DE102011122165B4

DE102011122165B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz eines Rußpartikelfilters

Info

Publication number: DE102011122165B4
Application number: DE102011122165.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Höpfner; Christian Roduner
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: DE102011122165A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz eines in einem Abgasstrang (1) eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeuges angeordneten Rußpartikelfilters (3), mittels eines zumindest in Abgasstromrichtung dem Rußpartikelfilter (3) im Abgasstrang (1) nachgeschaltet angeordneten ersten Rußpartikelsensors (2a), wobei eine Steuerungseinrichtung einen instantanen Abscheidungsgrad (ηPF) des Rußpartikelfiters (3) zumindest mittels eines Abgleiches aus Werten bezüglich einem von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeuges in den Abgasstrang abgegebenen theoretischen Rußpartikelmassenstrom im Bereich des dem Rußpartikelfilter (3) nachgeschaltet angeordneten Abgasstranges (1) bei einem Abscheidungsgrad von Null bzw. dem theoretischen Rußpartikelrohmassenstrom (20) und einem tatsächlichen Rußpartikelmassenstrom (11) im Bereich des dem Rußpartikelfilter (3) nachgeschaltet angeordneten Abgasstranges (1) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung eines aktuell vorliegenden Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems aus dem instantanen Abscheidungsgrad (ηPF) ein Rußpartikelfiltereffizienzwert derart bestimmt wird, dass zumindest bei einem Vorliegen eines unvorteilhaften Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems eine Gewichtung des instantanen Abscheidungsgrades (ηPF) mittels eines Gewichtungsfaktors erfolgt und der gewichtete Abscheidungsgrad mittels eines Filters nachbearbeitet wird, wobei eine Differenz zwischen dem instantanen Abscheidungsgrad und dem letztmalig bestimmten Rußpartikelfiltereffizienzwert ermittelt und mit dem Gewichtungsfaktor multipliziert wird, wobei die gewichtete Differenz zum instantanen Abscheidungsgrad addiert wird, sofern der letztmalig ermittelte Rußpartikelfiltereffizienzwert größer als der instantane Abscheidungsgrad ist, oder subtrahiert wird, sofern der letztmalig ermittelte Rußpartikelfiltereffizienzwert kleiner als der instantane Abscheidungsgrad ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz eines in einem Abgasstrang eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeuges angeordneten Rußpartikelfilters, mittels eines zumindest in Abgasstromrichtung dem Rußpartikelfilter im Abgasstrang nachgeschaltet angeordneten ersten Rußpartikelsensors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Straßenverkehrszulassungsordnung (StVZO) schreibt für die Typzulassung neuer Kraftfahrzeuge und das Abgasverhalten in Betrieb befindlicher Kraftfahrzeuge die Einhaltung bestimmter Emissionsgrenzwerte für die Komponenten Kohlenmonoxid (CO), Stockstoffoxide (NOx), flüchtige organische Verbindungen (CH) und Rußpartikel vor.
Verbrennungskraftmaschinen bzw. Verbrennungskraftmotoren stoßen zusätzlich zu den gasförmigen Komponenten auch Rußpartikel aus. Diese Rußpartikelemissionen stellen wegen ihres vergleichsweise hohen kanzerogenen Wirkungspotentials insbesondere in Innerortsbereichen ein Problem dar.
Zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte und zur Erreichung der vorgeschriebenen EURO-Normen (EURO-3; EURO-4, EURO-5 usw.) ist die Verwendung eines On-Board-Diagnosesystems in jedem mittels eines Verbrennungsmotors betreibbaren Fahrzeuges vorgeschrieben. Die On-Board-Diagnose (kurz: OBD) ist ein Fahrzeugdiagnosesystem, mittels welchem zumindest während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges alle abgasbeeinflussenden Systeme, wie beispielsweise der Katalysator oder auch der Rußpartikelfilter überwacht werden. Auftretende Fehler werden dem Fahrer bzw. dem Fahrzeugführer dann beispielsweise über den Board-Computer oder auch nur mittels einer Kontrollleuchte angezeigt und vorzugsweise im jeweiligen Steuergerät dauerhaft gespeichert. Diese gespeicherten Fehlermeldungen können dann später durch beispielsweise eine Fachwerkstatt über genormte Schnittstellen abgefragt werden. Die Codes (die sogenannten P-Codes) sind beispielsweise in der ISO-Norm 15031-6 festgelegt.
Mittels der On-Board-Diagnose kann das Einhalten der gesetzlich vorgegebenen OBD-Emissionsgrenzwerte sichergestellt werden. D. h., es soll folglich überwacht werden, dass das Fahrzeug nicht nur bei Auslieferung an den Kunden im Neuzustand definierte Emissionsgrenzwerte einhält, sondern zusätzlich während dessen gesamter Nutzungsdauer die OBD-Emissionsgrenzwerte erfüllt.
Ein Verfahren zur Ermittlung der Emissionswerte des Rußpartikelfilters ist beispielsweise die Verwendung eines Differenzdrucksensors, mittels welchem Risse bzw. Löcher etc. in der Filterstruktur erkannt werden können, da derartige Beschädigungen den Strömungswiderstand und folglich den gemessenen Druckverlust über dem Rußpartikelfilter verringern. Der ermittelte Messwert selbst wird darauffolgend mit einem Modellwert bei definierten Randbedingungen abgeglichen, um eine Beschädigung des Filtermaterials festzustellen. Jedoch unterliegt diese Differenzdruckmethode einer Vielzahl von Störgrößen, da der ermittelte Druckverlust ebenso von den Einflussparametern des Massenstroms, der Temperatur, der Sensortoleranz, der Ruß- und Aschebeladung sowie deren Verteilung im Rußpartikelfilter abhängt.
Eine weitere Möglichkeit zur Detektion von Beschädigungen des Rußpartikelfilters wird beispielsweise mittels der Rußpartikelsensoren (Soot Sensoren) ermöglicht, welche in Abgasmassenstromrichtung im Abgasstrang dem Rußpartikelfilter nachgeschaltet angeordnet sind und den Rußpartikelgehalt im Abgas, erzeugt durch eine Verbrennungskraftmaschine, messen.
Ein Messprinzip und der Aufbau eines derartigen im Abgasstrang nach dem Rußpartikelfilter angeordneten und mit Gleichstrom betriebenen Rußpartikelsensors ist beispielsweise in DE 10,2004,028,997 A1 beschrieben, in welcher zwei kammerartig ineinandergreifende Elektroden offenbart sind, die wiederum auf ein nicht leitfähiges Trägermaterial aufgebracht wurden. Die in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges erzeugten Rußpartikel lagern sich auf dieser Elektrodenstruktur ab und bilden folglich ohmsche Messbrücken zwischen den beiden Elektroden, wodurch der Widerstand geändert wird. Über die Änderung des Widerstandes (abnehmender Widerstand) bzw. des Stromflusses (zunehmender Stromfluss) bei vorwiegend konstant angelegter Spannung kann folglich die Ablagerung der Rußpartikel über eine Zeit und demnach die Menge der im Abgasstrom enthaltenen Rußpartikel ermittelt werden.
Da die Rußpartikelanlagerung auf der Elektrodenstruktur die Elektroden auf dem Trägermaterial kurz schließt, wird ab einem definierten Widerstandswert bzw. ab einem definierten Stromfluss die Elektrodenstruktur und auch das Trägermaterial durch stetiges Aufheizen dieser von den angelagerten Rußpartikeln frei gebrannt. Nachdem sich die Elektrodenstruktur und das Trägermaterial wieder abgekühlt haben, können sich folglich erneut Rußpartikel zumindest an der Elektrodenstruktur anlagern.
Mittels vorherrschender Verfahren zur Detektion von Rußpartikelemissionen bzw. zur On-Board-Diagnose des Rußpartikelfilters muss das gesamte Beladungsintervall der Rußpartikelsensoren betrachtet werden, damit festgestellt werden kann, ob ein Defekt des Rußpartikelfilters vorliegt. Dabei ist das Beladungsintervall als die Zeitdauer beginnend bei der Messbereitschaft des Rußpartikelsensors bis zum Überschreiten eines kalibrierten Widerstands- oder Stromflussschwellenwertes nach erfolgter Rußpartikelanlagerung definiert.
