DE102010027975A1

DE102010027975A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Eigendiagnose einer Abgassonde

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Publication number: DE102010027975A1
Application number: DE102010027975A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumann; Enno Baars; Johannes Grabis; Benjamin Hagemann; Bernhard Kamp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20
Also published as: FR2958970B1; US20110252768A1; US8788184B2; FR2958970A1; ITMI20110549A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose einer Abgassonde, wobei die Abgassonde mindestens ein Heizelement aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels eines Rechenprogramms aus Randbedingungen für den Gasstrom oder aus gemessenen Parametern für den Gasstrom eine modellierte Heizleistung PH oder ein Wert, der für die modellierte Heizleistung PH steht, für das Heizelement bestimmt und mit einer gemessenen Heizleistung oder mit einem Wert, der für die gemessenen Heizleistung PH steht, verglichen wird und dass bei einer Abweichung, die eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, ein Defekt der Abgassonde abgeleitet oder auf eine fehlerhafte Bedingung in einem Abgasstrang, in dem die Abgassonde verbaut ist, geschlossen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Eigendiagnose einer entsprechenden Abgassonde, wobei die Abgassonde mit einer Motorsteuerung oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung stnheit Einrichtungen zur Diagnose der Abgassonde aufweisen. Die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit weist erfindungsgemäß mindestens eine Berechnungseinheit zur modellhaften Bestimmung eines, für den ordnungsgemäßen Betrieb des Partikelsensors kennzeichnenden Parameter auf, wobei dieser Parameter aus Randbedingungen für den Gasstrom oder aus gemessenen Parametern für den Gasstrom bestimmbar ist, und dieser Parameter mittels mindestens einenheit integrierten Auswerteeinheit mit einem gemessenen Parameter vergleichbar ist und aus einer Abweichung, die eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, ein Defekt der Abgassonde ableitbar oder eine fehlerhafte Bedingung in einem Abgasstrang, in dem die Abgassonde verbaut ist, detektierbar ist. Mit dem vorgestellten Diagnoseverfahren und der entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kann eine Eigendiagnose der Abgassonde optimiert werden womit eine verbesserte Betriebssicherheit erzielt werden kann.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose einer Abgassonde, wobei die Abgassonde mindestens ein Heizelement aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Eigendiagnose einer entsprechenden Abgassonde, wobei die Abgassonde mit einer Motorsteuerung oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung steht und die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Diagnose der Abgassonde aufweisen.
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 (Partikelmassensensoren bzw. PM-Sensoren) 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 10 2005 015 103 A1 beschreibt eine spezielle Ausführungsform eines solchen Partikelsensors, bei der der eigentliche Rußsensor zum Schutz mit einem metallischen Gehäuse umgeben ist. Beschrieben wird u. a. eine Ausführung, bei dem der Rußsensor in einem diesen umgebenden Schutzrohr oder alternativ auch Doppelschutzrohr angeordnet ist, welches ein oder mehrere Zutrittsöffnungen für den Gasstrom aufweist.
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.
Zur Eigendiagnose ist beispielsweise in einer weiteren Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.318399 vorgesehen, dass der Partikelsensor eine zusätzliche flächige Prüfelektrode aufweist, und in mehreren Verfahrensschritten zwischen den Messelektroden und der Prüfelektrode verschiedene Prüfspannungen angelegt und jeweils ein Strom bzw. eine Kapazität gemessen und anhand der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße Funktion des Partikelsensors geschlossen wird.
Die EP 1925 926 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Auswerteverfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit bzw. zur Plausibilisierung eines auf einem Elektrodensystem basierenden Sensors, insbesondere eines Partikelsensors, wobei die Vorrichtung mindestens ein Referenzelektrodensystem umfasst. Das Auswerteverfahren sieht dabei vergleichende Messungen an den Messelektroden sowie an den Referenzelektroden vor, wobei anhand der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße Funktion des Sensors geschlossen wird.
