DE102010046523B4

DE102010046523B4 - Verfahren zur Diagnose eines Brennkraftmaschinenabgassystems mit einem Partikelfilter

Info

Publication number: DE102010046523B4
Application number: DE102010046523.2A
Authority: DE
Inventors: Joachim Konrad; Dr. Liu Yi; Dipl.-Ing. Routier Emmanuel; Dipl.-Ing. Schimmelpfennig Peter; Dipl.-Ing. Sisken Kevin; Patrick Wolf
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH; Daimler Truck AG
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH; Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2030-09-25
Also published as: US20110100094A1; US8096171B2; DE102010046523A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose eines Brennkraftmaschinenabgassystems (1) mit einem Partikelfilter (5), mit den Schritten- Ermitteln eines ersten und eines zweiten Satzes einer Vielzahl von Wertevektoren (Vi) mit einander zugeordneten Werten für einen Absolutdruck (pv) stromauf des Partikelfilters (5), einen Absolutdruck (pn) stromab des Partikelfilters (5), einen aus den Werten des Absolutdrucks (pv, pn) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) ermittelten Differenzdruck (Δp), einen Abgasvolumenstrom (Q) durch den Partikelfilter (5) und eine Temperatur (T) des Abgasvolumenstroms (Q);- Ermitteln von temperaturnormierten Werten für den Absolutdruck (pv, pn) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) wenigstens für die Werte des ersten Satzes von Wertevektoren (Vi) derart, dass eine Temperaturabhängigkeit für die Werte des Absolutdrucks (pv, pn) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) eliminiert oder annähernd eliminiert ist;- Erzeugen von Kennlinien (K) für jeweils eine Abhängigkeit des Absolutdrucks (pv, pn) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und des Differenzdrucks (Δp) vom Volumenstrom (Q) aus temperaturnormierten Werten des ersten Satzes von Wertevektoren (Vi);- Abspeichern der Kennlinien (K) als Referenzkennlinien;- Vergleich von Werten für den Absolutdruck (pv, pn) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) des zweiten Satzes von Wertevektoren (Vi) mit aus den Referenzkennlinen hergeleiteten Druckwerten;- Auswerten eines Vergleichsergebnisses in Bezug auf eine Strömungsanomalie im Abgassystem (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Brennkraftmaschinenabgassystems mit einem Partikelfilter, bei welchem eine Strömungsanomalie im Abgassystem auf der Basis einer Volumenstromabhängigkeit von Druckwerten im Abgassystem feststellbar ist.
Zur Ausfilterung von Partikeln aus dem Abgas von Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen ist ein Einsatz von Partikelfiltern in den entsprechenden Abgassystemen gebräuchlich. Die Ausfilterung der Partikel führt im Laufe der Zeit zu einem Zusetzen des Partikelfilters, wodurch dessen Durchströmungswiderstand auf unerwünschte Weise ansteigt. Aus diesem Grund ist es üblich, von Zeit zu Zeit eine Regeneration derart durchzuführen, dass im Partikelfilter angesammelte Rußpartikel abgebrannt werden. Dabei wird die Notwendigkeit einer Partikelfilterregeneration meist durch Auswerten eines Wertes für einen über dem Partikelfilter anstehenden Differenzdruck ermittelt. Beispielsweise ist aus der DE 42 26 055 C1 ein solches Verfahren bekannt, wobei der Differenzdruck über dem Partikelfilter gemessen und mit einem Differenzdruck einer konstanten Drosselstelle im Abgassystem verglichen wird. Durch diesen Vergleich wird ein Einfluss der üblicherweise vorhandenen Instationarität der Abgasströmung mit entsprechend wechselnden Differenzdruckverhältnissen berücksichtigt und eine vom Abgasvolumenstrom weitgehend unabhängige Aussage betreffend einen Beladungsgrad des Partikelfilters erhalten.
Aus der DE 10 2004 026 589 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Partikelfilters bekannt, bei welchem über die Ermittlung des Beladungszustandes hinaus auch ein Filterbruch erkannt werden kann. Hierzu wird auf der Basis ermittelter Werte für einen Druckverlust über dem Partikelfilter und einem Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter ein Filterbeladungswert ermittelt und dessen zeitliche Entwicklung betrachtet. Wird festgestellt, dass eine Ableitung des Filterbeladungswerts kleiner Null ist, so wird ein Filterbruch diagnostiziert.
Weiterhin ist aus der DE 10 2007 042 420 A1 ein Verfahren zur Überwachung eines Partikelfilters bekannt, bei dem eine einen zumindest weitgehend unbeladenen Partikelfilter charakterisierende, temperaturabhängige Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie in eine temperaturunabhängige Differenzdruck-Volumenstrom-Kennlinie umgewandelt wird, mittels derer mindestens ein Parameter des Partikelfilters bestimmt und/oder überwacht wird. Hier wird jedoch nur der Differenzdruck, nicht aber der Absolutdruck zur Überwachung verwendet.