Die Rußpartikelrohemissionen des Verbrennungsmotors des Fahrzeuges werden dabei lediglich entweder virtuell über ein Funktionsmodell und/oder mit einem im Abgasstrang in Abgasmassenstromrichtung gesehen vor dem Rußpartikelfilter angeordneten Rußpartikelsensor ermittelt. Während des Intervalls zur Beladung des Rußpartikelsensor bzw. des Beladungsintervalls mit Rußpartikeln werden die Rußpartikelrohemissionen und ein Modell für einen On-Board-Diagnose grenzwertigen Rußpartikelfilter betrachtet. Daraus wird das gemäß der OBD-Gesetzgebung grenzwertige Beladungsintervall simuliert. Ist das gemessene Beladungsintervall größer als das simulierte Beladungsintervall, so ist der überwachte Rußpartikelfilter OBD-gesetzeskonform. Unterschreitet das gemessene Beladungsintervall das simulierte Beladungsintervall wird folglich ein, entsprechend der OBD-Gesetzgebung defekter Rußpartikelfilter detektiert.
DE 10 2006 029 990 A1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters, wobei der Partikelfilter-Wirkungsgrad anhand eines stromaufwärts vor dem Partikelfilter auftretenden Stromaufwärts-Partikelfilterstroms (im Weiteren Vor-Strom genannt) und anhand eines des stromabwärts nach dem Partikelfilter auftretenden Stromabwärts-Partikelfilterstroms (im Weiteren Nach-Strom genannt) ermittelt wird, wobei eine Ermittlung des Wirkungsgrades nur erfolgt, wenn die stromaufwärts vor dem Partikelfilter ermittelte Partikelmasse und/oder die stromabwärts nach dem Partikelfilter ermittelte Partikelmasse bzw. Partikelmenge einen entsprechenden Schwellenwert erreicht. Dabei ist eine zeitliche Mittelwertbildung bei der Erfassung der Partikelströme Vor-Strom und Nach-Strom vorgesehen. Der Vor-Strom wird insbesondere anhand wenigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine berechnet, während der Nach-Strom mittels eines Partikelsensors erfasst wird. Für die Berechnung des Wirkungsgrades werden beide Partikelströme einer Wirkungsgrad-Berechnung zur Verfügung gestellt, welche anhand einer Division den Partikelfilter-Wirkungsgrad ermittelt, wobei die Ermittlung des Partikelfilter-Wirkungsgrades in Abhängigkeit eines Ladungszustandes des Partikelfilters erfolgt. Ein Fehlersignal wird dann angegeben, wenn der ermittelte Partikelfilter-Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad-Schwellenwert unterschreitet. Somit wird keine zeitliche Ermittlung eines Rußpartikelfiltereffizienzwertes durchgeführt.
JP 2007 132 290 A zeigt lediglich eine Fehlererkennungsvorrichtung mit zwei PM-Sensoren, wobei – in Abgasstromrichtung betrachtet – ein Sensor vor und ein Sensor nach dem Partikelfilter angeordnet ist, welche die den Abgasstrang einer Verbrennungsmaschine durchfließende Partikelstrommasse vor und nach dem Partikelfilter ermitteln, wobei die mit den Sensoren ermittelten Werte miteinander abgeglichen werden, um eine entsprechende Fehlfunktion des Partikelfilters detektieren zu können. Demzufolge offenbart diese Druckschrift nicht die Einwirkung bzw. Auswirkungen von unterschiedlichen Belastungszuständen der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Abgasnachbehandlungssystems auf insbesondere eine Ermittlung bzw. ein Ermittlungsergebnis eines Rußpartikelfiltereffizienzwertes, mittels welchem eine Rußpartikelfiltereffizienz schnell und genau bestimmt werden kann.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und genaue Diagnose eines Rußpartikelfilters für eine On-board-Diagnose in einem Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, bei welcher eine Gewichtung bzw. eine Mittelung oder auch eine Ausblendung von definierten Belastungszuständen der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors und/oder des Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht werden kann, wobei das Verfahren unabhängig vom Messprinzip des Rußpartikelsensors ist.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mittels eines Verfahrens gemäß dem Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Demnach wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz eines in einem Abgasstrang eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeuges angeordneten Rußpartikelfilters, mittels eines zumindest in Abgasstromrichtung dem Rußpartikelfilter im Abgasstrang nachgeschaltet angeordneten ersten Rußpartikelsensors beansprucht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt bzw. ermittelt eine Steuerungseinrichtung einen Abscheidungsgrad des Rußpartikelfilters zumindest mittels eines Abgleiches aus Werten bezüglich einem von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeuges in den Abgasstrang abgegebenen theoretischen Rußpartikelmassenstrom im Bereich des dem Rußpartikelfilter nachgeschaltet angeordneten Rußpartikelsensors bei einem Abscheidungsgrad von Null bzw. dem theoretischen Rußpartikelrohmassenstrom und einem tatsächlichen Rußpartikelmassenstrom im Bereich des dem Rußpartikelfilter nachgeschaltet angeordneten Rußpartikelsensors.
Dabei ist die Steuerungseinrichtung bzw. die (Verbrennungs-)Motorsteuerungseinrichtung vorzugsweise ein Bestandteil eines On-Board-Diagnosesystems zur Ermittlung der Emissionswerte zur Einhaltung der gesetzlich geregelten Emissionsgrenzwerte. D. h., dass die Steuerungseinrichtung nicht nur u. a. das Luft-Kraftstoff-Gemisch, welches in den Verbrennungsmotor eingebracht wird aufgrund übermittelter Werte, welche von im Abgasstrang angeordneten Lambda-Sensoren detektiert werden, einstellt, sondern auch Emissionswerte des Abgasstromes bzw. des Abgasmassenstromes bzw. des Abgases ermitteln kann, um eine Detektion eines defekten Rußpartikelfilters zu ermöglichen.
Des Weiteren wird mittels dieser Steuerungseinrichtung unter Berücksichtigung eines aktuell vorliegenden Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors und/oder des Abgasnachbehandlungssystems ein Rußpartikelfiltereffizienzwert bestimmt.
Es kann in jedem Zeitschritt, also im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt, d. h. im Wesentlichen kontinuierlich ermittelt werden, vorzugsweise von der Steuerungseinrichtung, ob ein „geeigneter” bzw. „passender” oder „ungeeigneter” bzw. „unpassender” Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems vorliegt und wenn beispielsweise ein „geeigneter” Belastungszustand vorliegt, weiter detektiert werden, ob dieser Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems im Wesentlichen „vorteilhafter” oder auch „unvorteilhafter” ist. Vorteilhaft kann sowohl bei einem „vorteilhaften” sowie auch bei einem „unvorteilhaften” Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems eine Rußpartikelfiltereffizienzermittlung durchgeführt werden, da insbesondere der theoretische, ungefilterte Rußpartikelrohmassenstrom sowie auch der ermittelte gefilterte Rußpartikelmassenstrom zeitlich zueinander abgeglichen werden können.
Wird beispielsweise ermittelt, dass der Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems „ungeeignet” ist, wird entweder erneut der instantane Abscheidungsgrad ermittelt, um nachfolgend zu überprüfen, ob der Belastungszustand sich von „ungeeignet” zu „geeignet” verändert hat, um mit der Berechnung des Rußpartikelfiltereffizienzwertes fortfahren zu können, oder es wird der bisher ermittelten instantane Abscheidungsgrad verwendet, sobald vorzugsweise die Steuerungseinrichtung einen Wechsel des Belastungszustandes von dem Zustand „ungeeignet” zu dem Zustand „geeignet” detektiert.
Dadurch und insbesondere auch durch eine Anwendung einer nachfolgend näher beschriebenen Tiefpassfilterung ist ein beliebig wählbarer Kompromiss zwischen der Genauigkeit und der Schnelligkeit der Rußpartikelfiltereffizienz möglich.
Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise anhand eines resistiven Rußpartikelsensors (Soot Sensor) beschrieben, wobei das Verfahren auch mittels anderen Rußpartikelsensor-Messprinzipien durchführbar ist. Bevorzugt werden zur Bestimmung des ungefilterten Rußpartikelmassenstroms bzw. der Rußpartikelrohemission des Verbrennungsmotors des Fahrzeuges entweder ein Rußpartikelmodell bzw. ein Funktionsmodell und/oder ein Rußpartikelsensor (Soot Sensor), welcher im Abgasstrang in Abgasmassenstromrichtung dem Rußpartikelfilter vorgeschaltet angeordnet ist, verwendet, während das Signal bzw. der ermittelte Wert eines im Abgasstrang in Abgasmassenstromrichtung dem Rußpartikelfilter nachgeschaltet angeordnetem Rußpartikelsensors zur Ermittlung des gefilterten Rußpartikelmassenstroms verwendet wird.
Demnach ermittelt sich der tatsächliche Rußpartikelmassenstrom bzw. der gefilterte Rußpartikelmassenstrom über eine detektierte Rußpartikelkonzentration und dem Abgasvolumenstrom am ersten Rußpartikelsensor, welcher folglich im Abgasnachbehandlungssystem dem Rußpartikelfilter in Abgasmassenstromrichtung betrachtet nachgeschaltet angeordnet ist.
Der theoretische Rußpartikelmassenstrom bzw. der ungefilterte Rußpartikelmassenstrom bzw. der theoretische Rußpartikelrohmassenstrom, welcher u. a. den Massenstrom berücksichtig, der im Wesentlichen direkt von der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird, ohne dass bereits eine Filterung dieses Rußpartikelmassenstroms stattgefunden hat – beispielsweise aufgrund eines defekten Rußpartikelfilters – wird entweder über ein entsprechend am Motorenprüfstand des Verbrennungsmotors bedatetes Rußpartikelmassenstrommodell bzw. Rußmodell zur Modellierung der Rußpartikelrohemissionen des Verbrennungsmotors oder auch über einen zweiten Rußpartikelsensor ermittelt, welcher in Abgasstromrichtung dem Rußpartikelfilter im Abgasstrang vorgeschaltet angeordnet ist.
Als Fahrzeuge werden hierbei jegliche mittels einer Verbrennungskraftmaschine bzw. einem Verbrennungsmotor antreibbare Land-, Wasser und/oder Luftfahrzeuge verstanden, wobei die entsprechenden Verbrennungskraftmaschinen derartiger Fahrzeuge mit Benzinkraftstoff und vorzugsweise mit Dieselkraftstoff angetrieben werden.
Vorzugsweise werden bei der Bestimmung des theoretischen Rußpartikelmassenstroms Werte der Laufzeit der Rußpartikel mittels Totzeiten korrigiert und/oder Werte der Durchmischung des Abgases durch eine Filterung des Rußpartikelmassenstroms korrigiert und/oder Werte bezüglich einer Antwortzeit des ersten Rußpartikelsensors und/oder ein Signal des Rußpartikelfilters verwendet.
Bevorzugt wird der tatsächliche Rußpartikelmassenstrom, d. h. der durch den Rußpartikelfilter gefilterte Rußpartikelmassenstrom, welcher bevorzugt durch den ersten Rußpartikelsensor gemessen wird mit dem theoretischen Rußpartikelmassenstrom, d. h. dem theoretischen Rußpartikelrohmassenstrom, welcher ebenfalls am ersten Rußpartikelsensor gemessen werden könnte, sofern beispielsweise der Rußpartikelfilter keine Rußpartikel aus dem Abgasmassenstrom einlagert und folglich eine Rußpartikelfilterungs- bzw. Rußpartikelfiltrierungseffizienz von etaPF = 0 aufweist, abgeglichen, um einen Abscheidungsgrad bzw. den Wirkungsgrad des Rußpartikelfilters ermitteln zu können.
Würde beispielsweise ein stetig konstanter Rußpartikelrohmassenstrom bzw. Rußrohmassenstrom durch die Verbrennungskraftmaschine abgegeben werden, was folglich z. B. bedeuten würde, dass die Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen stetig identischen Belastungen bei im Wesentlichen konstanten Umwelt- bzw. Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Druck ausgesetzt wäre, könnte der Abscheidungsgrad ohne eine weitere Berücksichtigung der sich verändernden Werte bzw. Verhältnisse in der Abgasanlage bzw. dem Abgasnachbehandlungssystem ermittelt werden.
Da sich jedoch vorzugsweise der durch den Verbrennungsmotor erzeugte Rußpartikelrohmassenstrom im Wesentlichen zumindest zeitweise ändert, wird u. a. eine Strecke bzw. Distanz ausgehend vom Auslass des Verbrennungsmotors bzw. von der Position des zweiten Rußpartikelsensors im Abgasstrang, welcher im Abgasstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Rußpartikelfilter angeordnet ist, bis zumindest zur Position des ersten Rußpartikelsensors, welcher im Abgasstrang nach dem Rußpartikelfilter angeordnet ist, berücksichtigt. Insbesondere weil die Rußpartikel im Abgasstrom unterschiedliche Laufzeiten aufweisen, bis diese vom ersten Rußpartikelsensor erfasst werden können bzw. sich das Abgas mit den Rußpartikeln während der Laufzeit durchmischen kann, wodurch Rußpartikelkonzentrationsspitzen im Abgasmassenstrom abgeschwächt werden können, wird das Strömungsverhalten des ungefilterten Rußmassenstroms modelliert.
Demnach hängt das Verhalten des ungefilterten Rußpartikelmassenstroms bzw. des Rußpartikelrohmassenstroms beispielsweise von der Auslegung des Abgasnachbehandlungssystems und dabei insbesondere von der Abgasrohrlänge und/oder dem Abgasrohrdurchmesser sowie deren Isolierung gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung ab, wobei dadurch insbesondere die Totzeit und das Durchmischungsverhalten der Rußpartikel im Abgasstrom beeinflusst werden. Weitere Einflussfaktoren sind u. a. der Abgasmassenstrom, die Abgasdruckverteilung in der Abgasnachbehandlungsanlage und die Temperaturen der einzelnen Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems. Das Verhalten des ungefilterten Rußpartikelmassenstroms bzw. des Rußpartikelrohmassenstroms in dem Abgasnachbehandlungssystem kann vorteilhaft entweder über empirische oder physikalische Ansätze oder mittels einer hybriden Kombination aus halb-empirisch bzw. halb-physikalischen Ansätzen modelliert bzw. bestimmt werden.
Bei der Verwendung des empirischen Ansatzes wird vorteilhaft die Laufzeit des ungefilterten Rußpartikelmassenstroms mithilfe von Totzeiten modelliert. Die Bestimmung der Totzeitwerte wird dabei über praktische Versuche am Fahrzeug, im Labor oder am Motorenprüfstand durchgeführt. Das Durchmischungsverhalten wird insbesondere anhand von einer geeigneten Filterung des Rußpartikelmassenstroms vom Rußmodell dargestellt. Zudem werden auch zur Bestimmung der charakteristischen Werte zur Einstellung der Filter praktische Versuche am Fahrzeug, im Labor oder am Motorprüfstand durchgeführt.
Bei der Verwendung des physikalischen Ansatzes wird hingegen versucht, sowohl die Laufzeit als auch das Durchmischungsverhalten der Rußpartikel im Abgasstrom auf Basis von physikalischen Formeln abzubilden. Dabei werden beispielsweise die Geometriedaten des Abgasnachbehandlungssystems, die Gesetze der Wärmeübertragung und/oder auch Kenntnisse aus der Strömungsmechanik in das physikalische Modell integriert. Zur Validierung dieses physikalischen Modells werden jedoch im Vergleich zum empirischen Modell lediglich eine geringe Anzahl an praktischen Versuchen am Fahrzeug, im Labor oder am Motorenprüfstand durchgeführt.
