DE102011077097A1

DE102011077097A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102011077097A1
Application number: DE102011077097A
Authority: DE
Inventors: Dirk Stahl; Markus Braeuning; Damien Bouvier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13
Also published as: FR2976321A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei eine als Ruß-Beladung des Partikelfilters ermittelte Partikelfilter-Beladung mit Hilfe eines Partikelsensors, aus Differenzdruckmessungen und/ oder aus einem Ruß-Beladungsmodell prognostiziert wird und aufgrund des Diagnoseergebnisses ein Regenerationsvorgang des Partikelfilters eingeleitet wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine Validierung des Diagnoseergebnisses für den Partikelfilter hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit anhand einer Abhängigkeit der Partikelfilter-Beladung und eines Abgasvolumenstroms im Abgaskanal oder eines Gradienten des Abgasvolumenstroms durchgeführt wird und abhängig von dieser Validierung der Partikelfilter als funktionsfähig oder defekt oder das Diagnoseergebnis für den Partikelfilter als nicht verwertbar eingestuft wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem vorgestellten Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann eine sichere, zuverlässige und robuste Diagnose ermöglicht werden, so dass die Anforderungen seitens der Gesetzgebung an eine zuverlässige On-Board-Diagnose erfüllt werden können.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei eine als Ruß-Beladung des Partikelfilters ermittelte Partikelfilter-Beladung mit Hilfe eines Partikelsensors, aus Differenzdruckmessungen und/ oder aus einem Ruß-Beladungsmodell prognostiziert wird und aufgrund des Diagnoseergebnisses ein Regenerationsvorgang des Partikelfilters eingeleitet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Häufig werden Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen aber zukünftig wahrscheinlich auch Brennkraftmaschinen nach dem Ottoprinzip mit Direkteinspritzung, mit Abgasnachbehandlungssystemen ausgerüstet, die insbesondere einen Partikelfilter umfassen können. Dieser Partikelfilter setzt sich während des Betriebs mit Ruß zu und muss daher in bestimmten zeitlichen Abständen regeneriert werden.
Dafür sind Steuer- und Kontrolleinrichtungen erforderlich, in denen das Management für die Partikelfilter-Regeneration implementiert ist. Die Funktionalität kann dabei in drei Basis-Funktionsblöcke aufgeteilt werden:

• Abschätzen der Rußbeladung, welche im Partikelfilter gespeichert ist,
• Steuerung/Kontrolle der aktiven Regeneration und
• Koordination der Regeneration innerhalb der verschiedenen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine.

Der letzte Funktionsblock hat zum Ziel, die Regeneration so schnell wie möglich zu starten, wenn ein bestimmter Wert für die Rußbeladung erreicht oder überschritten wird. Dies muss allerdings unter günstigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgen. Der Funktionsblock Steuerung/Kontrolle der aktiven Regeneration umfasst alle Kontrollmaßnahmen an der Brennkraftmaschine, die eine Oxidation der im Partikelfilter gespeicherten Rußpartikel ermöglicht. Dieser Prozess wird periodisch ausgeführt, um den Partikelfilter vom Ruß frei zu brennen.
Der Partikelsensor (PM-Sensor) dient zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern. Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften einer interdigitalen Elektrodenstruktur (IDE) 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 beispielsweise in der DE 201 13 384 A1 beschrieben.
Die maximale Rußbeladung des Partikelfilters hängt entscheidend vom Substratmaterial des Filters, wie beispielsweise der Porosität, der Zelldichte, und der Geometrie der Kanäle, und insbesondere von der Schmelztemperatur sowie von der thermischen Kapazität ab.
Die Hitzefreisetzung während der Regeneration ist proportional zur Rußbeladung im Partikelfilter und ist entscheidend verantwortlich für die maximale Temperatur im Partikelfilter.
Konventionelle Regenerationsstrategien am Beispiel eines Dieselmotors gehen von speziellen Einspritzprofilen und Luftdurchsätzen aus, so dass eine erhöhte Temperatur im Abgaskanal der Brennkraftmaschine erzielt wird und die Oxidation des Rußes erfolgen kann. Hierfür werden eine Vielzahl von Maßnahmen ergriffen, da die notwendigen hohen Abgastemperaturen von 600° C bis 650° C im normalen Betrieb eines Diesel-Motors nur nahe der Volllast erreicht werden. Insbesondere im Fall niedriger Motorlasten und Drehzahlen sind neben Luftsystemeingriffen (Drosselklappe) einspritzseitige Maßnahmen erforderlich, um o.g. Temperaturbereich einzustellen. Dazu gehören Maßnahmen, wie eine Spätverschiebung der Haupteinspritzmenge (MI), das Absetzen einer im Motor brennenden Nacheinspritzung (Pol2) und das Absetzen einer am Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) verbrennenden Nacheinspritzung (Pol1). Dabei muss ein bestimmter Rest-Sauerstoffgehalt im Abgas garantiert werden, um diese Oxidation zu ermöglichen.
