DE102013223429A1

DE102013223429A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Wasserdurchfahrt mittels Abgassensoren

Info

Publication number: DE102013223429A1
Application number: DE102013223429.5A
Authority: DE
Inventors: Ariel Di Miro; Andy Tiefenbach; Juergen Stuetz; Stefanos Schizas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit, zum Erkennen einer Wasserdurchfahrt und einer damit verbundenen Abkühlung eines Abgastraktes einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei der Abgastrakt mindestens einen Abgassensor zur Überwachung der Funktionalität einer Abgasreinigungsanlage im Abgastrakt aufweist, und der Abgassensor zumindest zeitweise mit hohen Temperaturen betrieben wird und bauartbedingt eine Thermoschockempfindlichkeit aufweist, und wobei bei Erkennung einer Wasserdurchfahrt Schutzmaßnahmen für die Abgasreinigungsanlage des Fahrzeugs oder für den oder die im Abgastrakt angeordneten Abgassensoren eingeleitet werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Waterkennungskriterium oder ein Fluterkennungskriterium auf Basis einer Änderung mindestens einer Differenz einer vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Größe und einer vom Waten und/ oder Fluten unbeeinflussten Größe ausgewertet und mit applizierbaren Schwellwerten verglichen oder geprüft wird, ob diese Schwellwerte zumindest zeitweise über- oder unterschritten werden. Damit können Schäden an Abgassensoren oder an Komponenten der Abgasreinigungsanlage infolge der starken Abkühlung bei Wasserkontakt minimiert werden. Die im Fahrzeug vorhandene Sensorik kann dabei ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand genutzt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Wasserdurchfahrt und einer damit verbundenen Abkühlung eines Abgastraktes einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei der Abgastrakt mindestens einen Abgassensor zur Überwachung der Funktionalität einer Abgasreinigungsanlage im Abgastrakt aufweist, und der Abgassensor zumindest zeitweise mit hohen Temperaturen betrieben wird und bauartbedingt eine Thermoschockempfindlichkeit aufweist, und wobei bei Erkennung einer Wasserdurchfahrt Schutzmaßnahmen für die Abgasreinigungsanlage des Fahrzeugs oder für den oder die im Abgastrakt angeordneten Abgassensoren eingeleitet werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Abgassensoren, wie z.B. Lambdasonden, Partikelsensoren oder Stickoxidsensoren, nach dem Stand der Technik basieren auf keramischen Sensorelementen, welche im Betrieb zumindest zeitweise beheizt werden.
Partikelsensoren (PM) werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On Bord Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, z.B. eines Dieselpartikelfilters (DPF) eingesetzt. Ein solcher resistiver Partikelsensor ist in der DE 101 33 384 A1 beschrieben. Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden 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.
Ist der Partikelsensor voll beladen, werden die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt. Dafür wird die Keramik des Sensorelements auf hohe Temperaturen, üblicherweise auf > 600° C, erhitzt. In dieser Regenerationsphase reagiert das Sensorelement empfindlich auf große lokale Temperaturänderungen bzw. auf einen Thermoschock, wie er durch auftreffendes Wasser oder Wassertropfen auftreten kann. Ein derartiger Thermoschock kann zu Rissen im Sensorelement führen. Deshalb wird vom Motorsteuergerät eine Sensorregeneration nur dann angefordert, wenn laut Wärmemengenberechnung im Motorsteuergerät kein Wasser mehr an der Sensoreinbauposition vorhanden sein kann.
Weiterhin muss verhindert werden, dass während die Temperatur des Sensorelements derartiger Abgassensoren größer als eine bestimmte Schwellwerttemperatur ist, typischerweise ca. 200° C, eine Beaufschlagung mit Wasser auftritt. Deshalb erfolgt der Betrieb mit einer Beheizung mit einer Temperatur > 200° C der Abgassensoren, insbesondere nach einem Kaltstart, solange sich noch Kondensat im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine befinden kann, erst nach einer bestimmten Zeit, in der man davon ausgehen kann, dass in dieser Zeit alles Wasser entweder verdampft ist oder in Form von Tröpfchen aus dem Abgasstrang durch Gasstöße im Fahrbetrieb ausgetragen wurde. Dieser Zeitpunkt wird typischerweise als Taupunktende (TPE) bezeichnet und hängt von vielen Bedingungen ab, weshalb dieser applikativ für jeden Fahrzeugtyp bestimmt werden muss. Der Betrieb der Abgassensoren bei Temperaturen > 300° C ist dann erlaubt, solange keine Kondensation von Wasser im Abgasstrang im Bereich der Sensoreinbaustelle infolge einer Abkühlung erfolgt.