Bei der Verwendung einer Kombination des physikalischen Ansatzes mit dem empirischen Ansatz werden die oben beschriebenen Entwicklungsarten folglich anteilig durchgeführt.
Das Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz eines Rußpartikelfilters ist jedoch unabhängig von der Modellierungsart des ungefilterten Rußpartikelmassenstroms.
Vorzugsweise ist die Totzeit bzw. die Blindzeit im Hinblick auf die Funktionsweise des Rußpartikelfilters eine Zeitspanne beginnend unmittelbar nach dem Nachweis von Rußpartikeln am Rußpartikelsensor, während welcher der Rußpartikelsensor noch nicht wieder bereit ist, ein erneutes Detektieren von Rußpartikeln durchzuführen. D. h., die Blindzeit entspricht dabei bevorzugt derjenigen Zeit, welche der Rußpartikelsensor benötigt, um ein Abbrennen der Rußpartikel an den Elektroden aufgrund der überhöhten Elektroden-Temperatur durchzuführen und sich wieder auf einen definierten Temperaturwert abzukühlen, um ein erneutes Anlagern von Rußpartikel zu ermöglichen. Demnach werden in dieser Blindzeit weitere Rußpartikel nicht mehr angelagert, so dass eine Messung eines Auftretens bzw. einer Menge von Rußpartikeln nicht erfolgen kann.
Folglich entspricht der theoretische Rußpartikelmassenstrom nicht mehr dem ungefilterten Rußpartikelmassenstrom, welcher auch direkt hinter dem Auslass des Verbrennungsmotors ermittelt werden könnte, sondern einem Rußpartikelmassenstrom, bei welchen zumindest die Veränderungen der Rußpartikel im Abgasmassenstrom bzgl. der Laufzeit und der Durchmischung Beachtung finden.
Auch die Werte bezüglich der Reaktionszeit bzw. der Antwortzeit des Rußpartikelsensors werden bevorzugt bei der Ermittlung des theoretischen Rußpartikelmassenstroms berücksichtigt. Diese Werte können beispielsweise entweder vom Hersteller des Rußpartikelsensors stammen oder durch geeignete praktische Versuche im Labor oder am Motorenprüfstand bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abscheidungsgrad des Rußpartikelfilters, welcher sich folglich unter Berücksichtigung der oben genannten Rahmenbedingungen der Laufzeit, Durchmischung und Antwortzeit ermitteln lässt, mittels der Steuerungseinrichtung vorzugsweise gemäß eines vorgegebenen Zeitrasters bestimmt.
Des Weiteren wird zur fortführenden Ermittlung der Rußpartikelfiltereffizienz des Rußpartikelfilters vorzugsweise ermittelt, welcher Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems insbesondere zum Zeitpunkt der Ermittlung des Abscheidungsgrades des Rußpartikelfilters bzw. des Rußpartikelfiltereffizienzwertes vorliegt.
Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst insbesondere den ersten und/oder zweiten Rußpartikelsensor, den Rußpartikelfilter, den Abgasstrang und/oder den Katalysator.
Bei der Ermittlung des Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems ist es dabei vorzugsweise erforderlich unterschiedlichste Betriebsparameter zu berücksichtigen, wobei die sogenannte „Qualität” des Belastungszustands insbesondere von den Werten, welche auch zur Ermittlung des theoretisch ungefilterten Rußpartikelmassenstroms verwendet werden sowie von der Genauigkeit des Rußmodells abhängt. In Abhängigkeit von den Eingangsgrößen wie beispielsweise. dem Umgebungsdruck und/oder der Umgebungstemperatur sowie unterschiedlichsten Kraftstoffeinspritzparameter wird der aktuelle Rußpartikelmassenstrom am Auslass der Verbrennungskraftmaschine ermittelt bzw. modelliert. Bei bekannten Schwächen bzw. relativ hohen Ungenauigkeiten des Rußmodells bzgl. der Eingangsgrößen kann der Belastungszustand als „ungeeignet”, d. h. „nicht passend” oder „unvorteilhaft” bzw. „schlecht” bzw. „negative” eingestuft werden.
Des Weiteren trägt auch neben der Verbrennungskraftmaschine auch das Abgasnachbehandlungssystem zur Bestimmung des Belastungszustands bei, so dass beispielsweise Faktoren wie die Rußpartikelbeladung des Rußpartikelfilters, die Abgasgeschwindigkeit an der Einbauposition des ersten Rußpartikelsensors in dem Abgasnachbehandlungssystem und/oder auch die Temperaturen des Rußpartikelsensorelements des ersten Rußpartikelsensors den Belastungszustand positiv oder auch negativ beeinflussen können.
So ist folglich insbesondere während der Rußpartikelfilterregeneration der Belastungszustand als „ungeeignet” einzustufen. Jedoch wird vorzugsweise nach einer definierten Zeitdauer bzw. nach einer im Wesentlichen definiert zurückgelegten Fahrstrecke des Fahrzeugs, nachdem die Rußpartikelfilterregeneration abgeschlossen ist, der Belastungszustand insbesondere durch die Steuerungseinrichtung von „ungeeignet” auf „unvorteilhaft” bzw. „schlecht” geändert. Überschreitet beispielsweise das vergangene Zeit- bzw. Streckenintervall nach dem Ende der Rußpartikelfilterregeneration einen definierten, im Wesentlichen größeren Wert bzw. lagert der Rußpartikelfilter wieder eine bestimmte Rußpartikelmasse in seiner Filterstruktur ein, so wird der Belastungszustand von „unvorteilhaft” auf „vorteilhaft” bzw. „gut” bzw. „positiv” geändert
Ab wann der Belastungszustand aufgrund der hier beschriebenen Parameter nicht mehr als „vorteilhaft” sondern als „unvorteilhaft” oder gar als „ungeeignet” eingestuft wird, hängt insbesondere von der individuellen Applikation des Verfahrens am Fahrzeug ab. Dem Applikateur sind dabei durch das Verfahren keine Grenzen gesetzt. Außerdem kann er weitere Parameter hinzunehmen als auch vorhandene ignorieren.
Liegt folglich ein derartiger „unvorteilhafter” Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems vor, erfolgt eine Art „Gewichtung” des instantanen Abscheidungsgrades des Rußpartikelfilters. D. h., dass der instantane Wert des Abscheidungsgrades unter der Berücksichtigung der derzeitig bestimmten Rußpartikelfiltereffizienz (d. h. unter Berücksichtigung des letztmalig bestimmten Rußpartikelfiltereffizienzwertes), welcher durch Anwendung eines Tiefpassfilters auf zeitlich vorangegangene Abscheidungsgrade ermittelt wurde, nur anteilig in die Bewertung bzw. die Ermittlung des gewichteten Abscheidegrades und damit des „neuen” Rußpartikelfiltereffizienzwertes eingeht. Dabei wird im Wesentlichen mit einem Gewichtungsfaktor, dessen Wert zwischen Null und Eins liegt, die Differenz zwischen dem instantanen Abscheidungsgrad und dem letztmalig bestimmten Rußpartikelfiltereffizienzwert multipliziert. Wenn der letztmalige Rußpartikelfiltereffizienzwert größer als der instantane Abscheidungsgrad ist, so wird bevorzugt die gewichtete Differenz zum instantanen Abscheidungsgrad addiert. Gegensätzliches wird bei umgekehrten Größenverhältnissen der beiden Werte durchgeführt.
Vorzugsweise wird im darauffolgenden Schritt der nun gewichtete Abscheidungsgrad beispielsweise einem Tiefpassfilter (Mittelung) zur Bestimmung des neuen Rußpartikelfiltereffizienzwertes zugeführt.
Wie aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, überträgt ein idealer Tiefpassfilter Signale mit Frequenzen unterhalb einer definierten Grenzfrequenz im Wesentlichen unverändert, während Signale mit Frequenzen oberhalb der definierten Grenzfrequenz im Wesentlichen vollständig blockiert werden, wodurch die Bandbreite der Frequenzen reduziert wird.