Darüber hinaus zeigt die W0 2009/ 1 01 667 A1 ein Verfahren zur Überwachung eines Partikelfilters mit Hilfe einer Referenzkennlinie, die das Verhältnis zwischen Druckdifferenz und dem Volumenstrom des Abgases beschreibt.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine umfassendere Diagnose eines einen Partikelfilter aufweisenden Brennkraftmaschinenabgassystems ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein erster und ein zweiter Satz mit jeweils einer Vielzahl von Wertevektoren mit einander zugeordneten Werten für einen Absolutdruck stromauf des Partikelfilters, einen Absolutdruck stromab des Partikelfilters, einen aus den Werten des Absolutdrucks stromauf und stromab des Partikelfilters ermittelten Differenzdruck, einen Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter und eine Temperatur des Abgasvolumenstroms ermittelt. Die ermittelten Werten für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters und den Differenzdruck wenigstens des ersten Satzes von Wertevektoren werden derart in temperaturnormierte Werte transformiert, dass eine Temperaturabhängigkeit eliminiert oder annähernd eliminiert ist. Aus temperaturnormierten Werten des ersten Satzes von Wertevektoren werden Kennlinien für jeweils eine Abhängigkeit des Absolutdrucks stromauf und stromab des Partikelfilters und des Differenzdrucks vom Volumenstrom erzeugt und es erfolgt ein Abspeichern der Kennlinien als Referenzkennlinien. Werte für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters und den Differenzdruck des zweiten Satzes von Wertevektoren werden mit aus den Referenzkennlinen hergeleiteten korrespondierenden Druckwerten verglichen und ein Vergleichsergebnis in Bezug auf eine Strömungsanomalie im Abgassystem ausgewertet. Dabei ist als Strömungsanomalie insbesondere eine Leckage bzw. eine Verstopfung im Abgassystem bzw. eines im Abgassystem installierten Bauteils zu verstehen.
Ein Satz von Wertevektoren weist typischerweise etwa hundert bis einige tausend Wertevektoren auf und wird über einen längeren Zeitraum von typischerweise 5 min bis 50 min ermittelt. In der Praxis liegen daher die ermittelten Werte für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters in einem mehr oder weniger breiten Wertebereich für den Abgasvolumenstrom und es bereitet keine Schwierigkeit, daraus Druck- bzw. Differenzdruck-Volumenstromkennlinien zu erzeugen. Für die Zuverlässigkeit des Diagnoseverfahrens ist dies von Vorteil, da aufgrund der Vielzahl von berücksichtigten Werten die Zuverlässigkeit des Diagnoseergebnisses verbessert ist. Dabei werden die einander zugeordneten Werte für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters, den Abgasvolumenstrom und dessen Temperatur vorzugsweise getaktet und wenigstens annähernd gleichzeitig ermittelt und als Komponenten eines jeweiligen Wertevektors abgespeichert.
Eine weitere Verbesserung der Aussagezuverlässigkeit wird durch die erfindungsgemäße Eliminierung der physikalisch bedingten Temperaturabhängigkeit der Druckwerte erzielt. Infolge der Eliminierung der Temperaturabhängigkeit können interpretierbare Druckwerte auch bei den für Kraftfahrzeuganwendungen typischen veränderlichen Strömungs- und Temperaturverhältnissen ermittelt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Druckwerte wird vorzugsweise durch Berücksichtigung der Kenngrößen für eine Abgasdichte und eine dynamische Viskosität des Abgases eliminiert. Für diese Kennwerte wird vorzugsweise deren Temperaturabhängigkeit in Form einer Kennlinie vorgehalten. Zusammen mit der parallel zu den Druckwerten erfassten Abgastemperatur ist somit die Bildung von temperaturnormierten Druckwerten ermöglicht.
Zur Ermittlung des Abgasvolumenstroms wird vorzugsweise die je Zeiteinheit von der Brennkraftmaschine durchgesetzten Kraftstoff- und Verbrennungsluftmengen herangezogen. Diese Werte stehen meist ohnehin in einem Motorsteuergerät zur Verfügung. Vorzugsweise werden die Werte für den Abgasvolumenstrom ebenfalls auf vorgegebene Bezugsbedingungen in Bezug auf Druck und/oder Temperatur normiert. Auf diese Weise werden Abhängigkeiten von Druck und/oder Temperatur ebenfalls eliminiert. Bevorzugt werden normierte Abgasvolumenstromwerte zur Erzeugung der Kennlinien bzw. Referenzkennlinien zugrunde gelegt. Die Absolutdruckwerte stromauf und stromab des Partikelfilters werden bevorzugt über geeignet angeordnete Absolutdrucksensoren messtechnisch ermittelt. Die Absolutdrucksensoren können unmittelbar eingangsseitig bzw. ausgangsseitig des Partikelfilterkörpers oder aber auch etwas weiter stromauf bzw. stromab im Abgassystem angeordnet sein. Der Differenzdruck kann durch einfache Subtraktion der Absolutdruckwerte erhalten werden. Die Temperatur des durch den Partikelfilter strömenden Abgases wird zweckmäßig über einen eingangsseitig und/oder ausgangsseitig des Partikelfilters und/oder im Partikelfilter angeordneten Temperatursensor messtechnisch erfasst.
