DE102011006923A1

DE102011006923A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Diagnose der Funktion eines Partikelsensors

Info

Publication number: DE102011006923A1
Application number: DE201110006923
Authority: DE
Inventors: Andreas Genssle; Markus Gloeckle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Diagnose der Funktion eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es vorgesehen, dass der Partikelsensor zumindest bereichsweise mit einer Funktionsschicht zur Umwandlung von langkettigen Kohlenwasserstoffen in Ruß beschichtet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Diagnose der Funktion eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es vorgesehen, dass dem Partikelsensor zur Diagnose der Funktion langkettige Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe an einer katalytisch wirkenden Funktionsschicht des Partikelsensors in Ruß umgewandelt werden, dass der Ruß an dem Partikelsensor angelagert wird und dass aus dem sich einstellenden Ausgangssignal des Partikelsensors auf dessen Funktion geschlossen wird. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen die sichere und kostengünstige Überwachung der Funktion von Partikelsensoren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Diagnose der Funktion eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Diagnose der Funktion eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine.
Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On-Board-Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften einer interdigitalen Elektrodenstruktur auf Grund von Partikelanlagerungen auswerten. 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 (Interdigitalelektroden) 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.
Aus der DE 103 19 664 A1 ist ein Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, mit mindestens zwei Messelektroden, die auf einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, bekannt. Dabei ist es vorgesehen, dass die Messelektroden von einer Schutzschicht überzogen sind. Durch die Schutzschicht werden die Elektroden bei rauen Umgebungsbedingungen vor Korrosion geschützt. Dabei kann die Schutzschicht elektrisch leitend oder als elektrischer Isolator ausgeführt sein. Eine leitfähige Schutzschicht ermöglicht eine Bestimmung der Partikelkonzentration durch eine resistive Gleichstrommessung, wobei sich eine Parallelschaltung zwischen den Elektroden über die Schutzschicht und die angelagerten Partikel ergibt. Bei einer isolierenden Schutzschicht ist eine Impedanzmessung mit Hilfe einer Wechselspannung erforderlich.
Gesetzliche Anforderungen schreiben vor, dass für Partikelsensoren regelmäßig eine Diagnose der korrekten Funktion durchgeführt werden muss. Dabei muss insbesondere die eigentliche Funktionseinheit des Partikelsensors, in den oben genannten Ausführungsformen beispielsweise die Interdigitalelektroden, überwacht werden.
In der noch nicht veröffentlichten Schrift R.331795 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Überwachung eines resistiven Partikelsensors auf einen Nebenschluss beschrieben, wobei eine Temperaturabhängigkeit eines von dem Beladungszustand des resistiven Partikelsensors abhängigen Messsignals des resistiven Partikelsensors auf Grund einer Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes angelagerter Rußpartikel durch eine Temperaturkompensation korrigiert und ein temperaturkompensiertes Messsignal gebildet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass während eines Messzyklus des Partikelsensors wiederholt eine zeitliche Änderung des temperaturkompensierten Messsignals des Partikelsensors bestimmt wird und dass auf einen Nebenschluss geschlossen wird, wenn die zeitliche Änderung des temperaturkompensierten Messsignals einen vorgegebenen Toleranzbereich über- oder unterschreitet.
In einer weiteren noch nicht veröffentlichten Schrift R.328721 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom beschrieben, wobei der Partikelsensor auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden und ein durch eine Isolationsschicht von den Elektroden getrenntes Heizelement aufweist, mit dem der Partikelsensor in einer Regenerationsphase aufgeheizt und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor entfernt werden kann. Dabei ist es vorgesehen, dass mittels Fremddotierung oder Eigendotierung in der Isolationsschicht unmittelbar unter den Elektroden eine halbleitende Schicht ausgebildet wird und zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen den Elektroden angelegt und ein Eigendiagnosestrom gemessen wird.
Zur Eigendiagnose ist es in einer weiteren Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.318399 vorgesehen, dass der Partikelsensor eine zusätzliche flächige Prüfelektrode aufweist und dass 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 1 925 926 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.