Mittels der Anwendung eines derartigen Tiefpassfilters, wobei vorzugsweise auch lineare Filter beliebiger Ordnung, wie z. B. Butterworth-Filter oder FIR-Filter Moving-Averaging-Filter angewandt werden können, werden vorteilhaft die über die Zeit betrachteten Werte der instantanen bzw. des aktuell vorliegenden Abscheidungsgrade in einen Rußpartikelfiltereffizienzwert überführt.
Dagegen wird bei einem Vorliegen eines „vorteilhaften” Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems und damit beim Vorliegen von, hinsichtlich des Verfahrens zur Bestimmung der Rußpartikelfiltereffizienz, validierten Signalbereichen der oben beschriebenen Parameter zur Bestimmung des Belastungszustandes keine Gewichtung des instantanen Abscheidungsgrads vom Rußpartikelfilter durchgeführt. Der instantane Abscheidungsgrad wird folglich im Wesentlichen direkt und unverändert dem Tiefpassfilter zur Berechnung des Rußpartikelfiltereffizienzwerts zugeführt.
Demnach ist vorteilhaft eine Bestimmung der Rußpartikelfiltereffizienz möglich, indem insbesondere Ergebnisse einzelner Ermittlungsschritte – unter Berücksichtigung des Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems – entweder vollständig ausgeblendet oder unterschiedlich stark gewichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Tiefpassfilter zur Bestimmung des Rußpartikelfiltereffizienzwerts mit einem in einem Speichermedium bzw. einer Speichereinrichtung vorzugsweise der Steuerungseinrichtung bevorzugt temporär gespeicherten Wert initialisiert, welcher entweder vorkonfiguriert wird oder den zuletzt bestimmten Rußpartikelfiltereffizienzwerts z. B. am Ende des letzten Messzyklus vor einer Sensorblindzeit oder vor dem Ausstellen der Zündung vom Fahrzeug beinhaltet.
Nachdem das Signal des Abscheidungsgrades mittels eines Tiefpassfilters überarbeitet bzw. nachbearbeitet wurde, ist folglich der Rußpartikelfiltereffizienzwert bestimmt worden.
Dieser Rußpartikelfiltereffizienzwert bzw. dieses Rußpartikelfiltereffizienzsignal wird vorzugsweise mit dem gesetzlich geregelten Schwellenwert verglichen, wobei ein Unterschreiten des Schwellenwertes einen zumindest nicht vollständig funktionsfähigen Rußpartikelfilter diagnostiziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt nach dem Detektieren eines Unterschreitens des Schwellenwertes durch den Wert der Rußpartikelfiltereffizienz zumindest eine Benachrichtigung über einen entsprechenden Rußpartikelfiltereffizienzfehler an ein On-Board-Diagnosesystem und insbesondere an eine Speichereinrichtung, wie beispielsweise eine Fehlerspeichereinrichtung des On-Board-Diagnosesystems bzw. der Steuerungseinrichtung des Fahrzeuges.
Diese Speichereinrichtung kann dann in einer entsprechenden Werkstatt ausgelesen werden, um eine Fehlfunktion des Rußpartikelfilters zu erkennen und gegebenenfalls entsprechende Rahmenbedingungen dazu ermitteln zu können.
Auch ist es möglich, dass bei einer Detektion eines Rußpartikelfiltereffizienzfehlers ein entsprechendes Warnsignal an den Fahrzeugführer ausgegeben wird, indem beispielsweise eine entsprechende Signalleuchte im Sichtfeld des Fahrzeugführers aufleuchtet (im Head-Up Display; Cockpit usw.) und/oder auch indem eine entsprechende Warninformation über den Bord-Computer an den Fahrzeugführer übermittelt wird.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft das Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz dargestellt wird.
Komponenten, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Komponenten nicht in allen Figuren gekennzeichnet und erläutert sein müssen.
In den Figuren zeigen:
1 ein Flussdiagramm zur beispielhaften Darstellung eines möglichen Verfahrensablaufs zur Bestimmung der Rußpartikelfiltereffizienz,
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems und deren Bauteile;
3 ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines ungefilterten Rußpartikelmassenstroms im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines gefilterten Rußpartikelmassenstroms über die Zeit,
4 ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines ungefilterten Rußpartikelmassenstroms im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines ermittelten ungefilterten Rußpartikelmassenstroms unter Berücksichtigung der Laufzeit- und Durchmischungseffekte der Rußpartikel sowie des Antwortverhaltens des ersten Rußpartikelsensors,
5 ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines ermittelten ungefilterten Rußpartikelmassenstroms unter Berücksichtigung der Laufzeit- und Durchmischungseffekte der Rußpartikel sowie des Antwortverhaltens des ersten Rußpartikelsensors im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines gefilterten Rußpartikelmassenstroms sowie ein beispielhafter Verlauf eines Signals bzw. Wertes des ermittelten Abscheidungsgrades,
6 ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines Signals bzw. Wertes des ermittelten Abscheidungsgrades im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines Rußpartikelfiltereffizienzwertes oder –, und
7 ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf des Rußpartikelfiltereffizienzwertes oder -signals im Vergleich zu einem beispielhaftem Verlauf eines Schwellenwertes.
1 zeigt ein Flussdiagramm über exemplarisch aufgeführte Schritte S1 bis S11 eines Verfahrens zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz. Der Ablauf zur Ermittlung der Rußpartikelfiltereffizienz zur Einhaltung gesetzlicher Regelungen beginnt im Wesentlichen bei Schritt S2 oder bei einem ersten Start des Diagnosesystems beim Schritt S1, welcher das Starten des gesamten On-Board-Diagnosesystems und damit insbesondere das Starten des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens darstellt.
Zu Beginn des Verfahrens wird, wie Schritt S2 zeigt, eine Abfrage vorzugsweise der Steuerungseinrichtung bezüglich der Bereitschaft des ersten Rußpartikelsensors und/oder des zweiten Rußpartikelsensors bzw. des Rußmodells durchgeführt. D. h., sofern sich der bzw. die Rußpartikelsensor(en) in einem Abbrennzustand der Rußpartikel befindet bzw. befinden, wird das Verfahren zur Ermittlung der Rußpartikelfiltereffizienz vorzugsweise nicht durchgeführt. Es wird vielmehr solange gewartet, bis zumindest einer und vorzugsweise der erste der Rußpartikelsensoren sich in einem „Bereitschaftszustand” befindet, bei welchem eine Anlagerung der Rußpartikel an dessen Elektroden stattfinden kann, d. h. bis insbesondere der Rußpartikelsensor ein Rußpartikelkonzentrationssignal ausgibt bzw. aussendet.
Ist zumindest der erste Rußpartikelsensor, welcher in Abgasstromrichtung betrachtet dem Rußpartikelfilter nachgeschaltet angeordnet ist, zur Detektion von Rußpartikeln im Rußpartikelmassenstrom bzw. Abgasstrom bereit, wird im Schritt S3 zum Einen der tatsächliche und zum Anderen der theoretische im Detektionsbereich des ersten Rußpartikelsensors auftretende Rußpartikelmassenstrom bestimmt, wie oben bereits ausführlich erläutert.
Dabei entspricht der theoretische Rußpartikelmassenstrom im Wesentlichen einem ungefilterten Rußpartikelmassenstrom unter der Annahme eines Abscheidungsgrads des Rußpartikelfilters von Null, wobei jedoch Laufzeiten und Durchmischungsverhältnisse der Rußpartikel sowie auch die Antwortzeit des Rußpartikelsensors zusätzlich bei der Ermittlung des theoretischen Rußpartikelmassenstroms berücksichtigt werden.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S4 wird der Abscheidungsgrad vorzugsweise über einen Abgleich der Werte bzw. Signale des ermittelten theoretischen Rußpartikelmassenstroms zu dem ermittelten tatsächlichen Rußpartikelmassenstroms und vorzugsweise gemäß der nachfolgenden Formel ermittel bzw. berechnet:
Dabei ist η_PF der Abscheidungsgrad des Rußpartikelfilters und ṁ_SootRaw der Rußpartikelmassenstrom im Bereich des ersten Rußpartikelsensors bei einem Rußpartikelfilter-Abscheidungsgrad von Null, d. h. folglich der theoretische Rußpartikelmassenstrom.
