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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts eines Abgases, wobei der Partikelsensor zumindest zwei Elektroden enthält, wobei während einer Messphase eine von einer Spannungsquelle bereitgestellten Messspannung über die Elektroden und einen nachfolgenden Strommessshunt angelegt wird, wobei zur Bestimmung des Partikelgehalts in dem Abgas eine Änderung eines Stroms zwischen den Elektroden durch aus dem Abgas an dem Partikelsensor angelagerte Partikel ausgewertet wird und wobei der messbare Strom durch einen Maximalstrom begrenzt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts eines Abgases, wobei der Partikelsensor zumindest zwei Elektroden enthält, an welchen sich Partikel aus dem Abgas anlagern und die Elektroden elektrisch verbinden, mit einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Messspannung über die Elektroden und einen in Reihe zu den Elektroden geschalteten Strommessshunt, mit einer ersten Auswerteschaltung zur Bestimmung eines Spannungsabfalls über den Strommessshunt zur Bestimmung eines Stroms durch die Elektroden, wobei durch den Messbereich der Auswerteschaltung ein maximal messbarer Maximalstrom zwischen den Elektroden vorgegeben ist, und mit einer Steuereinheit zur Bestimmung der Partikelbeladung des Partikelsensors aus dem bestimmten Strom durch die Elektroden.
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Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On-Board-Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften einer interdigitalen Elektrodenstruktur auf Grund von Partikelanlagerungen auswerten. Ist der Partikelsensor voll beladen, werden die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt.
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Ein solcher resistiver Partikelsensor ist in der
DE 101 33 384 A1 beschrieben. Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden (Interdigitalelektroden) aufgebaut, die zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt sind. Lagern sich Partikel aus einem Gasstrom an dem Partikelsensor ab, so führt dies zu einer auswertbaren Änderung der Impedanz des Partikelsensors, aus der auf die Menge angelagerter Partikel und somit auf die Menge im Abgas mitgeführter Partikel geschlossen werden kann.
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Die Anlagerung von Partikeln an einem in dem Abgasstrom nach einem Partikelfilter angeordneten Partikelsensor ist abhängig von der Filterwirkung und der Beladung des Partikelfilters. Im Abgas nach einem intakten Partikelfilter sind nahezu keine Partikel enthalten. Ist der Partikelfilter voll beladen oder ist die Filterwirkung eingeschränkt, können bei der Verbrennung entstandene Partikel den Partikelfilter passieren und lagern sich an dem Partikelsensor ab, was durch die Auswertung des Ausgangssignals des Partikelsensors nachgewiesen wird. Damit kann die Funktion des Partikelfilters überwacht werden.
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Bei der Regeneration des Partikelsensors, wie sie ab einem bestimmten Beladungszustand des Partikelsensors notwendig ist, wird dieser durch das integrierte Heizelement so weit aufgeheizt, dass die angelagerten Rußpartikel verbrennen.
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Zur Bestimmung der Impedanz des Partikelsensors sind üblicherweise die Elektroden in Reihe mit einem Strommessshunt mit einer Spannungsquelle verbunden. Durch Messung des Spannungsabfalls über dem Strommessshunt, was beispielsweise mit einem Analog-Digital-Wandler erfolgt, wird der von der Partikelbeladung des Partikelsensors abhängige Stromfluss durch die Elektroden gemessen und daraus auf die Impedanz beziehungsweise direkt auf die Partikelbeladung geschlossen. Bei sehr starker Rußablagerung auf den Interdigitalelektroden, zum Beispiel durch einen stark defekten Partikelfilter, steigt das Sensorsignal über die maximale Grenze des messbaren Strombereiches, welche zum Beispiel durch die maximale Spannung des Analog-Digital-Wandlers vorgegeben sein kann. Diese Grenze kann aber auch durch einen Kurzschluss zwischen den Elektroden oder den Zuleitungen zu den Elektroden überschritten werden. Es ist daher nicht möglich, die Überschreitung der maximalen Stromgrenze einem Kurzschluss oder einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors als Ursache zuzuordnen.