In der EP 1 364 110 B1 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben, die einen in einem Abgasnachbehandlungssystem angeordneten Partikelfilter enthält, bei dem ein Regenerierungsvorgang zur Verminderung der Beladung des Partikelfilters vorgesehen ist, wobei eine Kenngröße (die Filtertemperatur TF) in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebskenngröße (Drehzahl N, eingespritzte Kraftstoffmenge QK, angesaugte Luftmenge ML und/ oder Sauerstoffkonzentration 02) der Brennkraftmaschine und wenigstens einer Betriebskenngröße (Abbrandgeschwindigkeit AV, angesaugte Luftmasse ML, Abgastemperatur TA und/ oder Beladungszustand DP) des Partikelfilters ermittelt wird, welche eine zukünftige Intensität einer Reaktion im Partikelfilter charakterisiert. Dabei ist vorgesehen, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes durch die Kenngröße TF wenigstens eine Maßnahme ergriffen wird, welche die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine vermindert, mit dem Ziel, dass die Kenngröße TF den Schwellenwert nicht erreicht.
Die Dauer der Regeneration hängt von der Ruß-Oxidationsrate und der Rußmenge im Partikelfilter ab. Haupteinflussfaktoren für die Oxidationsrate sind der Sauerstoffgehalt und die Temperatur des Filtersubstrates.
Aufgrund von Verschärfungen der gesetzlich zulässigen Partikelemissionen wird es zur Erfüllung zukünftiger Abgasnormen nicht mehr möglich sein, die Effizienzminderung eines Partikelfilters mittels eines Differenzdrucksensors zu diagnostizieren. Mit Hilfe des PM-Sensors kann eine entsprechend geringere Effizienzminderung des Partikelfilters erkannt werden. Allerdings ist das Signalverhalten des PM-Sensors von dem Beladungszustand des beschädigten Partikelfilters und von dem Abgasvolumenstrom bzw. von sehr starken Gradienten im Volumenstromverlauf abhängig. Daher wird das Modell für das Signalverhalten des PM-Sensors mit einem beladungs- und volumenstromabhängigen Kennfeld korrigiert.
Aufgrund dieser Beladungsabhängigkeit wird die Diagnosegenauigkeit mittels eines PM-Sensors wegen folgender Ursachen verschlechtert:

• Der Beladungszustand des Partikelfilters ist ein Schätzwert, der sehr ungenau sein kann
• Der Einfluss der Beladung des Partikelfilters und des Abgasvolumenstroms hängt vom Schadensbild des Partikelfilters ab, wobei das Schadensbild des Partikelfilters jedoch sehr unterschiedlich sein kann, so dass der Einfluss der Beladungsabhängigkeit vom jeweiligen Schadensbild abhängt.

Folgende Risiken können derzeit bei der Diagnose auftreten:

• Ein i.O.-Partikelfilter (ein maximal leicht beschädigter Partikelfilter mit Partikelemission < OBD-Grenzwert) wird als defekt erkannt, was einem unberechtigten Fehlereintrag entspricht oder
• Ein defekter Partikelfilter (ein beschädigter Partikelfilter mit Partikelemission ≥ OBD-Grenzwert) wird als i.O. erkannt („false passed“).

Aus diesem Umstand folgt, dass zurzeit im Extremfall das Abgasreinigungssystem nicht OBD-konform appliziert werden kann, was das Risiko eines Zulassungsentzugs in sich birgt. Zudem ist die Diagnosezuverlässigkeit auch vom Fahrzustand (z.B. Stadtverkehr oder Autobahnfahrt) abhängig, da der Abscheidegrad eines Partikelfilter-Grenzmusters, d.h. eines beschädigten Partikelfilters mit einer Partikelruß-Emissionen gerade unterhalb des OBD-Grenzwertes, und damit auch das PM-Sensorsignal abhängig von der Partikelfilter-Beladung und vom Abgasvolumenstrom ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, mit einem Diagnoseverfahren die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Diagnose zu steigern, um die oben genannten Risiken zu vermeiden.
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 10 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass eine Validierung des Diagnoseergebnisses für den Partikelfilter hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit anhand einer Abhängigkeit der Partikelfilter-Beladung und eines Abgasvolumenstroms im Abgaskanal oder eines Gradienten des Abgasvolumenstroms durchgeführt wird und abhängig von dieser Validierung der Partikelfilter als funktionsfähig oder defekt oder das Diagnoseergebnis für den Partikelfilter als nicht verwertbar eingestuft wird. Mit dem vorgestellten Verfahren kann eine sichere, zuverlässige und robuste Diagnose ermöglicht werden, so dass die Anforderungen seitens der Gesetzgebung an eine zuverlässige On-Board-Diagnose insbesondere bei Dieselmotoren erfüllt werden können. Dies gilt insbesondere für Forderungen in den USA sowie für die Verschärfung der Abgasnorm in Europa (Euro 6). Dies führt zur Minimierung des Risikos von „False Pass“-Diagnosen und damit zur Senkung von Reparatur- bzw. Kulanzkosten bei den Automobilherstellern sowie zu einer höheren Kundenzufriedenheit von Fahrern von Fahrzeugen, wie PKW, LKW oder Off-Road-Fahrzeugen mit Partikelfilter.