Durch starke Beaufschlagung der Abgasanlage mit Wasser von außen, z.B. während einer Watfahrt oder beim zu Wasser lassen eines Bootes an einer Slip-Rampe kann Wasser in die Abgasanlage eindringen, wodurch es zu einer starken Abkühlung der Abgasanlage kommen kann. Diese Abkühlung kann je nach Abgasanlagenkonfiguration nicht vom Motorsteuergerät erkannt werden, aber zu einer Gefährdung durch Thermoschock am Sensorelement der Abgassensoren führen. Dieser Fall ist bisher in der Datierung des Taupunktendes nicht abgedeckt, da die bisherigen Abgassensoren typischerweise überwiegend motornah im Abgasstrang der Brennkraftmaschine verbaut sind und daher ein Wasserkontakt bei einer Watfahrt sehr unwahrscheinlich war. Durch den Einsatz neuerer Abgassensoren, wie insbesondere Partikel- oder Stickoxidsensoren, die systembedingt weit hinten im Abgasstrang platziert sind, ist es notwendig, die Funktionalität der Taupunktende-Bestimmung zu erweitern. Dazu muss eine Watfahrt erkannt werden, wie dies bisher nicht möglich ist.
Weiterhin ist es wichtig, eine Watfahrt frühzeitig zu erkennen, um Zeit zu haben, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um den Sensor zu schützen. Die zu schützenden Sensorelemente können bei Temperaturen bis über 800° C betrieben werden, so dass eine Abkühlung unter 300° C mehrere Sekunden bis Minuten betragen kann.
Weiterhin kann es vorkommen, dass bei einer Fahrt durch oder im Wasser der Abgastrakt mit Wasser von innen geflutet wird, z.B. wenn das Fahrzeug bzw. der Motor im Wasser für eine gewisse Zeit abgestellt wird, und Wasser bis zum Sensorort vordringen kann und das Sensorelement umspült. Bei dem später erfolgten Wiederstart des Motors mit geflutetem Abgastrakt verändern sich die Kaltstartphasen und das Taupunktende dadurch erheblich, was bisher nicht erkannt werden kann. Es wird länger dauern als bei einem normalen Start, bis sämtliches Wasser ausgetragen ist. Auch dieser Fall muss erkannt werden, um den Sensor vor Thermoschock zu schützen.
Die DE 10 2012 008 462 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens, bei welchem wenigstens ein einer Abgasanlage zum Führen von Abgas des Kraftwagens zugeordneter Sensor zum Erfassen wenigstens einer Eigenschaft des Abgases mittels eines korrespondierenden Heizelements durch Aktivieren des Heizelements beheizt wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Heizelement deaktiviert wird, wenn eine mittels eines Erfassungselementes erfasste Temperatur zumindest einer Komponente der Abgasanlage einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet. Es wird auch ein Fluterkennungsverfahren vorgeschlagen, bei dem infolge einer Temperaturunterschreitung des Schwellenwertes auf eine Wasserdurchfahrt des Kraftwagens und eine daraus resultierende, zumindest teilweise Umspülung der Abgasanlage durch Wasser geschlossen wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein demgegenüber verbessertes Verfahren für eine Erkennung einer Watfahrt bzw. eine Wasserdurchfahrt und/ oder einer Flutung, welche mit einer raschen Kühlung des Abgastraktes durch umgebendes Wasser insbesondere hinter einem Partikelfilter verbunden ist, bereitzustellen, damit daraufhin Maßnahmen eingeleitet werden können, um die eingangs erwähnten keramikbasierten Abgassensoren in diesem Bereich vor einem Thermoschock zu schützen.