DE102010002691A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters als Bestandteil einer Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei zur Überwachung des Partikelfilters ein Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang des Partikelfilters gemessen und dieser in einer Diagnoseeinheit ausgewertet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Differenzdruck über dem Partikelfilter aus zwei Differenzdruckmessungen oder zwei Absolutdruckmessungen bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit Hilfe dieses Verfahrens und der entsprechenden Anordnung kann die On Bord Diagnose dahingehend verbessert werden, dass Manipulationen bei der Differenzdruckmessung, die eine Diagnose des Partikelfilters unterbinden, verhindert werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters als Bestandteil einer Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei zur Überwachung des Partikelfilters ein Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang des Partikelfilters gemessen und dieser in einer Diagnoseeinheit ausgewertet wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die von einem Motor, insbesondere einem Dieselmotor, emittierten Rußpartikel können mittels eines Dieselpartiklefilters (DPF) effizient aus dem Abgas entfernt werden. Gegenwärtig ist ein so genannter Wall-Flow-Dieselpartikelfilter (DPF) der Stand der Technik. Durch seine einseitig verschlossenen Kanäle und des porösen Filtermaterials ist eine Rußabscheidung von bis zu 99% möglich. Ein Nachteil ist, dass der Filter von Zeit zu Zeit thermisch regeneriert werden muss. Dabei wird mittels inner- oder außermotorischer Maßnahmen ein Temperaturhub vorgenommen und dadurch der angesammelte Ruß im Filter abgebrannt, da sonst der Abgasgegendruck zu stark ansteigen würde.
  • Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Partikelfilters wird üblicherweise ein Zustand des Partikelfilters während des Betriebs des Motors fortlaufend überwacht. Die Überwachung des Partikelfilters kann anhand einer Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie erfolgen, welche unter anderem abhängig ist von der Temperatur. Diese Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie des Partikelfilters weist allerdings herstellungsbedingt eine Bauteiltoleranz in Höhe von ±10% auf. Bei Verwendung eines Differenzdrucksensors ist durch dessen Maßtoleranzen eine weitere Unsicherheit gegeben. Ferner unterliegt der Partikelfilter einem ständigen Alterungsprozess und einer Asche- und Russeinlagerung, wodurch sich der Filterwiderstand und damit die den Partikelfilter charakterisierende Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie fortlaufend ändert.
  • Daher wird in verschiedenen Ansätzen versucht, den Differenzdruck in Abhängigkeit des Volumenstroms modellhaft zu charakterisieren, um möglichst alle Störeinflüsse mit zu erfassen. So ist beispielsweise bekannt, eine Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie durch eine Gleichung anzunähern, in der die Druckdifferenz als Funktion der Temperatur und des Volumenstroms dargestellt ist. Als Eingangsgrößen dienen dabei unter anderem die temperaturabhängigen Größen dynamische Viskosität μ(T) und Abgasdichte ρ(T). Die Gleichung enthält weiterhin Parameter, die sich aus Geometrie und Beschichtung des Partikelfilters ergeben, aufgrund der herstellungsbedingten Toleranzen jedoch nicht konstant vorgegeben werden können. Zur Parametrierung ist es daher erforderlich, Differenzdruck, Volumenstrom und Temperatur an einer genügend großen Anzahl von Stützstellen zu ermitteln, was aber jedoch nur unter definierten Bedingungen, zum Beispiel auf einem Prüfstand, möglich ist. Ein Verfahrensbeispiel ist aus der DE 10 2007 042420 A1 bekannt, bei dem zur Überwachung eines Partikelfilters einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine einen zumindest weitgehend unbeladenen Partikelfilter charakterisierende, temperaturabhängige Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie K(T) in eine temperaturunabhängige Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie K umgewandelt wird, mittels derer mindestens ein Parameter (P1 bis Pn) des Partikelfilters bestimmt und/oder überwacht wird.
