Partikelsensoren
werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes
von Brennkraftmaschinen und zur On-Board-Diagnose (OBD), beispielsweise
zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt.
Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften einer interdigitalen Elektrodenstruktur
aufgrund von Partikelanlagerungen auswerten. Es können
zwei oder mehrere Elektroden vorgesehen sein, die bevorzugt kammartig
ineinander greifen. Durch eine steigende Anzahl an dem Partikelsensor
anlagernder Partikel werden die Elektroden kurzgeschlossen, was
sich in einem mit steigender Partikelanlagerung abnehmendem elektrischen
Widerstand, einer abnehmenden Impedanz oder in einer Veränderung
einer mit dem Widerstand beziehungsweise der Impedanz zusammen hängenden
Kenngröße wie einer Spannung und/oder einem Strom
auswirkt. Zur Auswertung wird im Allgemeinen ein Schwellwert, beispielsweise
eines Messstroms zwischen den Elektroden, festgelegt und die Zeit
bis zur Erreichung des Schwellwertes als Maß für
die angelagerte Partikelmenge verwendet. Alternativ kann auch eine
Signal-Änderungsgeschwindigkeit während der Partikelanlagerung
ausgewertet werden. Ist der Partikelsensor voll beladen, werden
die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines
in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt.
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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 einer Fanghülse überdeckt
sind. Lagern sich Partikel aus einem Gasstrom 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.
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Die
DE 101 49 333 A1 beschreibt
eine Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, mit
einer auf einem Substrat angeordneten Widerstandsmessstruktur, wobei
die Messstruktur mit einer Rußschicht zusammenwirkt und
eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen ist. Mit dieser Sensorvorrichtung
kann ebenfalls die Rußkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine
bestimmt werden.
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Aus
der
DE 10 2004
028 997 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Partikelanlagerung
auf einem Sensorelement bekannt, das eine erste Elektrode und eine
weitere Elektrode aufweist und an welchem an Spannungsklemmen eine
erste Spannung U
1 sowie eine zweite Spannung
U
2 anlegbar ist. Dabei ist es vorgesehen,
dass das Sensorelement während einer ersten Zeitspanne
t
1 mit einer erhöhten Spannung
U
1 betrieben werden kann und nach Überschreiten
einer Auslöseschwelle AP des Sensorelements dieses mit
einer niedrigeren Spannung U
2 betrieben
werden kann, die geringer als die erhöhte Spannung U
1 ist. Das Verfahren ermöglicht
es, die Zeit nach einer Regeneration des Sensorelements, in der
kein Messsignal zur Verfügung steht, bis zu dem Zeitpunkt,
wo durch Ablagerung einer ausreichenden Menge an Partikeln ein auswertbares
Signal erhalten wird, zu verkürzen, in dem während
dieser Phase das Sensorelement mit einer erhöhten Betriebsspannung betrieben
wird. Die erhöhte Betriebsspannung führt zu einer
erhöhten Ablagerungsrate von Partikeln an dem Sensorelement.
Wenn sich eine ausreichend große Menge Partikel an dem
Sensorelement abgelagert hat, so dass ein verwertbares Messsignal
vorliegt, wird das Sensorelement mit einer niedrigeren Spannung
mit einer entsprechend niedrigeren Partikel-Ablagerungsrate betrieben,
so dass die Messdauer bis zur nächsten notwendigen Regeneration des
Sensorelements verlängert wird. Das Verfahren sieht demnach
zwei aufeinander folgende Betriebsphasen vor, eine erste Phase mit
erhöhter Betriebsspannung, während der noch kein
ausreichendes Messsignal vorliegt, und eine zweite Phase mit verringerter
Spannung, während der die eigentliche Messung der Partikelkonzentration
erfolgt. Dabei erfolgt während beider Phasen eine Bestimmung
des Widerstandes oder der Impedanz des Sensorelements über
eine entsprechende Strommessung, einmal zur Erkennung der Auslöseschwelle
und einmal zur Bestimmung der Partikel-Ablagerungsrate. In beiden
Phasen ist eine definierte Partikelablagerung notwendig. Die gewählten
Spannungen stellen demnach in beiden Phasen einen Kompromiss zwischen optimierter
Partikelablagerung und genauer Widerstands- oder Impedanzmessung
dar.