Da die Beladung des zur Diagnose verwendeten Partikelsensors (PM-Sensors), d.h. die Zeit zwischen zwei PM-Sensor-Regenerationen, mehrere Minuten dauern kann, muss dieser gesamte Zeitraum für die Bewertung der Diagnosezuverlässigkeit berücksichtigt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass in einer bevorzugten Verfahrensvariante zur Validierung ein Kennfeldausgang über die Partikelfilter-Beladung und dem Abgasvolumenstrom oder dem Gradienten des Abgasvolumenstroms integriert und das Ergebnis dieser Integration mit einem Schwellwert für eine Freigabe AA für die Partikelfilter-Beladung verglichen wird.
Dabei ist vorgesehen, dass bei Unterschreitung dieses Schwellwertes für die Freigabe AA das Diagnoseergebnis als zuverlässig eingestuft wird, was einem Fall A entspricht. Mit dieser ersten Plausibilisierung wird zunächst eine erste Filterung des Diagnoseergebnisses hinsichtlich seiner Verwertbarkeit ermöglicht.
In einer zweiten Validierungsebene wird bei einem als zuverlässig eingestuftem Diagnoseergebnis das Ergebnis der Integration mit einem Wert für eine Schwelle B für einen Schädigungsgrad des Partikelfilters verglichen, wobei bei Unterschreiten dieser Schwelle B der Partikelfilter als zuverlässig funktionsfähig (d.h. PM-Emissionen liegen sicher unterhalb des OBD-Grenzwerts) und bei Überschreiten dieser Schwelle B als sicher defekt (d.h. PM-Emissionen überschreiten sicher den OBD-Grenzwert) eingestuft wird. Im ersten Fall erfolgt ein Statuseintrag „Partikelfilter getestet“ und „Partikelfilter i.O.“. Im zweiten Fall erfolgt ein Statuseintrag „Partikelfilter getestet“ und „Partikelfilter sicher defekt“.
Dieser Wert für die Schwelle B liegt hinsichtlich des Schädigungsgrads des Partikelfilters in einem Graubereich, in dem das vorliegende Diagnoseergebnis ohne eine weitere Überprüfung nicht verwertet werden kann. Daher wird bei Überschreiten des Schwellwertes für die Freigabe AA und bei einer zusätzlichen Überschreitung eines Wertes für eine Schwelle C für den Partikelfilter-Schädigungsgrad als obere Grenze des Graubereichs, welcher über dem Wert für die Schwelle B und über einem OBD-Grenzwert für einen hinsichtlich seiner Funktion grenzwertigen Partikelfilter (Partikelfilter-Grenzmuster) liegt, ein sicher defekter Partikelfilter diagnostiziert (Fall B). Diese Erkennung des Partikelfilter-Grenzmusters ist eine zentrale Forderung einer zuverlässigen On-Board-Diagnose.
Bei Überschreiten des Schwellwertes für die Freigabe AA, bei einer Unterschreitung des Wertes für die Schwelle C und bei Überschreitung eines Wertes für eine Schwelle A für den Partikelfilter-Schädigungsgrad, welcher unter dem Wert für die Schwelle B liegt und als untere Grenze des o.g. Graubereichs angenommen wird, wird das Diagnoseergebnis als nicht verwertbar eingestuft, d.h. das Diagnoseergebnis liegt weiterhin in diesem Graubereich, so dass weitere Maßnahmen erforderlich sind. Hier sind zwei weitere Fälle C und D zu unterscheiden.
Liegt das Diagnoseergebnis in diesem Graubereich, d.h. ein nicht verwertbares Diagnoseergebnis liegt vor (Fall D), wird geprüft, ob die Partikelfilter-Beladung über einem Schwellwert für eine Freigabe BB liegt, welcher über dem Wert für die Schwelle AA liegt, wobei in diesem Fall keine aktive Regeneration des Partikelfilters ausgelöst und stattdessen der Partikelsensor regeneriert wird, um die Partikelfilter-Diagnose erneut starten zu können. Für den Fall, dass die Partikelfilter-Beladung unter dem Schwellwert für die Freigabe BB liegt, wird eine Regeneration des Partikelfilters gestartet und nach Abschluss der Regeneration der Partikelsensor, wie nach jeder Partikelfilter-Regeneration, regeneriert, damit die Partikelfilter-Diagnose gleich neu gestartet werden kann. Diese Maßnahme ermöglicht bei einem unsicheren, d.h. bei einem nicht verwertbaren Diagnoseergebnis, eine erneute Überprüfung des Partikelfilters.
Für den anderen Fall (Fall C), d.h. bei Überschreiten des Schwellwerte für die Freigabe AA, bei einer Unterschreitung des Wertes für die Schwelle C und bei Unterschreitung eines Wertes für die Schwelle A, wird ein Status für einen funktionsfähigen Partikelfilter („Partikelfilter i.O.“) in einer Speichereinheit einer Diagnoseeinheit gespeichert. Diese Speichereinheit kann beispielsweise ein EEPROM sein. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Abbruch der Fahrt, d.h. wenn der Motor abgestellt wird, das Diagnoseergebnis nicht verloren geht und die Diagnose beim nächsten Motorstart fortgesetzt werden kann.
