DE102009058698A1

DE102009058698A1 - Ermittlung der Effizienz eines Partikelfilters durch Messung des Druckabfalles an einem zusätzlichen Partikelfilter

Info

Publication number: DE102009058698A1
Application number: DE102009058698A
Authority: DE
Inventors: Michael 38473 Daetz; Burkhard 31234 Veldten; Frank 38473 Alich; Volker 38106 Gehrke; Oliver 38473 Müller
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: DE102009058698B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, mit mindestens einem Zuführungssystem für die Verbrennungsluft (18) und mindestens einer Abgasanlage (12), wobei die mindestens eine Abgasanlage (12) mindestens eine Abgasleitung (12A, 12B) aufweist, in der ein erster Partikelfilter (F1) angeordnet und ein zweiter Partikelfilter (F2) nachgeschaltet ist.
Es ist vorgesehen, dass dem zweiten Partikelfilter (F2) ein Differenzdrucksensor (16, 17) zugeordnet ist, um den Differenzdruck (Δp_F2) zwischen einem Ort stromauf und einem Ort stromab des zweiten Partikelfilters (F2) zu ermitteln.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung einer Effizienz eines in einer Brennkraftmaschine (10) angeordneten ersten Partikelfilters sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, mit einer Frischluftanlage und einer Abgasanlage, wobei die Abgasanlage eine Abgasleitung aufweist, in der ein erster Partikelfilter angeordnet ist.
Die Abgasgesetzgebung fordert derzeit, dass die Effizienz der Abgasreinigungswirkung eines Partikelfilters durch On Board Diagnose (OBD) erkannt wird.
Dies wird derzeit durch Messung des Druckabfalls, den der Abgasstrom am so genannten Monolithen des Partikelfilters verursacht, erkannt. Dazu werden Differenzdrucksensoren eingesetzt. Die Messung wird durch viele Parameter, wie Größe des Abgasstromes, Temperatur des Partikelfilters, Temperatur des Abgasstromes, Beladungsgrad des Partikelfilters und Genauigkeit der Druckmessung, nichtlinear beeinflusst. Wegen der Verschärfung der Diagnosegrenzwerte mit der Abgasnorm EU6 ist die Genauigkeit dieses direkt am Dieselpartikelfilter durchgeführten Verfahrens nicht mehr ausreichend.
Ein Verfahren zur Steuerung und Regeneration eines Partikelfilters ist aus der EP 1 087 114 A1 bekannt. Während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Diesel-Brennkraftmaschine entstehen Rußpartikel, die in dem Partikelfilter beim Durchströmen des Abgases zurückgehalten werden. Die Druckschrift beschreibt ein Regenerationsverfahren eines Partikelfilters, welches sich nachdem Beladungszustand richtet. Der Partikelfilter ist in einem Abgaskanal einer Diesel-Brennkraftmaschine angeordnet. Abgasseitig sind dem Abgaskanal mehrere Sensoren, wie Druck- und Temperatursensoren, zugeordnet. Diese Sensoren ermitteln Größen, die an ein Motorsteuergerät übermittelt werden. Vom Motorsteuergerät werden das Einspritzsystem, eine Drosselklappe in einem Saugrohr oder auch eine Drosselklappe im Abgaskanal gesteuert. Um ein Verstopfen des Partikelfilters zu vermeiden, muss dieser regelmäßig regeneriert werden. Ein zugehöriges Verfahren erlaubt die Steuerung und Regeneration des Diesel-Partikelfilters. Bei diesem Verfahren müssen zunächst als Eingangsparameter ein Beladungswert, eine Fahrzeit, eine Fahrstrecke und eine Häufigkeit eines druckabhängigen Ereignisses erfasst werden. Diese Größen werden nachfolgend kurz erläutert. Der Beladungswert ist ein Maß für die Durchflusscharakteristik des Abgases durch den Partikelfilter und erhöht sich mit zunehmender Rußbeladung. Der Beladungswert kann dabei aus einem Modell berechnet werden, in das unter anderem eine über den Partikelfilter gebildete Druckdifferenz einfließt. Ein Abgasgegendruck vor dem Partikelfilter kann über den stromauf angeordneten ersten Drucksensor erfasst werden. Der Druck des Abgases stromab ist über einen zweiten Drucksensor erfassbar. Weiterhin müssen zur Berücksichtigung einer Dynamik dieses Modells Größen berücksichtigt werden, wie eine über den Temperatursensor erfassbare Abgastemperatur, als auch ein Luftmassenstrom oder eine Drehzahl der Diesel-Brennkraftmaschine. Dabei ist, um unnötige Regenerationszyklen zu vermeiden, vorgesehen, dass über ein Kennfeld oder Modell, in das ein Beladungswert des Partikelfilters sowie eine Fahrzeit und/oder Fahrstrecke seit der letzten Regeneration einfließen, eine Zustandskennzahl ermittelt wird und beim Überschreiten der Zustandskennzahl über einen ersten Grenzwert eine Regenerationsnotwendigkeit vorliegt und die Regeneration durchgeführt wird, bis der Beladungswert des Partikelfilters unterhalb eines zweiten Grenzwertes liegt.