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Aus
der
DE 103 19 664
A1 ist ein Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom,
insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, mit
mindestens zwei Messelektroden, die auf einem Substrat aus einem
elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, bekannt. Dabei
ist es vorgesehen, dass die Messelektroden von einer Schutzschicht überzogen
sind. Durch die Schutzschicht werden die Elektroden bei rauen Umgebungsbedingungen
vor Korrosion geschützt. Dabei kann die Schutzschicht elektrisch
leitend oder als elektrischer Isolator ausgeführt sein.
Eine leitfähige Schutzschicht ermöglicht eine Bestimmung
der Partikelkonzentration durch eine resistive Gleichstrommessung,
wobei sich eine Parallelschaltung zwischen den Elektroden über
die Schutzschicht und die angelagerten Partikel ergibt. Bei einer
isolierenden Schutzschicht ist eine Impedanzmessung mit Hilfe einer
Wechselspannung erforderlich.
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Zur
Regeneration des Partikelsensors nach erfolgter Partikelanlagerung
muss das Sensorelement mit Hilfe eines integrierten Heizelementes
frei gebrannt werden. Dies muss in bestimmten zeitlichen Abständen
durchgeführt werden, um Verfälschungen bei der
Partikelkonzentrationsbestimmung zu vermeiden.
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Zur
Eigendiagnose ist beispielsweise in einer weiteren Anmeldung der
Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.318399 vorgesehen, dass
der Partikelsensor eine zusätzliche flächige Prüfelektrode
aufweist, und in mehreren Verfahrensschritten zwischen den Messelektroden
und der Prüfelektrode verschiedene Prüfspannungen
angelegt und jeweils ein Strom bzw. eine Kapazität gemessen
und anhand der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße Funktion
des Partikelsensors geschlossen wird.
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Die
EP 1 925 926 A1 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Auswerteverfahren zur Überprüfung
der Funktionsfähigkeit bzw. zur Plausibilisierung eines auf
einem Elektrodensystem basierenden Sensors, insbesondere eines Partikelsensors,
wobei die Vorrichtung mindestens ein Referenzelektrodensystem umfasst.
Das Auswerteverfahren sieht dabei vergleichende Messungen an den
Messelektroden sowie an den Referenzelektroden vor, wobei anhand
der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße
Funktion des Sensors geschlossen wird.
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In
der Praxis zeigt sich allerdings, dass die Eigendiagnose nur bei
bestimmten Betriebszuständen des Partikelsensors durchgeführt
werden kann und zudem die Eigendiagnose aufgrund von äußeren Störeinflüssen
erheblich beeinträchtigt ist.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
welches eine zuverlässige Überwachung des Systems
erlaubt.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung
des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche
1 bis 10 gelöst.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit, welche mit
dem Partikelsensor in Verbindung steht und Einrichtungen zur Diagnose der
Rußbeladung des Partikelsensors aufweisen, Einrichtungen
zur Modulation eines Heizstroms mit einer Modulationsfrequenz für
das Heizelement des Partikelsensors sowie Einrichtungen zur frequenzsynchronen
Auswertung des Ausgangssignals des Partikelsensors, entsprechend
der vorgegebenen Modulationsfrequenz, aufweisen und anhand von Vergleichen
der Ausgangssignale des Partikelsensors mit Sollvorgaben eine Fehlfunktion
des Partikelsensors detektierbar ist. Diese Funktionalitäten
können dabei als Software in der Motorsteuerung oder in der
Sensorsteuereinheit implementiert sein.