Dabei kann vorgesehen sein, dass nach dem Speichern eine Zählfunktion („Ghost-Counter“) gestartet wird, bei der bei einer Partikelfilter-Beladung über dem Schwellwert BB auf eine erfolgreiche Regeneration gewartet wird und ansonsten die Dauer der Durchführung der Regeneration aus einem Abbrandmodell bestimmt wird. Dabei wird die Dauer des Ablaufs der Partikelfilter-Diagnose modelliert. Weil diese Dauer abhängig von einem Partikelfilter-Abscheidegrad ist, wird der simulierte Rußmassenstrom des Partikelfilter-Grenzmusters als Referenzzeit verwendet. Um diese Dauer an den realen Partikelfilter-Abscheidegrad anzupassen, wird dieses Modell mit dem gespeicherten Diagnoseergebnis (dem Verhältnis zwischen Rußmodell und PM-Sensorauslösen) multipliziert. Nach Ablauf dieser „Ghost-Counter“-Funktion ist vorgesehen, dass der Status auf „getestet“ und „Partikelfilter i.O.“ gesetzt wird.
Bei der Durchführung des Diagnoseverfahrens ist vorgesehen, dass eine Eskalation der Diagnose mit dem aktiven Einleiten der Partikelfilter-Regeneration nur einmal pro Fahrzyklus durchgeführt wird, um unnötigen Kraftstoff-Mehrverbrauch bzw. eine Ölverdünnung zu vermeiden.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz bei einer Brennkraftmaschine vor, welche als Dieselmotor oder Ottomotor ausgeführt ist. Partikelfilter sind bei Dieselmotoren als Dieselpartikelfilter bereits weit verbreitet. Zukünftige Abgasgrenzwerte, insbesondere maximal zulässige Partikelbeladungen, lassen einen verstärkten Einsatz von Partikelfiltern auch bei Ottomotoren erwarten, wobei das beschriebene Verfahren ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mit einer Diagnoseeinheit eine Validierung des Diagnoseergebnisses für den Partikelfilter hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit anhand einer Abhängigkeit der Partikelfilter-Beladung und eines Abgasvolumenstroms im Abgaskanal oder eines Gradienten des Abgasvolumenstroms durchführbar ist und abhängig von dieser Validierung der Partikelfilter als funktionsfähig oder defekt oder das Diagnoseergebnis für den Partikelfilter als nicht verwertbar charakterisierbar ist, wobei die Diagnoseeinheit Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit seinen Verfahrensvarianten, wie sie zuvor beschrieben wurden, aufweist. Dabei kann in bevorzugter Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Funktionalität des Verfahrens mit seinen Varianten softwaremäßig als Add-On zu einer konventionellen Partikelfilter-Diagnose bzw. OBD und Regenerationsstrategie innerhalb der Diagnoseeinheit implementiert ist. Der applikative Aufwand ist daher gering und kann durch ein Software-Update einfach nachgerüstet werden. Die Diagnoseeinheit kann dabei integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung (z.B. innerhalb der Engine-Control-Unit ECU) 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 dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann,
2 ein Diagramm zur Klassifizierung eines Diagnoseergebnisses,
3 in einem Diagramm einen Verlauf für einen Abscheidegrad,
4 in einer schematischen Darstellung verschiedene Freigabemodi für die Diagnose,
5 in einem Kennfeld-Diagramm Abgasvolumenstrom vs. Partikelfilter-Beladung einen Freigabebereich,
6 einen Funktionsablauf für das Diagnoseverfahren und
7 einen Funktionsablauf für eine Teilfunktion des Verfahrens.
1 zeigt in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann. Dargestellt ist als Beispiel eine Brennkraftmaschine 10 in Form eines Dieselmotors mit einem Kraftstoffzumesssystem 11, einem Luftzufuhrkanal 20, in dem ein Zuluftstrom 21 geführt ist, und einem Abgaskanal 30, in dem ein Abgasmassenstrom 46 der Brennkraftmaschine 10 geführt ist. Entlang des Luftzufuhrkanals 20 sind in Strömungsrichtung des Zuluftstroms 21 eine Zuluftmesseinrichtung 27, beispielsweise in Form eines Heißfilmmesssystems (HFM), eine Kompressionsstufe 23 eines Turboladers 22 und eine Drosselklappe 24 angeordnet. Eine Abgasrückführung 25 verbindet über ein Abgasrückführventil 26 (AGR) und einen Kühler 28 den Luftzufuhrkanal 20 mit dem Abgaskanal 30. In Strömungsrichtung des Abgasvolumenstroms 46 sind im gezeigten Beispiel nach der Brennkraftmaschine 10 eine Abgasturbine 31 des Turboladers 22 sowie als Bestandteile eines Abgasnachbehandlungssystems 40 eine Lambda-Sonde 43, ein Oxidationskatalysator 41 in Form eines Diesel-Oxidationskatalysators (DOC), eine Temperatur-Sonde 44 und eine weitere separate Temperatursonde (hier nicht dargestellt), sowie ein Partikelfilter 42 in Form eines Diesel-Partikelfilters dargestellt. Grundsätzlich sind auch andere Sensoranordnungen für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts und der Temperatur im Abgaskanal 30 vor dem Partikelfilter 42 möglich. Zusätzlich können im Abgaskanal 30 zwischen der Brennkraftmaschine 10 und der Abgasturbine 31 im Bereich der Abgaskrümmer der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 10 als weitere Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 40 so genannte Vor-Turbo-Katalysatoren oder auch PTC´s (Pre Turbo Catalyst) angeordnet sein.