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit, bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Waterkennungskriterium oder ein Fluterkennungskriterium auf Basis einer Änderung mindestens einer Differenz einer vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Größe und einer vom Waten und/ oder Fluten unbeeinflussten Größe ausgewertet und mit applizierbaren Schwellwerten verglichen oder geprüft wird, ob diese Schwellwerte zumindest zeitweise über- oder unterschritten werden. Vorteilhaft ist dabei, dass eine starke Abkühlung der Abgassonde bzw. der Sensorelemente bei Eintritt von Wasser sicher und schnell erkannt werden kann und geeignete Sensorschutzmaßnahmen eingeleitet werden können. Zudem ist eine Unterscheidung von Abkühlungen durch kalte Abgasstöße möglich. Eine derartige Information kann auch für andere Sensoren, z.B. Stickoxid-Sensoren, oder Komponenten innerhalb der Abgasreinigungsanlage genutzt werden, welche thermoschockempfindlich sind. Damit können Schäden an Abgassensoren oder an Komponenten der Abgasreinigungsanlage, die üblicherweise hohe Betriebstemperaturen, d.h. > 300° C, aufweisen, infolge der starken Abkühlung bei Wasserkontakt minimiert werden.
Eine hohe Empfindlichkeit für das Waterkennungskriterium oder das Fluterkennungskriterium kann erzielt werden, wenn die erste zeitliche Ableitung oder die zweite zeitliche Ableitung der Differenz dieser Größen gebildet und mit Schwellwerten für die erste zeitliche Ableitung oder mit Schwellwerten für die zweite zeitliche Ableitung verglichen wird.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die auszuwertenden Größen Temperaturgrößen sind, wobei vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Temperaturgrößen Temperatursignale von Temperatursensoren, welche im hinteren Bereich des Abgastraktes verbaut sind oder Temperatursignale von Sensoren im Bereich des Unterbodens und des hinteren Abgastraktes verwendet werden, aus denen indirekt eine Temperaturinformation abgeleitet werden kann. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass diese Temperaturgrößen an Stellen bestimmt werden können, die bei einer Wasserdurchfahrt mit hoher Wahrscheinlichkeit mit Wasser beaufschlagt werden. Als vom Waten und/ oder Fluten unbeeinflusste Temperaturgrößen können Temperatursignale von Sensoren im vorderen, motornahen Bereich des Abgastraktes, modellierte Temperaturen aus einem Abgastemperaturmodell, eine Kombination aus zwei oder mehreren unbeeinflussten, modellierten Temperaturen, eine Kombination von unbeeinflussten, modellierten Temperaturen und unbeeinflussten, gemessenen Temperaturen oder applizierbare konstante Temperaturvergleichsgrößen verwendet werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass diese Temperaturgrößen selbst bei Wasserdurchfahrten bei hohem Wasserstand in der Regel aufgrund des Einbauortes des Temperatursensors keine Abkühlung erfahren bzw. bei modellierten Temperaturgrößen eine von einer Wasserspülung unbeeinflusste Referenz-Temperaturgröße generiert wird.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass zur Unterscheidung einer Watfahrt von einer Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes die erste zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten und unbeeinflussten Temperaturgrößen mit unterschiedlich hohen Schwellwerten verglichen werden, wobei als Schwellwert für eine Waterkennung ein betragsmäßig kleinerer Wert gegenüber einem Schwellwert für eine Fluterkennung vorgegeben wird. Hier wird ausgenutzt, dass ein direkter Wasserkontakt bei einer Flutung zu einer deutlich stärkeren Abkühlung führt, als dies bei einer Watfahrt ohne Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes der Fall wäre. Dadurch werden beim Fluten größere Gradienten der ausgewerteten Signale registriert, so dass durch die unterschiedlich hohen Schwellwerte zwischen dem Erkennen einer Watfahrt und dem Beginn einer Flutung unterschieden werden kann.