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Das
Diagnoseverfahren sieht dabei vor, dass der Partikelsensor im Diagnosebetrieb
vorgeheizt und diese Vorheiztemperatur mit einer Modulationsfrequenz
moduliert wird und Änderungen im Ausgangssignal des Partikelsensors
synchron zur Modulationsfrequenz zur Eigendiagnose bewertet werden. Man
macht sich dabei das Verhalten des Partikelsensors zu Nutze, dass
das Ausgangssignal der als Messelektroden dienenden ineinander greifenden
interdigitalen Elektroden (= Sensorelement) relativ deutlich von
der Temperatur des Partikelsensors abhängt. Die Bewertung
erstreckt sich dabei sowohl auf die absolute Höhe des Ausgangssignals
als auch auf dessen Amplitude. Dabei wird nur der Anteil des Signals
zur Auswertung herangezogen, der mit der richtigen, d. h. mit der
voreingestellten Modulationsfrequenz ändert.
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Als
Ausgangssignal des Partikelsensors werden bevorzugt Kapazitäts-
und/oder Widerstandsänderungen an den Elektroden ausgewertet, was
sich mit vergleichsweise geringem Schaltungsaufwand realisieren
lässt. Insbesondere können Kapazitätsmessungen
einfach durchgeführt werden, ohne dass hohe Genauigkeitsanforderungen
an das Messequipment gestellt werden müssen.
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Die
Temperaturmodulation wird in bevorzugter Verfahrensvariante mittels
einer Heizstrommodulation des Heizelementes durchgeführt.
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Mit
dem Diagnoseverfahren und der Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens kann erreicht werden, dass eine robustere Eigendiagnose
des Partikelsensors ermöglicht werden kann, welche insbesondere
weniger störanfällig gegenüber äußeren Einflüssen
ist. So können Signale, die sich nicht mit der vorgegeben
Modulationsfrequenz ändern, als Störungen identifiziert
werden. Insbesondere können Einflüsse der Anschlusskabel,
welche beispielsweise eine relativ zum Sensorelement große
und extrem von der momentanen Lage abhängige Kapazität
aufweisen, minimiert werden. Dies geschieht damit, dass insbesondere
die Amplitude, nicht aber der absolute Wert des Ausgangsignals erfasst
wird. Sprünge in den Absolutwerten können dabei
als Kabelbewegung bzw. als Kabel-Offset gedeutet werden, solange
die Amplitude des Ausgangsignals innerhalb bestimmter Grenzen gleich
bleibt. Zudem kann die Eigendiagnose auch in bisher weniger geeigneten Betriebszuständen
des Partikelsensors erfolgen.
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In
einer Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass Heizstromschaltimpulse
für das Heizelement kapazitiv mit den Elektroden gekoppelt
sind und diese im Ausgangssignal des Partikelsensors mit ausgewertet
werden. Diese Heizstromschaltimpulse können als zusätzliches
Triggersignal bei der Auswertung genutzt werden. Die kapazitive
Kopplung wird beim Partikelsensor geometrisch bedingt durch Kapazitäten
zwischen dem Anschluss des Heizelementes und den beiden Elektroden
des Sensorelementes gewährleistet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren ist vorgesehen,
dass während des Diagnosebetriebs der Partikelsensor auf
eine Vorheiztemperatur im Bereich von 100°C bis 400°C
und die Amplitude einer derartigen Temperaturmodulation auf 50°C bis
150°C (bzw. 50 K bis 150 K) geregelt wird. Aus diesem Temperaturbereich
sowie aus der eingestellten Temperaturamplitude resultieren Ausgangssignale,
die hinsichtlich der Signalhöhe und der Amplitude problemlos
mit geringem messtechnischem Aufwand auswertbar sind.
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Dabei
ist vorgesehen, dass als Modulationsfrequenz, abhängig
vom Typ des Partikelsensors, ein Frequenzbereich von 0,1 Hz bis
20 Hz eingestellt wird. In diesem Frequenzbereich kann der Partikelsensor
aufgrund seiner thermischen Trägheit noch mit gut auswertbaren
Amplituden in den Ausgangssignalen der Temperaturmodulation folgen.
Ist der Partikelsensor relativ klein und besitzt eine vergleichsweise
geringe thermische Trägheit, kann die Modulationsfrequenz
entsprechend höher gewählt werden. Ein größerer
Partikelsensor bedarf hinsichtlich der Auswertbarkeit des Ausgangssignals
eher einer niedrigeren Modulationsfrequenz.