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Eine solche Unterscheidung kann beispielsweise durch einen erweiterten messbaren Strombereich ermöglicht werden, was jedoch nur mit erhöhten Kosten umsetzbar ist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung besteht darin, bei einer Überschreitung des maximal messbaren Stroms eine neue Regeneration des Partikelsensors durchzuführen. Unmittelbar nach Ende der Regeneration bleibt als Ursache für eine weiter vorliegende Überschreitung der Stromgrenze nur ein Kurzschluss, da angelagerte Partikel durch die Regeneration verbrannt werden und die Stromgrenze dadurch zumindest kurzzeitig unterschritten wird.
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Nachteilig hierbei ist der hohe Zeitaufwand, da bis zur Erkennung eines möglichen Fehlers des Partikelsensors eine vollständige Regenerationsphase durchlaufen werden muss. Auf Grund dieser Wartezeit ist nach gültigen Vorgaben zur On-Board-Diagnose (OBD) bei Kraftfahrzeugen eine Gut-Meldung eines zu überwachenden Partikelfilters um diese Zeit zu verzögern, wodurch sich die OBD-IUMPR (In Use Monitor Performance Ratio) nachteilig verlängert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich bei einem sehr stark beschädigten Partikelfilter unmittelbar nach der Regeneration des Partikelsensors wieder so viele Partikel an dessen Elektroden angesammelt haben können, dass der Strommessbereich sofort wieder überschritten wird und so eine Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung weiterhin nicht möglich ist. Weiterhin zu beachten ist, dass jede zusätzliche Regeneration des Partikelsensors zur Alterung des Sensorelements beiträgt.
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Die Schrift
DE 10 2009 033 232 A1 beschreibt eine Verfahren zur fahrzeugeigenen Funktionsdiagnose eines Rußsensors und/oder zur Erkennung von weiteren Bestandteilen im Ruß in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, wobei der Rußsensor mit einer im Kraftfahrzeug fest installierten Auswerteschaltung elektrisch verbunden ist, und wobei die Auswerteschaltung den Spannungskoeffizienten des Rußsensors misst und die Fehlerhaftigkeit des Rußsensors und/oder das Vorhandensein von weiteren Bestandteilen im Ruß anhand des Spannungskoeffizienten erkennt. Der Spannungskoeffizient stellt eine Abhängigkeit eines Widerstandes von einer angelegten Spannung dar. Im Falle eines intakten Rußsensors ist der Spannungskoeffizient sehr hoch, weil sich der Widerstandswert des intakten Rußsensors maßgeblich aus der hohen elektrischen Feldstärke zwischen den Messelektroden herleitet. Der am Rußsensor gemessene Widerstand wird von der Rußschicht auf den Messelektroden des Rußsensors beeinflusst. Dadurch weist der gemessene Widerstand eine recht hohe Abhängigkeit von der Messspannung auf. Ein intakter und fehlerfrei arbeitender Rußsensor zeichnet sich daher durch einen hohen Spannungskoeffizienten aus. Bei einem Kurzschluss erfolgt der Stromfluss durch eine metallische Verbindung, welche lediglich einen kleinen Spannungskoeffizienten aufweist. Durch Messung des Spannungskoeffizienten kann somit zwischen einem intakten Partikelsensor und einem Partikelsensor mit einem Kurzschluss unterschieden werden. Nachteilig hierbei ist jedoch das aufwändige Messverfahren mit einer entsprechend kostenintensiven Schaltung zur Spannungsversorgung, da der Partikelsensor zur Bestimmung des Spannungskoeffizienten mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden muss.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine unmittelbare Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und einer hohen Partikelbeladung eines sammelnden Partikelsensors ermöglicht.