ṁ_SootFilt dagegen ist der gefilterte Rußpartikelmassenstrom, gemessen durch und im Bereich des ersten Rußpartikelfilters bzw. im Bereich des Abgasstranges nach dem Rußpartikelfilter.
Nach der Berechnung des aktuell vorliegenden Abscheidungsgrades bzw. Wirkungsgrades des Rußpartikelfilters wird im Wesentlichen nachfolgend oder auch vorzugsweise zeitgleich zur Ermittlung des Abscheidungsgrades und bevorzugt im Wesentlichen auch kontinuierlich nach definierten Zeitvorgaben mittels bevorzugt der Steuerungseinrichtung der aktuell vorliegende Belastungszustand des Abgasnachbehandlungssystems ermittelt. Wenn ein ungeeigneter Belastungszustand, d. h. ein Belastungszustand, bei welchem eine Ermittlung bzw. Diagnose der Rußpartikelfiltereffizienz nicht erfolgen könnte, beispielsweise, weil der durch den Verbrennungsmotor erzeugte Rußpartikelmassenstrom keinen definierten Mindestwert überschreitet, vorliegt, wird entweder zu Schritt S2 zurückgesprungen, so dass im Wesentlichen kontinuierlich der Abscheidungsgrad ermittelt wird, bis ein passender Belastungszustand vorliegt, oder es wird zumindest über einen definierten Zeitraum hinweg darauf gewartet, dass ein passender Belastungszustand vorhanden ist bzw. vorliegt, wobei keine neue Ermittlung des Abscheidungsgrades erfolgt, sondern mit den bisherig ermittelten instantanen Abscheidegrad für die Ermittlung des Rußpartikelfiltereffizienzwertes weiter verfahren wird (gezeigt durch die gestrichelte Linie). D. h., dass lediglich eine Schleife um den Schritt S5 gefahren wird. Demnach wird beim Detektieren eines „ungeeigneten” Belastungszustandes keine Ermittlung des Rußpartikelfiltereffizienzwertes durchgeführt, sondern der Belastungszustand solange abgefragt, bis ein „geeigneter”, d. h. ein „passender” Belastungszustand detektiert wird, um mit der Ermittlung des Rußpartikelfiltereffizienzwertes fortzufahren.
Liegt grundsätzlich ein „passender”, d. h. ein „geeigneter” Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems bzw. des Abgasverbrennungssystems vor, wird in Schritt S6 geprüft, ob der vorliegende Belastungszustand „unvorteilhaft” oder „vorteilhaft” ist. D. h. die Steuerungseinrichtung ermittelt, ob der aktuell vorherrschende Belastungszustand definierte Werte über- bzw. unterschreitet, so dass ein „unvorteilhafter” Belastungszustand detektiert wird, oder innerhalb definierter Grenzwerte liegt, so dass ein „vorteilhafter” Belastungszustand detektiert wird.
Liegt ein im Wesentlichen „vorteilhafter” Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems vor, d. h., weist der Belastungszustand eine definierte vorteilhafte „Qualität” auf, dann wird im Schritt S8 eine Tiefpassfilterung bezüglich der Frequenzen der Signale bzw. der Werte des in Schritt S4 ermittelten Abscheidungsgrades durchgeführt, um vorteilhaft einen Rußpartikelfiltereffizienzwert ermittelt zu können.
Der in Schritt S8 angewandte Tiefpassfilter wird dabei mit einem Wert, welcher vorzugsweise temporär in einer Speichereinrichtung der Motorsteuerungseinrichtung gespeichert ist im Schritt S9 initialisiert. Der zuletzt in der Speichereinrichtung hinterlegte Wert bzw. die Speicherstelle des Wertes wird darauffolgend vorzugsweise mit dem jeweils aktuellen bzw. neusten Rußpartikelfiltereffizienzwert, wie in Schritt S8 ermittelt, überschrieben.
Liegt dagegen ein im Wesentlichen „unvorteilhafter” Belastungszustand der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems vor, d. h., weist der Belastungszustand eine definierte unvorteilhafte „Qualität” auf, dann wird im Schritt S7 eine Gewichtung des Abscheidungsgrades vorgenommen, welche auf eine Betrachtung der Differenz zwischen dem in Schritt S4 ermittelten instantanen Wert des Abscheidungsgrades und dem aktuellen bzw. letztmalig ermittelten und noch aktuellen Rußpartikelfiltereffizienzwert aus Schritt S8 beruht. Die Differenz wird, wie oben bereits aufgezeigt, mit einem Gewichtungsfaktor dessen Wert zwischen Null und Eins liegt, multipliziert. Im nächsten Schritt wird das Ergebnis dem in Schritt S4 ermittelten instantanen Wert des Abscheidungsgrads entweder abgezogen oder hinzugefügt. Wenn der in Schritt S8 ermittelte Rußpartikelfiltereffizienzwert größer ist als der instantane Wert des Abscheidungsrades, wie in Schritt S4 ermittelt, wird die Differenz dem instantanen Wert des Abscheidungsrades hinzuaddiert. Wenn der Rußpartikelfiltereffizienzwert kleiner ist als der instantane Wert des Abscheidungsrades, wird die Differenz dem instantanen Wert des Abscheidungsrades abgezogen. Anschließend wird der nun gewichtete Wert des Abscheidungsgrades im Schritt S8 dem Tiefpassfilter zur Bestimmung des Rußpartikelfiltereffizienzwertes hinzugefügt.
Im Schritt S10 wird dann der jeweilige Rußpartikelfiltereffizienzwert bzw. das jeweilige Rußpartikelfiltereffizienzsignal des entweder in Schritt S4 ermittelten oder des in Schritt S7 ermittelten Abscheidungsgrades mit dem gesetzlich vorgegebenen Schwellenwert, welcher entsprechend der On-Board-Diagnose zur Bestimmung von Abgasemissionen festgelegt ist, verglichen. Bei einem Unterschreiten des Schwellenwertes durch den Rußpartikelfiltereffizienzwert bzw. das Rußpartikelfiltereffizienzsignal wird folglich ein Fehler in der Funktionsweise des Rußpartikelfilters detektiert, so dass eine ungenügende bzw. den gesetzlichen Bestimmungen nicht konform gehende Rußpartikelfiltereffizienz vorliegt. Das Auftreten eines derartigen Rußpartikelfilterfehlers wird dann, wie in Schritt S11 gezeigt, vorzugsweise in einem (Fehler-)Speicher des On-Board-Diagnosesystem bzw. der Steuerungseinrichtung bevorzugt langfristig gespeichert, so dass diese Information insbesondere mittels eines Auslesegerätes beispielsweise einer entsprechenden Fahrzeugreparaturwerkstatt jederzeit ausgelesen werden kann.
Sollte jedoch bei einem Vergleich im Schritt S10 des Rußpartikelfiltereffizienzwert mit dem Schwellenwert, der Rußpartikelfiltereffizienzwert oberhalb des Schwellenwertes liegen, so dass keine Fehlfunktion des Rußpartikelfilters diagnostiziert wird, beginnt das Diagnoseverfahren wieder erneut und insbesondere bei Schritt S1 bzw. S2.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform zumindest eines Ausschnittes eines Abgasnachbehandlungssystems bzw. eines Abgasverbrennungssystems mit einem Verbrennungsmotor 4 bzw. einer Verbrennungskraftmaschine 4, welcher vorzugsweise nicht dem Abgasnachbehandlungssystem zugehörig ist, und einem in Abgasmassenstromrichtung betrachtet dem Verbrennungsmotor 4 nachgeschaltet angeordneten Rußpartikelfilter 3. Im Abgasstrang 1 sind zudem ein erster Rußpartikelsensor 2a, welcher dem Rußpartikelfilter 3 nachgeschaltet angeordnet ist und die Rußpartikelkonzentration des gefilterten Rußpartikelmassenstroms misst, sowie ein zweiter Rußpartikelsensor, welcher dem Verbrennungsmotor 4 nachgeschaltet und dem Rußpartikelfilter 3 vorgeschaltet angeordnet ist und die Rußpartikelkonzentration des ungefilterten Rußpartikelmassenstroms misst, angeordnet.