Eine besonders hohe Empfindlichkeit kann erzielt werden, wenn zur Erkennung einer Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes die zweite zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten und unbeeinflussten Temperaturgrößen gebildet und mit einem Schwellwert für die zweite Ableitung verglichen wird. Die direkte Kühlung führt beim Fluten zu einer signifikanten und deutlichen Signaländerung, während bei einer indirekten Kühlung durch von außen anliegenden Watwasser bei der zweiten Ableitung nahezu keine Auswirkung zu erkennen ist bzw. die Signaländerungen nur geringfügig ausfallen.
Eine besonders hohe Reproduzierbarkeit kann erreicht werden, wenn zur Erkennung einer Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes die zweite zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten und unbeeinflussten Temperaturgrößen gebildet und geprüft wird, ob ein Vorzeichenwechsel eintritt, wobei bei einem Vorzeichenwechsel geprüft wird, ob die positiven Werte der zweiten Ableitung der Temperaturdifferenz zumindest zeitweise den Schwellwert für die zweite Ableitung überschreiten und nach einer bestimmten, vorgebbaren Zeitdifferenz ∆t die negativen Werte der zweiten Ableitung der Temperaturdifferenz zumindest zeitweise den negativen Schwellwert der zweiten Ableitung unterschreiten.
Hohe Signalhübe und damit reproduzierbare auswertbare Signale können erzielt werden, wenn die erste oder zweite zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus einer Mäandertemperatur eines als Partikelsensor ausgebildeten Abgassensors und einer modellierten Abgastemperatur, welche aus einem Abgastemperaturmodell bestimmt wird, gebildet und mit Schwellwerten verglichen wird. Die Mäandertemperatur des Partikelsensors weist dabei eine hohe Empfindlichkeit bei einer Abkühlung von außen auf.
Um eine Redundanz zu gewährleisten und etwaige Fehlinterpretationen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zur ersten vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Temperaturgröße eine zweite vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Temperaturgröße zur Auswertung herangezogen wird.
Dabei kann besonders vorteilhaft als zweite vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Temperaturgröße ein Temperatursignal eines in oder an einem SCR-Katalysator angeordneten Temperatursensors verwendet werden. Dieser Temperatursensor befindet sich ebenfalls an einem Ort im Abgastrakt, der bei einer Watfahrt mit Wasser umspült und damit gekühlt oder gar geflutet werden kann.
In einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die zweite zeitliche Ableitung einer vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Temperaturgröße gebildet und mit Schwellwerten verglichen wird. Hierbei wird von einer Differenzbildung abgewichen und nur die Signale der vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Temperaturgröße ausgewertet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass als unbeeinflusste Temperaturgröße lediglich eine applizierbare konstante Temperaturvergleichsgröße herangezogen wird.
Große Signalhübe und damit eine reproduzierbare Auswertung hinsichtlich eines Erkennens einer Watfahrt bzw. einer Flutung können auch erreicht werden, wenn die zeitliche Änderung des Stroms bei angelegter Spannung an den Interdigitalelektroden des als Abgassensors ausgebildeten Partikelsensors mit einem applizierbaren Schwellwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellwertes auf eine Umspülung des Partikelsensors geschlossen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor, dass bei einer erfolgten Waterkennung zeitweise oder dauerhaft eine Schutzheizung des Abgassensors durchgeführt wird, damit die Leitfähigkeit des Sensorelementes des Abgassensors hoch genug ist, um eine signifikante Stromantwort und damit eine Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Dabei werden vorzugsweise die Elektroden zeitweise oder dauerhaft mit Spannungspulsen beaufschlagt. Zudem werden durch diese vorausschauenden Schutzmaßnahmen auch Fehlinformationen der Abgassensoren infolge eines Thermoschocks und einer möglicherweise einhergehenden Fehlfunktion frühzeitig erkannt und können entsprechend unterdrückt werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit ein Waterkennungskriterium oder ein Fluterkennungskriterium auf Basis einer Änderung mindestens einer Differenz einer vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Größe und einer vom Waten und/ oder Fluten unbeeinflussten Größe bestimmbar ist und mit applizierbaren Schwellwerten vergleichbar ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit Einrichtungen, insbesondere Berechnungseinheiten zur Bestimmung von zeitlichen Ableitungen und Komparatoren, zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens mit seinen Varianten aufweist. Die Funktionalität kann durch eine Softwareergänzung innerhalb einer Steuer- und Auswerteeinheit für eine Abgasreinigungsanlage realisiert werden, so dass der applikative Zusatzaufwand gering ist. Zusätzlich kann der Fahrer mittels einer Anzeige oder Warnleuchte im Cockpit informiert werden, wenn ein Waten oder gar ein Eindringen von Wasser in den Abgastrakt erkannt wird.