Der zweite Satz von Wertevektoren wird bevorzugt zeitlich im Anschluss an den ersten Satz ermittelt. Für einen Vergleich mit aus den Referenzkennlinien hergeleiteten Druckwerten werten werden bevorzugt Werte des zweiten Satzes herangezogen, welche bei vorgegebenen oder vorgebbaren Bedingungen in Bezug auf vorgegebene oder vorgebbare Abgas- und/oder Brennkraftmaschinenbetriebsparameter ermittelt wurden, bzw. in vorgegebene oder vorgebare Wertebereiche fallen. Ein Vergleich beispielsweise von Differenzdruckwerten des zweiten Satzes von Wertevektoren mit aus der Referenzkennlinie für den Differenzdruck hergeleiteten Druckwerten sieht bevorzugt vor, eine Vielzahl von einander zugeordneten Wertepaaren für Differenzdruck und Abgasvolumenstrom den entsprechenden Wertpaaren der Referenzkennlinie für den Differenzdruck gegenüberzustellen. Sofern die Differenzdruckwerte des zweiten Satzes von Wertevektoren außerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Vertrauensintervalls in Bezug auf die Referenzkennlinienwerte liegen, wird gegebenenfalls eine Strömungsanomalie diagnostiziert. Für den Vergleich können temperaturnormierte oder entnormierte Druckwerte herangezogen werden. Bevorzugt werden Druckwerte des zweiten Satzes von Wertvektoren mit korrespondierenden aus Referenzkennlinienwerten zurückgerechneten, auf die vorhandene Temperaturen bezogenen Druckwerte verglichen. Werden keine Unregelmäßigkeiten beim Auswerten der Vergleichsergebnisse festgestellt, so ist vorgesehen, aus den Werten des zweiten Satzes von Wertvektoren neue Kennlinien bzw. Referenzkennlinien zu generieren und abzuspeichern. Auf diese Weise stehen ständig an die jeweiligen Bedingungen angepasste, aktuelle Kennlinien zur Verfügung. Dies hat den Vorteil, dass Fehldiagnosen aufgrund von Langzeitdrifteffekten vermieden werden können bzw. normale allmählich eintretende Veränderungen nicht fälschlicherweise als Strömungsanomalie diagnostiziert werden.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäß vorgesehene Ermitteln von drei unterschiedlichen Druckwerten, nämlich des Absolutdrucks stromauf bzw. eingangsseitig und stromab, bzw. ausgangsseitig des Partikelfilters sowie des Differenzdrucks über dem Partikelfilter. Dies ermöglicht eine in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene differenzierende Auswertung wenigstens in Bezug auf eine Leckage eines Abgasleitungsleitungsabschnitts stromauf des Partikelfilters oder eine Leckage eines Abgasleitungsleitungsabschnitts stromab des Partikelfilters oder einen Bruch des Partikelfilters. Insbesondere durch eine vergleichende Bewertung von separat für die beiden Absolutdruckwerte und den Differenzdruck erhaltenen Vergleichsergebnissen in Bezug auf abgespeicherte Referenzkennlinienwerte ist eine Unterscheidung der genannten Strömungsanomalietypen ermöglicht. Dies hat sich in der Praxis als äußerst vorteilhaft erwiesen, da auf diese Weise ein unnötiges Auswechseln eines fälschlicherweise als gebrochen diagnostizierten Partikelfilters vermieden werden kann. Die Gefahr einer Fehldiagnose besteht insbesondere, wenn in einem Abgasleitungsabschnitt stromauf des Partikelfilters eine Leckage mit einem daraus resultierenden Absinken eines Staudrucks eingangsseitig des Partikelfilters auftritt. Bei einer ausschließlich vorgenommenen Differenzdruckerfassung, beispielsweise durch einen Differenzdrucksensor, resultiert daraus mit hoher Wahrscheinlichkeit ein fehlerhaft diagnostizierter Filterbruch mit entsprechend unnötigen Folgekosten eines dadurch veranlassten, jedoch nicht erforderlichen Filterwechsels.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Auswertung in Bezug auf eine Verstopfung des Partikelfilters und/oder einer dem Partikelfilter vor- und/oder nachgeschalteten Abgasreinigungseinheit vorgenommen. Zur Erkennung dieser Strömungsanomalien ist wiederum die erfindungsgemäß vorgesehene Ermittlung der drei unterschiedlichen Druckwerte von Vorteil. Insbesondere ist durch die Ermittlung des Absolutdrucks stromab des Partikelfilters eine Unterscheidung zwischen einem Filterbruch und einer verstopften, stromab des Partikelfilters angeordneten Abgasreinigungseinheit ermöglicht. Ein unzulässig hoher Absolutdruck stromab des Partikelfilters, jedoch stromauf der nachgeschalteten Abgasreinigungseinheit könnte bei ausschließlich vorgenommener Differenzdruckerfassung fehlerhaft als Filterbruch diagnostiziert werden, wohingegen eine Verstopfung der stromab des Partikelfilters angeordneten Abgasreinigungseinheit die wahrscheinlichere Strömungsanomalie ist. Aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens ist somit auch ein zielgerichtetes und erfolgreiches Einleiten von Maßnahmen zur Behebung der Strömungsanomalie ermöglicht. Die Erkennung einer stromab des Partikelfilters auftretenden Verstopfung ist insbesondere bei Einsatz eines stromabwärtigen SCR-Katalysators von Vorteil, da hier eine Gefahr für eine Verstopfung durch Harnstoffablagerungen infolge einer Zufuhr von wässriger Harnstofflösung erhöht ist. Eine stromauf des Partikelfilters angeordnete Abgasreinigungseinheit ist vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildet. Eine Verstopfung kann hier durch Kraftstoffverkokungen, beispielsweise infolge einer Kraftstoffzugabe für eine erzwungene Partikelfilterregeneration eintreten.