Die bekannten Verfahren ermöglichen es, unter Ausnutzung eines Effektes von flüssigem Wasser auf der Inderdigitalelektrode in der Kaltstartphase beziehungsweise durch Umpolverfahren die Existenz der Interdigitelelektrode nachzuweisen. Nachteilig hierbei ist, dass zur Durchführung der Verfahren komplexe elektronische Beschaltungen innerhalb der für die Partikelsensoren vorgesehenen Steuergeräte vorgenommen werden müssen, wodurch beispielsweise eine Eigendiagnose des Partikelsensors durch elektrisches Umpolen ermöglicht wird. Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Verfahren ist die Gefahr der Schädigung des Sensorelements durch Wassertropfenverdampfung beziehungsweise durch Elektrolyse von Wasser in der Kaltstartphase.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine zuverlässige und kostengünstige Überwachung von Partikelsensoren erlaubt.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Partikelsensor zumindest bereichsweise mit einer Funktionsschicht zur Umwandlung von langkettigen Kohlenwasserstoffen in Ruß beschichtet ist. Dabei ist die Funktionsschicht bevorzugt an den für die Partikelanlagerung gedachten Stellen des Partikelsensors vorzusehen. Werden der Funktionsschicht, beispielsweise über ein entsprechend eingestelltes Abgas, langkettige Kohlenwasserstoffe zugeführt, so werden diese durch einen chemischen Crack-Prozess an der Funktionsschicht in Ruß umgewandelt. Der Ruß lagert sich an den Partikelsensor an, was nach kurzer Zeit ein entsprechendes Messsignal des Partikelsensors bewirkt. Aus dem Vorliegen des Messsignals kann auf die Funktionsfähigkeit des Partikelsensors geschlossen werden. Die Diagnose des Partikelsensors kann beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Diagnose erfolgen, während der das Abgas gezielt für die Rußbildung eingestellt wird. Bei regulärem Betrieb der Brennkraftmaschine ist der Anteil an langkettigen Kohlenwasserstoffen im Abgas an der Position des Partikelsensors, welcher üblicherweise nach einem Oxidationskatalysator und einem Partikelfilter angeordnet ist, so gering, dass keine das Messsignal verfälschende Rußbildung an der Funktionsschicht erfolgt.
Eine wirksame Umsetzung der langkettigen Kohlenwasserstoffe in Ruß kann dadurch erreicht werden, dass die Funktionsschicht als Zeolith, vorzugsweise insbesondere als H-Erionit, H-ZSM-5, β-Zeolith oder Y-Zeolith, ausgebildet ist. Zeolithe sind in geeigneter Ausführung und Oberflächenmodifikation sehr effiziente Crack-Katalysatoren für Kohlenwasserstoffe und können daher zur Rußerzeugung verwendet werden.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der sammelnde Partikelsensor auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden aufweist und dass die Oberfläche und/oder die Elektroden mit der Funktionsschicht beschichtet sind. Durch die Funktionsschicht wird aus den Kohlenwasserstoffen Ruß gebildet, welcher sich auf der Oberfläche des Partikelsensors ablagert und elektrische Brücken zwischen den Interdigitalelektroden ausbildet. Dies ermöglicht einen Stromfluss zwischen den Interdigitalelektroden, welcher als Ausgangssignal des Partikelsensors für die Funktionsdiagnose verwendet werden kann. So kann sowohl die Funktionsfähigkeit wie auch die Existenz der Interdigitalelektroden nachgewiesen werden. Ruß wird durch Stickstoffdioxid entsprechend der chemischen Reaktion 2NO₂ + C → 2NO + CO₂ abgebaut. Um den Abbau des mit Hilfe der Funktionsschicht gebildeten Rußes zu vermeiden kann es vorgesehen sein, dass die interdigitalen Elektroden aus einem für die Umwandlung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid nicht oder geringfügig katalytisch wirkendem Material, insbesondere aus Palladium, Gold, Rhodium, Ruthenium oder einer Platin-Palladium-Legierung mit hohem Palladium-Anteil, gefertigt sind. In unmittelbarer Nähe des Partikelsensors wird so aus dem in dem Abgas geführten Stickstoffmonoxid kein zusätzliches Stickstoffdioxid gebildet und so der Rußabbau an dem Partikelsensor zumindest vermindert.
