-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung der Filterwirkung eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei eine Abgastemperatur, ein Abgasvolumenstrom, ein Ausgangssignal eines in dem Abgaskanal nach dem Partikelfilter angeordneten Partikelsensors und die Temperatur des Partikelsensors in einer Steuereinheit erfasst werden und wobei zur Auswertung des Partikelsensors eine Auslösedauer von dem Beginn eines Messzyklus bis zum Erreichen einer Auslöseschwelle des Ausgangssignals bestimmt wird.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bewertung der Filterwirkung eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei in dem Abgaskanal in Abgasrichtung nach dem Partikelfilter ein Partikelsensor angeordnet ist, wobei der Brennkraftmaschine eine Steuereinheit zur Steuerung der Brennkraftmaschine, zur Ansteuerung des Partikelsensors und zur Bestimmung einer Auslösedauer des Partikelsensors zugeordnet ist und wobei Sensorelemente oder Rechenvorschriften in der Steuerung zur Bestimmung einer Abgastemperatur, einer Temperatur des Partikelsensors und eines Abgasvolumenstroms vorgesehen sind.
-
Gesetzliche Vorschriften schreiben heute für den Betrieb von Brennkraftmaschinen die Einhaltung strenger Emissionsgrenzwerte für die entstehenden Abgasbestandteile vor. Um diesen Grenzwerten zu entsprechen, sind in den Abgaskanälen der Brennkraftmaschinen Katalysatoren und Filter vorgesehen, deren Funktion während des Fahrbetriebs, zum Beispiel im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD), zu überwachen ist. Neben den Katalysatoren und Filtern werden dazu eine Vielzahl von Sensoren, beispielhaft in Form von Abgassensoren zur Bestimmung von Bestandteilen des Abgases oder in Form von Temperatursensoren zur Messung der Abgastemperatur, in dem Abgaskanal angeordnet. Die Sensoren dienen der Steuerung der Brennkraftmaschine und der Überwachung der Funktion des Abgas-Nachbehandlungssystems im Rahmen der On-Board-Diagnose (OBD).
-
Für Dieselmotoren werden Partikelfilter in dem Abgaskanal vorgesehen, welche die bei der Verbrennung entstehende Rußpartikel aus dem Abgas filtern. Ist die Speicherkapazität eines solchen Partikelfilters erreicht, werden die angelagerten Rußpartikel während einer Filter-Regenerationsphase verbrannt. Nach und vor dem Partikelfilter angeordnete Partikelsensoren ermöglichen die Überwachung der Funktion des Partikelfilters und bestimmen den Zeitpunkt einer notwendigen Regeneration des Partikelfilters.
-
Partikelsensoren sind beispielhaft in der
DE 10149333 A1 und der
WO 2003006976 A2 beschrieben. Es handelt sich dabei um resistive Partikelsensoren, 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. Durch eine steigende Anzahl von an dem Partikelsensor angelagerten Partikeln werden die Elektroden überbrückt, was sich in einem mit zunehmender Partikelanlagerung abnehmendem elektrischen Widerstand, einer abnehmenden Impedanz oder in einer Veränderung einer mit dem Widerstand beziehungsweise der Impedanz zusammenhängenden 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 Temperaturfühlers, beispielhaft eines aufgedruckten metallischen Mäanders, bestimmt. Nach der Regeneration kann ein erneuter Messzyklus gestartet werden.
-
In der Schrift
DE 10 2005 034 247 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasgrenzwertes eines Verbrennungsmotors mittels einer Motorsteuerung beschrieben, wobei die Motorsteuerung zumindest einen Abgassensor aufweist und wobei ein Fehlersignal bei Überschreitung des Abgasgrenzwertes abgegeben wird. Dabei werden die für den gegenwärtigen Fahrzustand vorhergesagten Emissionen mit Hilfe eines Motormodells ermittelt und mit dem Signal des Abgassensors oder einem daraus hergeleiteten Vergleichswert für die Emission verglichen. Der Abgassensor kann ein hinter einem Partikelfilter angeordneter, sammelnder Partikelsensor sein. Zur Beurteilung, ob der Partikelfilter intakt oder defekt ist, wird der Vergleich eines als Quotient aus der von dem Partikelsensor gemessenen Partikelemission und der modellierter Partikelemission berechneten Emissionsgrades mit einem vorgegebenen Grenzwert vorgeschlagen. Der Grenzwert ist dabei für einen Grenz-Partikelfilter, welcher gerade noch die vorgegebenen Emissionsgrenzwerte während vorgegebener, standardisierter Fahrzyklen einhält, vorgegeben. Das Verfahren ermöglicht die Abgasüberwachung bei gegenüber standardisierten Fahrzyklen zur Festlegung der Grenzwerte abweichenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors.