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Erzeugung der Kennlinien für die Abhängigkeit des Absolutdrucks eingangsseitig und ausgangsseitig des Partikelfilters und des Differenzdrucks vom Volumenstrom temperaturnormierte Werten des ersten Satzes von Wertevektoren einem Kalman-Filteralgorithmus zugeführt. Ausgehend von der Erkenntnis, dass für die Unsicherheit der erfassten Werte eine statistische Verteilung wenigstens annähernd entsprechend einer Normalverteilung vorliegt, ermöglicht die Anwendung des Kalman-Filteralgorithmus die Ermittlung von Kennlinien mit einem geringstmöglichen Fehler. Mit anderen Worten werden infolge der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die wahrscheinlichsten Kennlinien ermittelt, wodurch die Auswertung der Vergleichsergebnisse mit größtmöglicher Aussagesicherheit ermöglicht ist.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Erzeugung der Kennlinien nur Werte für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters und den Differenzdruck des ersten Satzes von Wertevektoren verwendet, welche in einem insbesondere ersten vorgebbaren Bereich für den Abgasvolumenstrom und/oder einem vorgebbaren Bereich für die Temperatur des Abgasvolumenstroms erhalten wurden. Auf diese Weise ist eine weitere Verbesserung der Wahrscheinlichkeit für eine Richtigkeit des Diagnoseergebnisses ermöglicht. Vorzugsweise wird für den Volumenstrom ein Bereich zwischen 50 m³/h und 500 m³/h für eine Brennkraftmaschine mit ca. 10 1 Hubraum vorgegeben. Für die Temperatur des Abgasvolumenstroms wird bevorzugt ein Bereich zwischen 150 °C und 550 °C vorgegeben. Die Vorgabe eines Wertebereichs für den Abgasabsolutdruck kann ebenfalls vorgesehen sein. Es kann auch eine wechselseitige Abhängigkeit der zulässigen Wertebereiche von Abgastemperatur, -Druck und -Volumenstrom vorgesehen sein.
Eine weitere Verbesserung des Diagnoseergebnisses wird erreicht, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens für einen Vergleich von Werten für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters und den Differenzdruck des zweiten Satzes von Wertevektoren mit aus den Referenzkennlinien hergeleiteten Druckwerten zur Ermittlung einer Strömungsanomalie nur Werte für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters und den Differenzdruck des zweiten Satzes von Wertevektoren herangezogen werden, welche in einem insbesondere zweiten vorgebbaren Bereich für den Abgasvolumenstrom erhalten wurden. Der Wertebereich wird dabei vorzugsweise in Bezug auf einen vorgegebenen oder ersten vorgebbaren Wertebereich kleiner gewählt. Bevorzugt ist ein Wertebereich mit einer Untergrenze von wenigstens 600 m³/h bis 800 m³/h. Zusätzlich können weitere Beschränkungen für die Verwendung von Werten des zweiten Satzes von Wertevektoren für eine Zulassung für einen Vergleich vorgesehen sein. Insbesondere kann eine Quasistationarität des Brennkraftmaschinenbetriebs gefordert werden, welche durch eine zulässige Schwankungsbreite für Drehzahl und/oder abgegebenes Drehmoment definiert sind.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden als Referenzkennlinien Kennlinien verwendet, welche aus Werten gewonnen sind, die in einem vorgebbaren zeitlichen Abstand nach einer ersten Inbetriebnahme des Partikelfilters und/oder nach einer erzwungenen Partikelfilterregeneration ermittelt wurden. Auf diese Weise werden definierte Vergleichsbedingungen bereitgestellt, bzw. Einlauf- oder Anlaufeffekte ausgeblendet.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockbild eines Abgassystems einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, bei welchem das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren mit Vorteil anwendbar ist und
2 ein Diagramm mit Kennlinien zur Erläuterung einer bevorzugten Vorgehensweise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens.

Die in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines in Bezug auf eine Strömungsanomalie zu diagnostizierenden Abgassystems 1 umfasst hintereinander in Abgasströmungsrichtung 2 angeordnet einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Vorkatalysator 3, einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Hauptkatalysator 4, einen Partikelfilter 5 sowie einen SCR-Katalysator 7. Das Abgassystem 1 ist über eine Abgasleitung 6 an eine vorzugsweise als Dieselmotor in Hubkolbenbauweise ausgeführte Brennkraftmaschine angeschlossen (nicht dargestellt). Falls ein Abgasturbolader vorgesehen ist, ist ein Anschluss an einen Auslass der Abgasturboladerturbine bevorzugt.
Der Vorkatalysator 3 ist vorzugsweise als beschichteter Trägerkatalysator ausgeführt, insbesondere in einer Ausführung als Metallfolienkatalysator. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zumindest abschnittsweise kraft- und materialschlüssige Verbindung mit der Abgasleitung 6, beispielsweise in Form einer Löt- oder Schweißverbindung. Eine Anordnung mit geringem Abstand zum Hauptkatalysator 4 ist dabei bevorzugt.
