DE102009028319A1

DE102009028319A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Partikelsensors

Info

Publication number: DE102009028319A1
Application number: DE200910028319
Authority: DE
Inventors: Enno Baars; Torsten Handler; Bernhard Kamp; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor in bestimmten zeitlichen Abständen in Regenerationsphasen einer Regeneration unterworfen und dabei eine Rußbeladung am Partikelsensor entfernt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Regenerationsphasen nach Abwarten einer Sensorfreigabe durchgeführt werden, wobei die Regenerationsphase nach Erreichen einer Auslöseschwelle oder nach Erreichen einer erwarteten Auslöseschwelle auf Basis eines Modells für die Rußbeladung durchgeführt wird oder bei einem Kaltstart oder bei einem Warmstart der Brennkraftmaschine der Partikelsensor mit einem darin integrierten Heizelement einer Trocknung unterzogen wird oder direkt nach einem Zeitpunkt Motor-Aus durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betrieb eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor mit einer Motorsteuerung in Verbindung steht, die Motorsteuerung Einrichtungen zur Diagnose der Rußbeladung des Partikelsensors aufweist und in bestimmten zeitlichen Abständen von der Motorsteuerung Regenerationsphasen für den Partikelsensor vorgebbar sind. Dabei ist vorgesehen, dass in der Motorsteuerung ein Beginn der Regenerationsphasen aus Zeitpunkten für Motor-Aus und/oder Warmstarts bestimmbar ist und dafür die Motorsteuerung ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor in bestimmten zeitlichen Abständen in Regenerationsphasen einer Regeneration unterworfen und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor entfernt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betrieb eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor mit einer Motorsteuerung in Verbindung steht, die Motorsteuerung Einrichtungen zur Diagnose der Russbeladung des Partikelsensors aufweist und in bestimmten zeitlichen Abständen von der Motorsteuerung Regenerationsphasen für den Partikelsensor vorgebbar sind.
Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Russausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On Bord 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. 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.
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.
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 U₁ sowie eine zweite Spannung U₂ anlegbar ist. Dabei ist es vorgesehen, dass das Sensorelement während einer ersten Zeitspanne t₁ mit einer erhöhten Spannung U₁ betrieben werden kann und nach Überschreiten einer Auslöseschwelle AP des Sensorelements dieses mit einer niedrigeren Spannung U₂ betrieben werden kann, die geringer als die erhöhte Spannung U₁ 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.
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 Umgebungstemperaturen 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.
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. Vor Betriebsbereitschaft des Partikelsensors ist bisher eine Regeneration des Sensorelements vorgesehen, um definierte Startbedingungen zur Verfügung zu stellen. Dabei ist bisher vorgesehen, dass die Regeneration erst nach einer Freigabe für das Taupunktende (TPE) des Systems erfolgt. Dies liefert zwar eine genaue und reproduzierbare Diagnose der Partikelbeladung des Partikelfilters. Nachteilig ist jedoch dabei, dass eine derartigen Regeneration recht unflexibel ist und beispielsweise erst nach einer Freigabe für das Taupunktende eine Diagnose ermöglicht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Verfahren bereitzustellen, welche eine zuverlässige und flexible Überwachung des Systems erlauben.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 3 gelöst.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Motorsteuerung ein Beginn der Regenerationsphasen aus Zeitpunkten für Motor-Aus und/oder Warmstarts bestimmbar ist und dafür die Motorsteuerung entsprechende Einrichtungen für eine Detektion derartiger Zeitpunkte aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass in der Motorsteuerung Vorrichtungen vorgesehen sein können, mit denen ein Erreichen einer Russbeladungsschwelle detektierbar sind. Diese Funktionalitäten können dabei als Software in der Motorsteuerung implementiert sein.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass die Regenerationsphasen nach Abwarten einer Sensorfreigabe, welche sich beispielsweise an einem Taupunktende orientiert, durchgeführt werden, wobei die Regenerationsphase nach Erreichen einer Auslöseschwelle oder nach Erreichen einer erwarteten Auslöseschwelle auf Basis eines Modells (beispielsweise im Intaktfall des Partikelfilters) für die Russbeladung durchgeführt wird. Die Regenerationsphase wird nur gestartet, wenn wirklich ein Bedarf dafür besteht. Damit kann eine Unterbrechung der Diagnose auf ein notwendiges Maß reduziert werden.