In der 3 ist ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines ungefilterten Rußpartikelmassenstroms 10 im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines gefilterten Rußpartikelmassenstroms 11 über die Zeit dargestellt. D. h., dass das Diagramm auf der Ordinate den Rußpartikelmassenstrom und auf der Abszisse die Zeit abbildet, so dass deutlich wird, dass sich der Rußpartikelmassenstrom über die Zeit kontinuierlich ändert, was wiederum beispielsweise durch unterschiedlichen Motorbetriebszuständen des Fahrzeuges sowie schwankenden Umwelt- bzw. Umgebungsbedingungen bedingt wird, da die Rußpartikelemission einer Verbrennungskraftmaschine bekannterweise insbesondere abhängig ist von beispielsweise dem Lastwechsel und/oder dem Warmlauf der Verbrennungskraftmachine sowie dem Umgebungsdruck und/oder der Umgebungstemperatur.
D. h., dass ein Fahrzeug und insbesondere dessen Verbrennungskraftmaschine beispielsweise einen höheren Rußpartikelmassenstrom bei Nutzung unter (Voll-)Last (z. B. sehr hohe Motordrehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten) erzeugt, während beispielsweise im Leerlauf des Fahrzeuges lediglich ein im Wesentlichen dazu geringer Rußpartikelmassenstrom erzeugt wird.
Der Rußpartikelfilter lagert vorzugsweise einen Teil des Rußpartikelmassenstroms bzw. der Rußpartikel aus dem Rußpartikelmassenstrom ein und reduziert dadurch folglich die Rußpartikelrohemissionen des Verbrennungsmotors. D. h., dass der Abscheidungsgrad des Rußpartikelfilters folglich auch die vom ersten Rußpartikelsensor erfasste Rußpartikelemission berücksichtigt und sich nach oben aufgeführter Formel (1) definiert.
In 4 ist ein schematisches Diagramm mit einem aus der 3 bekannten beispielhaften Verlauf eines ungefilterten Rußpartikelmassenstroms 10, welcher beispielsweise direkt am Auslass des Verbrennungsmotors detektiert werden könnte, im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines ermittelten ungefilterten Rußpartikelmassenstroms 20 unter Berücksichtigung der Laufzeit- und Durchmischungseffekte der Rußpartikel sowie des Antwortverhaltens des ersten Rußpartikelsensors gezeigt. D. h. der Verlauf 20 bzw. die Verlaufskurve 20 zeigt insbesondere den theoretischen Rußpartikelmassenstrom bzw. den theoretischen Rußpartikelrohemissionsstrom, welcher im Detektionsbereich des ersten Rußpartikelsensors 2a, wie in 2 dargestellt, auftreten könnte, sofern der Rußpartikelfilter 3, wie in 2 dargestellt, einen Rußpartikel-Abscheidungsgrad von Null hätte.
Die Verlaufskurve 20 wird dabei insbesondere u. a. durch ein Modellieren bzw. Anpassen der Werte der Rußpartikellaufzeit mittels Totzeiten und durch eine Tiefpassfilterung der Rußpartikelmassenstromsignalfrequenzen aufgrund einer Durchmischung der Rußpartikel mit dem Abgasstrom bestimmt. Ebenfalls wird vorzugsweise zusätzlich die Antwortzeit des Rußpartikelfilters bei der Bestimmung der Verlaufskurve 20 berücksichtigt.
In 5 ist ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaftem Verlauf eines aus 4 bekannten ermittelten (theoretischen) ungefilterten Rußpartikelmassenstroms 20 (Massenstrom_SOOTRaw) unter Berücksichtigung der Laufzeit- und Durchmischungseffekte der Rußpartikel sowie des Antwortverhaltens des ersten Rußpartikelsensors im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines aus 3 bekannten gefilterten Rußpartikelmassenstroms 11 (Massenstrom_SOOTFilt) sowie ein beispielhafter Verlauf eines Ergebnisses des ermittelten Abscheidungsgrades 30 (η_PF) gezeigt. Gemäß der oben aufgeführten Formel (1) ergibt sich demnach der Verlauf des Wertes des instantanen bzw. des instantan ermittelten Abscheidungsgrades 30 bzw. des Wirkungsgrades 30 aus einer Differenz zwischen dem theoretischen Rußpartikelmassenstrom 20 und dem detektierten gefilterten Rußpartikelmassenstrom 11, wobei diese Differenz noch ins Verhältnis zum theoretischen Rußpartikelmassenstrom 20 gesetzt wird. D. h., dass in 5 insbesondere der Verlauf der Eingangssignale 11 und 20 sowie der Verlauf des daraus ermittelten Ergebnisses der Rußpartikelabscheidungsgradberechnung als Signal 30 dargestellt ist.
6 zeigt ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf des aus 5 bekannten ermittelten instantanen Abscheidungsgrades 30 im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines mittels eines Tiefpassfilters bearbeiteten Abscheidungsgrades 40 über die Zeit, nämlich dem Rußpartikelfiltereffizienzwert 40. D. h., dass insbesondere für die On-Board-Diagnose des Rußpartikelfilters das Signal des instantan ermittelten Rußpartikelfilterabscheidungsgrades bzw. des Rußpartikelfilterwirkungsrades, wie das Bezugszeichen 30 zeigt, mittels eines Tiefpassfilters, insbesondere in der Steuerungseinrichtung des On-Board-Diagnosesystems, wie oben bereits beschrieben, nachbearbeitet wird, so dass ein entsprechender Verlauf bzw. eine entsprechende Verlaufskurve des Rußpartikelfiltereffizienzsignals bzw. Rußpartikelfiltereffizienzwerts, wie durch das Bezugszeichen 40 dargestellt, entsteht.
Die Verwendung der Tiefpassfilterung bei dem Signal des ermittelten Abscheidungsgrades des Rußpartikelfilters reduziert vorzugsweise hochfrequente Schwankungen dieses Signals.
In 7 ist abschließend ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf des aus 6 bekannten Rußpartikelfiltereffizienzwerts 40 im Vergleich zu einem beispielhaften Verlauf eines Schwellenwertes 50 über die Zeit gezeigt. D. h., dass der Rußpartikelfiltereffizienzwerts bzw. das Rußpartikelfiltereffizienzsignal, wie es das Bezugszeichen 40 zeigt, mit einem Schwellenwert, wie es das Bezugszeichen 50 zeigt, welcher unter Berücksichtigung der On-Board-Diagnose gesetzlich geregelt und vorgegeben ist, verglichen bzw. abgeglichen wird. Unterschreitet der Rußpartikelfiltereffizienzwert 40 bzw. das Rußpartikelfiltereffizienzsignal 40 den Schwellenwert 50 wird ein defekter bzw. nicht mehr im Rahmen der gesetzlichen Bestimmungen als funktionstüchtig angesehener Rußpartikelfilter detektiert bzw. erkannt.
Zur Verifizierung des erkannten Rußpartikelfilterdefektes bzw. -fehlers kann jedoch zudem nach dem Unterscheiten des Schwellenwertes 50 durch den Rußpartikelfiltereffizienzwert der Abscheidungsgradwert des Rußpartikelfilters auf 100% zurückgesetzt werden. Wird dann der Schwellenwert erneut von dem neu ermittelten Rußpartikelfiltereffizienzwert unterschritten, wird das Vorliegen des Rußpartikelfilterdefektes folglich bestätigt.