Da bei einem Einsatz zur On-Board-Diagnose der Partikelsensor bezüglich eines Partikelfilters stromabwärts im Abgasstrom angeordnet ist, sollten sich bei einem voll funktionsfähigen Partikelfilter an der Stelle, an der der Partikelsensor angeordnet ist, keine Partikel, insbesondere Rußpartikel mehr im Abgas befinden, die ein entsprechendes Sensorsignal liefern könnten. Dass kein Signal von einem Sensor geliefert wird, kann allerdings auch bedeuten, dass der Partikelsensor defekt ist und somit ein möglicherweise ebenfalls defekter Partikelfilter nicht als defekt erkannt wird. Zudem kann eine Versottung des Schutzrohrs zu einer fehlerhaften Interpretation der Signale führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches zu einer verbesserten Eigendiagnose einer Abgassonde, insbesondere eines Partikelsensors, führt.
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 11 gelöst.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit mindestens eine Berechnungseinheit zur modellhaften Bestimmung eines, für den ordnungsgemäßen Betrieb der Abgassonde kennzeichnenden Parameter aufweist, wobei dieser Parameter aus Randbedingungen für den Gasstrom oder aus gemessenen Parametern für den Gasstrom bestimmbar ist, und dieser Parameter mittels mindestens einer in der Motorsteuerung oder in der Sensorsteuereinheit integrierten Auswerteeinheit mit einem gemessenen Parameter vergleichbar ist und aus einer Abweichung, die eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, ein Defekt der Abgassonde ableitbar oder eine fehlerhafte Bedingung in einem Abgasstrang, in dem die Abgassonde verbaut ist, detektierbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist dabei der modellhaft bestimmte Parameter, der mit dem gemessenen Parameter hinsichtlich der Eigendiagnose verglichen wird, die Heizleistung P_H des Heizelements der Abgassonde.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass mittels eines Rechenprogramms aus Randbedingungen für den Gasstrom oder aus gemessenen Parametern für den Gasstrom eine modellierte Heizleistung P_H oder ein Wert, der für die modellierte Heizleistung P_H steht, für das Heizelement bestimmt und mit einer gemessenen Heizleistung oder mit einem Wert, der für die gemessene Heizleistung P_H steht, verglichen wird und dass bei einer Abweichung, die eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, ein Defekt der Abgassonde abgeleitet oder auf eine fehlerhafte Bedingung in einem Abgasstrang, in dem die Abgassonde verbaut ist, geschlossen wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abweichung gegenüber bestimmten Grenzwerten oder der Absolutwert in Bezug auf eine festgelegte Schwelle bzw. einem Schwellwert ausgewertet wird.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sowie eine bevorzugte Vorrichtungsvariante sieht dabei vor, dass als Abgassonde ein Partikelsensor zur Bestimmung eines Partikelgehalts im Gasstrom verwendet wird bzw. die Abgassonde als Partikelsensor ausgebildet ist, wobei mittels des Heizelementes in einer Regenerationsphase der Partikelsensor aufgeheizt und dabei eine Rußbeladung am Partikelsensor entfernt wird.
Durch eine derartige Eigendiagnose ist es möglich, z. B. defekte Partikelsensoren, deren Elektroden während der Fertigung oder im Einsatz über die Lebensdauer des Sensors beschädigt wurden, zu erkennen und dem Fahrer/Betreiber des Fahrzeugs/der Anlage bei einem Totalausfall des Sensors durch optische und/oder akustische Warnungen davon in Kenntnis zu setzen. Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens sowie seiner Varianten, wie sie nachfolgend beschrieben werden, 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. Dies ist insbesondere von Vorteil bei Partikelsensoren, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts von einem Partikelfilter verbaut sind, und dabei unklar ist, ob der Partikelsensor ordnungsgemäß funktioniert und das Abgas nur einen geringen bis gar keinen Rußanteil aufweist oder ob der Partikelsensor fehlerhaft ist und möglicherweise das Abgas aber gerade stark mit Ruß belastet ist. Weiterhin lassen sich Verstopfungen im Schutzrohr oder gar ein vorsätzlicher Ausbau des Partikelfilters diagnostizieren. Ebenso können Fehlmessungen als solche detektiert werden und entweder eine entsprechende Korrektur der Messdaten vorgenommen oder beispielsweise ein Austausch des Sensors initiiert werden. Damit kann eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Betriebssicherheit erreicht werden.