Dieses Verfahren dient also zur Ermittlung einer Regenerationsnotwendigkeit. Die am Diesel-Partikelfilter angeordnete Differenzdruckmessung ist unter Beachtung der im Diesel-Partikelfilter benötigten druckseitigen und sonstigen Randbedingungen zu ungenau, um die ab dem Jahr 2013 geforderten Werte für die in den zukünftigen Abgasnormen EU6/LEV2 geforderten Diagnosen zu ermitteln.
Bekannt ist ferner eine in der DE 10 2006 038 706 A1 beschriebene Brennkraftmaschine für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgastrakt, einem Zuführungssystem für Verbrennungsluft und einem Abgasturbolader. Der Abgasturbolader weist eine Turbine, die im Abgastrakt angeordnet ist, und einen Verdichter auf, welcher im Zuführungssystem für Verbrennungsluft angeordnet ist. Im Abgastrakt sind in stromabseitiger Richtung nacheinander die Turbine, ein erster Partikelfilter und eine einstellbare Abgasdrossel angeordnet. Zudem ist eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung vorgesehen, welche eine Abzweigung von dem Abgastrakt stromab des ersten Partikelfilters und eine Einmündung in das Zuführungssystem für Verbrennungsluft stromauf des Verdichters aufweist, wobei in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung ein Kühler und ein Ventil angeordnet ist. Hierbei ist in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung zusätzlich ein zweiter Partikelfilter angeordnet, welcher eine Filtermaschenweite von größer oder gleich 50 μm aufweist, so dass der zweite Partikelfilter Partikel mit einem Durchmesser kleiner als die Filtermaschenweite passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich der Filtermaschenweite zurückhält. Dies hat den Vorteil, dass einerseits der Verdichter des Abgasturboladers ausreichend vor Beschädigung durch auftreffende Partikel, die sich beispielsweise aus dem ersten Partikelfilter ablösen, geschützt ist und andererseits sichergestellt ist, dass sich der zweite Partikelfilter nicht zusetzt, sondern über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine beziehungsweise des ersten Partikelfilters nicht ausgetauscht werden muss und immer ein ausreichender Durchsatz beziehungsweise ein möglichst geringer Druckverlust in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung gewährleistet ist.
Durch die definierte Filterung werden Fremdkörper ab einer bestimmten für den Abgasturbolader schädlichen Größe ohne merkliche Behinderung des Abgasstromes in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung über die Motorlebensdauer zurückgehalten. Für den zweiten Partikelfilter kommen dabei siebartige Drahtgeflechte zum Einsatz, die als Metallvlies oder einem Sintermaterial ausgebildet sind. Durch den Einsatz solcher nachgeschalteten Siebe wird somit durch Aussieben von aus dem Diesel-Partikelfilter kommenden Restpartikeln die Funktionssicherheit der Brennkraftmaschine verbessert. Jedoch ist durch die Anordnung des zweiten Partikelfilters keine direkte Diagnose über die Effizienz des vorgeschalteten ersten Partikelfilters möglich, wie sie in den zukünftigen Abgasnormen EU6/LEV2 gefordert werden.
Bei einem Defekt des ersten Partikelfilters setzt sich zwar der zweite Partikelfilter ab einer bestimmten Partikelgröße zu und die Brennkraftmaschine wird geschützt, jedoch sind genauere Diagnosen über eine unzureichende Filterung des Abgasstromes im Bereich des ersten Partikelfilters allein mit Hilfe des in der DE 10 2006 038 706 A1 beschriebenen Aufbaus der Abgasanlage ebenfalls nicht möglich.