Eine weitere Möglichkeit, den Abbau des mit Hilfe der Funktionsschicht gebildeten Rußes zu vermeiden oder zumindest zu verringern besteht darin, dass der Partikelsensor zumindest teilweise mit einer Stickoxid speichernden Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung verhindert, dass in dem Abgas enthaltenes Stickstoffdioxid direkt zum Abbau des Rußes beiträgt.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass dem Partikelsensor zur Diagnose der Funktion langkettige Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe an einer katalytisch wirkenden Funktionsschicht des Partikelsensors in Ruß umgewandelt werden, dass der Ruß an dem Partikelsensor angelagert wird und dass aus dem sich einstellenden Ausgangssignal des Partikelsensors auf dessen Funktion geschlossen wird. Die Funktionsschicht kann zum Beispiel als Zeolith, vorzugsweise als H-Erionit, H-ZSM-5, β-Zeolith oder Y-Zeolith, ausgebildet sein, welche als sehr effiziente Crack-Katalysatoren für Kohlenwasserstoffe bekannt sind. Das Verfahren ermöglicht es, gezielt Ruß auf dem Partikelsensor zu deponieren. Dazu ist es notwendig, während der Diagnose, beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Diagnose, den Anteil an langkettigen Kohlenwasserstoffen in dem Abgas im Bereich des Partikelsensors deutlich über den bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine üblichen Wert zu steigern. Durch die Funktionsschicht werden die Kohlenwasserstoffe in Ruß umgewandelt, welcher sich zumindest teilweise auf dem Partikelsensor ablagert. Dies führt nach kurzer Betriebszeit zu einer messbaren Änderung des Ausgangssignals des Partikelsensors. Auf Grund dieser Änderung kann die Funktion des Partikelsensors überprüft und nachgewiesen werden. So stellt sich beispielsweise bei einem sammelnden Partikelsensor mit zwei auf einem Substrat aufgebrachten, ineinander greifenden Interdigitalelektroden als Sensorelement ein Stromfluss durch die durch den angelagerten Ruß gebildeten Rußbrücken zwischen den beiden Interdigitalelektroden ein, welcher als Nachweis für die Existenz und die Funktion der Interdigitalelektroden verwendet werden kann. Das Verfahren ermöglicht es, durch Verwendung geeigneter Partikelsensoren mit einer katalytisch wirkenden Funktionsschicht und durch beispielsweise eine einfache Softwareerweiterung einer übergeordneten Motorsteuerung zur aktiven Verstellung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, die Funktion des Partikelsensors kostengünstig zu überwachen. Die Verstellung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine dient dabei der Bereitstellung der benötigten langkettigen Kohlenwasserstoffe zur Ausbildung des Rußes.
Eine Anreicherung des Abgases mit langkettigen Kohlenwasserstoffen lässt sich dadurch erreichen, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe durch z. B. eine Nacheinspritzung (Pol 1) bei niedrigen Abgastemperaturen bereitgestellt werden. Vorteilhaft erfolgt die Nacheinspritzung bei tiefen Abgastemperaturen unter 200°C, so dass ein hoher HC-Schlupf durch dem Partikelsensor vorgeschaltete, katalytisch beschichtete Abgaskomponenten, wie beispielsweise durch einen Diesel-Oxidations-Katalysator (DOC) oder durch einen katalytisch beschichteter Diesel-Partikelfilter (cDPF), vorliegt.
Eine weitere Möglichkeit, zur Diagnose der Funktion des Partikelfilters eine ausreichende Menge an langkettigen Kohlenwasserstoffen anzubieten besteht darin, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda < 1 bereitgestellt werden. Dies kann durch eine Drosselung der Luftzufuhr, einer erhöhten Menge der Brennkraftmaschine zugeführtem Kraftstoff oder durch eine erhöhte Abgasrückführung erfolgen. Unter den sich einstellenden, fetten Betriebsbedingungen ist der für das Verfahren erforderliche HC-Durchbruch nach einem Diesel-Oxidations-Katalysator und einem katalytisch beschichteten Partikelfilter besonders leicht zu realisieren, da fast keine Oxidation der Kohlenwasserstoffe an dem Diesel-Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter erfolgt. Unter diesen Betriebsbedingungen ist es weiterhin möglich, dass Komponenten des Partikelsensors aus Edelmetall, beispielsweise die Interdigitalelektroden, aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen selbst größere Mengen an Ruß in Dehydrierungsreaktionen gemäß der chemischen Reaktion H_nC_m + Edelmetall → n/2 H₂ + mC + Edelmetall erzeugen, welcher zusätzlich zu dem von der Funktionsschicht erzeugten Ruß für die Funktionskontrolle des Partikelsensors verwendet werden kann.
Um den Abbau des mit Hilfe der Funktionsschicht gebildeten Rußes entsprechend der chemischen Reaktion 2NO₂ + C → 2NO + CO₂ zu vermeiden kann es vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine während der Diagnose in einem Betriebspunkt betrieben wird, bei dem wenig NO_x im Abgas enthalten ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Partikelsensor in einer Explosionsdarstellung,
2 schematisch einen Schnitt durch den Partikelsensor mit einem ausgebildeten Russpfad,
3 schematisch das technische Umfeld, in dem der erfindungsgemäße Partikelsensor und das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden können.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 10 in einer Explosionsdarstellung.