  • Allerdings hat sich die Verwendung eines Rußbeladungsmodells (rechnerische Ermittlung) als relativ ungenau herausgestellt und weist zudem einen hohen Applikationsaufwand auf. Zudem korreliert bei hohen Lasten der Differenzdruck nicht mehr mit der Beladung des Filters. Grund dafür ist eine passive Regeneration des Filters, bei der die im Abgas befindlichen Stickoxide den Sauerstoff für die Verbrennung des Rußes liefern. Daher werden im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) zur Überwachung des Partikelausstoßes der Brennkraftmaschine spezielle Partikelsensoren eingesetzt, wie sie u. a. aus der DE 101 33 384 A1 bekannt sind.
  • Zur Diagnose des Partikelfilters selbst ist es gemäß dem Stand der Technik weiterhin üblich, den Druckunterschied zwischen Filtereingang und Filterausgang mittels einer Differenzdruckmessung zu erfassen und auszuwerten. Abhängig vom gemessenen Differenzdruck kann dann auf einen gebrochenen, entfernten oder verstopften Filter geschlossen werden, wobei die gemessenen Werte mit gespeicherten Werten für ein „noch gut” Grenzmuster eines Partikelfilters und/oder mit Werten für ein Leerrohr, d. h. nicht vorhandenen Partikelfilter, verglichen werden.
  • Als problematisch hat sich inzwischen herausgestellt, dass insbesondere bei einer zusätzlich im Abgasstrang der Brennkraftmaschine verbauten SCR-Abgasreinigungsanlage (SCR = Selective Catalytic Reduction) nach dem Partikelfilter mittels einfacher Manipulation die Diagnose einer Ausbauerkennung bzw. die Diagnose eines Grenzmusters umgangen werden kann.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem derartige Manipulationen hinsichtlich einer robusteren On Bord Diagnose erkannt werden können.
  • 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 im Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases eingangsseitig und ausgangsseitig des Partikelfilters ein erster Drucksensor vor dem Partikelfilter und ein zweiter Drucksensor nach dem Partikelfilter vorgesehen ist, wobei mittels der beiden Drucksensoren ein Differenzdruck bestimmbar ist, und die beiden Drucksensoren über Signalleitungen mit der Diagnoseeinheit verbunden sind, wobei die beiden Drucksensoren als Differenzdrucksensoren oder als Absolutdrucksensoren ausgeführt sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Differenzdruck über dem Partikelfilter aus zwei Differenzdruckmessungen oder zwei Absolutdruckmessungen bestimmt wird.
  • Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht weiterhin vor, dass für die beiden Differenzdruckmessungen zwei unabhängige Differenzdrucksensoren verwendet werden und die Signale der beiden Differenzdrucksensoren der Diagnoseeinrichtung zur Auswertung zugeführt werden, wobei eine Differenzdruckmessung zwischen dem Eingang das Partikelfilters und der Umgebung und die andere Differenzdruckmessung zwischen dem Ausgang des Partikelfilters und der Umgebung durchgeführt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann die On Bord Diagnose dahingehend verbessert werden, dass Manipulationen bei der Differenzdruckmessung, bei denen beispielsweise durch Abziehen einer Zuleitung am Differenzdrucksensor ein Differenzdruck lediglich zwischen Umgebungsdruck und Druck nach dem Partikelfilter gemessen und somit ein „noch gut” Partikelfilter vorgetäuscht wird, unterbunden werden können. Durch den Einsatz eines zweiten Differenzdrucksensors und der Differenzdruckauswertung, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist, kann die Diagnose des Partikelfilters und damit die On Bord Diagnose der Abgasreinigungsanlage verbessert werden.
  • Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass für die beiden Absolutdruckmessungen zwei unabhängige Absolutdrucksensoren verwendet werden und die Signale der beiden Absolutdrucksensoren der Diagnoseeinrichtung zur Auswertung zugeführt werden. Auch mit diesen Drucksensoren kann eine Manipulation vermieden werden und somit die On Bord Diagnose der Abgasreinigungsanlage verbessert werden, wobei auch ein gemischter Einsatz von Absolutdrucksensoren und Differenzdrucksensoren denkbar ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter in deren Abgasstrang,
  • 2 in einem Diagramm die Druckverhältnisse in Abhängigkeit eines Abgasvolumenstroms und
  • 3 die Brennkraftmaschine gemäß 1 in einer erfindungsgemäßen Ausführung.