-
Nachteilig hierbei ist die aufwändige Signalbetrachtung und der ebenfalls aufwändige Abgleich mit einem Signalverhaltenmodell mit dem entsprechenden Rechen- und Speicheraufwand in der Motorsteuerung.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine einfache Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion von Partikelfiltern im Abgaskanal von Brennkraftmaschinen ermöglicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass während des Messzyklus des Partikelsensors über die Auslösedauer zumindest für den Abgasvolumenstrom, die Abgastemperatur und eine Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors jeweils ein Mittelwert gebildet und gespeichert werden und dass aus den Mittelwerten und der Auslösedauer eine nach dem Partikelfilter im Abgas mitgeführte Rußmasse, eine Rußkonzentration oder ein Filterwirkungsgrad bestimmt werden und dass aus der Rußmasse, der Rußkonzentration oder dem Filterwirkungsgrad die Filterwirkung des Partikelfilters bewertet wird. Das Verfahren ermöglicht eine einfache Korrelation des Ausgangssignals des Partikelsensors mit der Filterwirkung des Partikelfilters, ohne dass eine aufwändige Signalbetrachtung und ein Abgleich mit einem Signalverhaltenmodell durchgeführt werden muss. Die nach dem Partikelfilter während der Auslösedauer nachgewiesene Rußmasse, die Rußkonzentration und der Filterwirkungsgrad sind abhängig von der Filterwirkung des Partikelfilters. Dabei zeigt der Filterwirkungsgrad zunächst eine relativ hohe Ungenauigkeit, da kein Abgleich mit einer Rußrohemission erfolgt. Vorteilhaft ist, dass der Abgasvolumenstrom, die Abgastemperatur und die Temperatur des Partikelsensors in Abgaskanälen moderner Brennkraftmaschinen ohnehin überwacht werden. Die Werte liegen somit einer übergeordneten Steuereinheit vor und es müssen zur Durchführung des Verfahrens keine zusätzlichen Komponenten vorgesehen werden. Die Bildung der Mittelwerte während eines Messzyklus des Partikelsensors ist mit geringem Rechenaufwand möglich. Abgasvolumenstrom, Abgastemperatur und die Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors und das zugehörige Ausgangssignal des Partikelsensors korrelieren mit der Partikelemission nach dem Partikelfilter. Aus den Mittelwerten der Größen lässt sich daher unter geeigneten Bedingungen einfach ein ausreichend genauer Wert für die Partikelemission nach Partikelfilter während des Messzyklus in Form der Rußmasse oder der Rußkonzentration oder direkt in dem Filterwirkungsgrad bestimmen.
-
Eine einfache Bestimmung der Rußmasse, der Rußkonzentration oder des Filterwirkungsgrades kann dadurch erreicht werden, dass die Rußmasse, die Rußkonzentration oder der Filterwirkungsgrad aus einem, in der Steuereinheit hinterlegten, ersten Kennfeld aus den Mittelwerten und der Auslösedauer bestimmt werden. Dabei kann das erste Kennfeld als mehrdimensionales Kennfeld in der Steuereinheit hinterlegt sein. Der Partikelsensor stellt mit seinem Signal über die bestimmte Auslösedauer eine Art Vektor dar, der in dem mehrdimensionalen Kennfeld auf die Ebene zur Bestimmung der Emissionen im Messzeitraum aus den Mittelwerten des Abgasvolumenstroms, der Abgastemperatur und der Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors verweist.
-
Bei einem Einsatz der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug kann es vorgesehen sein, dass die Filterwirkung des Partikelfilters aus der aus dem ersten Kennfeld ermittelten Rußmasse bezogen auf die während der Auslösedauer zurückgelegten Fahrstrecke bewertet wird.