Der Vorkatalysator 3 ist vorzugsweise relativ klein mit einem Volumen von weniger als 10 % des Hubvolumens der angeschlossenen Brennkraftmaschine ausgeführt und weist bei einem L/D-Verhältnis von weniger als 1,0 eine niedrige Zelldichte von vorzugsweise etwa 50 cpsi auf. Dadurch ergeben sich vergleichsweise niedrige Druckverlustwerte über dem Vorkatalysator 3. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Hauptkatalysator 4 ein L/D-Verhältnis von etwa 1,5 bis 2,25, eine Zelldichte von 300 cpsi bis 400 cpsi sowie einem Volumen, welches etwa dem 1,1- bis 2,2-fachen des Hubvolumens der angeschlossenen Brennkraftmaschine beträgt, auf. Der Hauptkatalysator 4 ist vorliegend mit geringem Abstand zum Partikelfilter 5 mit diesem zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse 8 untergebracht.
Als Partikelfilter 5 kommt vorzugsweise ein so genannter wall-flow-Filter aus SiC-, Cordierit- oder Aluminiumtitanat-Basis zum Einsatz, der mit einer vorzugsweise edelmetallhaltigen katalytischen Beschichtung versehen sein kann. Für eine hohe Aufnahmefähigkeit von Ruß- und Aschepartikeln ist ein möglichst großes Volumen von etwa dem 1,5-fachen des Motorenhubraums vorteilhaft. Da die vorgeschalteten Oxidationskatalysatoren 3, 4 bereits einen gewissen Staudruck bewirken, ist eine hinsichtlich des Abgasgegendrucks optimierte Auslegung des Partikelfilters 5 bevorzugt. Porosität und Größe werden vorzugsweise so festgelegt, dass bei einer Rußbeladung von etwa 5 g/l im überwiegenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein Gegendruck von etwa 100 mbar unterschritten wird.
Der dem Partikelfilter 5 nachgeschaltete SCR-Katalysator 7 ist vorliegend als klassischer SCR-Katalysator auf V₂O₅/WO₃-Basis oder als Zeolith-beschichteter, geträgerter Katalysator ausgebildet. Zwischen dem Partikelfilter 5 und dem SCR-Katalysator 7 ist eine Zugabestelle mit einer Dosiereinheit zur Zugabe eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung 6 angeordnet, was nicht gesondert dargestellt ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Reduktionsmittel zur Unterstützung einer katalytischen Stickoxidverminderung am SCR-Katalysator 7 um eine wässrige Harnstofflösung.
Zur Überwachung bzw. Diagnose des Abgassystems 1 in Bezug auf eine Strömungsanomalie wird vorliegend auf Sensoren zurückgegriffen, welche Betriebsgrößen des Abgassystems 1 und der Brennkraftmaschine erfassen. Insbesondere sind Sensoren für den Absolutdruck stromauf und stromab des Partikelfilters 5 sowie für die Abgastemperatur im Bereich des Partikelfilters 5 vorgesehen. In 1 sind mit den Bezugszeichen 9, 10, 11 jeweils Temperatur- und/oder Absolutdrucksensoren bezeichnet. Die Absolutdruckmessungen können mit unmittelbar eingangs- bzw. ausgangsseitig angeordneten Sensoren oder mit etwas weiter entfernten, beispielsweise im Einlass- bzw. Auslasstrichter des Gehäuses 8 angeordneten Sensoren erfolgen. Nachfolgend wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die Sensoren 10, 11 als Absolutdrucksensoren zur Erfassung der Abgasabsolutdrucke p_v, p_n eingangsseitig bzw. stromauf und ausgangsseitig bzw. stromab des Partikelfilters 5 ausgebildet sind und mit einer oder mehrere der der Sensor 9, 10, 11 eine Erfassung der Temperatur T des durch den Partikelfilter 5 strömenden Abgases erfolgt. Zur Ermittlung einer Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine ist ein Luftmassenmesser in einer Ansaugluftleitung vorgesehen (nicht dargestellt).
Die vorgesehenen Sensoren sind in nicht näher dargestellter Weise an eine elektronische Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, die beispielsweise in ein elektronisches Motorsteuergerät integriert sein kann und in üblicher Weise über Eingabe- und Ausgabe-, Speicher- und Recheneinheiten verfügt. Die Datenverarbeitungseinheit ist in Lage, komplexe Steuerungs- und Berechnungsvorgänge durchzuführen, wobei gegebenenfalls auf abgespeicherte Kennlinien bzw. Kennfelder zurückgegriffen wird. Beispielsweise erfolgt eine Berechnung eines von der Brennkraftmaschine abgegebenen bzw. den Partikelfilter 5 durchströmenden Abgasvolumenstroms Q anhand der messtechnisch erfassten Ansaugluftmenge sowie eines Kraftstoffverbrauchs und gegebenenfalls weiterer Größen.
