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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Abgastemperatur in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einem in dem Abgaskanal angeordneten, thermisch trägen Temperatursensor.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abgastemperatur in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einem in dem Abgaskanal angeordneten thermisch trägen Temperatursensor, wobei der Temperatursensor mit einer Steuereinheit verbunden ist.
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Stand der Technik
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Geplante gesetzliche Vorschriften sehen vor, dass der Partikelausstoß einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, vor und/oder nach einem Partikelfilter, wie beispielsweise einem Diesel-Partikelfilter (DPF), während des Fahrbetriebs überwacht werden muss. Die Überwachung selber wird dabei im Rahmen einer so genannten „On Board Diagnose” während des Fahrbetriebs auf ihre korrekte Funktion geprüft. Weiterhin ist eine Beladungsprognose des Diesel-Partikelfilters zur Regenerationskontrolle erforderlich, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und kostengünstige Filtermaterialien, wie beispielhaft Cordierit, einsetzen zu können. Es kann auch eine Regelung der Verbrennungseigenschaften der Brennkraftmaschine auf Basis der Information über den Partikelausstoß vorgesehen sein.
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Partikelfilter weisen allerdings eine begrenzte Speicherfähigkeit für Rußpartikel auf und müssen zur Wiederherstellung der Reinigungswirkung in bestimmten Abständen regeneriert werden. Eine hohe Partikelbeladung des Filters führt zu einem unzulässig starken Anstieg des Abgasgegendrucks.
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In einfachen Verfahren wird üblicherweise eine zurückgelegte Fahrstrecke oder eine Betriebsdauer der Brennkraftmaschine für die Durchführung der Regeneration des Filters in festen Intervallen zugrunde gelegt. Dies geschieht typischerweise alle 250 bis 1000 km. Bei Rußpartikelfiltern geschieht die Regeneration durch eine Erhöhung der Abgastemperatur auf typischerweise 550°C bis 650°C. Dies kann durch Maßnahmen in der Gemischaufbereitung des Motors oder durch nachmotorische Maßnahmen erfolgen. Es wird dabei eine exotherme Reaktion angestoßen, die einen Abbrand der Rußpartikel bewirkt und innerhalb einiger Minuten (z. B. 20 Minuten) den Partikelfilter regeneriert. Nachteilig sind der in dieser Betriebsphase auftretende erhöhte Kraftstoffverbrauch und ein verstärkt auftretender thermischer Verschleiß des Partikelfilters. Es ist daher zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs wünschenswert, nur bei Bedarf einen Regenerationszyklus durchzuführen. Zur Überwachung der Regeneration werden im Abgasstrang Temperatursensoren eingesetzt, die durch Überwachung der vor oder nach dem Filter auftretenden Temperaturen Rückschlüsse auf den Regenerationszustand zulassen und den Partikelfilter von Beschädigung durch hohe Abgastemperaturen schützen.
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Es ist nach dem Stand der Technik weiterhin vorgesehen, mittels spezieller Partikelsensoren auf den Beladungszustand des Partikelfilters zu schließen. Die Partikelsensoren werden weiterhin im Rahmen der „On Board Diagnose” OBD, beispielsweise zur Überwachung der Filtereigenschaften von Partikelfiltern, verwendet. Derartige Partikelsensoren sind beispielsweise in der
DE10149333A1 und der
WO2003006976 A2 beschrieben. Es sind danach 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 kammartig ineinander greifen. Die Elektroden sind zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt. Durch eine steigende Anzahl von an dem Partikelsensor anlagernder Partikel werden die Elektroden überbrückt, 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, beispielhaft 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. Zur Regelung der Regeneration wird die Temperatur des Partikelsensors mittels eines integrierten Temperatursensors, beispielhaft eines aufgedruckten metallischen Mäanders, bestimmt.