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass bei Erreichen des Maximalstroms die Messspannung bestimmt wird und dass auf einen Kurzschluss zwischen den Elektroden oder den Zuleitungen zu den Elektroden geschlossen wird, wenn die Messspannung unterhalb einer vorgegebenen ersten Spannungsschwelle liegt und dass auf eine hohe Partikelbeladung des Partikelsensors geschlossen wird, wenn die Messspannung oberhalb einer vorgegebenen zweiten Spannungsschwelle liegt. Im Falle eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden oder den Zuleitungen zu den Elektroden ist die Belastung der Spannungsquelle, welche die Messspannung bereitstellt, größer als die Belastung bei starker Partikelbeladung des Partikelsensors. Dies führt im Vergleich zu einer starken Partikelbeladung bei einem Kurzschluss zu einem größeren Spannungseinbruch der Messspannung, was erfindungsgemäß durch den Vergleich mit den Spannungsschwellen erkannt wird. Das Verfahren ermöglicht es somit, nach dem Hinweis auf einen möglichen Defekt des Partikelsensors oder eines mit dem Partikelsensor zu überwachenden Partikelfilters durch Erreichen des Maximalstroms schnell und zuverlässig zwischen einem stark partikelbeladenen Partikelsensor und einem Kurzschluss zu unterscheiden. Dadurch kann eine Gut-Meldung für den Partikelfilter früher stattfinden, wodurch die OBD-IUMPR erhöht wird. Unnötige Regenerationen des Partikelsensors können vermieden werden. Auch bei einem sehr hohen Partikelgehalt des Abgases, beispielsweise bei einem sehr stark geschädigten Partikelfilter, besteht kein Verwechslungsrisiko zwischen Kurzschluss und starker Partikelbeladung des Partikelsensors, wie dies beispielsweise bei einer Auswertung unmittelbar nach einer Regeneration des Partikelsensors vorliegt.
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Durch eine geeignete Wahl der ersten, vorzugsweise niedrigeren Spannungsschwelle zur Erkennung eines Kurzschlusses und der zweiten, vorzugsweise höheren Spannungsschwelle zur Erkennung einer starken Partikelbeladung kann eine sichere Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung sichergestellt werden. Entsprechend einer bevorzugten Verfahrensvariante kann die Umsetzung des Verfahrens dadurch vereinfacht werden, dass die erste Spannungsschwelle der zweiten Spannungsschwelle entspricht. Zur Auswertung muss damit nach Erreichen des Maximalstroms lediglich bestimmt werden, ob die Messspannung oberhalb oder unterhalb der gemeinsamen Spannungsschwelle liegt. Ein Kurzschluss liegt dann vor, wenn die Messspannung kleiner als die gemeinsame Spannungsschwelle ist, während bei einer Messspannung, die größer als die gemeinsame Spannungsschwelle ist, von einer starken Partikelbeladung und demnach von einem defekten Partikelfilter ausgegangen werden kann.
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Eine einfache und kostengünstige Bestimmung sowohl des Stroms zwischen den Elektroden wie der Messspannung kann dadurch erfolgen, dass zur Bestimmung des Stroms zwischen den Elektroden ein Spannungsabfall über den mit den Elektroden in Reihe geschalteten Strommessshunt bestimmt wird und/oder dass zur Bestimmung der Messspannung ein Spannungsabfall über einen Widerstand eines parallel zu den Elektroden und dem Strommessshunt geschalteten Spannungsteilers bestimmt wird.
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Das Verfahren nutzt aus, dass die Messspannung bei Belastung der Spannungsquelle durch einen niederohmigen Kurzschluss einbricht. Dazu kann es vorgesehen sein, dass eine lineare Spannungsquelle oder eine nichtlineare Spannungsquelle zur Bereitstellung der Messspannung verwendet wird. Eine nichtlineare Spannungsquelle bietet den zusätzlichen Vorteil, dass bei Überschreitung einer definierten Last die Quellspannung der Spannungsquelle selbst einbricht und somit im Kurzschlussfall ein sehr starker und sicher nachzuweisender Einbruch der Messspannung auftritt.