Über den Luftzufuhrkanal 20 wird der Brennkraftmaschine 10 Frischluft zugeführt. Die Frischluft wird dabei von der Kompressionsstufe 23 des Turboladers 22, welche über die Abgasturbine 31 vom Abgasvolumenstrom 46 angetrieben wird, komprimiert. Durch die Drosselklappe 24 kann die zugeführte Luftmenge eingestellt werden. Zur Schadstoffreduzierung wird dem Zuluftstrom 21 über die Abgasrückführung 25 in von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 abhängigen Mengen Abgas aus dem Abgaskanal 30 zugemischt. Die Abgasrückführrate kann dabei mit Hilfe des Abgasrückführventils 26 eingestellt werden. Der Kühler 28 kühlt dabei den aus dem Abgaskanal 30 stammenden Abgasstrom.
In dem Abgasnachbehandlungssystem 40 werden von der Brennkraftmaschine 10 emittierte Schadstoffe umgesetzt beziehungsweise ausgefiltert. So werden in dem Oxidationskatalysator 41 Kohlenwasserstoffe als auch Kohlenmonoxid oxidiert, während der Partikelfilter 42 Rußpartikel zurückhält.
Nicht dargestellt sind für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 40 notwendige Steuer- und Regeleinheiten, ggf. weitere Temperaturfühler. Zur Beladungsdiagnose des Partikelfilters 42 dient eine Diagnosevorrichtung, welche zumindest mit einem Partikelsensor 45 (PM-Sensor) im Abgaskanal 30 der Brennkraftmaschine 10 verbunden ist.
Durch den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 füllt sich der Partikelfilter 42, bis das Erreichen seiner Speicherkapazität signalisiert wird. Daraufhin wird eine Regenerationsphase des Partikelfilters 42 angestoßen, bei der die in dem Partikelfilter 42 gespeicherten Partikel in einer exotherm verlaufenden Reaktion verbrannt werden. Um diese exotherme Reaktion einzuleiten sind vor dem Partikelfilter 42 Abgastemperaturen von 600°C bis 650°C notwendig. Da diese Temperaturen bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine 10 nur nahe der Volllast erreicht werden, muss ein Temperaturanstieg durch zusätzliche Maßnahmen bewirkt werden.
Wie in 2 in einem schematischen Diagramm 100 dargestellt, ist das Diagnoseergebnis unabhängig von der Partikelfilter-Beladung sicher, wenn das Diagnoseergebnis von einem 100% intakten Partikelfilter 102 ausgehend unter einer Schwelle A 103 liegt. In dieser Zone A 108 gilt „Partikelfilter sicher i.O.“. Andererseits kann für einen hohen Partikelfilter-Schädigungsgrad 101 bis hin zu einem 100% geschädigten Partikelfilter 107 bzw. nicht vorhandenen Partikelfilter 42 (Leerrohr) ab einer Schwelle C 106 sicher auf einen, unabhängig von der Partikelfilter-Beladung, defekten Partikelfilter 42 geschlossen werden. In dieser Zone C 110 gilt „Partikelfilter sicher defekt“. Ein Partikelfilter-Grenzmuster, welches auf einen bestimmten OBD-Grenzwert 105 ausgelegt ist, muss erkannt werden, wenn das Diagnoseergebnis über einer Schwelle B 104 liegt. Da diese Schwelle B 104 aber im „Graubereich“ (Zone B 109) liegt, kann das Diagnoseergebnis nur verwendet werden, wenn die Beladung des Partikelfilters 42 (Partikelfilter-Beladung 131, siehe 4) einen bestimmten Wert für eine Freigabe AA 133 (siehe 4) nicht überschreitet.