Eine weitere Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass die Regenerationsphasen nach Abwarten der Sensorfreigabe durchgeführt werden, wobei bei einem Kaltstart oder bei einem Warmstart der Brennkraftmaschine der Partikelsensor mit einem darin integrierten Heizelement einer Schutzheizung zur Trocknung unterzogen wird. Diese Schutzheizung bewirkt eine Reduzierung der Zeit bis zum Erreichen des Taupunktendes. Diese Verwahrensvariante ist insbesondere für die erste Regeneration im Fahrzyklus von Interesse. Weitere Regenerationen können, müssen aber nicht, folgen.
Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Regenerationsphase nach einem Zeitpunkt Motor-Aus durchgeführt wird, was sich insbesondere hinsichtlich einer Dynamiksteigerung der Russpartikelüberwachung bemerkbar macht. Eine Dauer bis zur Erreichung der Freigabe für das Taupunktende (TPE) geht in der aufgeführten Regenerationsstrategie nicht in eine effektive Ansprechzeit für die Diagnose ein, so dass der Partikelsensor insbesondere bei der im Allgemeinen hohen Kaltstartemission zum Messen genutzt werden kann, was nach dem Stand der Technik nicht in diesem Maße möglich ist. Auch hier können im Fahrzyklus nach dieser Motor-Aus-Regeneration weitere Regenerationen folgen, falls der Sensor auslöst oder die Motorsteuerung eine Auslösung erwartet.
Mit den Verfahrensvarianten und der Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren können Regenerationsstrategien bereitgestellt werden, mit denen einerseits die Zeit bis zum Messbetrieb des Partikelsensors verkürzt werden kann und andererseits eine zuverlässigere und genauere DPF-Diagnose bereit gestellt werden kann.
Einerseits kann dabei vorgesehen sein, dass die Regenerationsphase unmittelbar nach dem Zeitpunkt Motor-Aus gestartet wird. Dies bietet den Vorteil, dass der Partikelsensor beim nächsten Motorstart bereits regeneriert ist und sofort mit dem Messen der Partikelbeladung des Abgases begonnen werden kann. Zudem kann der gespeicherte Wärmeeintrag im Abgasstrang der Brennkraftmaschine direkt nach Motor-Aus zur Reduzierung der erforderlichen Heizleistung für die Regeneration des Partikelfilters genutzt werden. Andererseits kann auch vorgesehen sein, dass die Regenerationsphase nach dem Zeitpunkt Motor-Aus nach Ablauf einer bestimmten Motorauszeit gestartet wird.
Eine weiterhin bevorzugte Regenerationsstrategie sieht dabei die Durchführung der Regenerationsphase nach Erreichen einer Auslöseschwelle für die Russbeladung vor. Die Regeneration erfolgt dabei nur auf Anforderung einer Prognosefunktion.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Start der Regenerationsphase nach Erreichung der Auslöseschwelle oder nach Erreichen einer erwarteten Auslöseschwelle auf Basis eines Modells nur während eines Fahrbetriebs mit einem oder mehreren Warmstarts durchgeführt wird. Dabei kann sichergestellt werden, dass zur Vermeidung einer möglichen Schädigung infolge einer Betauung der Restwärmeeintrag im Abgasstrang genutzt werden kann. Zudem kann der Einfluss von ungenau erfassbaren Kaltstartemissionen verhindert werden.
Bei den zuvor beschriebenen Betriebsstrategien zur Regeneration des Partikelsensors kann vorgesehen sein, dass bei einem Kaltstart oder bei einem Warmstart der Brennkraftmaschine der Partikelsensor mit einem darin integrierten Heizelement einer Trocknung unterzogen wird. Damit kann erreicht werden, dass Einflüsse von Feuchtigkeit auf den Anlagerungsprozess bzw. auf die Leitfähigkeit der angelagerten Russpartikel minimiert werden können, was sich vorteilhaft bis zum Taupunktende auswirkt.
Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, dass eine zur Partikelmessung erforderliche Spannung U_IDE an Elektroden des Partikelsensors direkt nach einem Kaltstart oder nach einem Warmstart der Brennkraftmaschine angelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass direkt nach dem Start eine Diagnose der Partikelbeladung erfolgen kann ohne dass das Erreichen des Taupunktendes abgewartet werden muss.