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In
einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird auf eine Vorheiztemperatur
von (200 ± 20)°C geregelt, wobei die Amplitude
der Temperaturmodulation (100 ± 10)°C bzw. (100 ± 10)
K beträgt. Die Modulationsfrequenz wird auf eine Frequenz
von 1 Hz bis 5 Hz, vorzugsweise von typisch 2 Hz eingestellt. Mit
diesen Einstellungen können Kapazitäts- und/oder
Widerstandsänderungen im Sensorelement des Partikelsensors
von Änderungen im Kabel- bzw. im Anschlussbereich, die
nicht die richtige Modulationsfrequenz aufweisen, sicher unterschieden
werden. Die Modulationsfrequenz von typisch 2 Hz gewährleistet
zudem, dass ausreichend gut auswertbare Modulationshübe
erzielt werden können.
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Um
Störungen zu eliminieren, die ebenfalls mit bestimmten
Eigenfrequenzen behaftet sind, ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante
vorgesehen, dass die Modulationsfrequenz während des Diagnosebetriebs
regelmäßig oder zufällig innerhalb des
bevorzugten Frequenzbereichs gewechselt wird, wobei die Bewertung
des Ausgangsignals des Partikelsensors entsprechend der aktuell
eingestellten Modulationsfrequenz durchgeführt wird. So
kann beispielsweise auch eine periodische Bewegungen der Kabel, die
aufgrund der Kapazitätsänderung eine andere Sensorkapazität
vortäuschen würde, mit dem Diagnoseverfahren als äußere
Störgröße erkannt werden und damit die
Eigendiagnose zuverlässiger durchgeführt werden.
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In
einer weiteren Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die
Modulationsfrequenz zwischen zwei Frequenzen innerhalb des Frequenzbereichs
wechselt oder die Modulationsfrequenz kontinuierlich oder in Stufen
zwischen diesen beiden Frequenzen verändert wird. Mit dieser
Art Fourier-Analyse können insbesondere verschiedene Störeinflüsse, die
sich bei der Eigendiagnose überlagern können erkannt
und herausgefiltert werden.
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Zur
Regelung der Temperaturmodulation kann weiterhin vorgesehen sein,
dass die Temperaturmodulation anhand eines Ausgangssignals eines im
Partikelsensor integrierten Messmäanders überwacht
und die Temperaturmodulation ggf. beeinflusst wird. Damit können
Abweichungen des realen Temperaturverlaufs des Sensorelements von
der Sollvorgabe erkannt, kompensiert oder ausgeregelt werden. Diese
Maßnahme schützt zudem den Partikelsensor mit
seinem Sensorelement, wenn beispielsweise das Abgas hohe Temperaturen
annimmt. Dann kann die Temperaturmodulation entsprechend auf niedrigere Vorgabetemperaturen
bzw. reduzierte Amplituden angepasst werden.
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Eine
bevorzugte Anwendung der Verfahrensvarianten, wie sie zuvor beschrieben
wurde, sieht die Eigendiagnose des Partikelsensors im Rahmen einer
On-Board-Diagnose bei einer Diesel-Brennkraftmaschine vor. In dieser
Anwendung kommt es insbesondere auf eine genaue und reproduzierbare
Diagnose der Partikelbeladung eines im Abgasstrang der Diesel-Brennkraftmaschine
angeordneten Rußpartikelfilters (DPF) an.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in der das
Verfahren angewendet werden kann,
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2 schematisch
einen Partikelsensor in einer Explosionsdarstellung,
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3 ein
Ersatzschaltbild des Partikelsensors,
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4a bis 4c Modulationsdiagramme
zum Betreiben des Partikelsensors und
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5a und 5b beispielhaft
eine Auswertung der Modulationsdiagramme.