Zur Diagnose des Abgassystems 1 wird insbesondere wie folgt vorgegangen. Zeitlich getaktet im Abstand von etwa 0,1 s bis 1 s werden Messwerte von den Sensoren eingelesen und Werte für den Absolutdruck p_v stromauf des Partikelfilters 5, den Absolutdruck p_n stromab des Partikelfilters 5, die Abgastemperatur T und den Abgasvolumenstrom Q ermittelt. Zusätzlich wird aus den Werten für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters 5 ein Differenzdruck Δp ermittelt. Der Differenzdruck Δp wird zweckmäßig durch eine Subtraktion gemäß Δp = p_v - p_n ermittelt und gibt den Druckverlust über dem Partikelfilter 5 oder den der Gesamtheit von Hauptkatalysator 4 und Partikelfilter 5 an. Die zu einem Zeitpunkt i ermittelten Werte bilden somit Komponenten eines Wertevektors V_i der Form $V_{i} = [p_{v, i}, p_{n, i}, Δ p_{i}, T_{i}, Q_{i}]$
Die Wertevektoren V_i werden wenigstens temporär abgespeichert. Dabei kann vorgesehen sein, nur solche Wertevektoren V_i zu berücksichtigen, bei deren Erfassung vorgebbare oder vorgegebene Randbedingungen bezüglich des jeweiligen Betriebspunkts eingehalten sind. Diese Randbedingungen können beispielsweise einen Bereich für den Abgasvolumenstrom Q, die Abgastemperatur T, Drehzahl- und/oder Drehmomentänderungen und dergleichen betreffen.
Die Druckwerte p_v, p_n, Δp weisen neben einer Abhängigkeit vom Abgasvolumenstrom Q eine Abhängigkeit von der Abgastemperatur T auf, was deren direkte Bewertung erschwert. Aus diesem Grund erfolgt eine Temperaturnormierung derart, dass die Abhängigkeit von der Abgastemperatur T eliminiert wird. Die Temperaturnormierung berücksichtigt dabei wenigstens die temperaturabhängige dynamische Viskosität µ(T) des Abgases und die temperaturabhängige Dichte p(T) des Abgases, welche in erster Linie die Temperaturabhängigkeit der Druckwerte p_v, p_n, Δp bewirken. Die Temperaturnormierung umfasst bevorzugt eine multiplikative Verknüpfung der erfassten Druckwerte p_v, p_n, Δp mit einem durch p(T) / (µ(T))² definierten Normierungsfaktor. Hierfür werden Werte für die dynamische Viskosität µ(T) des Abgases und die temperaturabhängige Dichte p(T) des Abgases bevorzugt in Form einer Kennlinie vorgehalten. Für den Abgasvolumenstrom Q ist vorzugsweise ebenfalls eine Normierung auf vorgebbare Normbedingungen, beispielsweise 0 °C und 1013 hPa vorgesehen.
Bei Vorliegen einer, beispielsweise durch ein Abdecken eines vorgegebenen Bereichs für den Abgasvolumenstrom Q definierten, vorgebbaren Anzahl von Wertevektoren V_i, werden aus den temperaturnormierten Druckwerten p_v, p_n, Δp dieses vorliegenden Satzes von Wertevektoren Kennlinien K erzeugt, welche jeweils eine Abhängigkeit dieser Werte vom auf Normbedingungen bezogenen Abgasvolumenstrom Q angeben, was nachfolgend anhand 2 näher erläutert wird.
In 2 sind zu verschiedenen Zeitpunkten wie erläutert erzeugte Kennlinien K1, K2, K3 dargestellt. Es ist vorgesehen, eine jeweilige Kennlinie als Referenzkennlinie insbesondere dann abzuspeichern, wenn diese innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Fehlerbandes F liegt. Insbesondere ist eine Berücksichtigung eines Fehlerbandes F vorgesehen, wenn die Kennlinien K zu ausgewählten Zeitpunkten, wie beispielsweise innerhalb eines vorgebbaren zeitlichen Abstands zu einem Neuzustand des Partikelfilters 5 mit Abklingen eines so genannten degreening Prozesses oder zu einem Regenerationsvorgang für den Partikelfilter 5 erzeugt wurden. Beispielsweise möge K1 eine als Referenzkennlinie abgespeicherte, bei einem normalen Betrieb des Partikelfilters 5 erhaltene Kennlinie, nachfolgend als Referenz-Betriebskennlinie bezeichnet, darstellen. Die Kennlinien K2 bzw. K3 können beispielsweise eine im Anschluss an eine erzwungene Partikelfilterregeneration erhaltene bzw. eine im Anschluss an eine Einlaufzeit (degreening) erhaltene Referenzkennlinie darstellen. Die entsprechenden Referenzkennlinien werden nachfolgend als Referenz-Neukennlinie bzw. Referenz-Degreeningkennlinie bezeichnet.
Zur Erzeugung der Kennlinien bzw. der Referenzkennlinien werden die temperaturnormierten Werte des Satzes von Wertevektoren V_i vorliegend einem Kalman-Filteralgorithmus zugeführt. Der Kalman-Filteralgorithmus errechnet fehlerminimierte Kennlinien der Form y = f(x) durch die jeweilige Anzahl von zugehörigen Wertepaare von temperaturnormierten Druckwerten (p_v, p_n, Δp) als y-Werte und zugeordneten x-Werten für den normierten Volumenstrom Q. Bevorzugt werden fehlerminimierte Kennlinien der Form y = A*Q + B*Q² mit y = p_v, p_n, Δp erzeugt.