  • 1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Dargestellt ist beispielhaft eine Brennkraftmaschine 10, die als Dieselmotor ausgeführt ist, wobei das Abgas der Brennkraftmaschine über einen Abgasstrang 11 abgeführt wird, in dem eine Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, welche im gezeigten Beispiel mehrstufig ausgeführt ist. In Strömungsrichtung des Abgases ist im gezeigten Beispiel zunächst ein Oxidationskatalysator 12 (Oxikat) vorgesehen, der einem Partikelfilter 13 (DPF) vorgelagert ist. Hinter dem Partikelfilter 13 ist ein SCR-Katalysator 14 angeordnet. Weiterhin sind üblicherweise im Abgasstrang 11 Abgassonden sowie weitere Sensoren angeordnet, die allerdings in dieser schematischen Prinzipzeichnung nicht dargestellt sind, deren Signale einer Motorsteuerung (Electronic Control Unit ECU) zugeführt werden.
  • Zur Diagnose des Partikelfilters 13 ist nach dem Stand der Technik ein Differenzdrucksensor 15 vorgesehen, mit dem der Druckunterschied (Differenzdruck 31) zwischen Filtereingang und Filterausgang des Partikelfilters 13 bestimmt werden kann. Das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 15 wird dabei einer Diagnoseeinheit 20 zugeführt, in der im Rahmen einer On Bord Diagnose (OBD) anhand eines Vergleichs mit darin gespeicherten Werten für unterschiedliche Abgasvolumenströme 32 eine Diagnose hinsichtlich eines möglicherweise gebrochenen, entfernten oder verstopften Partikelfilters 13 durchgeführt werden kann. Diese Diagnoseeinheit 20 kann dabei Bestandteil der übergeordneten Motorsteuerung (ECU) sein. Ein derartiger Systemaufbau ist derzeit für Dieselmotoren für PKW und leichte Nutzfahrzeuge üblich.
  • In 2 sind in einem Diagramm 30 die aus einem solchen Systemaufbau resultierenden Druckverhältnisse beispielhaft dargestellt. Aufgetragen ist der Differenzdruck 31 (in hPa) in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms 32 (in m3/h).
  • Ein Kurvenbereich zeigt den Verlauf des Differenzdrucks über den SCR-Katalysator 33. Ein anderer Kurvenbereich zeigt den typischen Verlauf des Differenzdrucks über den Partikelfilter 34. Wie zu erkennen ist, überlappen die Kurvenbereiche nahezu vollständig und liegen beide über einer ersten Schwelle 35, die dem Differenzdruckverlauf über ein Leerrohr, d. h. einem Abgasstrang 11 ohne Partikelfilter 13, entspricht. Ebenso liegt das Niveau beider Kurvenbereiche über einer zweiten Schwelle 36, welche dem Differenzdruckverlauf eines Grenzmusters eines Partikelfilters 13 entspricht, welches „noch in Ordnung” ist. Somit besteht die Möglichkeit, die in der On Bord Diagnose vorgesehene Leerrohr- bzw. Grenzmusterdiagnose des Partikelfilters durch Manipulation der Schlauchleitungen am Differenzdrucksensor 15 zu umgehen. Anstatt den Differenzdruck vor und nach dem Partikelfilter 13 zu messen, kann damit ein Differenzdruck zwischen Umgebungsdruck und Druck nach dem Partikelfilter 13 gemessen werden, womit der Diagnoseeinheit 20 und damit der übergeordneten Motorsteuerung ein „i.O.-Partikelfilter” vorgetäuscht wird.