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Wie stark die Messspannung einbricht hängt von der Impedanz der Spannungsquelle und deren Belastung ab. Die Belastung ergibt sich aus dem Stromfluss durch die Elektroden und den nachfolgenden Strommessshunt sowie durch den parallel geschalteten Spannungsteiler. Um eine sichere Unterscheidung zwischen einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors und einem Kurzschluss zu ermöglichen kann es vorgesehen sein, dass die interne Impedanz der Spannungsquelle und/oder der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers derart an den Impedanzverlauf des Partikelsensors angepasst werden, dass die Messspannung bei einem Kurzschluss stark einbricht und bei einer starken Partikelbeladung nur wenig einbricht. Damit kann sichergestellt werden, dass die Messspannung bei einem Kurzschluss unter die erste Spannungsschwelle oder eine gemeinsamen Spannungsschwelle einbricht, während sie bei einer starken Partikelbeladung oberhalb der zweiten Spannungsschwelle oder der gemeinsamen Spannungsschwelle verbleibt.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass parallel zu den Elektroden und dem Strommessshunt ein Spannungsteiler geschaltet ist, dass zur Bestimmung der Messspannung eine zweite Auswerteschaltung zur Spannungsmessung parallel zu einem Widerstand des Spannungsteilers geschaltet und mit der Steuereinheit verbunden oder in dieser integriert ist, dass in der Steuereinheit ein Programmablauf oder eine Schaltungsanordnung zum Vergleich der bei Erreichen des Maximalstroms bestimmten Messspannung mit einer vorgegebenen ersten Spannungsschwelle und einer vorgegebenen zweiten Spannungsschwelle vorgesehen ist und dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Erkennung eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden oder den Zuleitungen zu den Elektroden vorgesehen ist, wenn die bestimmte Messspannung die erste Spannungsschwelle unterschreitet oder zur Erkennung einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors, wenn die bestimmte Messspannung die zweite Spannungsschwelle überschreitet. Die Vorrichtung ermöglicht somit die Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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Ein einfacher Aufbau der Vorrichtung wird dadurch ermöglicht, dass die erste Auswerteschaltung und/oder die zweite Auswerteschaltung jeweils durch einen Analog-Digital-Wandler gebildet ist. Diese ermöglichen die Umwandlung der anliegenden Spannungssignale in digitale Signale, welche einfach von der nachgeschalteten Steuereinheit verarbeitet werden können. Der Maximalstrom ist dabei durch den Messbereich der ersten Auswerteschaltung, also des ersten Analog-Digital-Wandlers, gegeben.
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Eine einfache Programmierung mit einer sicheren Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung ergibt sich dadurch, dass die erste Spannungsschwelle und die zweite Spannungsschwelle gleich sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch einen Partikelsensor in einer Explosionsdarstellung,
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2 schematisch einen Schnitt durch den Partikelsensor mit einem ausgebildeten Rußpfad,
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3 ein Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms und eines tatsächlichen Stroms bei starker Partikelbeladung des Partikelsensors,
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4 ein Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms und eines tatsächlichen Stroms bei einem Kurzschluss zwischen Elektroden des Partikelsensors,
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5 eine elektrische Schaltung zum Betrieb eines Partikelsensors,
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6 ein doppeltes Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms, eines tatsächlichen Stroms und einer Messspannung bei starker Partikelbeladung des Partikelsensors,
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7 doppeltes Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms, eines tatsächlichen Stroms und einer Messspannung bei einem Kurzschluss zwischen Elektroden des Partikelsensors.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 10 in einer Explosionsdarstellung.
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Auf Isolationsträgerschichten 11, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 13 aufgebracht. Die Elektroden 12, 13 sind in Form zweier ineinander greifender, interdigitaler Kammelektroden ausgeführt.
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In dem gezeigten Beispiel ist zwischen den Isolationsträgerschichten 11 ein Heizelement 14 integriert.