Ferner ist aus dem Stand der Technik die DE 10 2006 054 043 A1 bekannt, die eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren beschreibt, mittels dem die Abgasaufbereitung und die Abgasnachbehandlung verbessert wird. Die Brennkraftmaschine, insbesondere ein Dieselmotor oder ein Ottomotor, weist eine Frischluftanlage auf, in der ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Ferner ist eine Abgasanlage und ein Abgasturbolader angeordnet, welcher einen in der Frischluftanlage stromauf des Ladeluftkühlers angeordneten Verdichter und eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine aufweist. Ferner weist die Brennkraftmaschine eine erste Leitung für eine Hochdruck-Abgasrückführung auf, welche stromauf der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage abzweigt, in der ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil angeordnet ist, welches stromab des Ladeluftkühlers in die Frischluftanlage mündet. Ferner ist eine zweite Leitung für eine Niederdruck-Abgasrückführung angeordnet, welche stromab der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage abzweigt.
Hier ist ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil angeordnet, welches stromauf des Verdichters des Abgasturboladers in die Frischluftanlage mündet. Ferner ist eine Abgasklappe ungeordnet, welche in der Abgasanlage stromab der Abzweigung der zweiten Niederdruck-Abgasrückführungsleitung sitzt.
Bei dieser Brennkraftmaschine ist es vorgesehen, dass in der zweiten Niederdrück-Abgasrückführungsleitung wenigstens ein Differenzdrucksensor derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dieser in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung eine Druckdifferenz zwischen einem Ort stromauf und einem Ort stromab des Niederdruck-Abgasrückführungsventils bestimmt. Durch die Anordnung der Drucksensoren vor dem Abgasrückführungskühler und dem hinteren Niederdruck-Abgasrückführungsventil wird ein Verfahren durchgeführt, welches zusätzlich zu dem aus der EP 1 087 114 A1 bekannten Verfahren Diagnosemessungen durch eine die Differenzdrucksensorik in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung vorschlägt. Der Differenzdruck dient hier der Berechnung des Niederdruck-Abgasmassenstromes, aus dem der Abgasvolumenstrom über den in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilter berechnet wird.
Abschließend muss unter Zugrundelegung des genannten Standes der Technik festgestellt werden, dass derzeit noch keine befriedigenden Lösungen zur Realisierung der OBD-Anforderungen (On Board Diagnose) über die Effektivität eines Partikelfilters, insbesondere Ruß-Partikelfilters, wie sie in den erwähnten zukünftigen Normen gefordert werden, existieren.
Ansätze, die Effizienz eines Abgassystems im Sinne der Diagnose einer Leistungsfähigkeit beziehungsweise des Wirkungsgrades mit Hilfe von den Ruß-Partikelfiltern nachgeschalteten Rußsensoren zu lösen, scheitern daran, da derzeit am Markt noch keine für einen Serieneinsatz taugliche Rußsensoren verfügbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der mit Hilfe eines zugehörigen Verfahrens die Effizienz eines Ruß-Partikelfilters ermittelbar ist.
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gelöst, die mindestens ein Zuführungssystem für die Verbrennungsluft und mindestens eine Abgasanlage aufweist, wobei die mindestens eine Abgasanlage mindestens eine Abgasleitung aufweist, in der ein erster Partikelfilter angeordnet und ein zweiter Partikelfilter nachgeschaltet ist.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem zweiten Partikelfilter ein Differenzdrucksensor zugeordnet ist, um den Differenzdruck zwischen einem Ort stromauf und einem Ort stromab des zweiten Partikelfilters zu ermitteln.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Partikelfilter und der zugehörige Differenzdrucksensor nach einer ersten Ausführungsform in einer ersten Abgasleitung in einem Abgashauptstrom oder nach einer zweiten Ausführungsform in einer vom Abgashauptstrom abzweigenden, zweiten Abgasleitung im Abgasnebenstrom der Abgasanlage angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beider Ausführungsformen ist dem zweiten Partikelfilter in der jeweiligen Abgasleitung eine Drosselvorrichtung zugeordnet.
Ein zugehöriges Verfahren wird vorgeschlagen, welches die Ermittlung einer Effizienz eines in einer Brennkraftmaschine angeordneten ersten Partikelfilters, insbesondere eines Ruß-Partikelfilters eines Otto- oder Dieselmotors, erlaubt. Das den ersten Partikelfilter verlassende Abgas wird teilweise oder vollständig über den nachgeschalteten zweiten Partikelfilter geleitet, an dem über eine Differenzdrucksensorik ein Differenzdruck ermittelt und ausgewertet wird, wodurch bei einer über den zweiten Partikelfilter festgestellten Druckdifferenz auf eine Effizienzverringerung des ersten Partikelfilters geschlossen wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ermittlung des Differenzdruckes bei Anordnung einer Drosselvorrichtung wahlweise direkt über den zweiten Partikelfilter oder summarisch über den Partikelfilter und der Drosselvorrichtung vorgenommen wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem Differenzdruck mit Hilfe von weiteren physikalischen Messgrößen, welche die Abgasströmung beschrieben, die durch den zweiten Partikelfilter strömt, eine Vergleichsgröße berechnet wird, die einem Strömungswiderstand des zweiten Partikelfilters entspricht.