  • In 3 ist, ebenfalls in einer schematischen Darstellung, eine Neuauslegung des Systems zur Vermeidung derartiger Manipulationen dargestellt. Anstatt den Differenzdruck 31 über dem Partikelfilter 13 zu messen, wird der Differenzdruck 31 gegen den Umgebungsdruck jeweils vor und nach dem Partikelfilter 13 gemessen. Für beide Differenzdruckmessungen sind zwei unabhängige Differenzdrucksensoren 16, 17 vorgesehen, deren Signale der Diagnoseeinrichtung 20 zur Auswertung zugeführt werden. Hiermit kann das Differenzdruckverhalten über dem Partikelfilter 13 in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms 32 aus der Differenz Differenzdruck vor Partikelfilter gegenüber Umgebung und Differenzdruck nach Partikelfilter gegenüber Umgebung bestimmt und entsprechend mit in der Diagnoseeinheit 20 hinterlegten volumenstromabhängigen Schwellen 35, 36 verglichen werden.
  • In einer hier nicht dargestellten Variante kann der Differenzdruck 31 über dem Partikelfilter 13 mittels einem Absolutdrucksensor vor und nach dem Partikelfilter 13 bestimmt werden. Grundsätzlich können auch beide Drucksensortypen gemeinsam eingesetzt werden, d. h. ein Differenzdrucksensor 16 vor dem Partikelfilter 13 und ein Absolutdrucksensor nach dem Partikelfilter 13 oder ein Absolutdrucksensor vor dem Partikelfilter 13 und ein Differenzdrucksensor 17 nach dem Partikelfilter 13.
  • Das aufgezeigte Diagnoseverfahren ist in vorteilhafter Ausgestaltung als Software in der Diagnoseeinheit 20 hinterlegt und kann insbesondere bei Dieselmotoren für PKW und leichte Nutzfahrzeuge zum Einsatz eingesetzt werden. Die Differenzdrucksensoren 16, 17 sind mit Schlauchverbindungen oder Rohrleitungen mit dem Abgasstrang 11 verbunden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007042420 A1 [0005]
    • DE 10133384 A1 [0006]

Claims (4)

  1. Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters (13) als Bestandteil einer Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang (11) einer Brennkraftmaschine (10), wobei zur Überwachung des Partikelfilters (13) ein Differenzdruck (31) zwischen Eingang und Ausgang des Partikelfilters (13) gemessen und dieser in einer Diagnoseeinheit (20) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck (31) über dem Partikelfilter (13) aus zwei Differenzdruckmessungen oder zwei Absolutdruckmessungen bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Differenzdruckmessungen zwei unabhängige Differenzdrucksensoren (16, 17) verwendet werden und die Signale der beiden Differenzdrucksensoren (16, 17) der Diagnoseeinrichtung (20) zur Auswertung zugeführt werden, wobei eine Differenzdruckmessung zwischen dem Eingang das Partikelfilters (13) und der Umgebung und die andere Differenzdruckmessung zwischen dem Ausgang des Partikelfilters (13) und der Umgebung durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Absolutdruckmessungen zwei unabhängige Absolutdrucksensoren verwendet werden und die Signale der beiden Absolutdrucksensoren der Diagnoseeinrichtung (20) zur Auswertung zugeführt werden.
  4. Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters (13) als Bestandteil einer Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang (11) einer Brennkraftmaschine (10), wobei zur Überwachung des Partikelfilters (13) ein Differenzdruck (31) zwischen Eingang und Ausgang des Partikelfilters (13) bestimmbar und dieser in einer Diagnoseeinheit (20) auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (11) in Strömungsrichtung des Abgases eingangsseitig und ausgangsseitig des Partikelfilters (13) ein erster Drucksensor vor dem Partikelfilter (13) und ein zweiter Drucksensor nach dem Partikelfilter (13) vorgesehen ist, wobei mittels der beiden Drucksensoren ein Differenzdruck (31) bestimmbar ist, und die beiden Drucksensoren über Signalleitungen mit der Diagnoseeinheit (20) verbunden sind, wobei die beiden Drucksensoren als Differenzdrucksensoren (16, 17) oder als Absolutdrucksensoren ausgeführt sind.
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