Auf Isolationsträgerschichten 11, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 13 aufgebracht. Die Elektroden 12, 13 sind in Form zweier ineinander greifender, interdigitaler Kammelektroden ausgeführt.
In dem gezeigten Beispiel ist zwischen den Isolationsträgerschichten 11 ein Heizelement 14 integriert.
Wird ein solcher Partikelsensor 10 in einem Partikel führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors, betrieben, so lagern sich Partikel aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 10 ab. Im Falle des Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln um Rußpartikel 16 mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Diese bilden bei ausreichender Beladung des Partikelsensors 10 leitfähige Brücken zwischen den Elektroden 12, 13 aus. Die Ablagerungsrate der Partikel an den Partikelsensor 10 hängt von der Partikelkonzentration in dem Abgas ab. Durch Messung des zeitlichen Verlaufs des Stromes beziehungsweise durch Messung der Zeit von dem Beginn eines Messzyklus bis zum Erreichen eines als Auslöseschwelle bezeichneten Stromes zwischen den beiden Elektroden 12, 13 bei einer anliegenden, konstanten Spannung kann auf die Partikelablagerung und somit auf die Partikelkonzentration in dem Abgas geschlossen werden. Dies ermöglicht beispielsweise die Überwachung der Funktion eines dem Partikelsensor 10 vorgeschalteten Partikelfilters.
Nach Abschluss eines Messzyklus werden die an dem Partikelsensor 10 angelagerten Partikel im Rahmen eines Regenerationszyklus verbrannt. Dazu wird die Temperatur des Partikelsensors 10 mit Hilfe des Heizelements 14 entsprechend erhöht.
Auf Grund von gesetzlichen Vorgaben muss die Funktion des Partikelsensors 10 überwacht werden. Erfindungsgemäß ist dazu der Bereich des Partikelsensors 10, an dem die Anlagerung der Partikel aus dem Abgas erfolgt, mit einer katalytisch wirksamen Funktionsschicht 15 überzogen. Die Funktionsschicht 15 ist dafür ausgelegt, langkettige Kohlenwasserstoffe zu cracken und dabei Rußpartikel 16 zu generieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Funktionsschicht aus einem Zeolith hergestellt.
Zur Diagnose der Funktion des Partikelsensors 10 werden dem Partikelsensor 10 über das Abgas langkettigen Kohlenwasserstoffen zugeführt. Diese werden von der katalytisch wirksamen Funktionsschicht 15 in Ruß umgewandelt, welcher die beiden Elektroden 12, 13 elektrisch verbindet. Dies führt unmittelbar und nach kurzer Betriebszeit zu einem messbaren Anstieg des Stroms zwischen den beiden Elektroden 12, 13. Durch den Nachweis dieses Stromes nach Zuführung der langkettigen Kohlenwasserstoffe kann die Existenz und die Funktion der Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10 nachgewiesen werden.
2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Partikelsensor 10 mit einem ausgebildeten Rußpfad 17. Dabei sind die gleichen Bezeichnungen wie in 1 eingeführt verwendet, wobei auf die Darstellung des Heizelementes 14 verzichtet wurde. Die Funktionsschicht 15 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden 12, 13 angeordnet. Aus dem Partikelsensor 10 zugeführten langkettigen Kohlenwasserstoffen wurde durch die katalytisch wirksame Funktionsschicht 15 Ruß gebildet, welcher die beiden Elektroden 12, 13 in Form des dargestellten Rußpfades 17 elektrisch verbindet. Solche durch die Zuführung von langkettigen Kohlenwasserstoffen gebildete Russpfade 17 ermöglichen einen Stromfluss zwischen den beiden Elektroden 12, 13, welcher zum Nachweis der Existenz und der Funktion der Elektroden 12, 13 verwendet werden kann.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Funktionsschicht 15 auch die Elektroden 12, 13 bedeckt. Ist durch die isolierende Funktionsschicht 15 kein Stromfluss möglich, so kann die Bestimmung der Partikelbeladung sowohl für die reguläre Messung des Partikelgehaltes des Abgases wie für die Diagnose der Funktion des Partikelsensors durch eine Impedanzmessung zwischen den Elektroden 12, 13 mit Hilfe einer Wechselspannung erfolgen.