Als physikalische Messgrößen, die bei der Berechnung einzeln oder in Kombination herangezogen werden, werden Massenstromgeschwindigkeit, Temperatur, chemische Zusammensetzung, Feuchtgehalt, Volumenstromgeschwindigkeit und/oder Viskosität bestimmt und in einer Auswertung in die Berechnung der Vergleichsgröße einbezogen.
Zur Erhöhung der Genauigkeit wird in einer ersten Ausführungsvariante innerhalb beider Ausführungsformen die über den zweiten Partikelfilter auftretende zeitliche Änderung der Vergleichsgröße des Strömungswiderstandes ausgewertet.
Zur Erhöhung der Genauigkeit wird in einer zweiten Ausführungsvariante innerhalb beider Ausführungsformen die über den zweiten Partikelfilter auftretende zeitliche Änderung der Vergleichsgröße des Strömungswiderstandes auf die im betrachteten Zeitabschnitt angefallene Rohemission des Rußes bezogen.
Die beiden genannten Ausführungsvarianten können in jeder der beiden Ausführungsformen kombiniert zur Auswertung gebracht werden.
Schließlich ist in einer Ausgestaltung beider Ausführungsformen vorgesehen, dass eine über den zweiten Partikelfilter auftretende zeitliche Änderung der Vergleichsgröße des Strömungswiderstandes erst ab einem bestimmten vorgebbaren Grenzwert dazu genutzt wird, eine Effizienzverringerung des ersten Partikelfilters zu signalisieren.
Letztlich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass innerhalb beider Ausführungsformen vorgesehen werden kann, dass unabhängig oder parallel zur Regeneration des ersten Partikelfilters eine Regeneration des zweiten Partikelfilters vorgenommen wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und darüber hinaus aus den in der Beschreibung genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer ersten Ausführungsvariante eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit einem zweiten Partikelfilter im Hauptstrom der Abgasanlage und
2 in einer zweiten Ausführungsvariante eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit einem zweiten Partikelfilter im Nebenstrom der Abgasanlage.
Die in den 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen zeigen jeweils eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Abgasanlage 12, die einen ersten Partikelfilter F1 aufweist, der beispielsweise als Diesel-Partikelfilters aufgebaut ist, dem jeweils ein zweiter Partikelfilter F2 nachgeschaltet ist. Der so genannte Monolith eines Diesel-Partikelfilters F1 besteht aus einer porösen Keramik. In dieser porösen Keramik wird abgasseitig entstehender Ruß gespeichert.
Der Aufbau der Brennkraftmaschine wird anhand einer Dieselbrennkraftmaschine erläutert.
Für beide Ausführungsformen gilt Folgendes:
Die Dieselbrennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 10A mit Arbeitszylindern 10B, wobei jedem Arbeitszylinder 10B je ein Zylinderdrucksensor 10C und beispielsweise bei einer Common-Rail-Ausstattung ein Common-Rail-Injektor 16 zugeordnet ist. Ein auch als Frischluftanlage bezeichnetes Zuführungssystem für die Verbrennungsluft 18 führt den Arbeitszylindern 10B Frischluft als Verbrennungsluft zu und eine Abgasanlage 12 führt Abgas aus den Arbeitszylindern 10B ab.
In der Frischluftanlage 18 ist in Strömungsrichtung der Frischluft gesehen Folgendes angeordnet: ein Frischluftfilter 18C, ein Luftmassenmesser (nicht dargestellt), ein Verdichter 18B eines Abgasturboladers (Turbine) 12C und ein Ladeluftkühler 18D. Ferner ist eine Regelklappe 18E angeordnet, vor der stromab des Ladeluftkühlers 18D nicht weiter dargestellte Sensoren Temperaturen und Drücke in der Frischluftleitung 18A messen.