-
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass in der Steuereinheit ein zweites Kennfeld für eine Rußrohemission der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Last und Drehzahl hinterlegt wird, dass aus den während des Messzyklus auftretenden Werten für die Last und die Drehzahl der Brennkraftmaschine aus dem zweiten Kennfeld die Rußrohemission bis zum Erreichen der Auslöseschwelle des Partikelsensors bestimmt wird und dass die Filterwirkung des Partikelfilters durch Vergleich der aus dem ersten Kennfeld bestimmten Rußmasse oder Rußkonzentration mit der Rußrohemission bewertet wird. Der Vergleich der aus dem ersten Kennfeld bestimmten Rußemission (Rußmasse oder Rußkonzentration) nach dem Partikelfilter mit der vor dem Partikelfilter vorliegenden Rußrohemission ermöglicht eine genauere Bestimmung der Filterwirkung des Partikelfilters. Das zweite Kennfeld kann während einer Motorapplikation fahrzeugtypisch aufgenommen werden, beispielsweise basierend auf einer spezifischen und typischen Kombination von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine im freien Fahrbetrieb.
-
Ist es vorgesehen, dass die Filterwirkung des Partikelfilters während spezifizierter Betriebszyklen der Brennkraftmaschine bestimmt wird, so kann die Genauigkeit des Verfahrens deutlich verbessert werden. Dies gilt insbesondere für den direkt aus dem ersten Kennfeld ermittelten Filterwirkungsgrad. Die Partikelemission ist stark von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine während des Messzyklus abhängig. Bei starken Last- und Drehzahländerungen während des Messzyklus beschreiben die Mittelwerte des Abgasvolumenstroms, der Abgastemperatur und der Differenz der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors sowie die daraus bestimmte mittlere Partikelemission die tatsächliche Partikelemission nur unzureichend, was zu entsprechenden Fehlern in der Bewertung der Filterwirkung des Partikelfilters führen kann. Für spezifizierte Betriebszyklen mit vorgegebenen Wechseln von Last und Drehzahl während des Messzyklus des Partikelsensors kann die Genauigkeit der Bewertung deutlich verbessert werden. Für mit der Brennkraftmaschine betriebene Kraftfahrzeuge können dazu entsprechende Fahrzyklen spezifiziert sein.
-
Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Filterwirkung lässt sich weiterhin dadurch erhöhen, dass die Filterwirkung des Partikelfilters aus Messzyklen bestimmt wird, welche eine geringe Standardabweichung der Werte des Abgasvolumenstroms, der Abgastemperatur und der Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors aufweisen oder dass Messzyklen mit geringer Standardabweichung der Werte des Abgasvolumenstroms, der Abgastemperatur und der Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors bei der Bewertung der Filterwirkung stärker gewichtet und Messzyklen mit großer Standardabweichung zumidest einer der Größen schwächer gewichtet werden. Die ermittelten Rußemissionswerte und Rußrohemissionswerte weisen eine erhöhte Genauigkeit auf, wenn die während des Messzyklus ermittelten Abgasparameter Abgasvolumenstrom, Abgastemperatur und die Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors nur geringe Varianzen aufweisen.
-
Um die Sicherheit in der Bewertung der Funktion des Partikelfilters zu erhöhen und Fehlinterpretationen bezüglich der Filterwirkung auf Grund einzelner fehlerhafter Messungen zu vermeiden kann es vorgesehen sein, dass zur Bewertung der Filterwirkung des Partikelfilters mehrere Messzyklen des Partikelsensors berücksichtigt werden.
-
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit eine Programmroutine zur Bildung jeweils eines Mittelwertes der Abgastemperatur, des Abgasvolumenstroms und der Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors während der Auslösedauer aufweist und dass in der Steuereinheit ein erstes Kennfeld zur Bestimmung einer Rußmasse, einer Rußkonzentration oder eines Filterwirkungsgrads aus den Mittelwerten und der Auslösedauer des Partikelsensors hinterlegt ist. Das Ausgangssignal des Partikelsensors bildet dabei einen Verweis in den Bereich des mehrdimensionalen ersten Kennfelds, in dem aus den Mittelwerten die Rußemission abgeleitet wird. Da der Steuereinheit moderner Brennkraftmaschinen Sensorsignale zu der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors zugeführt sind und auch die notwendigen Informationen zur Bestimmung des Abgasvolumenstroms vorliegen, kann die Bestimmung der Filterwirkung ohne zusätzliche Komponenten durch eine Softwareerweiterung der Steuereinheit umgesetzt werden. Auf eine aufwändige Signalbetrachtung und einen Abgleich mit einem Signalverhaltensmodell kann so verzichtet werden.