Um einen Abbau des gezielt erzeugten Rußes durch in dem Abgas enthaltenes Stickstoffdioxid NO₂ entsprechend der Reaktion 2NO₂ + C → 2NO + CO₂ zu vermeiden, sind die Elektroden 12, 13 aus einem Material gefertigt, welches die Oxidation von NO zu NO₂ gemäß der Reaktion NO + ½O₂ ←→ NO₂ nicht oder nur geringfügig katalysiert. Dies verhindert, dass in unmittelbarer Nähe des Partikelsensors 10 zusätzliches Stickstoffdioxid aus in dem Abgas enthaltenem Stickstoffmonoxid gebildet wird. Geeignete Materialien dafür sind Pd, Au, Rh, Ru oder hoch Pd-haltige Pt/Pd-Legierungen mit einem Pt/Pd-Gewichtsverhältnis von kleiner 1.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der Partikelsensor 10 aus einem NO_x beziehungsweise Stickstoffdioxid speichernden Material aufgebaut beziehungsweise mit einem solchen Material beschichtet ist, um so die NO₂-Konzentration im Bereich des Partikelsensors 10 niedrig zu halten. 3 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem der erfindungsgemäße Partikelsensor 10 und das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden können. Eine als Dieselmotor ausgeführte Brennkraftmaschine 10 bekommt Verbrennungsluft in Form eines Zuluftstroms 31 über einen Zuluftkanal 30 zugeführt. Entlang des Zuluftkanals 30 sind in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft ein Heißfilmluftmassensensor HFM 32, eine Kompressionsstufe 51 eines Turboladers 50 und eine Drosselklappe 33 angeordnet.
Ein Abgasstrom 44 der Brennkraftmaschine 20 wird in einem zu einem Abgasnachbehandlungssystem 40 gehörenden Abgaskanal 41 geführt. Dabei sind in Strömungsrichtung des Abgases entlang des Abgaskanals 30 eine Abgasturbine 52 des Turboladers 50, ein Diesel-Oxidationskatalysator 42, ein katalytisch beschichteter Partikelfilter 43 und ein mit der beschriebenen, katalytisch wirksamen Funktionsschicht versehener Partikelsensor 10 angeordnet.
Der Abgaskanal 41 ist über eine Abgasrückführung 21 mit dem Zuluftkanal 30 verbunden.
Zum Betrieb der Brennkraftmaschine 20 wird die angesaugte Menge an Verbrennungsluft mittels des Heißfilmluftmassensensors HFM 32 bestimmt und von der Kompressionsstufe 51 des Turboladers 50 verdichtet. Die Drosselklappe 33 stellt die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge ein.
Nach der Brennkraftmaschine 20 wird das entstandene Abgas durch das Abgasnachbehandlungssystem 40 gereinigt und an die Umgebung abgegeben. Ein Teil des Abgases wird zur Reduzierung von Emissionen über die Abgasrückführung 21 der Verbrennungsluft zugemischt.
Das Abgas treibt zunächst über die Abgasturbine 52 den Turbolader 50 an. Anschließend werden in dem Diesel-Oxidationskatalysator 42 in dem Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert. In dem nachfolgenden Partikelfilter 43 werden Feststoffe aus dem Abgas adsorbiert und in wiederholt durchgeführten Regenerationszyklen verbrannt. Durch die katalytische Beschichtung des Partikelfilters 43 werden auch hier Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert.
Die nach dem Partikelfilter 43 in dem Abgas enthaltene Partikelmenge wird durch den Partikelsensor 10 bestimmt. Dabei ist der Partikelsensor 10 als sammelnder Partikelsensor 10 mit zwei ineinander greifenden interdigitalen Elektroden 12, 13 und mit einer Funktionsschicht 15, wie in den 1 und 2 dargestellt, ausgeführt. Im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 20 überwacht der Partikelsensor 10 die Funktion des Partikelfilters 43. Während dieses normalen Betriebes liegen nach dem Diesel-Oxidationskatalysator 42 und nach dem Partikelfilter 43 sehr wenige Kohlenwasserstoffe in dem Abgas vor, wobei diese zumeist kurzkettig sind. Daher kann sich während des normalen Betriebes der Brennkraftmaschine 20 kein Ruß an der katalytisch wirksamen Funktionsschicht 15 des Partikelsensors 10 aktiv bilden.