Nach Vervollständigung eines Satzes von Wertvektoren V_i wird mit der Erfassung eines neuen, zweiten Satzes von Wertvektoren V_i begonnen. Dabei wird bevorzugt analog wie bei der Erfassung des ersten Satzes vorgegangen.
Es kann vorgesehen sein, eine daraus beim normalen Betrieb erhaltene neue Betriebskennlinie K1' für den Differenzdruck Δp mit einer zuvor abgespeicherten Referenz-Betriebskennlinie K1 für den Differenzdruck Δp zu vergleichen. Liegt die neue Differenzdruck-Betriebskennlinie K1' innerhalb des festgelegten Fehlerbandes F, so wird das Abgassystem1 als ordnungsgemäß und fehlerfrei in Bezug auf eine Strömungsanomalie befunden. In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, die seither gültige Referenz-Betriebskennlinie K1 für den Differenzdruck Δp mit der neuen Differenzdruck-Betriebskennlinie K1' zu überschreiben und letztere als neue Referenz-Betriebskennlinie K1 zur Diagnose des laufenden Betriebs vorzuhalten. Ebenso können die weiteren Referenz-Betriebskennlinien K1 für die Drücke p_v, p_n eingangsseitig und ausgangsseitig des Partikelfilters 5 überschrieben werden. Infolge eines wiederholt vorgenommen Überschreibens werden fortlaufend Referenz-Betriebskennlinien K1 erzeugt, welche eine natürlicherweise eintretende allmähliche Akkumulierung von Rußpartikeln und Aschepartikeln im Partikelfilter 5 erfassen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, die erhaltene neue Betriebskennlinie K1' für den Differenzdruck Δp mit einer im Anschluss an einer Filterregeneration erhaltenen korrespondierenden Referenzkennlinie K2 bzw. mit einer Referenz-Neukennlinie K2 und/oder einer Referenz-Degreeningkennlinie K3 für den Differenzdruck Δp zu vergleichen. Liegt die neue Differenzdruck-Betriebskennlinie K1' unterhalb des festgelegten Fehlerbandes F oder in einem vorgebbaren Abstand unterhalb der Referenzkennlinie K2 und/oder K3, so wird auf einen Filterbruch als Strömungsanomalie befunden und eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt. Liegt die neue Differenzdruck-Betriebskennlinie K1' oberhalb des festgelegten Fehlerbandes F oder in einem vorgebbaren Abstand oberhalb der Referenz-Neukennlinie K2, so wird auf einen regenerationsbedürftigen Partikelfilter 5 geschlossen und es wird eine dementsprechende Meldung, insbesondere eine Regenerationsanforderung erzeugt. Vorzugsweise ist vorgesehen, nach jedem erfolgreichen Regenerationsvorgang eine neue Referenz-Neukennlinie K2 für einen frisch regenerierten Partikelfilter 5 zu erzeugen und abzuspeichern. Auf diese Weise ist eine Berücksichtigung einer natürlicherweise allmählich zunehmende Ascheakkumulierung ermöglicht. Ferner ermöglicht diese Vorgehensweise einen Abschluss eines Degreening-Prozesses zu erkennen.
Weiterhin ist vorgesehen, Druckwerte p_v, p_n, Δp des zweiten Satzes von Wertevektoren V_i mit entsprechenden Erwartungswerten für den gleichen normierten Abgasvolumenstrom Q zu vergleichen, die den abgespeicherten zugeordneten Referenz-Betriebskennlinien K1 zu entnehmen sind. Dabei wird insbesondere eine Abweichung durch Unterschreiten eines jeweiligen Fehlerbandes F als Anomalie, bzw. Fehler gewertet.

Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass ein Unterschreitungsfehler-Flag srl = 1 gesetzt wird, wenn bei einer vorgebbaren Anzahl von Werten oder einem vorgebbaren Prozentsatz von Werten des zweiten Satzes von Wertvektoren V_i eine Unterschreitung des entsprechenden Referenzkennlinienwertes über ein vorgebbares Maß hinaus festgestellt wird. Wird keine Unterschreitung festgestellt, so bleibt srl ungesetzt (srl = 0). Es versteht sich, dass eine Vergleichsauswertung zusätzlich an weitere Randbedingungen, wie beispielsweise das Vorliegen eines vorgebbaren Bereichs für Abgasvolumenstrom Q und/oder Abgastemperatur T, geknüpft sein kann. Werden mit K1(p_v), K1(p_n) und K1(Δp) Referenz-Betriebskennlinien K1 für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters 5 sowie für den daraus erhaltenen Differenzdruck Δp bezeichnet, so wird eine Strömungsanomalie entsprechend folgender Fehlermatrix diagnostiziert:

Anomalietyp	Filterbruch	Leckage stromauf Partikelfilter	Leckage stromab Partikelfilter
Vergleich mit
K1 (Δp)	srl = 1	srl = 1	srl = 0
K1 (p_v)	srl = 1	srl = 1	srl = 1
K1 (p_n)	srl = 0	srl = 1	srl = 1

Dabei wird unter der Strömungsanomalie „Leckage stromauf Partikelfilter“ vorliegend insbesondere ein Leck in einem Abschnitt der Abgasleitung 6 stromauf des Vorkatalysators 3, bei fehlendem Vorkatalysator 3 stromauf des Hauptkatalysators 4 verstanden. Eine solche Leckage wird somit diagnostiziert, wenn für Werte für Δp und p_v und p_n als signifikant bewertete Unterschreitungen der aus den entsprechenden Referenz-Betriebskennlinien K1 herleitbaren Druckwerte festgestellt werden. Die Strömungsanomalie „Leckage stromab Partikelfilter“ ist vorliegend als Leck in einem Abschnitt der Abgasleitung 6 zwischen Partikelfilter 5 und SCR-Katalysator 7 zu verstehen. Eine derartige Leckage wird somit dann diagnostiziert, wenn für Werten für p_v und p_n, nicht jedoch für Δp, als signifikant bewertete Unterschreitungen der entsprechenden Referenz-Betriebskennlinienwerte festgestellt werden.