-
Die Bestimmung der Filterwirkung auf Basis der Mittelwerte der Abgastemperatur, des Abgasvolumenstroms und der Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors während der Auslösedauer kann zunächst stark fehlerbehaftet sein. Daher kann es vorgesehen sein, dass in der Steuereinheit ein zweites Kennfeld zur Bestimmung einer Rußrohemission der Brennkraftmaschine aus einer Last und einer Drehzahl vorgesehen ist und dass eine Programmroutine zum Vergleich der Rußmasse oder der Rußkonzentration mit der Rußrohemission während der Auslösedauer zur Bewertung der Filterwirkung vorgesehen ist. Durch den Vergleich der nach dem Partikelfilter bestimmten Rußemission mit einer vor dem Partikelfilter vorliegenden Rußrohemission kann die Genauigkeit des Verfahrens deutlich verbessert werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
-
1 ein Ablaufdiagramm zur Bewertung der Filterwirkung eines Partikelfilters.
-
1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Bewertung der Filterwirkung eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Dazu ist ein resistiver Partikelsensor mit integriertem Temperaturfühler in Abgasrichtung hinter dem zu überwachenden Partikelfilter angeordnet.
-
In einem der eigentlichen Messung vorgeschalteten ersten Funktionsblock 10 erfolgt die Regeneration des Partikelsensors, bei der angelagerte Rußpartikel mit Hilfe eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelementes verbrannt werden und der Partikelsensor in einen definierten Ausgangszustand versetzt wird. In einem zweiten Funktionsblock 11 erfolgt der Start eines Messzyklus. Während des Messzyklus wird in einem vierten Funktionsblock 13 ein Abgasvolumenstrom bestimmt und daraus in einem sechsten Funktionsblock 15 ein Mittelwert für den Abgasvolumenstrom über die Zeit seit Beginn des Messzyklus gebildet. Zeitgleich dazu wird in einem dritten Funktionsblock 12 die Abgastemperatur gemessen und daraus in einem fünften Funktionsblock 14 ein Mittelwert der Abgastemperatur berechnet. Über den in dem Partikelsensor integrierten Temperaturfühler wird in einem siebten Funktionsblock 16 die Temperatur des Partikelsensors bestimmt. In einem achten Funktionsblock 17 wird eine Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors bestimmt und diese in einem neunten Funktionsblock 18 über den Messzyklus gemittelt.
-
Während des Messzyklus erfolgt in einem zehnten Funktionsblock 19 eine Messung des Stromflusses durch das Sensorelement des Partikelsensors. Die elektrische Leitfähigkeit des Sensorelements wird durch die aus dem Abgasstrom an dem Sensorelement angelagerten Partikel bewirkt und ermöglicht den Stromfluss, der daher ein Maß für die Beladung des Partikelsensors und somit des Partikelgehalts in dem Abgas ist. Nach der Regeneration des Partikelsensors im Funktionsblock 10 wird in einer Phase des Messzyklus ohne Stromfluss zunächst eine ausreichende Partikelmenge angelagert um Brücken von Rußpartikeln zwischen den Elektroden des Partikelsensors zu bilden. Nach dieser Phase ohne Stromfluss steigt der Strom durch den Partikelsensor an und es wird in einer Abfrage 20 entschieden, ob der Messzyklus beendet wird. Die Beendigung des Messzyklus erfolgt, wenn der Strom durch den Partikelsensor eine vorbestimmte Auslöseschwelle erreicht oder wenn die Änderung des Stroms einen vorbestimmten Wert erreicht. Als Wert für die Stromänderung kann beispielhaft 10 μA vorgegeben werden. Wird der Messzyklus nicht beendet, wird im Ablaufdiagramm nach den zweiten Funktionsblock 11 verzweigt und der Messzyklus fortgesetzt.