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Wird ein solcher Partikelsensor 10 in einem Partikel führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors, betrieben, so lagern sich Partikel 15 aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 10 ab. Im Falle des Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln 15 um Rußpartikel mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Diese bilden bei ausreichender Beladung des Partikelsensors 10 leitfähige Brücken zwischen den Elektroden 12, 13 aus. Die Ablagerungsrate der Partikel 15 an den Partikelsensor 10 hängt von der Partikelkonzentration in dem Abgas ab. Durch Messung des zeitlichen Verlaufs des Stromes beziehungsweise durch Messung der Zeit von dem Beginn eines Messzyklus bis zum Erreichen eines als Auslöseschwelle bezeichneten Stromes zwischen den beiden Elektroden 12, 13 bei einer anliegenden, konstanten Spannung kann auf die Partikelablagerung und somit auf die Partikelkonzentration in dem Abgas geschlossen werden. Dies ermöglicht beispielsweise die Überwachung der Funktion eines dem Partikelsensor 10 in dem Abgaskanal vorgeschalteten Partikelfilters.
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Nach Abschluss eines Messzyklus werden die an dem Partikelsensor 10 angelagerten Partikel 15 im Rahmen einer Regeneration des Partikelsensors 10 verbrannt. Dazu wird die Temperatur des Partikelsensors 10 mit Hilfe des Heizelements 14 auf ca. 750°C erhöht.
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2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Partikelsensor 10 mit einem ausgebildeten Rußpfad 16. Dabei sind die gleichen Bezeichner wie in 1 eingeführt verwendet.
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Die zwischen den Elektroden 12, 13 angelagerten, leitfähigen Partikel 15 bilden leitfähige Rußpfade 16 zwischen den Elektroden 12, 13, worüber ein auswertbarer elektrischer Strom fließt.
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Bei sehr starker Partikelbeladung auf den Elektroden 12, 13, zum Beispiel durch einen stark defekten Partikelfilter, steigt das Ausgangssignal des Partikelsensors 10 über die maximale Grenze des messbaren Strombereiches. Diese Grenze kann aber auch durch einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 12, 13 oder deren Zuleitungen verursacht werden. Daher ist es nicht möglich, unmittelbar zwischen einem Kurzschluss, also einem Defekt des Partikelsensors 10, und einem sehr hohen Partikelgehalt im Abgas mit einer entsprechend hohen Partikelbeladung des Partikelsensors, wie sie in Folge eines stark defekten Partikelfilters auftritt, zu unterscheiden. Eine dazu notwendige Erweiterung des messbaren Strombereiches ist kostenaufwändig und in bestehende Auswertesysteme für Partikelsensoren nur schwer zu integrieren.
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3 zeigt ein Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms 22 und eines tatsächlichen Stroms 23 bei starker Partikelbeladung als Ausgangssignal des in den 1 und 2 gezeigten Partikelsensors 10.
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Der gemessene Strom 22 und der tatsächliche Strom 23 sind gegenüber einer Stromachse 20 und einer Zeitachse 26 aufgetragen. Eine maximale Grenze des messbaren Strombereiches ist durch einen Maximalstrom 21 gekennzeichnet. Ab dem Maximalstrom 21 weicht der gemessene Strom 22 von dem tatsächlichen Strom 24 ab. Nach einer durch ein Viereck symbolisierten Regenerationsphase 25 fällt der Stromfluss durch die Elektroden 12, 13 wieder in den messbaren Bereich, so dass nachfolgend der gemessene Strom 22 dem tatsächlichen Strom 24 entspricht. Ein Defekt eines dem Partikelsensor 10 im Abgaskanal vorgeschalteten Partikelfilters ist durch einen Beginn Verrußung 23 symbolisiert.