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Nachteilig bei den beschriebenen Verfahren sind die hohen Kosten, die für die benötigten Partikelsensoren und der Abgastemperatur ausreichend schnell folgenden Temperatursensoren aufgewendet werden müssen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine kostengünstige Bestimmung der Abgastemperatur bei ausreichender Dynamik ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die zeitliche Änderung der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur und ein Abgasmassenstrom in dem Abgaskanal bestimmt werden und dass die Abgastemperatur unter Berücksichtigung der zeitlichen Änderung der gemessenen Temperatur und des Abgasmassenstroms bestimmt wird. Das Temperatursignal des Temperatursensors folgt mit einer von seiner Bauart und seinem Einbauort bedingten Verzögerung und Trägheit der Abgastemperatur. Die Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Temperatursensor basiert auf Konvektion und ist daher vom Massenstrom des Abgases abhängig. Eine Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals ermöglicht bei trägen Sensoren eine Verbesserung der Genauigkeit der Signalauswertung bezüglich sich vergleichsweise schnell ändernder Messgrößen. Korrigiert man daher das Ausgangssignal des Temperatursensors mit einer aus dem Abgasmassenstrom und der Änderungsgeschwindigkeit des Temperatursignals bestimmten Korrektur, ermöglicht dies eine genauere Bestimmung der Abgastemperatur. Die so bestimmte Abgastemperatur kann beispielhaft zur Plausibilisierung einer Taupunktfreigabe für andere Sensoren, wie einen NOx-Sensor, verwendet werden.
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Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Abgastemperatur wird ermöglicht, indem die Abgastemperatur unter Berücksichtigung der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur und/oder unter Berücksichtigung eines von den Einbaubedingungen des Temperatursensors und der thermischen Masse des Abgasstrangs abhängigen Applikationsfaktors bestimmt wird. Der Applikationsfaktor kann dabei aus Messungen von Temperaturverläufen an der Abgasanlage bestimmt werden und berücksichtigt insbesondere die thermische Masse der Abgasanlage am Einbauort des Temperatursensors.
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Wird als Temperatursensor das Temperatur-Sensorelement eines in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Partikelsensors verwendet, kann auf einen zusätzlichen Temperatursensor im Abgaskanal verzichtet werden und es können so die Kosten des Systems verringert werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Berücksichtigung der Temperatur einer den Partikelsensor umgebenden Fanghülse nicht erforderlich ist.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Steuereinheit Daten zu dem aktuellen Abgasmassenstrom zugeführt sind, dass in der Steuereinheit ein erster Programmablauf zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur vorgesehen ist und dass in der Steuereinheit ein zweiter Programmablauf zur Bestimmung der Abgastemperatur aus der zeitlichen Änderung der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur, dem Abgasmassenstrom und einem in dem Steuergerät gespeicherten Applikationsfaktor vorgesehen ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 ein erstes Diagramm mit einer tatsächlichen Abgastemperatur und einer mit einem Temperatursensor gemessenen Temperatur,
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2 ein zweites Diagramm mit einer zeitlichen Änderung der gemessenen Temperatur und mit einem bestimmten Abgasmassenstrom,
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3 ein drittes Diagramm mit der tatsächlichen Abgastemperatur, der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur und einer bestimmten Abgastemperatur.
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1 zeigt ein erstes Diagramm 10 mit dem zeitlichen Verlauf einer tatsächlichen Abgastemperatur 13 und einer mit einem Temperatursensor gemessenen Temperatur TSE 14. Dazu sind die tatsächliche Abgastemperatur 13 und die gemessene Temperatur TSE 14 gegenüber einer Temperaturachse 11 und einer Zeitachse 12 aufgetragen.
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Die gemessene Temperatur TSE 14 ist in dem Ausführungsbeispiel mit einem resistiven Temperatur-Sensorelement eines in dem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelsensors ermittelt. Partikelsensoren, beispielsweise in Form eines sammelnden Partikelsensors mit zwei ineinander greifenden Interdigitalelektroden als Sensorelement, werden zur Bestimmung des Russanteils im Abgas von Dieselmotoren, beispielsweise zur Beladungsdiagnose eines vorgeschalteten Partikelfilters, verwendet. Zur Regeneration wird der Partikelsensor in regelmäßigen Abständen freigebrannt. Das resistive Temperatur-Sensorelement ist in seiner ursprünglichen Aufgabe zur Regelung der Temperatur des Partikelsensors während des Freibrenn-Prozesses vorgesehen.