Analog kann vorgesehen sein, Druckwerte p_v, p_n, Δp des zweiten Satzes von Wertevektoren V_i mit entsprechenden Erwartungswerten für den gleichen normierten Abgasvolumenstrom Q zu vergleichen, die den abgespeicherten zugeordneten Referenz-Betriebskennlinien K1 zu entnehmen sind und dabei eine Abweichung durch Überschreiten eines jeweiligen Fehlerbandes F als Anomalie, bzw. Fehler zu werten. Wird ein Überschreitungsfehler durch Setzen eines Fehler-Flags srh markiert, so kann eine Auswertung in Bezug auf eine Strömungsanomalie entsprechend folgender Fehlermatrix vorgesehen sein:

Anomalietyp Filter verstopft SCR-Kat verstopft

Vergleich mit

K1 (Δp) srh = 1 x

K1 (p_v) x x

K1 (p_n) X srh = 1
Auf diese Weise ist eine differenzierende Vergleichsauswertung mit einer umfassenden Abgassystemdiagnose ermöglicht.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Brennkraftmaschinenabgassystems (1) mit einem Partikelfilter (5), mit den Schritten - Ermitteln eines ersten und eines zweiten Satzes einer Vielzahl von Wertevektoren (V_i) mit einander zugeordneten Werten für einen Absolutdruck (p_v) stromauf des Partikelfilters (5), einen Absolutdruck (p_n) stromab des Partikelfilters (5), einen aus den Werten des Absolutdrucks (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) ermittelten Differenzdruck (Δp), einen Abgasvolumenstrom (Q) durch den Partikelfilter (5) und eine Temperatur (T) des Abgasvolumenstroms (Q); - Ermitteln von temperaturnormierten Werten für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) wenigstens für die Werte des ersten Satzes von Wertevektoren (V_i) derart, dass eine Temperaturabhängigkeit für die Werte des Absolutdrucks (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) eliminiert oder annähernd eliminiert ist; - Erzeugen von Kennlinien (K) für jeweils eine Abhängigkeit des Absolutdrucks (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und des Differenzdrucks (Δp) vom Volumenstrom (Q) aus temperaturnormierten Werten des ersten Satzes von Wertevektoren (V_i); - Abspeichern der Kennlinien (K) als Referenzkennlinien; - Vergleich von Werten für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) des zweiten Satzes von Wertevektoren (V_i) mit aus den Referenzkennlinen hergeleiteten Druckwerten; - Auswerten eines Vergleichsergebnisses in Bezug auf eine Strömungsanomalie im Abgassystem (1).
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine differenzierende Auswertung wenigstens in Bezug auf Leckage eines Abgasleitungsleitungsabschnitts stromauf des Partikelfilters (5) oder eine Leckage eines Abgasleitungsleitungsabschnitts stromab des Partikelfilters (5) oder einen Bruch des Partikelfilters (5) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung in Bezug auf eine Verstopfung des Partikelfilters (5) und/oder einer dem Partikelfilter (5) vor- und/oder nachgeschalteten Abgasreinigungseinheit vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Kennlinien (K) für die Abhängigkeit des Absolutdrucks (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und des Differenzdrucks (Δp) vom Volumenstrom (Q) temperaturnormierte Werten des ersten Satzes von Wertevektoren (V_i) einem Kalman-Filteralgorithmus zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Kennlinien (K) nur Werte für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) des ersten Satzes von Wertevektoren (V_i) verwendet werden, welche in einem insbesondere ersten vorgebbaren Bereich für den Abgasvolumenstrom (Q) und/oder einem vorgebbaren Bereich für die Temperatur (T) des Abgasvolumenstroms (Q) erhalten wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Vergleich von Werten für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (Δp) des zweiten Satzes von Wertevektoren (V_i) mit aus Referenzkennlinien hergeleiteten Druckwerten zur Ermittlung einer Strömungsanomalie nur Werte für den Absolutdruck (p_v, p_n) stromauf und stromab des Partikelfilters (5) und den Differenzdruck (_Δp) des zweiten Satzes von Wertevektoren (V_i) herangezogen werden, welche in einem insbesondere zweiten vorgebbaren Bereich für den Abgasvolumenstrom (Q) erhalten wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzkennlinien Kennlinien (K) verwendet werden, welche aus Werten gewonnen sind, die in einem vorgebbaren zeitlichen Abstand nach einer ersten Inbetriebnahme des Partikelfilters (5) und/oder nach einer erzwungenen Partikelfilterregeneration ermittelt wurden.