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Der tatsächliche Strom 24 entspricht einem Stromfluss durch die Elektroden 12, 13 bei einer angelegten Messspannung und kann, wie in dem Verlauf des gemessenen Stroms 22 dargestellt, bis zu dem Maximalstrom 21 korrekt gemessen werden. Der Maximalstrom 21 ist dabei beispielsweise durch einen Messbereich eines Analog-Digital-Wandlers vorgegeben, welcher zur Bestimmung des Stromflusses durch die Elektroden 12, 13 durch Messung einer Spannung über einem entsprechenden, in 5 gezeigten Strommessshunt 46 vorgesehen ist. Durch die starke Verrußung des Partikelsensors 10 steigt der gemessene Strom 22 als Ausgangssignal des Partikelsensors 10 schnell an und erreicht den Maximalstrom 21 an der Grenze des messbaren Strombereichs. Der tatsächlicher Stromverlauf 24 durch die Elektroden 12, 13 steigt auf Grund der hohen Partikelbeladung weiter an. Durch eine nachfolgende Regenerationsphase 25 werden die angelagerten Partikel 15 verbrannt und der gemessene Strom 22 fällt wieder unter den Maximalstrom 21.
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4 zeigt ein Diagramm zum zeitlichen Verlauf des gemessenen Stroms 22 und eines tatsächlichen Stroms bei einem Kurzschluss zwischen Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10. Dabei sind die gleichen Bezeichner wie zu 3 eingeführt verwendet.
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Das Auftreten des Kurzschlusses ist durch einen Beginn Kurzschluss 27 symbolisiert.
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Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten starken Partikelbeladung fällt der tatsächliche Strom 24 im Falle eines Kurzschlusses durch eine Regeneration des Partikelsensors 10 nicht unter den Maximalstrom zurück, sondern bleibt auf seinem hohen Niveau.
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Durch eine Regenerationsphase 25 des Partikelsensors 10 kann somit zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors 10 unterschieden werden. Nachteilig hierbei ist der hohe Zeitaufwand, da eine vollständige Regeneration abgewartet werden muss. Auf Grund dieser Wartezeit muss nach der Gesetzgebung zur On-Board-Diagnose eine Gut-Meldung eines Partikelfilters um diese Zeit verzögert werden, was zum Nachteil des OBD-IUMPR (On-Board-Diagnose – In Use Monitor Performance Ratio) für die Diagnose des Partikelfilters beiträgt. Es besteht weiterhin das Risiko, dass sich bei sehr stark beschädigtem Partikelfilter sogar unmittelbar nach der Regenerationsphase 25 schnell genug wieder Partikel 15 an den Elektroden 12, 13 ansammeln, so dass eine Unterscheidung zwischen Kurzschluss und Verrußung nicht möglich ist.
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5 zeigt eine elektrische Schaltung zum Betrieb eines Partikelsensors 10. Dabei ermöglicht die Schaltung die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur sicheren Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors 10.
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Gezeigt sind die Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10, welche kammartig als Interdigital-Elektroden ausgeführt sind. Eine in den 6 und 7 gezeigte Messspannung 51 wird von einer linearen Spannungsquelle 30 bereitgestellt. Die lineare Spannungsquelle 30 ist durch eine ideale Spannungsquelle 31 und eine in Reihe geschaltete Impedanz 32 als Ersatzschaltung dargestellt. Die Spannungsquelle 30 liegt mit dem negativen Anschluss auf Masse 45a, während der positive Anschluss über einen positiven Elektrodenanschluss 43 mit der positiven Elektrode 12 des Partikelsensors 10 verbunden ist. Die negative Elektrode 13 des Partikelsensors 10 ist über einen negativen Elektrodenanschluss 44 mit einem Strommessshunt 46 verbunden, welcher einseitig auf Masse 45b liegt.
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Parallel zu den Elektroden 12, 13 und dem Strommessshunt 46 ist ein Spannungsteiler 40 zwischen dem positiven Anschluss der Spannungsquelle 30 und Masse 45c geschaltet. Der Spannungsteiler 40 ist aus einem ersten Widerstrand 41 und einem zweiten Widerstand 42 aufgebaut.