3 zeigt in einem Verlaufsdiagramm 120 als Verschlechterung der Filterleistung des Partikelfilters 42 einen Abscheidegrad 122 in Abhängigkeit einer Fahrzeug-Laufleistung 121. Der Abscheidegrad 122 besitzt am Anfang zunächst nahe 100% (i.O.-Partikelfilter weisen einen Abscheidegrad von ca. 95 bis 97 % auf) und nimmt zunächst erst sehr langsam ab. Ab einer bestimmten Fahrzeug-Laufleistung 121 nimmt der Abscheidegrad 122 sehr stark ab bis schließlich keine Filterwirkung (=100% defekter Filter bzw. Abscheidegrad 122 = 0%) erzielt wird. Innerhalb der Zone A 108 wird das Diagnoseergebnis als zuverlässig, d.h. unabhängig von der Partikelfilter-Beladung 131 (siehe 4), richtig als „in Ordnung“ erkannt. In diesem Fall erfolgt keine Triggerung der Partikelfilter-Regeneration durch die Diagnose. Ab einer bestimmten Fahrzeug-Laufleistung 121, bei der ein OBD-Grenzwert für die PM-Emission 123 deutlich unterschritten ist (Zone C 110) wird zuverlässig, unabhängig von der Partikelfilter-Beladung 131, richtigerweise ein defekter Partikelfilter 42 erkannt. Auch hierfür ist keine Triggerung der Partikelfilter-Regeneration durch die Diagnose erforderlich. Wenn sich der Abscheidegrad 122 Innerhalb der Zone B 109 (dunkel grauer Bereich) befindet, wird ggf. die Partikelfilter-Regeneration aktiv angefordert, wobei dies nur dann geschieht, wenn das Verhältnis von Partikelfilter-Beladung 131 zum Abgasvolumenstrom 46 (vergl. 1) über einem bestimmten Wert für eine Freigabe BB 134 (siehe 4) liegt.
4 zeigt in einem weiteren Verlaufsdiagramm 130 die Partikelfilter-Beladung 131 in Abhängigkeit der Zeit seit der letzten Partikelfilter-Regeneration 132. Die Freigabe AA 133 definiert den Schwellwert für eine zuverlässige Diagnose (Bereich A 136), falls sich das Diagnoseergebnis im „Graubereich“, d.h. innerhalb der Zone B 109 (siehe 2), befindet. Diese Freigabe kann entweder nur abhängig von der Partikelfilter-Beladung 131 oder abhängig von der Partikelfilter-Beladung 131 und vom Abgasvolumenstrom 46 bzw. vom Gradienten des Abgasvolumenstroms 46 appliziert werden.
Da die Beladung des Partikelsensors 45, d.h. der Zeit zwischen zwei Regenerationsphasen des Partikelsensors 45, mehrere Minuten dauern kann, muss dieser gesamte Zeitraum für die Bewertung der Diagnosezuverlässigkeit berücksichtigt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Kennfeldausgang über die Partikelfilter-Beladung 131 und den Abgasvolumenstrom 46 bzw. den Gradienten des Abgasvolumenstroms 46 integriert wird. Liegt dieser integrierte Wert bei der Durchführung der Partikelfilter-Diagnose unter dem Wert für die Freigabe AA 133 (Bereich A 136), wird die Diagnose als zuverlässig bewertet.
Im Bereich B 137 wird in Abhängigkeit des Diagnoseergebnisses die Partikelfilter-Regeneration von der On-Board-Diagnose ausgelöst. Dieser Bereich B 137 erstreckt sich bis zu einer Freigabe BB 134 für ein Auslösen der Partikelfilter-Regeneration über die Diagnose. Oberhalb diesem Wert für die Freigabe BB 134 schließt sich ein Bereich C 138 an, in dem keine aktive Partikelfilter-Regeneration ausgelöst wird. Dieser Bereich C erstreckt sich bis zu einer Auslöseschwelle 135 für eine normal getriggerte Partikelfilter-Regeneration.
5 zeigt in einem Kennfeld-Diagramm 140 den Bereich A 136 für eine Freigabe AA 133, wobei der Abgasvolumenstrom 46 bzw. die Integration des Abgasvolumenstromgradienten in Abhängigkeit der Partikelfilter-Beladung 131 aufgetragen ist. Eingezeichnet ist ebenfalls die Auslöseschwelle 135, bei der die Partikelfilter-Regeneration normal ausgelöst wird.
Die Funktionalität des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 6 in einem Funktionsablauf 150 aufgezeigt.
Ausgehend vom Vorhandensein eines Diagnoseergebnisses für den Beladungszustand des Partikelfilters 42 wird das erfindungsgemäße Verfahren gestartet (Start 151). In einer ersten Abfrage 152 wird geprüft, ob der integrierte Kennfeld-Ausgang über dem Verhältnis Partikelfilter-Beladung 131 zu Abgasvolumenstrom 46 unter der Freigabe AA 133 liegt. Ist dies der Fall, wird von einem zuverlässigen Diagnoseergebnis ausgegangen, was einem Fall A 165 entspricht. Ist dies nicht der Fall, wird in einer zweiten Abfrage 153 geprüft, ob das Diagnoseergebnis über der Schwelle C 106 (vergl. 2) liegt. Falls dies so ist, tritt der Fall B 166 ein (Partikelfilter sicher defekt und als Ergebnis 161 wird ein Status „getestet“ und „defekt“ gesetzt). Die Diagnose ist damit abgeschlossen.
Wird das Ergebnis der zweiten Abfrage 153 mit „nein“ beantwortet, wird in einer dritten Abfrage 154 geprüft, ob das Diagnoseergebnis unter der Schwelle A 103 (vergl. 2) liegt. Ist dies der Fall, so liegt der Fall C 167 vor, d.h. der Partikelfilter 42 wird als sicher i.O. eingestuft.