Ausgenutzt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass die typisch vorherrschenden, im Allgemeinen betriebspunktabhängigen Bedingungen im Abgasstrang, wie beispielsweise Temperatur, Druck und Volumenstrom bekannt sind, und sich daraus modellhaft aus einer Einströmung in das, den Partikelsensor umgebende Schutzrohr und der thermischen Ankopplung an das Sensorelement im Partikelsensor eine Prognose über die aktuelle Sensortemperatur und damit über die zu erwartende bzw. benötigte Heizleistung P_H erstellen lässt. Diese betrifft sowohl einen nicht beheizten Sensor (rein passive Anströmung) als auch einen beheizten Sensor, dessen Temperaturverhalten dann nicht alleine von den Umgebungsbedingungen, sondern insbesondere auch von der Eigenbeheizung abhängig ist. Grundsätzlich kann dies Verfahren auch bei anderen Abgassonden mit einer Heizeinrichtung eingesetzt werden.
In einer Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die gemessene Heizleistung P_H direkt aus einer am Heizelement angelegten Heizspannung U_H und einem Heizstrom I_H gemäß P_H = U_H·I_H oder aus deren Effektivwerten, was vorteilhaft bei pulsweitenmodulierten Versorgungsspannungen des Heizelementes ist, oder die gemessene Heizleistung P_H aus einer Ersatzgröße bestimmt wird.
Lässt sich der Heizstrom I_H nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand bestimmen, kann in vorteilhafter Verfahrensvariante als Ersatzgröße die Heizspannung U_H verwendet werden.
In einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass als Ersatzgröße eine bereitstellbare Heizleistung verwendet wird, welche aus einer verfügbaren Versorgungsspannung U_Bat (Batteriespannung) und einem maximal möglichen Heiztastverhältnis TV_max bestimmt wird.
Insbesondere bei Diagnosen, die einen Defekt des Heizelements detektieren sollen, kann es vorteilhaft sein, wenn in einem ersten Diagnoseschritt mit Hilfe einer Temperaturmesseinrichtung, welche üblicherweise durch ein separates temperaturabhängiges Widerstandselement ausgebildet ist, in der Abgassonde direkt detektiert wird, ob eine zu erreichende Solltemperatur erreicht wurde, und in einem zweiten Diagnoseschritt ermittelt wird, ob, falls dies der Fall ist, ein Abweichen infolge von ungünstigen Betriebsbedingungen hervorgerufen wurde. Derartige Abweichungen können beispielsweise eine zu hohe Abgasgeschwindigkeit oder eine zu niedrige Versorgungsspannung sein. Werden derartige Abweichungen nicht detektiert, muss von einem Defekt des Heizelementes ausgegangen werden, was dann als Defekt an eine übergeordnete Kontrolleinheit, beispielsweise an die Motorsteuerung gemeldet werden kann.
In einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass weitere, über die modellhaft bestimmte Heizleistung P_H hinausgehende Größen modellhaft bestimmt und für einen Vergleich herangezogen werden. Insbesondere kann es sich hierbei um eine modellierte Temperatur handeln, die aus der modellhaft bestimmten Heizleistung P_H bestimmt wird und diese mit einer gemessenen Temperatur verglichen wird. Weiterhin ist auch ein Vergleich einer aus der Heizleistung P_H berechneten Abgasgeschwindigkeit mit einer von der Motorsteuerung ermittelten Abgasgeschwindigkeit, basierend auf einem Signal eines Luftmassen-Sensors, welcher innerhalb der Luftzuführung der Brennkraftmaschine verbaut ist, möglich.
Da das Sensorelement einer Abgassonde, z. B. eines Partikelfilters, eine thermische Trägheit besitzt, werden zwischen dem Auftreten von Änderungen in den Eingangsgrößen, wie Heizleistung, Abgasgeschwindigkeit, Abgastemperatur usw., und dem Auftreten von daraus resultierenden Änderungen in den Ausgangsgrößen, wie beispielsweise die Sensorelementtemperatur, Verzögerungen auftreten. Dies muss bei der Modellbildung bzw. bei den Diagnoseeinsätzen entsprechend berücksichtigt werden. Daher ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass Eingangsgrößen für die gemessenen Parameter für den Gasstrom zunächst einer Filterung unterzogen werden und danach zur Bestimmung der modellierten Heizleistung weiter verarbeitet werden. Hierbei bietet sich vor allem der Einsatz eines Tiefpass-Filters 1. Ordnung an.