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Ein erster Analog-Digital-Wandler 33 bestimmt den Spannungsabfall über den zweiten Widerstand 42 des Spannungsteilers 40. Ein zweiter Analog-Digital-Wandler 34 erfasst den Spannungsabfall über dem Strommessshunt 46.
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Im Betrieb des Partikelsensors 10 wird über die Spannungsquelle 30 eine Messspannung 51 an die Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10 und den nachgeschalteten Strommessshunt 46 gelegt. Durch Anlagerung von Partikeln 15 an die Elektroden 12, 13 werden diese leitfähig miteinander verbunden und es fließt ein Strom 24, welcher durch die Spannungsmessung mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler 34 über dem Strommessshunt 46 bestimmt und in einer nachgeschalteten, nicht dargestellten Steuereinheit ausgewertet wird. Durch den Messbereich des zweiten Analog-Digital-Wandler 34 und den Widerstand des Strommessshunts 46 ist der messbare Strombereich mit einem entsprechend resultierenden Maximalstrom 21 gegeben.
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Über den Spannungsteiler 40 und den ersten Digital-Analog-Wandler 33 wird die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 30 und damit die Spannung an der positiven, ersten Elektrode 12 überwacht. Im Falle eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden 12, 13, zwischen den Zuleitungen zu den Elektroden 12, 13 oder zwischen der positiven ersten Elektrode 12 und Masse 45 belastet der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers 40 in Parallelschaltung mit dem Widerstand des Strommessshunts 46 die Spannungsquelle 30. Die Spannung an der positiven, ersten Elektrode 12 bricht somit entsprechend der Impedanz 32 der Spannungsquelle 30 ein.
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Im Falle einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors 10 in Folge eines defekten Partikelfilters belastet der Widerstand des Spannungsteilers 40 in Parallelschaltung mit der Serienschaltung von Strommessshunt 46 und der Sensorelementimpedanz der Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10 die Spannungsquelle 30. Da die von der Partikelbeladung abhängige Sensorelementimpedanz immer deutlich über Null Ohm ist, ist die Belastung der Spannungsquelle 30 relativ niedrig, so dass die Spannung an der positiven ersten Elektrode 12 entsprechend der Impedanz 32 der Spannungsquelle 30 kaum einbricht.
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Durch Auswertung des Spannungseinbruchs zwischen der positiven, ersten Elektrode 12 und Masse 45 kann demnach eindeutig zwischen einer starken Partikelbeladung und einem Kurzschluss und damit zwischen einem defekten Partikelfilter und einem defekten Partikelsensor 10 unterschieden werden.
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6 zeigt ein doppeltes Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms 22, eines tatsächlichen Stroms 23 und einer Messspannung 51 bei starker Partikelbeladung des Partikelsensors 10. Dabei sind die gleichen Bezeichner wie zu 3 und 4 eingeführt verwendet.
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Im oberen Teil des Diagramms ist der Verlauf des tatsächlichen Stroms 23 und des durch den Maximalstrom 21 begrenzten gemessenen Stroms 22 bei Einsatz des Partikelsensors 10 hinter einem stark defekten Partikelfilter gezeigt. Wie bereits zu 3 dargestellt, steigt der tatsächliche Strom 23 mit Beginn Verrußung 23 stark an. Der gemessene Strom 22 ist durch den Maximalstrom 21 als maximale Grenze des messbaren Strombereichs begrenzt, während der tatsächlich durch die Elektroden fließende Strom 23 über dem messbaren Maximalstrom 21 liegt.
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Im unteren Teil des Diagramms ist der Verlauf der Messspannung 51, wie sie mit dem in 5 gezeigten ersten Analog-Digital-Wandler 33 über den zweiten Widerstand 42 des Spannungsteilers 40 gemessen wird, dargestellt. Dabei ist die Messspannung 51 gegenüber einer Spannungsachse 50 und gegenüber einer zweiten Zeitachse 53, welche die gleiche Teilung wie die Zeitachse 26 im oberen Teil des Diagramms aufweist, aufgezeichnet. Eine Spannungsschwelle 52 ist durch eine unterbrochene Linie dargestellt.