Dabei ist die Anzahl der Unterschreitungen des Schwellenwertes durch den Rußpartikelfiltereffizienzwert bis ein Auftreten eines Rußpartikelfilterfehler bzw. -defekt erkannt und bestätigt wird, frei wählbar. D. h. die erforderliche Anzahl kann folglich in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert werden.
Vorteilhaft ist demnach das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Rußpartikelfiltereffizienz anwendbar, sobald zumindest der erste Rußpartikelsensor betriebsbereit ist und die Rußpartikelrohemission des Verbrennungsmotors, beispielsweise durch das entsprechende Rußmodell, bekannt sind, so dass nicht nur mit einer hohen Genauigkeit, sondern vorteilhaft auch mit einer hohen Geschwindigkeit eine Diagnose des Rußpartikelfilters und folglich der Rußpartikelfiltereffizienz erfolgen kann.
Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft eine Gewichtung bzw. Berücksichtigung oder auch eine Ausblendung bzw. nicht Berücksichtigung von Belastungszuständen des Abgasnachbehandlungssystems. D. h. zum Beispiel, dass Verbrennungsmotorbetriebsphasen, in welchen die Rußpartikelrohemission des Verbrennungsmotors nur ungenau bestimmbar wäre, von der Bewertung der Rußpartikelfiltereffizienz bevorzugt ausgenommen werden.
Des Weiteren können vorteilhaft auch Betriebsphasen von Rußpartikelsensoren in denen eine relativ hohe Messungenauigkeit vorliegt, bei der Ermittlung des Abscheidungsgrades schwächer gewichtet oder gar ausgeblendet werden.
Vorteilhaft kann durch das Gewichten bzw. Ausblenden sowie durch das Tiefpassfiltern im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt eine aktuelle bzw. momentane Effizienz ermittelt werden, ohne dass ein vordefiniertes Intervall verwendet werden müsste. Dies ist insbesondere auch dadurch möglich, da die Werte des theoretischen Rußpartikelrohmassenstroms und des ermittelten Rußpartikelmassenstroms zeitlich vollständig aufeinander abgeglichen werden können. D. h., dass über eine Mehrzahl von Zeitschritten bzw. Ermittlungsschritten im Wesentlichen gemittelt bzw. tiefpassgefiltert wird, um das Messrauschen zu minimieren, wobei die Ergebnisse der einzelnen Zeitschritte vorzugsweise unterschiedlich stark in die Mittelung bzw. in die Tiefpassfilterung eingehen können.
Des Weiteren kann vorteilhaft durch die Stärke der Mittelung bzw. Tiefpassfilterung einfach und gezielt (z. B. durch Parametrierung der charakteristischen Rußpartikelfilterzeitkonstante) der Kompromiss zwischen der geforderten hohen Genauigkeit, welche vorzugsweise durch eine stärke Tiefpassfilterung erreicht wird, und einem schnellen Ergebnis für die Rußpartikelfiltereffizienz, welche vorzugsweise durch eine schwächere Tiefpassfilterung erreicht wird, erzielt werden.
Die Anmelderin behält sich vor sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Abgasstrang
2a: erster Rußpartikelsensor
2b: zweiter Rußpartikelsensor
3: Rußpartikelfilter
4: Verbrennungsmotor/Verbrennungskraftmaschine
10: Verlauf eines ungefilterten Rußpartikelmassenstroms
11: Verlauf eines gefilterten Rußpartikelmassenstroms
20: Verlauf eines theoretischen Rußpartikelmassenstroms
30: Verlauf eines Ergebnisses des ermittelten instantanen Abscheidungsgrades
40: Verlauf eines Rußpartikelfiltereffizienzwerts
50: Verlauf eines Schwellenwertes
S1: Schritt 1
S2: Schritt 2
S3: Schritt 3
S4: Schritt 4
S5: Schritt 5
S6: Schritt 6
S7: Schritt 7
S8: Schritt 8
S9: Schritt 9
S10: Schritt 10
S11: Schritt 11

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Rußpartikelfiltereffizienz eines in einem Abgasstrang (1) eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeuges angeordneten Rußpartikelfilters (3), mittels eines zumindest in Abgasstromrichtung dem Rußpartikelfilter (3) im Abgasstrang (1) nachgeschaltet angeordneten ersten Rußpartikelsensors (2a), wobei eine Steuerungseinrichtung einen instantanen Abscheidungsgrad (η_PF) des Rußpartikelfiters (3) zumindest mittels eines Abgleiches aus Werten bezüglich einem von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeuges in den Abgasstrang abgegebenen theoretischen Rußpartikelmassenstrom im Bereich des dem Rußpartikelfilter (3) nachgeschaltet angeordneten Abgasstranges (1) bei einem Abscheidungsgrad von Null bzw. dem theoretischen Rußpartikelrohmassenstrom (20) und einem tatsächlichen Rußpartikelmassenstrom (11) im Bereich des dem Rußpartikelfilter (3) nachgeschaltet angeordneten Abgasstranges (1) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung eines aktuell vorliegenden Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems aus dem instantanen Abscheidungsgrad (η_PF) ein Rußpartikelfiltereffizienzwert derart bestimmt wird, dass zumindest bei einem Vorliegen eines unvorteilhaften Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems eine Gewichtung des instantanen Abscheidungsgrades (η_PF) mittels eines Gewichtungsfaktors erfolgt und der gewichtete Abscheidungsgrad mittels eines Filters nachbearbeitet wird, wobei eine Differenz zwischen dem instantanen Abscheidungsgrad und dem letztmalig bestimmten Rußpartikelfiltereffizienzwert ermittelt und mit dem Gewichtungsfaktor multipliziert wird, wobei die gewichtete Differenz zum instantanen Abscheidungsgrad addiert wird, sofern der letztmalig ermittelte Rußpartikelfiltereffizienzwert größer als der instantane Abscheidungsgrad ist, oder subtrahiert wird, sofern der letztmalig ermittelte Rußpartikelfiltereffizienzwert kleiner als der instantane Abscheidungsgrad ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der instantane Wert des Abscheidungsgrades (η_PF) unter Berücksichtigung eines letztmalig ermittelten Rußpartikelfiltereffizienzwertes nur anteilig in die Ermittlung eines gewichteten Abscheidegrades eingeht.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Wesentlichen kontinuierliche Abfrage des Belastungszustandes der Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems mittels der Steuerungseinrichtung erfolgt, wobei bei einem ungeeigneten Belastungszustand keine Ermittlung des Rußpartikelfiltereffizienzwertes durchgeführt wird.
Verfahren einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der theoretische Rußpartikelrohmassenstrom (20) mittels eines Rußmodells bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der theoretische Rußpartikelrohmassenstrom (20) mittels eines in Abgasstromrichtung dem Rußpartikelfilter im Abgasstrang vorgeschaltet angeordneten zweiten Rußpartikelsensors (2b) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bestimmung des theoretischen Rußpartikelmassenstroms (20) Werte der Laufzeit der Rußpartikel mittels Totzeiten korrigiert werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bestimmung des theoretischen Rußpartikelmassenstroms (20) Werte der Durchmischung des Abgases durch eine Filterung des Rußpartikelmassenstroms korrigiert werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bestimmung des theoretischen Rußpartikelmassenstroms (20) Werte bezüglich einer Antwortzeit des ersten Rußpartikelsensors (2a) und/oder ein Signal des Rußpartikelfilters (3) verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidungsgrad mittels eines Tiefpassfilters nachbearbeitet wird, um einen Rußpartikelfiltereffizienzwert zu erhalten.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelfiltereffizienzwert (40) mit einem gesetzlich geregelten Schwellenwert (50) verglichen wird, wobei ein Unterschreiten des Schwellenwertes (50) einen zumindest nicht vollständig funktionsfähigen Rußpartikelfilter (3) diagnostiziert.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Unterschreiten des Schwellenwertes (50) durch den Rußpartikelfiltereffizienzwert (40) zumindest eine Benachrichtigung über einen entsprechenden Rußpartikelfiltereffizienzfehler an ein On-Board-Diagnosesystem erfolgt.