-
Wird in der Abfrage 20 entschieden, dass der Messzyklus beendet wird, wird in einem zwölften Funktionsblock 22 eine Auslösedauer für den Partikelsensor bestimmt, die der Dauer vom Start des Messzyklus bis zum Erreichen der Auslöseschwelle des Partikelsensors entspricht oder die der Dauer für eine vorgegebene Stromänderung von beispielhaft 10 μA entspricht. Anschließend werden in einem dreizehnten Funktionsblock 23 aus einem mehrdimensionalen ersten Kennfeld eine Rußemission aus der Auslösedauer und den in dem fünften, sechsten und neunten Funktionsblock 14, 15, 18 bestimmten Mittelwerten bestimmt. Die Rußemission und eine in einem elften Funktionsblock 21 aus einem zweiten Kennfeld aus Last und Drehzahlwerten bestimmte Rußrohemission werden in einem vierzehnten Funktionsblock 24 verglichen. Aus dem Vergleich im vierzehnten Funktionsblock 24 wird die Filterwirkung des Partikelfilters bewertet und auf eine Einhaltung oder Überschreitung der vorgegebenen Grenzwerte geschlossen.
-
Zur Durchführung des Verfahrens wird nach einer Anforderung der Steuereinheit zu einer Bewertung der Filterwirkung des Partikelfilters zunächst der Partikelsensor regeneriert. Während des darauf folgenden Messzyklus werden die auftretenden Abgasvolumenströme, Abgastemperaturen und Differenzen zwischen Abgastemperaturen und Temperaturen des Partikelsensors aufgezeichnet und für die jeweiligen Parameter und Zustandsgrößen des Abgases Mittelwerte gebildet. Erreicht der Stromfluss durch den Partikelsensor die Auslöseschwelle, werden die aktuellen Mittelwerte und die Auslösedauer vom Beginn des Messzyklus bis zum Erreichen der Auslöseschwelle gespeichert. Aus diesen Werten wird aus dem mehrdimensionalen ersten Kennfeld die nach dem Partikelfilter vorliegende Rußemission in Form einer Rußmasse oder einer Rußkonzentration oder direkt ein Filterwirkungsgrad des Partikelfilters bestimmt. Der Filterwirkungsgrad wird dabei eine relativ hohe Ungenauigkeit aufweisen, da kein Abgleich über eine Rußrohemission durchgeführt wird. Er kann allerdings bei geringen Abweichungen der Abgasparameter vom jeweiligen Mittelwert direkt zur Bewertung der Filterwirkung herangezogen werden. Insbesondere bei einem vorher spezifizierten Fahrzyklus können dabei hohe Genauigkeiten erreicht werden.
-
Aus einem zweiten Kennfeld wird in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine die auftretende Rußrohemission bestimmt. Der Datensatz für das zweite Kennfeld wird vorab in einer, beispielhaft im freien Fahrbetrieb erzeugten, fahrzeugtypischen Bestimmung der Rußrohemission in Abhängigkeit von typischen Last- und Drehzahl-Betriebspunkten der Brennkraftmaschine erzeugt. Durch einen Vergleich der aus dem ersten Kennfeld ermittelten Rußemission nach dem Partikelfilter mit der aus dem zweiten Kennfeld ermittelten Rußrohemission vor dem Partikelfilter wird die Filterwirkung des Partikelfilters bestimmt und mit der Anforderung an einen Grenzpartikelfilter verglichen. Dabei muß berücksichtigt werden, dass die aus einem Last-/Drehzahlregime ermittelten Rußemissionen pro Fahrstrecke oberhalb eines Zertifizierungsgrenzweites liegen dürfen, da die Grenzwerte für Rußemissionen lediglich für ein standardisiertes Last-/Drehzahlregime im Rahmen eines vorgegebenen Fahrzyklus eingehalten werden müssen.
-
Eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der Filterwirkung kann auch dann erreicht werden, wenn die während des Messzyklus ermittelten Abgasparameter Abgasvolumenstrom, Abgastemperatur und Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelsensors nur geringe Varianzen aufweisen. Die Varianz kann zum Beispiel über die Standardabweichung der Mittelwerte bewertet werden. Ergebnisse aus Messzyklen mit hohen Standardabweichungen können vernachlässigt oder mit einer geringeren Gewichtung bewertet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10149333 A1 [0005]
- WO 2003006976 A2 [0005]
- DE 102005034247 [0006]