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Mit dem Beginn Verrußung 23 erfolgt eine starke Zunahme des tatsächlichen Stroms 23, wodurch die Spannungsquelle 30 belastet wird. Dies zeigt sich in einer Abnahme der Messspannung 51. Auf Grund der auch bei hoher Partikelbelastung verbleibenden Impedanz des Partikelsensors 10 deutlich über Null Ohm steigt der tatsächliche Strom 23 nur verhältnismäßig wenig über den Maximalstrom 21 an. Die Belastung der Stromquelle 30 ist daher so gering, dass die Messspannung 51 über der Spannungsschwelle 52 verbleibt.
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7 zeigt ein doppeltes Diagramm zum zeitlichen Verlauf eines gemessenen Stroms 22, eines tatsächlichen Stroms 23 und einer Messspannung 51 bei einem Kurzschluss zwischen Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10 oder zwischen den Zuleitungen zu den Elektroden 12, 13. 7 entspricht somit der 6 für den Fall eines Kurzschlusses, dessen Beginn durch einen Beginn Kurzschluss 23 symbolisiert ist.
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Durch den Kurzschluss werden die Elektroden 12, 13 sehr niederohmig überbrückt, was in einem sehr hohen tatsächlichen Strom 23 und einer entsprechend hohen Belastung der Spannungsquelle 30 resultiert. Dies führt dazu, dass die Messspannung 51 im Vergleich zu der in 6 gezeigten starken Partikelbeladung deutlich stärker und unter die Spannungsschwelle 52 einbricht.
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In einer nicht dargestellten Auswerteschaltung beziehungsweise einer dem ersten Analog-Digital-Wandler 33 nachgeschalteten, nicht dargestellten Steuerelektronik wird überprüft, ob die Messspannung 51, nachdem der gemessene Strom den Maximalstrom 21 erreicht hat, oberhalb oder unterhalb der Spannungsschwelle 52 liegt. Liegt die Messspannung 51 oberhalb der Spannungsschwelle 52, so kann von einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors 10 und demnach von einem intakten Partikelsensor 10 und einem stark defekten Partikelfilter ausgegangen werden. Liegt die Messspannung 51 hingegen unterhalb der Spannungsschwelle 52, 50 ist von einem Kurzschluss zwischen den Elektroden 12, 13, den Zuleitungen zu den Elektroden 12, 13 oder zwischen den Zuleitungen beziehungsweise der positiven Elektrode 12 und Masse 45 auszugehen.
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Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen so eine sichere und schnelle Unterscheidung zwischen einer hohen Partikelbeladung des Partikelsensors 10 und einem Kurzschluss. Unnötige Regenerationsphasen 25 für den Partikelsensor 10 können so vermieden werden, was zu einer langsameren Sensoralterung führt. Eine Gut-Meldung für einen zu überwachenden Partikelfilter kann früher stattfinden, wodurch die IUMPR (In Use Performance Ratio) erhöht wird. Weiterhin besteht auch bei einer sehr hohen Partikelbelastung des Abgases kein Verwechselungsrisiko zwischen einem Kurzschluss und einer starken Partikelbeladung des Partikelsensors 10, wie dies nach einer Regenerationsphase 25 des Partikelsensors 10 vorliegt.
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In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spannungsquelle 30 mittels Thévenin-Äquivalent als lineare Spannungsquelle 30 dargestellt. Vorteilhaft kann auch eine Spannungsquelle 30 vorgesehen sein, die eine Nichtlinearität aufweist, so dass bei Überschreitung einer definierten Last die Quellspannung selbst einbricht und somit im Kurzschlussfall ein stärkerer und entsprechend einfach auszuwertender Einbruch der Messspannung 51 verursacht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10133384 A1 [0004]
- DE 102009033232 A1 [0011]