In einer weiteren Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass zeitliche Änderungen der modellhaft bestimmten Größen anstatt der Absolutwerte mit den gemessenen Größen bzw. deren Änderungen verglichen und ausgewertet werden. Dabei kann es insbesondere günstig sein, Änderungen in einem relativ kurzen Zeitraum zu betrachten. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn bekannt ist, dass sich bestimmte Störgrößen nur über längere Zeiträume als den betrachteten veränderlich sind. In diesem Fall können diese Störgrößen als konstant angenommen werden. So kann beispielsweise die Temperatur von Abgas und Abgasrohr einer Brennkraftmaschine als nur relativ langsam veränderlich angesehen werden, wenn sich der Einbauort des Partikelsensors relativ weit hinten, insbesondere nach dem Partikelfilter der Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang befindet.
Eine Verfahrensvariante sieht bei der Auswertung vor, dass eine beobachtete Heizleistungsänderung mit einer Änderung in den gemessenen oder berechneten Parametern für den Gasstrom verglichen werden, wobei das Verhältnis aus Heizleistungsänderung und Änderung von gemessenen oder berechneten Parametern für den Gasstrom mit einem vordefinierten Schwellwert oder einem veränderlichen, von dem oder den Parametern, die den Gasstrom bestimmen, abhängigen Schwellwert verglichen werden. Damit kann eine dynamische Anpassung der Auswertung realisiert werden, wobei beispielsweise in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche Schwellwerte berechnet werden können, woraus eine genauere Diagnosefunktion resultiert. Beispielsweise kann ein Vergleich der Änderung der Heizleistung P_H, welche über die Heizspannung U_H definiert ist, mit der Änderung der Abgasgeschwindigkeit verglichen werden, wobei ein Vergleich des Verhältnisses mit einer von der Abgasgeschwindigkeit oder deren Änderung abhängigen Schwellwert erfolgen kann. Dieser Schwellwert kann beispielsweise als Funktion der Abgasgeschwindigkeit oder deren Änderung in Form einer Kennlinie in der Sensorsteuereinheit hinterlegt sein.
Vorteilhaft hinsichtlich einer einfachen Auswertung ist es, wenn die Diagnose nach einem der vorhergehenden Ansprüche während einer Phase mit konstant eingeregelter Temperatur oder während der Regeneration der als Partikelsensor ausgeführten Abgassonde während einer Aufheizrampe zum Erreichen einer zur Rußbeseitigung erforderlichen Freibrenntemperatur oder bei Abweichungen der gemessenen Ist-Temperatur vom erwarteten Temperatur-Sollwert durchgeführt wird.
Eine Anwendung des Verfahrens, wie es mit seinen Verfahrensvarianten zuvor beschrieben wurde, sieht den Einsatz für alternative Diagnoseeinsätze vor, wobei statt eines Vergleichs der modellierten Heizleistung P_H mit einem Wert, der für die gemessene Heizleistung P_H steht, ein anderer, für den ordnungsgemäßen Betrieb der Abgassonde kennzeichnenden Parameter modellhaft bestimmt und mit einem gemessenen Wert für diesen Parameter verglichen wird. Ein derartiger Parameter kann beispielsweise der Heizwiderstand R_H sein.
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, und
2 schematisch eine als Partikelsensor ausgeführte Abgassonde in einer Explosionsdarstellung.
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 eine als Partikelsensor ausgeführte Abgassonde 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 (Abgassonde 20) ist im gezeigten Beispiel in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet, was Vorteile hinsichtlich einer Homogenisierung der Abgasströmung an dieser Stelle mit sich bringt und insbesondere beim Einsatz im Rahmen der On-Board-Diagnose der Fall ist. Mit den gezeigten Vorrichtungen ist eine Beobachtung des Partikelausstoßes der Brennkraftmaschine 10 und eine Prognose der Beladung der als Diesel-Partikelfilter (DPF) ausgebildeten Abgasreinigungsanlage 16 möglich.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine als Partikelsensor ausgeführte Abgassonde 20 entsprechend dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung.