In einer Verfahrensvariante kann auch vorgesehen sein, dass die Spannung U_IDE an den Elektroden des Partikelsensors bei einem Kaltstart oder bei einem Warmstart der Brennkraftmaschine erst nach Abwarten des Taupunktendes angelegt wird. Diese Variante bietet den Vorteil, gegenüber einem Heizleistungsbedarfs des Partikelsensors unabhängig zu sein.
In einer Verfahrensvariante kann auch vorgesehen sein, dass die Regenerationsphase nur auf Anforderung einer Prognosefunktion durchgeführt wird, wobei die Prognosefunktion auf Partikelmessungen über mehrere Fahrzyklen hinweg basiert.
Eine bevorzugte Anwendung der Verfahrensvarianten, wie sie zuvor beschrieben wurde, sieht die Regeneration 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.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in der das Verfahren angewendet werden kann,
2 schematisch einen Partikelsensor in der Draufsicht,
3 in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor in einer Seitenansicht,
4 schematisch einen zeitlichen Beladungsverlauf des Partikelsensors mit Regenerationsphasen, wie sie gemäß dem Stand der Technik vorgesehen sind,
5 schematisch den zeitlichen Beladungsverlauf bei Anwendung des erfinderischen Verfahrens,
6 schematisch den zeitlichen Beladungsverlauf bei Anwendung einer weiteren Verfahrensvariante,
7 schematisch den zeitlichen Beladungsverlauf des Partikelsensors sowie einen zeitlichen Verlauf der Spannung U_IDE,
8 schematisch den zeitlichen Beladungsverlauf sowie den zeitlichen Verlauf der Spannung U_IDE in einer anderen Verfahrensvariante und
9 schematisch den zeitlichen Beladungsverlauf sowie den zeitlichen Verlauf der Spannung U_IDE bei einer bedarfsweisen Regeneration des Partikelsensors.
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.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 20 entsprechend dem Stand der Technik in der Draufsicht.
Auf einem isolierenden Träger 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 24 und ein zweiter Anschluss 25 vorgesehen, über welche die Elektroden zur Spannungsversorgung und zur Durchführung der Messung mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden werden können.
In 3 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausschnitt des Partikelsensors 20 in einer Seitenansicht gezeigt.
Zusätzlich zu den bereits in 2 gezeigten Bauelementen ist in der Seitenansicht noch ein Heizelement 26, welches in dem Träger 21 integriert ist, sowie eine optionale Schutzschicht 27 und eine Schicht aus Partikeln 28 dargestellt.
Wird ein solcher Partikelsensor 20 in einem Partikel 28 führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors, betrieben, so lagern sich Partikel 28 aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 20 ab. Im Falle des Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln 28 um Rußpartikel mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Dabei hängt die Ablagerungsrate der Partikel 28 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 28 und auf Partikel 28 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 28 beeinflusst werden.
In dem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 22, 23 und der Träger 21 elektrodenseitig mit einer Schutzschicht 27 überzogen. Die 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.
Auf der Schutzschicht 27 haben sich Partikel 28 aus dem Gasstrom in Form einer Schicht abgelagert. Durch die gering leitfähige Schutzschicht 27 bilden die Partikel 28 einen leitfähigen Pfad zwischen den Elektroden 22, 23, so dass sich, abhängig von der Menge der abgelagerte Partikel 28, eine Widerstandsänderung zwischen den Elektroden 22, 23 ergibt. Diese kann zum Beispiel gemessen werden, in dem eine konstante Spannung an die Anschlüsse 24, 25 der Elektroden 22, 23 angelegt und die Änderung des Stromes durch die angelagerten Partikel 28 bestimmt wird.
Ist die Schutzschicht 27 isolierend aufgebaut, führen die abgelagerten Partikel 28 zu einer Änderung der Impedanz des Partikelsensors 20, was durch eine entsprechende Messung, bevorzugt mit einer Wechselspannung, ausgewertet werden kann.
Ist der Partikelsensor 20 so weit mit einer Schicht aus Partikeln 28 belegt, dass zusätzlich angelagerte Partikel 28 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 28 verbrennen. In einer ersten Phase nach der Regeneration, wenn nur wenige Partikel 28 an dem Partikelsensor 20 anliegen, ist keine aussagekräftige Widerstands- oder Impedanzmessung möglich. Erst nach einer ausreichend langen Zeit liegen wieder so viele Partikel 28 an dem Partikelsensor 20 an, dass sich über die Partikel 28 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.