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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 17 abgeführt, in dem eine Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet
ist. Diese Abgasreinigungsanlage 16 kann als Diesel-Partikelfilter
ausgeführt sein. Weiterhin sind im Abgasstrang 17 eine
als Lambdasonde ausgeführte Abgassonde 15 und
ein Partikelsensor 20 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 20 kann dabei auch in Strömungsrichtung
des Abgases hinter der Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet
sein, was Vorteile hinsichtlich einer Homogenisierung der Abgasströmung
an dieser Stelle mit sich bringt. Mit den gezeigten Vorrichtungen
ist eine Beobachtung des Partikelausstoßes der Brennkraftmaschine 10 (On-Board-Diagnose)
und eine Prognose der Beladung der als Diesel-Partikelfilter (DPF)
ausgebildeten Abgasreinigungsanlage 16 möglich.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 20 entsprechend
dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung.
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Auf
Isolierträgerschichten 21, beispielsweise aus
Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 22 und eine zweite
Elektrode 23 aufgebracht. Die Elektroden 22, 23 sind
in Form zweier interdigitaler, ineinander greifender Kammelektroden
ausgeführt. An den stirnseitigen Enden der Elektroden 22, 23 sind
ein erster Anschluss 22.1 und ein zweiter Anschluss 23.1 vorgesehen, über
welche die Elektroden 22, 23 zur Spannungsversorgung
und zur Durchführung der Messung mit einer nicht dargestellten
Sensorsteuereinheit verbunden werden können.
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Zusätzlich
ist im gezeigten Beispiel zwischen den Isolierträgerschichten 21 ein
Heizelement 26 integriert, welches über die Anschlüsse 26.1, 26.2 mit der
Sensorsteuereinheit verbunden ist. Die oberste Isolationsträgerschicht 21,
auf der sich die Elektroden 22, 23 befinden, kann
zusätzlich dotiert sein, so dass eine halbleitende Schicht 28 ausgebildet
ist.
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Wird
ein solcher Partikelsensor 20 in einem Partikel 29 führenden
Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors,
betrieben, so lagern sich Partikel 29 aus dem Gasstrom
an dem Partikelsensor 20 ab. Im Falle des Dieselmotors
handelt es sich bei den Partikeln 29 um Rußpartikel
mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Dabei
hängt die Ablagerungsrate der Partikel 29 an den Partikelsensor 20 neben
der Partikelkonzentration in dem Abgas unter anderem auch von der
Spannung ab, welche an den Elektroden 22, 23 anliegt.
Durch die anliegende Spannung wird ein elektrisches Feld erzeugt,
welches auf elektrisch geladene Partikel 29 und auf Partikel 29 mit
einer Dipol-Ladung eine entsprechende Anziehung ausübt.
Durch geeignete Wahl der an den Elektroden 22, 23 anliegenden Spannung
kann daher die Ablagerungsrate der Partikel 29 beeinflusst
werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 22, 23 und
die oberste Isolationsträgerschicht 21, auf der
sich die Elektroden 22, 23 befinden, mit einer
Schutzschicht 27 überzogen. Diese optionale Schutzschicht 27 schützt
die Elektroden 22, 23 bei den zumeist vorherrschenden
hohen Betriebstemperaturen des Partikelsensors 20 vor Korrosion.
Sie ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Material
mit einer geringen Leitfähigkeit hergestellt, kann jedoch
auch aus einem Isolator gefertigt sein.
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Auf
der Schutzschicht 27 haben sich Partikel 29 aus
dem Gasstrom in Form einer Schicht abgelagert. Durch die gering
leitfähige Schutzschicht 27 bilden die Partikel 29einen
leitfähigen Pfad zwischen den Elektroden 22, 23,
so dass sich, abhängig von der Menge der abgelagerte Partikel 29,
eine Widerstandsänderung zwischen den Elektroden 22, 23 ergibt.
Diese kann zum Beispiel gemessen werden, in dem eine konstante Spannung
an die Anschlüsse 22.1, 23.1 der Elektroden 22, 23 angelegt
und die Änderung des Stromes durch die angelagerten Partikel 29 bestimmt
wird.
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Ist
die Schutzschicht 27 isolierend aufgebaut, führen
die abgelagerten Partikel 29 zu einer Änderung
der Impedanz des Partikelsensors 20, was durch eine entsprechende
Messung, bevorzugt mit einer Wechselspannung, ausgewertet werden
kann.