Auf Isolierträgerschichten 21, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 22 und eine zweite Elektrode 23 aufgebracht. Die Elektroden 22, 23 sind in Form zweier interdigitaler, ineinander greifender Kammelektroden ausgeführt. An den stirnseitigen Enden der Elektroden 22, 23 sind ein erster Anschluss 24 und ein zweiter Anschluss 25 vorgesehen, über welche die Elektroden 22, 23 zur Spannungsversorgung und zur Durchführung der Messung mit einer nicht dargestellten Sensorsteuereinheit verbunden werden können. In dem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 22, 23 und die oberste Isolationsträgerschicht 21, auf der sich die Elektroden 22, 23 befinden, mit einer Schutzschicht 27 überzogen. Diese optionale Schutzschicht 27 schützt die Elektroden 22, 23 bei den zumeist vorherrschenden hohen Betriebstemperaturen des Partikelsensors vor Korrosion. Sie ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Material mit einer geringen Leitfähigkeit hergestellt, kann jedoch auch aus einem Isolator gefertigt sein. Zusätzlich ist im gezeigten Beispiel zwischen den Isolierträgerschichten 21 ein Heizelement 26 integriert, welches über zusätzliche Anschlüsse mit der Sensorsteuereinheit verbunden ist und zumindest zeitweise mit einer Heizspannung U_H beaufschlagt werden kann, so dass ein Heizstrom I_H fließen kann. Zur Temperaturmessung kann einerseits das Heizelement 26 selbst oder ein im Partikelsensor separat integriertes Temperatur-Sensorelement (z. B. als Pt100-Widerstandsbahn oder als NTC- oder PTC-Keramik-Sensorelement) genutzt werden.
Wird ein solcher Partikelsensor in einem Partikel 28 führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors oder einer Feuerungsanlage, betrieben, so lagern sich Partikel 28 aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 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 neben der Partikelkonzentration in dem Abgas unter anderem auch von der Spannung ab, welche an den Elektroden 22, 23 anliegt. Die Beladung mit Partikeln kann beispielsweise mittels einer Widerstands- oder Impedanz-Messung an den Elektroden 22, 23 bestimmt werden. Ist der Partikelsensor 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 führen, so wird der Partikelsensor innerhalb einer Regenerationsphase regeneriert. Dazu wird der Partikelsensor mit Hilfe des Heizelements 26 so weit aufgeheizt, dass die anliegenden Partikel 28 verbrennen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei in einem Ausführungsbeispiel vor, dass zur Eigendiagnose des Partikelfilters ein Vergleich der absoluten elektrischen Heizleistung mit einer prognostizierten Heizleistung verglichen wird, wobei aus den Randbedingungen im Abgasstrang 17 der Brennkraftmaschine 10 die prognostizierte Heizleistung berechnet wird. Stimmen die beiden Heizleistungen in vordefinierten Grenzen nicht überein, wird ein Defekt des Partikelsensors abgeleitet oder auf eine fehlerhafte Bedingung in dem Abgasstrang 17 geschlossen.
In einem Fall erfolgt ein Vergleich von anforderbarer maximaler Heizspannung U_H, welche aus einer verfügbaren Versorgungsspannung U_Bat und maximal möglichem Heiztastverhältnis TV_max gemäß der Beziehung U_H = U_Bat·√TV_max. Dies ist im Fall einer Sollwertabweichung zu zu niedrigen Temperaturen die Größe, mit der die Heizleistung P_H quantifiziert werden kann. Eine unter den Randbedingungen erforderliche Heizspannung kann aus einer Abgasvolumenstrom-abhängigen Kennlinie bestimmt werden. Wenn die anforderbare Heizspannung größer als die erforderliche Heizspannung ist, kann daraus geschlossen werden, dass das Heizelement 26 defekt ist.