Die 4, 5 und 6 zeigen schematisch jeweils schematisch ein Fahrprofil 30 (z. B. die Geschwindigkeit) und damit verknüpft eine Beladung des Partikelsensors 20 in Abhängigkeit der Zeit 37. In den Figuren sind jeweils Kaltstarts 31 und auch Warmstarts 36 der Brennkraftmaschine 10 sowie Zeitpunkte für Motor-Aus 34 dargestellt. Weiterhin sind sensorbetriebsrelevante Zeitpunkte, wie z. B. eine Sensorfreigabe 32 bzw. Zeiträume für z. B. Schutzheizen, Regeneration oder ein Beschaltungszustand einer IDE dargestellt.
In 4 ist eine Regenerationsstrategie für den Partikelsensor 20 dargestellt, wie sie bisher angewendet wurde. Dabei ist vorgesehen, dass nach dem Kaltstart 31 und nach der Sensorfreigabe 32 der Partikelsensor 20 in einer Regenerationsphase 33 regeneriert wird, in dem mittels des integrierten Heizelements 26 die Sensorstruktur von den Partikeln 28 frei gebrannt wird (siehe 3). Erst nach dieser Regenerationsphase 33 startet dann die eigentliche Partikelmessung, indem zwischen den Elektroden 22, 23 eine Spannung U_IDE angelegt wird. Diese Betriebsweise wird im gezeigten Beispiel nach jedem Kaltstart 31 von neuem durchgeführt und kann auch bei jedem Warmstart angewendet werden. Dies ist zwar vorteilhaft hinsichtlich einer genauen Partikelfilter-Diagnose und einer Vermeidung einer möglichen Schädigung durch eine Betauung. Allerdings geht hierbei die Zeit bis zum Erreichen des Taupunktendes ein und verlängert damit die effektive Ansprechzeit für eine Diagnose, was sich nachteilig hinsichtlich einer Dynamik des Systems auswirkt.
In 5 ist eine Regenerationsstrategie für den Partikelsensor 20 dargestellt, wie sie gemäß dem erfinderischen Verfahren vorgesehen ist. Dabei ist vorgesehen, dass nach einem Start der Brennkraftmaschine 10 direkt mit der Messung der Partikelbeladung begonnen wird, indem die Spannung U_IDE angelegt wird. Erst nach dem Zeitpunkt Motor-Aus 34 wird dann eine Regeneration des Partikelsensors 20 nachgelagert, so dass der Partikelsensor 20 beim nächsten Motorstart bereits regeneriert ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Regeneration direkt nach dem Zeitpunkt Motor-Aus 34 oder verzögert nach einer bestimmten Motorauszeit 35 durchgeführt wird, wie dies in 6 bereits schematisch gezeigt ist.
Es sind zudem zwei Varianten der Betriebsweisen „Regeneration bei Motor-Aus” denkbar:

– Regeneration vor Motor-Start („Vorlauf”), beispielsweise über eine entsprechende Erkennung der Vorbereitung eines Motorstarts, was beispielsweise durch Auswertung eines Türkontaktes ausgewertet werden kann, und
– Regeneration mit Motor-Start bzw. vor der Sensorfreigabe 32.

Eine weitere, alternative Regenerationsstrategie für den Partikelsensor 20 sieht vor, dass der Partikelsensor 20 erst bei Erreichen einer Auslöseschwelle für eine Partikelbeladung, d. h. auf Anforderung, regeneriert wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass alternativ dazu eine Messung der Partikelbeladung nur während Fahrbetriebsphasen mit einem Warmstart 36 durchgeführt werden, wobei die Regeneration bei jedem Kaltstart 31 erfolgt.
7 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Fahrprofils 30 des Partikelsensors 20 sowie einen U_IDE-Verlauf 38. Im gezeigten Beispiel liegt die zur Partikelmessung erforderliche Spannung U_IDE an Elektroden 22, 23 des Partikelsensors 20 direkt nach einem Kaltstart 31 oder nach einem Warmstart 36 der Brennkraftmaschine 10 an und wird beim Zeitpunkt Motor-Aus 34 abgeschaltet.