Ist dies nicht der Fall, tritt der Fall D 168 ein, d.h. die Funktionalität des Partikelfilters 42 befindet sich im „Graubereich“ (siehe Zone B 109 in 2). Ist die Partikelfilter-Beladung 131 über dem Schwellwert für die Freigabe BB 134 (vergl. 4), dann wird keine aktive Partikelfilter-Regeneration ausgelöst. In einem Funktionsblock 158 wird der Partikelsensor 45 regeneriert, um die Partikelfilter-Diagnose neu zu starten. Ist die Partikelfilter-Beladung 131 unter dem Schwellwert für die Freigabe BB 134 (vergl. 4), dann wird in einem Funktionsblock 156 eine aktive Partikelfilter-Regeneration ausgelöst. In einer weiteren Abfrage 157 wird geprüft, ob die Partikelfilter-Regeneration abgeschlossen ist. Ist dies nicht der Fall, wird die Regeneration weiter fortgesetzt. Ist die Regeneration abgeschlossen, wird im Funktionsblock 158 der Partikelsensor 45 regeneriert, so dass die Partikelfilter-Diagnose neu gestartet werden kann.
Für den Fall A 165 wird in einer Abfrage 159 geprüft, ob das Diagnoseergebnis unter der Schwelle B 104 (vergl. 2) liegt. Ist dies der Fall, wird als Ergebnis 160 der Status auf „getestet“ und „i.O.“ gesetzt. Die Diagnose ist damit abgeschlossen. Liegt das Diagnoseergebnis über dieser Schwelle B 104, wird als Ergebnis 161, wie im Fall B 166, als Status „getestet“ und „defekt“ gesetzt, womit die Diagnose abgeschlossen ist.
Für den Fall C 167 wird zunächst in einem Funktionsblock 162 das Diagnoseergebnis in einem Speicher (z.B. EEPROM) gespeichert, damit das Ergebnis bei einem Abbruch der Fahrt nicht verloren geht. Damit kann die Diagnose beim nächsten Motorstart fortgesetzt werden. In einem nächsten Funktionsblock 163 wird ein sogenannter „Ghost-Counter“ gestartet. Diese Teilfunktion ist in 7 separat dargestellt. Mit der Abfrage 164 wird geprüft, ob der „Ghost-Counter“ abgelaufen ist. Ist dieser abgelaufen wird als Ergebnis 160, wie als Ergebnis im Fall A 165, der Status „getestet“ und „i.O.“ gesetzt. Die Diagnose ist damit abgeschlossen.
Bei einer Demonstration der On-Board-Diagnose wird nur der Fall A 165 eintreten, da der Grenzmuster-Partikelfilter während der Vorkonditionierung unmittelbar vor dem OBD-Demo-Test regeneriert wird. Nach einer erfolgreichen Partikelfilter-Regeneration soll der PM-Sensor ebenfalls regeneriert werden, damit die Partikelfilter-Diagnose nach der Partikelfilter-Regenration durchgeführt wird.
7 zeigt in einem weiteren Funktionsablauf 150 die Teilfunktion „Ghost-Counter“, wobei im Funktionsblock 163 der „Ghost-Counter“ gestartet und in einer darauf folgenden Abfrage 169 geprüft wird, ob die Partikelfilter-Beladung 131 über dem Schwellwert für die Freigabe BB 134 liegt. Ist dies der Fall, wird auf eine erfolgreiche Regeneration gewartet (Funktionsblock 173). Ansonsten wird die Dauer der Durchführung einer Partikelfilter-Regeneration aus einem Abbrandmodell im Funktionsblock 170 modelliert. Danach wird die Dauer des Ablaufs der Partikelfilter-Diagnose (Beladung des Partikelsensors 45) modelliert. Da diese Dauer abhängig vom Partikelfilter-Abscheidegrad 122 ist, wird der simulierte Rußmassenstrom des Grenzmusters als Referenzzeit verwendet. Um diese Dauer an den realen Abscheidegrad anzupassen, wird dieses Modell mit dem gespeicherten Diagnoseergebnis, d.h. dem Verhältnis zwischen Rußmodell und PM-Sensorauslösen, multipliziert (Funktionsblock 171). Der „Ghost-Counter“ ist abgelaufen und die Diagnose kann weiter durchgeführt werden.
Da es vorkommen kann, dass der „Ghost-Counter“ noch nicht abgelaufen ist, bevor das nächste Diagnoseergebnis vorliegt, kann vorgesehen sein, dass mehrere Diagnoseergebnisse gespeichert und mehrere „Ghost-Counter“ parallel berechnet werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ablauf des „Ghost-Counters“ sowie die oben genannten Parallelberechnungen über mehrere Fahrzyklen ablaufen können.