In der Abgasanlage 12 sind gegebenenfalls ausgehend vom Motorblock 10A in Strömungsrichtung des Abgases ferner, wie in der DE 10 2006 054 043 A1 beschrieben, in der ersten Abgasleitung 12A im Abgashauptstrom folgende Bauteile angeordnet.
Ein erster Temperatursensor (hier nicht dargestellt), ist anordbar, welcher eine Temperatur des Abgases vor einer Turbine 12C des Abgasturboladers 12C misst. Ferner ist an der Turbine 12C ein Wegsensor (hier nichtdargestellt) anordbar.
Ferner ist eine erste Lambdasonde (hier nicht dargestellt) sowie ein zweiter Temperatursensor anordbar, welcher eine Temperatur zwischen Lambdasonde und einem nachfolgenden Oxidationskatalysator (hier nicht dargestellt) misst.
Zumeist ist ein dritter Temperatursensor (hier nicht dargestellt) angeordnet, welcher eine Temperatur nach dem Oxidationskatalysator misst.
Danach folgt der Diesel-Partikelfilter F1 sowie eine Differenzdruckmessung mit Hilfe des ersten und zweiten Differenzdrucksensors 14, 15, mittels denen ein Druckabfall Δp_F1 über den Diesel-Partikelfilter F1 bestimmt wird.
Außerdem ist ein vierter Temperatursensor (nicht dargestellt) anordbar, welcher eine Temperatur nach dem Diesel-Partikelfilter F1 bestimmt.
Schließlich ist eine Abgasklappe (nicht dargestellt) anordbar und weiter in der ersten Abgasleitung 12A im Abgashauptstrom ist zusätzlich ein NO_x-Speicherkatalysator (hier ebenfalls nicht dargestellt) und eine zweite Lambdasonde (hier nicht dargestellt) sowie abschließend ein H₂S-Sperrkatalysator (nicht dargestellt) anordbar.
Diese beschriebene Brennkraftmaschine wird erfindungsgemäß erweitert.
Erste Ausführungsform ohne Abgasrückführunggemäß 1:
Bei der ersten Ausführungsform ist jetzt erfindungsgemäß im Abgashauptstrom in der ersten Abgasleitung 12A zusätzlich der zweite Partikelfilter F2 angeordnet, über den mittels eines zweiten Differenzdrucksensors 17 ein Druckabfall Δp_F2 bestimmt wird.
Zweite Ausführungsform mit Abgasrückführung gemäß 2:
Bei der zweiten Ausführungsform ist erfindungsgemäß im Nebenstrom des Hauptabgasstromes, jetzt in einer zweiten Abgasleitung 12B, zusätzlich ein zweiter Partikelfilter F2 angeordnet, über den mittels eines zweiten Differenzdrucksensors 17 der Druckabfall Δp_F2 bestimmt wird.
Erfindungsgemäß ist bei der zweiten Ausführungsform stromab des zweiten Partikelfilters F2 die Drosselvorrichtung 12D angeordnet.
Bei einer Abgasanlage mit Abgasrückführung sind gegebenenfalls, wie in der DE 10 2006 054 043 A1 beschrieben, in der zweiten Abgasleitung 12B im Abgasnebenstrom weitere Bauteile angeordnet.
Stromab des Diesel-Partikelfilters F1, das heißt auf einer Niederdruckseite der Abgasanlage 12, zweigt von der Abgasanlage 12 die zweite Leitung 12B, eine Niederdruck-Abgasrückführungs-Leitung, als Abgasnebenstrom ab, die stromauf des Verdichters 18B und stromab des Luftfilters 18C beziehungsweise eines Luftmassenmessers (nicht dargestellt) in die Frischluftanlage 18 mündet.
In der zweiten Abgasleitung 12B ist ausgehend von der Abzweigung von der ersten Abgasleitung 12A in Strömungsrichtung ein Massenstrommessgerät (hier nicht dargestellt) anordbar.
Zudem ist gegebenenfalls ein Kühler (hier nicht dargestellt) und ein Regelventil (hier nicht dargestellt) angeordnet, welchen im Strömungsrichtung des Abgases ein Differenzdrucksensor (hier nicht dargestellt) zugeordnet ist, welcher einen Druckabfall über den Kühler und das Regelventil bestimmt. Gegebenenfalls ist ferner ein Temperatursensor (hier nicht dargestellt) angeordnet, welcher eine Temperatur des in der Abgasleitung 12B strömenden Abgasmassenstromes bestimmt.
Eine vorgesehene Betriebsweise für den Normalbetrieb und für den Regenerationsbetrieb einer Abgasanlage mit Abgasrückführung nach dem hier beschriebenen Aufbau der Abgasanlage in der zweiten Ausführungsform ist in der DE 10 2006 054 043 A1 detailliert beschrieben.