8 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Fahrprofils 30 des Partikelsensors 20 sowie den U_IDE-Verlauf 38. In diesem Beispiel liegt die zur Partikelmessung erforderliche Spannung U_IDE an Elektroden 22, 23 des Partikelsensors 20 erst nach der Sensorfreigabe 32, die sich beispielsweise an eine Taupunktfreigabe (TPF) orientiert, an und wird beim Zeitpunkt Motor-Aus 34 abgeschaltet. Sowohl in der in 7 als auch in der in 8 dargestellten Variante ist keine Beheizung des Partikelsensors 20 vorgesehen.
9 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Fahrprofils 30 des Partikelsensors 20 sowie den U_IDE-Verlauf 38, wobei eine Regenerationsphase 33 nur auf Anforderung einer Prognosefunktion erfolgt, die auf Partikelmessungen über mehrere Fahrzyklen basiert. Im gezeigten Beispiel liegt die zur Partikelmessung erforderliche Spannung U_IDE an den Elektroden 22, 23 des Partikelsensors 20 erst nach der Sensorfreigabe 32 an und wird beim Zeitpunkt Motor-Aus 34 abgeschaltet. Direkt nach einem Kaltstart 31 oder nach einem Warmstart 36 ist für eine bestimmte Zeit ein Schutzheizen 39 vorgesehen.
Bei den in 7 bis 9 gezeigten Varianten liegt vorzugsweise während der Regenerationsphase 33 keine Spannung U_IDE am Partikelsensor an.
In der folgenden Übersicht sind verschiedene Regenerationsstrategien, wie sie bereits zuvor beschrieben wurden, sowie weitere Varianten zusammengefasst:

– A: Motorstart 31, 36 → Sensorfreigabe 32 → Start Regenerationsphase 33 → danach U_IDE an → Partikelmessung startet (Stand der Technik)
– B1: Motorstart 31, 36 → U_IDE an → Partikelmessung startet → nach Motor-Aus 34 Start Regenerationsphase 33
– B2: Motorstart 31, 36 → U_IDE aus, Schutzheizen → Sensorfreigabe 32 → U_IDE an → Partikelmessung startet → nach Motor-Aus 34 Start Regenerationsphase 33
– B3: Motorstart 31, 36 → Sensorfreigabe 32 → kurze Regenerationsphase 33 → danach U_IDE an → Partikelmessung startet → nach Motor-Aus 34 Start Regenerationsphase 33
– B4: Motorstart 31, 36 → U_IDE an/Partikelmessung startet + Schutzheizen 39 an bis Sensorfreigabe 32 → nach Motor-Aus 34 Start Regenerationsphase 33
– B5: Motorstart 31, 36 → U_IDE aus, Trocknungs-Schutzheizen → U_IDE an, Feuchte-Schutzheizen/Partikelmessung startet → nach Sensorfreigabe 32 (Taupunktende) Schutzheizen aus → nach Motor-Aus 34 Start Regenerationsphase 33, wobei das Trocknungs-Schutzheizen bei etwa 150°C stattfindet und das Feuchte-Schutzheizen bei zwar geringer Thermophorese, aber bei einer Temperatur stattfindet, bei der Wasser verdampft
– C1: Motorstart 31, 36 → U_IDE an/Partikelmessung startet bis Motor-Aus 34, Start Regenerationsphase 33 nur auf Anforderung der Prognosefunktion
– C2: Motorstart 31, 36 → Schutzheizen 39 an bis Erreichen Sensorfreigabe 32 → U_IDE an/Partikelmessung startet bis Motor-Aus 34; Start Regenerationsphase 33 nur auf Anforderung der Prognosefunktion
– C3: Motorstart 31, 36 → Schutzheizen 39 an bis Erreichen Sensorfreigabe 32 + U_IDE an/Partikelmessung bis Motor-Aus 34; Start Regenerationsphase 33 nur auf Anforderung der Prognosefunktion
– D: Motorstart 31, 36 → Erkennung Kaltstart 31 oder Warmstart 36 → falls Kaltstart 31, Schutzheizen 39 an bis Erreichen Sensorfreigabe 32 → Start Regenerationsphase 33 → U_IDE an/Partikelmessung bis Motor-Aus 34; falls Warmstart 36, U_IDE an/Partikelmessung bis Motor-Aus 34 und Start Regenerationsphase 33 nur auf Anforderung der Prognosefunktion

Die aufgezeigten Regenerationsstrategien sind in vorteilhafter Ausgestaltung als Verfahrensablauf mittels einer Software in der Motorsteuerung 14 hinterlegt und sind Bestandteil der On-Board-Diagnose (OBD) zur Überwachung des Diesel-Partikelfilters (DPF) innerhalb der Abgasreinigungsanlage 16, wie sie vom Gesetzgeber gefordert ist.