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Neben dem Russanteil wird in bekannten Abgassystemen mit einem gesondert vorzusehenden Temperaturfühler auch die Temperatur des Abgases bestimmt, um daraus beispielsweise Rückschlüsse auf den Regenerationszustand des Partikelfilters abzuleiten. Die Anforderungen an den Temperaturfühler sind dabei so, dass auch schnelle Änderungen der Abgastemperatur 13 erfasst werden können. Wie in dem ersten Diagramm 10 gezeigt, ist die Temperaturmessung mit Hilfe des in dem Partikelsensor ohnehin vorgesehenen Temperatur-Sensorelements zu träge, um diesen Anforderungen zu genügen. Die gemessene Temperatur TSE 14 kann der tatsächlichen Abgastemperatur 13 bei schnellen Temperaturwechseln nicht folgen. Das resistive Temperatur-Sensorelement ist thermisch stark an den Abgasstrang gekoppelt und entsprechend thermisch träge. Dadurch wird primär die Temperatur des Sensorelements des Partikelsensors bestimmt und nicht die Abgastemperatur 13.
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2 zeigt ein zweites Diagramm 20 mit einer Darstellung der zeitlichen Änderung 23 der mit dem Temperatur-Sensorelement eines Partikelsensors gemessenen Temperatur TSE 14 und mit einem in dem Abgaskanal geführten Abgasmassenstrom 24. Die zeitliche Änderung 23 der gemessenen Temperatur TSE 14 ist gegenüber einer Achse Temperaturgradient 21 bei gleicher Zeitachse 12 wie in 1 eingeführt dargestellt. Der Verlauf des Abgasmassenstroms 24 bezieht sich auf die Achse Massenstrom 22 und die Zeitachse 12.
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Die gemessenen Temperatur TSE 14 des resistiven Temperatur-Sensorelements hängt von den Parametern Abgastemperatur 13 (TAbgas), Abgasmassenstrom 24 ((dm/dt)Abgas) und der Rohrwandtemperatur (TRohrwand) einer um den Partikelsensor angeordneten Fanghülse ab. TSE = f(TAbgas, (dm/dt)Abgas, TRohrwand)
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Die zeitliche Änderung 23 der Temperatur des Partikelsensors hängt im Wesentlichen von dem konvektiven Wärmeübertrag aus dem Abgas auf das Sensorelement ab, wobei die dominierenden Parameter für die dynamische Änderung der Abgasmassenstrom 24 und die Abgastemperatur 13 sind. Die Rohrwand der Fanghülse und deren Temperatur können als Wärmesenke beziehungsweise Wärmequelle angesehen werden. Aufgrund der relativ hohen thermischen Masse des Abgaskanals sind allerdings nur sehr langsame Änderungen der Temperatur der Rohrwand anzunehmen. In erster Näherung können Änderungen der Temperatur des Sensorelements des Partikelsensors, die auf Basis des resistiven Temperatur-Sensorelements bestimmt werden, ausschließlich auf die Abgastemperatur 13 und den Abgasmassenstrom 24 reduziert werden. Der Abgasstrang stellt eine Dämpfung dar, die zum Beispiel über einen Applikationsfaktor berücksichtigt werden kann. Der Applikationsfaktor ist somit abhängig von dem thermischen Verhalten beziehungsweise der thermischen Masse der Abgasanlage am Einbauort des Partikelsensors und kann zum Beispiel mit einer Applikationsmessung bestimmt werden. Die Abgastemperatur 13 kann damit auf Basis folgender funktionaler Abhängigkeit berechnet werden: TAbgas = f(dTSE/dt, (dm/dt)Abgas, Applikationsfaktor)
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3 zeigt ein drittes Diagramm 30 mit der tatsächlichen Abgastemperatur 13, der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur TSE 14 und einer bestimmten Abgastemperatur 31 TAbgas. Die Temperaturen 13, 14, 31 sind gegenüber den in 1 eingeführten Temperatur- und Zeitachsen 11, 12 aufgetragen.
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Die bestimmte Abgastemperatur 31 TAbgas wurde entsprechend dem oben dargestellten Zusammenhang aus der zeitlichen Änderung 23 der gemessenen Temperatur, dem Abgasmassenstrom 24 und dem Applikationsfaktor bestimmt. Es zeigt sich, dass die so bestimmte Abgastemperatur 31 gut mit der tatsächlichen Abgastemperatur 13 übereinstimmt und dass auch die schnellen Änderungen der tatsächlichen Abgastemperatur 13 mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden können. Das Verfahren ermöglicht es daher, die Abgastemperatur 13 mit Hilfe eines thermisch trägen Temperatursensors mit für weitere Anwendungen ausreichender Dynamik zu bestimmen. Es kann daher auf einen zusätzlichen Temperatursensor verzichtet werden, wodurch die Gesamtsystemkosten gesenkt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10149333 A1 [0006]
- WO 2003006976 A2 [0006]