Folgendes erfindungsgemäßes Verfahren, zur On Board Diagnose der Effizienz eines ersten Partikelfilters F1 in einer nach der ersten oder zweiten Ausführungsform aufgebauten Abgasanlage 12 einer Brennkraftmaschine 10, wird vorgeschlagen.
Der im Diesel-Partikelfilter F1 ankommende Abgas-Ruß sammelt sich auf dem ersten Filter F1 an. Mittels erstem und zweitem Drucksensor 14, 15 als Differenzdruck-Messeinrichtung wird der Differenzdruck Δp_F1 über den ersten Partikelfilter F1 gemessen, den die Gasströmung an dem ersten Filter F1 verursacht.
Die Differenzdruckmessung und die Ermittlung des Differenzdruckes Δp_F2 erfolgt, bei einer Anordnung, die insbesondere nach der zweiten Ausführungsform mit einer Drosselvorrichtung 12D vor oder hinter dem zweiten Partikelfilters F2 ausgestattet ist, wahlweise direkt über den zweiten Partikelfilter F2 oder summarisch über den Partikelfilter F2 und der Drosselvorrichtung 12D.
Bei der Auswertung der Differenzdruckmessung wird die in der zweiten Ausführungsform dargestellte Drosselwirkung der Drosselvorrichtung 12D berücksichtigt. Die Auswertung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Auswertung nur bei vollständig geöffneter Drosselvorrichtung 12D erfolgt.
Zur Regeneration wird der Ruß, wie in der Beschreibung zur EP 1 087 114 A1 erläutert, durch einen Regenerationsbetrieb bei hoher Temperatur zu CO₂ oxidiert und kann die poröse Keramik passieren. Stromabwärts eines intakten ersten Partikelfilters F1 tauchen daher nur sehr geringe Mengen Ruß auf. Auch bei großer Rußbeladung des Diesel-Partikelfilters F1 ist der Abgasgegendruck stromauf des Diesel-Partikelfilters F1 am Drucksensor 14 nur geringfügig größer als der Druck stromab des Diesel-Partikelfilters F1 am Drucksensor 15. Der Differenzdruck Δp_F1 über den ersten Partikelfilter F1 ist im Betriebszustand sehr gering.
Wenn sich der erste Partikelfilter F1 in einem für die On Board Diagnose (OBD) zu diagnostizierenden Schadenszustand befindet, wenn beispielsweise die Wände der Keramik oder die Stopfen der einlassseitigen Kanäle verschlissen, gerissen oder vollständig zerstört sind, dann gelangt Ruß auf die stromabwärts liegende Auslassseite des ersten Partikelfilters F1, wobei die messbare Druckdifferenz Δp_F1 jetzt noch geringer ausfällt, als bei einem ersten Diesel-Partikelfilter F1 im normalen Betriebszustand. Die vorhandene Differenzdruckmessung Δp_F1 kann somit zur Schadens-Diagnose des Diesel-Partikelfilters F1 nicht herangezogen werden.
Gemäß der Erfindung wird das Abgas in beiden Ausführungsformen, wie 1 und 2 zeigt, über einen zweiten Filter F2 geleitet. Enthält das stromauf des zweiten Filters F2 ankommende Abgas Ruß, so sammelt sich dieser auf dem zweiten Filter F2 an. Mit einer Druckmesseinrichtung über die Drucksensoren 16, 17 wird der Differenzdruck Δp_F2 über den zweiten Partikelfilter F2 gemessen, den die Gasströmung an dem zweiten Filter F2 verursacht.
Dieser zweite Partikelfilter F2 wird unverschmutzt, solange der erste Diesel-Partikelfilter F1 schadensfrei ist, in Abhängigkeit des für den zweiten Partikelfilter F2 verwendeten Filtermaterials und der gewählten Maschenweite nur einen geringen Druckverlust erzeugen.
Dieser filterspezifische Druckverlust kann bei der Anzeige des Differenzdruckes Δp_F2 berücksichtigt werden, so dass eine Anzeige einer Druckdifferenz Δp_F2 an einem Ort 16 stromauf und an einem Ort 17 stromab des Partikelfilters F1 nur dann erfolgt, wenn Ruß aus dem ersten Diesel-Partikelfilter F1 den zweiten Partikelfilter F2 erreicht.