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Ist
der Partikelsensor 20 so weit mit einer Schicht aus Partikeln 29 belegt,
dass zusätzlich angelagerte Partikel 29 zu keiner
zusätzlichen Änderung des Widerstandes beziehungsweise
der Impedanz des Partikelsensors 20 führen, so
wird der Partikelsensor 20 innerhalb einer Regenerationsphase regeneriert.
Dazu wird der Partikelsensor 20 mit Hilfe des Heizelements 26 so
weit aufgeheizt, dass die anliegenden Partikel 29 verbrennen.
In einer ersten Phase nach der Regeneration, wenn nur wenige Partikel 29 an
dem Partikelsensor 20 anliegen, ist keine aussagekräftige
Widerstands- oder Impedanzmessung möglich. Erst nach einer
ausreichend langen Zeit liegen wieder so viele Partikel 29 an
dem Partikelsensor 20 an, dass sich über die Partikel 29 ein geschlossener
Strompfad zwischen den Elektroden 22, 23 ausbildet
und eine Messung möglich wird. Bekannte Auswerteverfahren
bestimmen die Zeit nach einer Regeneration bis zur Erreichung einer
vorgegebenen Schwelle des Messsignals, beispielsweise eines vorgegebenen
Stromwertes, um eine Aussage über die Partikelkonzentration
in dem Gasstrom zu ermitteln. Alternative Verfahren nutzen die Signal-Änderungsgeschwindigkeit
nach Erreichen eines Mindestsignals zur Bestimmung der Partikelkonzentration.
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Die 3 zeigt
schematisch ein elektrisches Ersatzschaltbild des Partikelsensors 20.
Dargestellt sind verschiedene Kapazitäten 30,
die zwischen den verschiedenen Anschlüssen 22.1, 23.1 der
Elektroden 22, 23 und andererseits zwischen den
Elektroden 22, 23 und dem Heizelement 26 beim
Betrieb des Partikelsensors 20 mit Wechselspannung ausgebildet
sind.
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Im
gezeigten Beispiel weist der Partikelsensor 20 zusätzlich
einen Prüfpin 24 auf, der mit einer hier nicht
näher spezifizierten flächigen Prüfelektrode in
Verbindung steht.
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Derartige
Anordnungen sind beispielsweise in der bereits zitierten Anmeldung
R.318399 der Anmelderin beschrieben.
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So
ist eine Kapazität C1 31 zwischen dem Prüfpin 24 und
der Elektrode 22 mit ihrem Anschluss 22.1 sowie
eine Kapazität C2 32 zwischen dem Prüfpin 24 und
der Elektrode 23 mit ihrem Anschluss 23.1 ausgebildet.
Zudem ist eine Kapazität C3 33 zwischen beiden
Elektroden 22, 23 ausgebildet. Diese Kapazitäten 31, 32, 33 werden
insbesondere durch die geometrische Ausgestaltung der beiden als
Kammelektroden ausgebildeten Elektroden 22, 23 bestimmt.
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Zudem
sind die Kapazität C4 34 zwischen dem Prüfpin 24 und
dem Heizelement 26 mit seien Anschlüssen 26.1, 26.2 sowie
die Kapazität C5 35 zwischen der Elektrode 23 und
dem Heizelement 26 und eine Kapazität C6 36 zwischen
der Elektrode 22 und dem Heizelement 26 ausgebildet.
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Zur
Temperaturbestimmung kann der Partikelsensor 20 zusätzlich
einen Messmäander 25, beispielsweise als Platin-Messwiderstand
ausgebildet, aufweisen, der einen zusätzlichen Anschluss 25.1 besitzt.
In einer Variante kann auch der temperaturabhängige Innenwiderstand
des Heizelements zu Temperaturüberwachung genutzt werden.
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Die 4a bis 4c zeigen
beispielhaft Modulationsdiagramme 40, wobei in 4a eine sinusförmige Heizstrommodulation 41 aufgezeigt
ist. Dargestellt ist ein Heizstrom 44 in Abhängigkeit
der Zeit 47. Der Hub der Heizstrommodulation 41 liegt
dabei im Bereich von wenigen μA. Typisch ist ein Wert von etwa
1 μA.