Zur Diagnose der Funktion des Partikelsensors 10, wie zu 1 und 2 beschrieben, muss die Konzentration an langkettigen Kohlenwasserstoffen im Bereich des Partikelsensors 10, also nach dem Diesel-Oxidationskatalysator 42 und dem Partikelfilter 43, erhöht werden. Dies erfolgt durch gezieltes Einstellen von motorischen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 20.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Konzentration langkettiger Kohlenwasserstoffe nach dem Partikelfilter 43 besteht darin, eine angelagerte Nacheinspritzung (Pol 1) bei tiefen Abgastemperaturen einzustellen. Dies erfolgt vorteilhaft bei Abgastemperaturen unter 200°C, wobei der Diesel-Oxidationskatalysator 42 und der katalytisch beschichtete Partikelfilter 43 bevorzugt bei hohen Raumgeschwindigkeiten (> 120000/h) betrieben werden. Unter diesen Bedingungen erfolgt nur ein partieller Kohlenwasserstoffumsatz an dem Diesel-Oxidationskatalysator 42 und dem Partikelfilter 43, wodurch ein hinreichender Schlupf an Kohlenwasserstoffen nach Partikelfilter 43 erzeugt wird.
Alternativ oder zusätzlich zur Nacheinspritzung (Pol 1) kann zur Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen auch ein fetter Betrieb der Brennkraftmaschine 20, beispielsweise durch eine Drosselung mit Hilfe der Drosselklappe 33 oder durch eine erhöhte Menge an über die Abgasrückführung 21 zurückgeführtem Abgas, eingestellt werden. Bei einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine 20 mit einem Lambda < 1 ist der für das beschriebene Verfahren notwendige HC-Durchbruch nach dem Diesel-Oxidationskatalysator 42 und dem Partikelfilter 43 besonders leicht zu realisieren, da fast keine Oxidation der Kohlenwasserstoffe an dem Diesel-Oxidationskatalysator 42 und dem Partikelfilter 43 erfolgt. Unter diesen Bedingungen sind auch die aus Edelmetall gefertigten interdigitalen Elektroden 12, 13 in der Lage, aus unverbrannte Kohlenwasserstoffen größere Mengen an Ruß in Dehydrierungsreaktionen gemäß der Reaktionsgleichung H_nC_m + Edelmetall → n/2H₂ + mC + Edelmetall zu generieren, welcher zusätzlich zu dem durch die Funktionsschicht 15 erzeugten Ruß zu dem gewünschten Effekt beiträgt.
Die erfindungsgemäße Diagnose der Funktion von sammelnden Partikelsensoren 10 erfolgt somit durch eine chemische Veränderung der Oberfläche des Partikelsensors 10 derart, dass Ruß aus in dem Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen katalytisch erzeugt und an dem Partikelsensor 10 abgelagert wird, und durch eine gezielte Erhöhung der Konzentration von Kohlenwasserstoffen im Bereich des Partikelsensors 10.
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 10133384 A1 [0004]
DE 10319664 A1 [0005]
EP 1925926 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zur Diagnose der Funktion eines sammelnden Partikelsensors (10) zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (10) zumindest bereichsweise mit einer Funktionsschicht (15) zur Umwandlung von langkettigen Kohlenwasserstoffen in Ruß beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (15) als Zeolith, vorzugsweise als H-Erionit, H-ZSM-5, β-Zeolith oder Y-Zeolith, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sammelnde Partikelsensor (10) auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden (12, 13) aufweist und dass die Oberfläche und/oder die Elektroden mit der Funktionsschicht (15) beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Elektroden (12, 13) aus einem für die Umwandlung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid nicht oder geringfügig katalytisch wirkendem Material, insbesondere aus Palladium, Gold, Rhodium, Ruthenium oder einer Platin-Palladium-Legierung mit hohem Palladium-Anteil gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (10) zumindest teilweise mit einer Stickoxid speichernden Beschichtung versehen ist.
Verfahren zur Diagnose der Funktion eines sammelnden Partikelsensors (10) zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass dem Partikelsensor (10) zur Diagnose der Funktion langkettige Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe an einer katalytisch wirkenden Funktionsschicht (15) des Partikelsensors (10) in Ruß umgewandelt werden, dass der Ruß an dem Partikelsensor (10) angelagert wird und dass aus dem sich einstellenden Ausgangssignal des Partikelsensors (10) auf dessen Funktion geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe durch eine Nacheinspritzung bei niedrigen Abgastemperaturen bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die langkettigen Kohlenwasserstoffe durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine (20) bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda < 1 bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (20) während der Diagnose in einem Betriebspunkt betrieben wird, bei dem wenig NO_x im Abgas enthalten ist.