Bereits eine geringe Druckdifferenz Δp_F2 an der Differenzdruckmessung 16, 17 kann über ein Motorsteuergerät direkt zur Auswertung gebracht werden und eine Anzeige auslösen, die mittelbar durch Auswertung des zweiten Partikelfilters F2 den Effizienzverlust des ersten Diesel-Partikelfilters F1 signalisiert. Ein Effizienzverlust bedeutet eine Schädigung des ersten Diesel-Partikelfilters F1 oder eine Verringerung des Abscheidegrades des Diesel-Partikelfilters F1.
Dazu ist der zweite Partikelfilter F2 in einer ersten Ausführungsvariante gemäß 1 im Abgashauptstrom in einer Abgasleitung 12A und in einer zweiten Ausführungsvariante gemäß 2 in einem abgezweigten Abgasnebenstrom in der zweiten Abgasleitung 12B angeordnet.
Bevorzugt wird bei der Auswertung des gemessenen Differenzdruckes Δp_F2 wie folgt vorgegangen.
Aus dem Differenzdruck Δp_F2 wird mit Hilfe von weiteren physikalischen Messgrößen, welche die Gasströmung beschreiben, die durch den zweiten Partikelfilter F2 strömt, eine Größe R berechnet, die den Strömungswiderstand des zweiten Partikelfilters F2 beschreibt.
Überschreitet dieser Strömungswiderstand R bestimmte Grenzwerte, so kann daraus gefolgert werden, dass sich auf dem zweiten Partikelfilter F2 Ruß angesammelt hat. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass der erste Partikelfilter F1 defekt ist und somit seine Leistungsfähigkeit verloren hat beziehungsweise sein Wirkungsgrad herabgesetzt ist.
Die physikalischen Größen, die eine Gasströmung des durch den zweiten Partikelfilter F2 strömenden Abgases charakterisieren und zur Bestimmung der Größe R verwendet werden, können Massenstromgeschwindigkeit, Temperatur, chemische Zusammensetzung, Feuchtgehalt, Volumenstromgeschwindigkeit und/oder Viskosität des Abgases sein. Dazu werden, wie beschrieben, jeweils geeignete Messungen nach der ersten Ausführungsform im Abgashauptstrom in der Abgasleitung 12A und nach der zweiten Ausführungsform in dem abgezweigten Abgasnebenstrom in der zweiten Abgasleitung 12B angeordnet, die bei der Auswertung Berücksichtigung finden.
Die Genauigkeit der Berechnung des Verfahrens kann noch weiter dadurch erhöht werden, indem

– in einer Ausführungsvariante die über den zweiten Partikelfilter F2 auftretende zeitliche Änderung des Strömungswiderstandes ausgewertet oder
– in einer zweiten Ausführungsvariante die Auswertung derart erfolgt, dass über den zweiten Partikelfilter F2 die zeitliche Änderung des Strömungswiderstandes auf die im betrachteten Zeitabschnitt angefallene Rohemission des Rußes bezogen wird.

Die am zweiten Partikelfilter F2 zu erwartende Rohemission des Rußes wird bevorzugt über ein semiempirisches Motormodell ermittelt.
Das Verfahren kann außerdem noch dadurch erweitert werden, dass auch eine Regeneration des zweiten Filters F2 durchgeführt wird. Die Regeneration kann unabhängig von der Regeneration des ersten Partikelfilters F1 oder parallel im Rahmen der Regeneration des zweiten Partikelfilters F2 erfolgen.
Dazu wird, wenn eine parallele Regeneration vorgesehen ist, ein Teilstrom des Regenerationsgases des ersten Partikelfilters F1 über den zweiten Partikelfilter F2 geleitet.
Bei einer Regeneration des zweiten Partikelfilters F2, die unabhängig von der Regeneration des ersten Partikelfilters F1 durchgeführt wird, wird dem zweiten Partikelfilter F2 über eine separate Leitung (nicht dargestellt) das Regenerationsgas für den notwendigen Regenerationszeitraum zugeführt.
In der zweiten Ausführungsform wird der zweite Partikelfilter F2 in einer abgezweigten Abgasnebenstromleitung 12B angeordnet, die zur Abgasrückführung verwendet wird und in einigen Motorkonzepten standardmäßig bereits vorhanden ist.