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4b zeigt eine aus der Heizstrommodulation 41 resultierende
Temperaturmodulation 42 des Sensorelementes des Partikelsensors 20.
Dargestellt ist der Verlauf der Temperatur 45 des Sensorelementes
in Abhängigkeit der Zeit 47. Der Hub der Temperaturmodulation 42 beträgt
im gezeigten Beispiel etwa 100 K.
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4c zeigt eine messbare Einkopplung 43, bei
der eine Spannung 46, die sich als kapazitive Einkopplung
des Heizstroms 44 über die Kapazitäten
C5 und C6 35, 36 zwischen dem Heizelement 26 und den
Elektroden 22, 23 ergibt (vergleiche 3)
und als Kapazitäts- und/oder Widerstandsänderung
ausgewertet werden kann, über die Zeit 47 aufgetragen ist.
Im gezeigten Beispiel beträgt der Hub der messbaren Einkopplung 43 typischerweise
5 V. Die absolute Höhe der messbaren Einkopplung 43 als
auch deren Amplitude werden dabei, abhängig von der Frequenz
der Heizstrommodulation 41 ausgewertet.
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5a zeigt beispielhaft die Temperaturmodulation 42,
wobei bevorzugt die Temperatur 45 des Sensorelementes über
die Zeit 47 einen Wert von 200°C mit einer Amplitude
von 100 K annehmen kann. Die Modulationsfrequenz beträgt
typischerweise 2 Hz.
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In 5b ist die messbare Einkopplung 43 als
gemessene Spannung 46 als Wert für eine Kapazität
des Sensorelementes in Abhängigkeit der Zeit 47 aufgetragen.
Der Spannungshub 49 der gemessenen Spannung 46 entspricht
dabei dem Sensoranteil 48, wie er sich bei der aktuellen
Modulationsfrequenz des Heizstroms 44 ergibt, und ist dabei überlagert
von einem Offset-Wert, der als Kabelanteil definiert werden kann
(linker Abschnitt in 5b).
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Wird
das Kabel bewegt, äußert sich dies lediglich in
einem Sprung der gemessenen Spannung 46 (mittlerer Abschnitt
in 5b). Die Amplitude, bleibt bei
der eingestellten Modulationsfrequenz hingegen nahezu unverändert,
wenn der Partikelsensor 20 weiterhin noch voll funktionstüchtig
ist. Dies kann mittels einer Fourier-Analyse detektiert und entsprechend
ausgefiltert werden.
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Liegt
hingegen eine echte Fehlfunktion des Sensorelementes vor, würde
sich dies bei der vorgewählten Modulationsfrequenz in einer
deutlich veränderten Amplitude der gemessenen Spannung 46 auswirken,
wie dies beispielhaft im rechten Abschnitt der 5b als
Beschädigung 50 gezeigt ist. Dies kann entsprechend
detektiert werden.
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Erfindungsgemäß ist
dabei vorgesehen, dass die Modulationsfrequenz innerhalb des bevorzugten
Frequenzbereichs zwischen zwei Werten regelmäßig
oder zufällig umgeschaltet wird, um auch periodische Störgrößen
bei der Eigendiagnose eliminieren zu können. Dabei kann
auch eine quasi kontinuierliche Frequenzänderung in Form
eines Frequenzwobbeln vorgesehen sein.
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Das
aufgezeigte Diagnoseverfahren ist in vorteilhafter Ausgestaltung
als Verfahrensablauf mittels einer Software in der Motorsteuerung 14 oder
einer speziellen Sensorsteuereinheit hinterlegt und ist Bestandteil
der On-Board-Diagnose (OBD) zur Überwachung des Diesel-Partikelfilters
(DPF) mittels resistiver Partikelsensoren 20 innerhalb
der Abgasreinigungsanlage 16, wie sie vom Gesetzgeber gefordert
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10133384
A1 [0004]
- - DE 10149333 A1 [0005]
- - DE 102004028997 A1 [0006]
- - DE 10319664 A1 [0007]
- - EP 1925926 A1 [0010]