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 20113384 A1 [0006]
EP 1364110 B1 [0010]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters (42) im Abgaskanal (30) einer Brennkraftmaschine (10), wobei eine als Ruß-Beladung des Partikelfilters (42) ermittelte Partikelfilter-Beladung (131) mit Hilfe eines Partikelsensors (45), aus Differenzdruckmessungen und/ oder aus einem Ruß-Beladungsmodell prognostiziert wird und aufgrund des Diagnoseergebnisses ein Regenerationsvorgang des Partikelfilters (42) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Validierung des Diagnoseergebnisses für den Partikelfilter (42) hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit anhand einer Abhängigkeit der Partikelfilter-Beladung (131) und eines Abgasvolumenstroms (46) im Abgaskanal (30) oder eines Gradienten des Abgasvolumenstroms (46) durchgeführt wird und abhängig von dieser Validierung der Partikelfilter (42) als funktionsfähig oder defekt oder das Diagnoseergebnis für den Partikelfilter (42) als nicht verwertbar eingestuft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Validierung ein Kennfeldausgang über die Partikelfilter-Beladung (131) und dem Abgasvolumenstrom (46) oder dem Gradienten des Abgasvolumenstroms (46) integriert und das Ergebnis dieser Integration mit einem Schwellwert für eine Freigabe AA (133) für die Partikelfilter-Beladung (131) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung dieses Schwellwertes für die Freigabe AA (133) das Diagnoseergebnis als zuverlässig eingestuft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als zuverlässig eingestuften Diagnoseergebnis das Ergebnis der Integration mit einem Wert für eine Schwelle B (104) für einen Partikelfilter-Schädigungsgrad (101) verglichen wird, wobei bei Unterschreiten dieser Schwelle B (104) der Partikelfilter (42) als zuverlässig funktionsfähig und bei Überschreiten dieser Schwelle B (104) als sicher defekt eingestuft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Schwellwertes für die Freigabe AA (133) und bei einer zusätzlichen Überschreitung eines Wertes für eine Schwelle C (106) für den Partikelfilter-Schädigungsgrad (101), welcher über dem Wert für die Schwelle B (104) und über einem OBD-Grenzwert für PM-Emissionen (105) für einen hinsichtlich seiner Funktion grenzwertigem Partikelfilter (42) liegt, ein sicher defekter Partikelfilter (42) diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Schwellwertes für die Freigabe AA (133), bei einer Unterschreitung des Wertes für die Schwelle C (106) und bei Überschreitung eines Wertes für eine Schwelle A (103) für den Partikelfilter-Schädigungsgrad (101), welcher unter dem Wert für die Schwelle B (104) liegt, das Diagnoseergebnis als nicht verwertbar eingestuft wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nicht verwertbaren Diagnoseergebnis geprüft wird, ob die Partikelfilter-Beladung (131) über einem Schwellwert für eine Freigabe BB (134) liegt, welcher über dem Wert für die Schwelle AA (133) liegt, wobei in diesem Fall keine aktive Regeneration des Partikelfilters (42) ausgelöst und stattdessen der Partikelsensor (45) regeneriert wird, und für den Fall, dass die Partikelfilter-Beladung (131) unter dem Schwellwert für die Freigabe BB (134) liegt, eine Regeneration des Partikelfilters (42) gestartet wird und nach Abschluss der Regeneration der Partikelsensor (45) regeneriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Schwellwertes für die Freigabe AA (133), bei einer Unterschreitung des Wertes für die Schwelle C (106) und bei Unterschreitung eines Wertes für die Schwelle A (103) ein Status für einen funktionsfähigen Partikelfilter (42) in einer Speichereinheit gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Speichern eine Zählfunktion gestartet wird, bei der bei einer Partikelfilter-Beladung (131) über dem Schwellwert BB (134) auf eine erfolgreiche Regeneration gewartet wird und ansonsten die Dauer der Durchführung der Regeneration aus einem Abbrandmodell bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eskalation der Diagnose mit dem aktiven Einleiten der Partikelfilter-Regeneration nur einmal pro Fahrzyklus durchgeführt wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bei einer Brennkraftmaschine (10), welche als Dieselmotor oder Ottomotor ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters (42) im Abgaskanal (30) einer Brennkraftmaschine (10), wobei eine als Ruß-Beladung des Partikelfilters (42) ermittelte Partikelfilter-Beladung (131) mit Hilfe eines Partikelsensors (45), aus Differenzdruckmessungen und/ oder aus einem Ruß-Beladungsmodell mit einer Diagnoseeinheit prognostizierbar und aufgrund des Diagnoseergebnisses ein Regenerationsvorgang des Partikelfilters (42) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Diagnoseeinheit eine Validierung des Diagnoseergebnisses für den Partikelfilter (42) hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit anhand einer Abhängigkeit der Partikelfilter-Beladung (131) und eines Abgasvolumenstroms (46) im Abgaskanal (30) oder eines Gradienten des Abgasvolumenstroms (46) durchführbar ist und abhängig von dieser Validierung der Partikelfilter (42) als funktionsfähig oder defekt oder das Diagnoseergebnis für den Partikelfilter (42) als nicht verwertbar charakterisierbar ist, wobei die Diagnoseeinheit Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 aufweist.