Mit der vorgestellten Regenerationsstrategie kann einerseits die Ansprechzeit für den Partikelsensor 20 verkürzt werden, was sich vorteilhaft auf eine Dynamiksteigerung der Russpartikelüberwachung auswirken kann, oder die Zuverlässigkeit des Diagnosesystems verbessert werden. Im Hinblick auf zukünftige Start/Stopp-Strategien von Brennkraftmaschinen im Fahrzeugbereich zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Vermeidung von Schadstoffen im Abgas können die Regenerationsstrategien mit den aufgezeigten Verfahrensvarianten vorteilhaft eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10133384 A1 [0003]
- DE 10149333 A1 [0004]
- DE 102004028997 A1 [0005]
- DE 10319664 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors (20) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Partikelsensor (20) in bestimmten zeitlichen Abständen in Regenerationsphasen (33) einer Regeneration unterworfen und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor (20) entfernt wird, wobei die Regenerationsphasen (33) nach Abwarten einer Sensorfreigabe (32) durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase (33) nach Erreichen einer Auslöseschwelle oder nach Erreichen einer erwarteten Auslöseschwelle auf Basis eines Modells für die Russbeladung durchgeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors (20) zur Bestimmung eines Partikel gehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Partikelsensor (20) in bestimmten zeitlichen Abständen in Regenerationsphasen (33) einer Regeneration unterworfen und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor (20) entfernt wird, wobei die Regenerationsphasen (33) nach Abwarten der Sensorfreigabe (32) durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart (31) oder bei einem Warmstart (36) der Brennkraftmaschine (10) der Partikelsensor (20) mit einem darin integrierten Heizelement (26) einer Trocknung unterzogen wird.
Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors (20) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Partikelsensor (20) in bestimmten zeitlichen Abständen in Regenerationsphasen (33) einer Regeneration unterworfen und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor (20) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphasen (33) nach einem Zeitpunkt Motor-Aus (34) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase (33) unmittelbar nach dem Zeitpunkt Motor-Aus (34) oder nach Ablauf einer bestimmten Motorauszeit (35) gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase (33) nach Erreichen einer Auslöseschwelle für die Russbeladung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Start der Regenerationsphase (33) nach Erreichung der Auslöseschwelle oder nach Erreichen einer erwarteten Auslöseschwelle auf Basis eines Modells nur während eines Fahrbetriebs mit einem oder mehreren Warmstarts (36) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart (31) oder bei einem Warmstart (36) der Brennkraftmaschine (10) der Partikelsensor (20) mit einem darin integrierten Heizelement (26) einer Schutzheizung (39) unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Partikelmessung erforderliche Spannung U_IDE an Elektroden (22, 23) des Partikelsensors (20) direkt nach einem Kaltstart (31) oder nach einem Warmstart (36) der Brennkraftmaschine (10) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung U_IDE an Elektroden (22, 23) des Partikelsensors (20) bei einem Kaltstart (31) oder bei einem Warmstart (36) der Brennkraftmaschine (10) nach Abwarten des Taupunktendes angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase (33) nur auf Anforderung einer Prognosefunktion durchgeführt wird, wobei die Prognosefunktion auf Partikelmessungen über mehrere Fahrzyklen hinweg basiert.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Rahmen einer On-Board-Diagnose bei einer Diesel-Brennkraftmaschine.
Vorrichtung zum Betrieb eines Partikelsensors (20) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Partikelsensor (20) mit einer Motorsteuerung (14) in Verbindung steht, die Motorsteuerung (14) Einrichtungen zur Diagnose der Russbeladung des Partikelsensors (20) aufweist und in bestimmten zeitlichen Abständen von der Motorsteuerung (14) Regenerationsphasen (33) für den Partikelsensor (20) vorgebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Motorsteuerung (14) ein Beginn der Regenerationsphasen (33) aus Zeitpunkten für Motor-Aus (34) und/oder Warmstarts (36) bestimmbar ist und dafür die Motorsteuerung (14) entsprechende Einrichtungen für eine Detektion derartiger Zeitpunkte aufweist.