Bestehende Brennkraftmaschinen sind somit sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform nachrüstbar und das Verfahren ist dann noch nachträglich für bereits bestehende Brennkraftmaschine anwendbar.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
10A: Motorblock
10B: Arbeitszylinder
10C: Zylinderdrucksensoren
12: Abgasanlage
12A: erste Abgasleitung/Abgashauptstrom
12B: zweite Abgasleitung/Abgasnebenstrom
12C: Turbine/Abgasturbolader
12D: Drosselvorrichtung
F1: erster Partikelfilter
14: erster Drucksensor
15: zweiter Drucksensor
ΔpF1: Differenzdruck des erstes Partikelfilters
F2: zweiter Partikelfilter
16: erster Drucksensor
17: zweiter Drucksensor
ΔpF2: Differenzdruck des zweiten Partikelfilters
18: Frischluftanlage
18A: Frischluftleitung
18B: Verdichter
18C: Frischluftfilter
18D: Ladeluftkühler
18E: Regelklappe
R: Vergleichsgröße

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

EP 1087114 A1 [0004, 0011, 0056]
DE 102006038706 A1 [0006, 0008]
DE 102006054043 A1 [0009, 0036, 0047, 0051]

Claims

Brennkraftmaschine (10), insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor, mit mindestens einem Zuführungssystem für die Verbrennungsluft (18) und mindestens einer Abgasanlage (12), wobei die mindestens eine Abgasanlage (12) mindestens eine Abgasleitung (12A, 12B) aufweist, in der ein erster Partikelfilter (F1) angeordnet und ein zweiter Partikelfilter (F2) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Partikelfilter (F2) ein Differenzdrucksensor (16, 17) zugeordnet ist, um den Differenzdruck (Δp_F2) zwischen einem Ort stromauf und einem Ort stromab des zweiten Partikelfilters (F2) zu ermitteln.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Partikelfilter (F2) und der zugehörige Differenzdrucksensor (16, 17) in einer ersten Abgasleitung (12A) in einem Abgashauptstrom oder in einer vom Abgashauptstrom abzweigenden, zweiten Abgasleitung (12B) im Abgasnebenstrom der Abgasanlage (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Partikelfilter (F2) in der jeweiligen Abgasleitung (12A, 12B) eine Drosselvorrichtung (12D) zugeordnet ist.
Verfahren zur Ermittlung einer Effizienz eines in einer Brennkraftmaschine (10) angeordneten ersten Partikelfilters (F1), insbesondere eines Ruß-Partikelfilters eines Otto- oder Dieselmotors, die mindestens ein Zuführungssystem für die Verbrennungsluft (18) und mindestens eine Abgasanlage (12) für das verbrannte Abgas aufweist, wobei dem in der Abgasanlage (12) angeordneten ersten Partikelfilter (F1) ein zweiter Partikelfilter (F2) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das den ersten Partikelfilter (F1) verlassende Abgas teilweise oder vollständig über den nachgeschalteten zweiten Partikelfilter (F2) geleitet wird, an dem über eine Differenzdrucksensorik (16, 17) ein Differenzdruck (Δp_F2) ermittelt und ausgewertet wird, wodurch bei einer über den zweiten Partikelfilter (F2) festgestellten Druckdifferenz (Δp_F2) auf eine Effizienzverringerung des ersten Partikelfilters (F1) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Differenzdruckes (Δp_F2) bei Anordnung einer Drosselvorrichtung (12D) wahlweise direkt über den zweiten Partikelfilter (F2) oder summarisch über den Partikelfilter (F2) und der Drosselvorrichtung (12D) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Differenzdruck (Δp_F2) mit Hilfe von weiteren physikalischen Messgrößen, welche die Abgasströmung, die durch den zweiten Partikelfilter (F2) strömt, beschreiben, eine Vergleichsgröße (R) berechnet wird, die einem Strömungswiderstand des zweiten Partikelfilters (F2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die über den zweiten Partikelfilter (F2) auftretende zeitliche Änderung der Vergleichsgröße (R) des Strömungswiderstandes ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die über den zweiten Partikelfilter (F2) auftretende zeitliche Änderung der Vergleichsgröße (R) des Strömungswiderstandes auf die im betrachteten Zeitabschnitt angefallene Rohemission des Rußes bezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine über den zweiten Partikelfilter (F2) auftretende zeitliche Änderung der Vergleichsgröße (R) des Strömungswiderstandes erst ab einem bestimmten vorgebbaren Grenzwert dazu genutzt wird, eine Effizienzverringerung des ersten Partikelfilters (F1) zu signalisieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig oder parallel zur Regeneration des ersten Partikelfilters (F1) eine Regeneration des zweiten Partikelfilters (F2) vorgenommen wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3.