Dabei kann es im Hinblick zur Diagnose eines möglichen Sensor-Ausbaus und einer möglichen Schutzrohr-Verstopfung vorteilhaft sein, auch die Änderung in der Heizleistung als Reaktion auf Änderungen in der Abgasgeschwindigkeit zu verfolgen und zu detektieren, ob sich die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur notwendige Heizleistung ändert. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn die Änderungen in der Abgasgeschwindigkeit innerhalb eines kurzen Beobachtungszeitraums, typischerweise < 30 s, stattfindet. In diesem Fall können Auswirkungen von Änderungen in der Abgastemperatur und der Rohrwandtemperatur des Partikelsensors als geringfügig betrachtet werden, da sich die genannten Größen nur über längere Zeiträume ändern können.
Eine Defekterkennung kann dabei in folgenden Schritten realisiert werden. Innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls wird die minimale und maximale Abgasgeschwindigkeit w_min und w_max bestimmt. Hieraus wird die Änderung Δw = w_max – w_min berechnet. Die zugehörige Heizleistung, welche hier durch eine Heizeffektivspannung U_H quantifiziert ist, werden hier ebenfalls erfasst und die zugehörige Änderung ΔU_H berechnet. Überschreitet die Änderung Δw eine vorbestimmte Schwelle, kann eine Diagnose durchgeführt werden. Andernfalls wird die Diagnose als nicht durchgeführt betrachtet. Weiterhin ist es in der Regel notwendig, die Diagnose nicht durchzuführen, wenn die Abgastemperatur einen vordefinierten Schwellwert überschreitet, da bei Angleichung von Abgastemperatur und Sensorelementtemperatur auch bei intaktem Sensor keine Heizleistungsänderungen zu erwarten sind.
Die beobachtete Heizleistungsänderung ΔU_H wird auf Plausibilität geprüft. Dies kann z. B. durch Vergleich des gemessenen Verhältnisses ΔU_H/Δw mit einem vordefinierten Schwellwert (ΔU_H/Δw)_min erfolgen. Bei Überschreiten der Schwelle wird ein Defekt erkannt. Hierbei sind auch alternative Vergleichsverfahren, wie der Vergleich der gemessenen Heizleistungsänderung AU_H mit einer Δw-abhängigen Kennlinie AU_H,min = f(Δw) von Schwellwerten denkbar. Hierbei können, wie bereits oben beschrieben, gefilterte Werte für U_H und w verwendet werden.
Zusätzlich ist mit einer entsprechenden Messstrategie auch eine Erweiterung der Funktion des Partikelsensors denkbar. Dieser ist ja üblicherweise mit einer Temperaturmessfunktion ausgestattet. Der Volumenstrom wird jedoch nicht erfasst. Nun ist bekannt, dass die thermische Ankopplung des Sensorelements an das Abgas eine Volumenstromabhängigkeit aufweist. Diese kann genutzt werden, um in Abhängigkeit von der Temperatur und der Änderung der Temperatur auf den aktuellen Volumenstrom zu schließen. Notwendig hierfür ist ein Modellverständnis für die Schutzrohrdurchströmung in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Hilfreich kann hierbei im Hinblick auf eine verbesserte Messgenauigkeit die Einbeziehung eines zusätzlichen Temperatursignals von einem weiteren Temperatursensor sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10133384 A1 [0004]
DE 102005015103 A1 [0005]
EP 1925926 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Eigendiagnose einer Abgassonde (20), wobei die Abgassonde (20) mindestens ein Heizelement (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Rechenprogramms aus Randbedingungen für den Gasstrom oder aus gemessenen Parametern für den Gasstrom eine modellierte Heizleistung P_H oder ein Wert, der für die modellierte Heizleistung P_H steht, für das Heizelement (26) bestimmt und mit einer gemessenen Heizleistung oder mit einem Wert, der für die gemessene Heizleistung P_H steht, verglichen wird und dass bei einer Abweichung, die eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, ein Defekt der Abgassonde (20) abgeleitet oder auf eine fehlerhafte Bedingung in einem Abgasstrang (17), in dem die Abgassonde (20) verbaut ist, geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Heizleistung P_H aus einer am Heizelement (26) angelegten Heizspannung U_H und einem Heizstrom I_H oder aus deren Effektivwerten oder die gemessene Heizleistung P_H aus einer Ersatzgröße bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ersatzgröße die Heizspannung U_H verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ersatzgröße eine bereitstellbare Heizleistung verwendet wird, welche aus einer verfügbaren Versorgungsspannung U_Bat und einem maximal möglichen Heiztastverhältnis TV_max bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Diagnoseschritt mit Hilfe einer Temperaturmesseinrichtung in der Abgassonde (20) direkt detektiert wird, ob eine zu erreichende Solltemperatur erreicht wurde, und in einem zweiten Diagnoseschritt ermittelt wird, ob ein Abweichen infolge von ungünstigen Betriebsbedingungen hervorgerufen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, über die modellhaft bestimmte Heizleistung P_H hinausgehende Größen modellhaft bestimmt und für einen Vergleich herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Eingangsgrößen für die gemessenen Parameter für den Gasstrom zunächst einer Filterung unterzogen werden und danach zur Bestimmung der modellierten Heizleistung weiter verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zeitliche Änderungen der modellhaft bestimmten Größen mit den gemessenen Größen bzw. deren Änderungen verglichen und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine beobachtete Heizleistungsänderung mit einer Änderung in den gemessenen oder berechneten Parametern für den Gasstrom verglichen werden, wobei das Verhältnis aus Heizleistungsänderung und Änderung von gemessenen oder berechneten Parametern für den Gasstrom mit einem vordefinierten Schwellwert oder einem veränderlichen, von dem oder den Parametern, die den Gasstrom bestimmen, abhängigen Schwellwert verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassonde (20) ein Partikelsensorzur Bestimmung eines Partikelgehalts im Gasstrom verwendet wird, wobei mittels des Heizelementes (26) in einer Regenerationsphase der Partikelsensor aufgeheizt und dabei eine Rußbeladung am Partikelsensor entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose nach einem der vorhergehenden Ansprüche während einer Phase mit konstant eingeregelter Temperatur oder während der Regeneration der Abgassonde (20) während einer Aufheizrampe zum Erreichen einer zur Rußbeseitigung erforderlichen Freibrenntemperatur oder bei Abweichungen der gemessenen Ist-Temperatur vom erwarteten Temperatur-Sollwert durchgeführt wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für alternative Diagnoseeinsätze, wobei statt eines Vergleichs der modellierten Heizleistung mit einem Wert, der für die gemessene Heizleistung P_H steht, ein anderer, für den ordnungsgemäßen Betrieb der Abgassonde (20) kennzeichnenden Parameter modellhaft bestimmt und mit einem gemessenen Wert für diesen Parameter verglichen wird.
Vorrichtung zur Eigendiagnose einer Abgassonde (20), wobei die Abgassonde (20) mindestens ein Heizelement (26) aufweist und die Abgassonde (20) mit einer Motorsteuerung (14) einer Brennkraftmaschine (10) oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung steht und die Motorsteuerung (14) oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Diagnose der Abgassonde (20) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (14) oder die Sensorsteuereinheit mindestens eine Berechnungseinheit zur modellhaften Bestimmung eines, für den ordnungsgemäßen Betrieb der Abgassonde (20) kennzeichnenden Parameter aufweist, wobei dieser Parameter aus Randbedingungen für den Gasstrom oder aus gemessenen Parametern für den Gasstrom bestimmbar ist, und dieser Parameter mittels mindestens einer in der Motorsteuerung (14) oder in der Sensorsteuereinheit integrierten Auswerteeinheit mit einem gemessenen Parameter vergleichbar ist und aus einer Abweichung, die eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, ein Defekt der Abgassonde (20) ableitbar oder eine fehlerhafte Bedingung in einem Abgasstrang (17), in dem die Abgassonde (20) verbaut ist, detektierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der modellhaft bestimmte Parameter, der mit dem gemessenen Parameter hinsichtlich der Eigendiagnose verglichen wird, die Heizleistung P_H des Heizelements (26) der Abgassonde (20) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassonde (20) als Partikelsensor zur Bestimmung einer Rußbeladung im Gasstrom ausgebildet ist.