Hinsichtlich der Empfindlichkeit des Verfahrens und des geringen applikativen Aufwandes ist es von Vorteil, wenn der Abgassensor als Partikelsensor ausgeführt ist und die vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Größe eine Mäandertemperatur der Heizeinrichtung und/ oder ein Elektrodenstromverlauf an Interdigitalelektroden des Partikelsensors auswertbar ist. Diese Signalgrößen stehen im Zusammenhang mit der Überwachung der Abgasreinigungsanlage bereits zur Verfügung und weisen bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Auswertemethode eine reproduzierbare und hohe Empfindlichkeit zur Erkennung einer Watfahrt oder einer Flutung des Abgastraktes auf. Partikelsensoren, wie auch andere Abgassensoren, wie Lambdasonden, Partikelsensoren und/ oder Stickoxidsensoren, weisen in der Regel einen keramischen Grundkörper auf, auf dem oder in dem entsprechende Sensorstrukturen aufgebracht oder integriert sind. Weiterhin werden diese Sensoren ständig oder zumindest zeitweise, z.B. bei der Regeneration eines Partikelsensors, bei hohen Temperaturen, d.h. > 200° C, typischerweise bei 600 bis 800° C, betrieben und weisen daher eine Thermoschockempfindlichkeit auf, was bei rascher Abkühlung infolge massiven Wasserkontaktes zur Zerstörung und/ oder zu Fehlfunktionen führen kann. Dies kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung verhindert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Beispiel für ein Verlaufsdiagramm, in dem typische Verläufe relevanter Größen bei Beginn einer Watfahrt bzw. bei Eintritt einer Flutung dargestellt sind,
2 ein zweites Beispiel für ein Verlaufsdiagramm,
3 ein drittes Beispiel für ein Verlaufsdiagramm und
4 ein viertes Beispiel für ein Verlaufsdiagramm.
Die 1 bis 4 zeigen jeweils Verlaufsdiagramme 1, in denen typische Verläufe relevanter Größen bzw. daraus abgeleiteter Größen in Abhängig der Zeit t 16 (Abszisse) dargestellt sind.
Als Ordinate ist in 1 und 3 auf der linken Seite des Verlaufsdiagramms 1 die Temperatur T 10 und eine Geschwindigkeit v 11 des Fahrzeugs dargestellt. Als zweite Ordinate ist auf der rechten Seite des Verlaufsdiagramms 1 in 1 und 3 eine 1. Temperaturableitung dT/dt 12 und in 3 zusätzlich eine 2. Temperaturableitung d²T/dt² 13 dargestellt. Zusätzlich können noch weitere Größen in den Verlaufsdiagrammen 1 dargestellt sein. Dem gegenüber ist in 2 und 4 als Ordinate auf der linken Seite des Verlaufsdiagramms 1 die Temperatur T 10 und als zweite Ordinate auf der jeweils rechten Seite des Verlaufsdiagramms 1 die 1. Temperaturableitung dT/dt 12 sowie in 2 die 2. Temperaturableitung d²T/dt² 13 und in 4 ein Elektrodenstrom I_IDE(t) 14 sowie eine 1. Elektrodenstromableitung dI_IDE(t)/dt 15 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wat- und/ oder auch Fluterkennung stützt sich auf die Auswertung von ohnehin vorhandenen Größen. Dabei handelt es sich einerseits um vom Waten beeinflusste Temperaturgrößen sowie um Temperaturgrößen, die vom Waten unbeeinflusst sind.
Vom Waten bzw. Fluten beeinflusste Temperaturgrößen T_i (influence) können sein:

• Eine Mäandertemperatur T_M(t) 23 eines Partikelsensors,
• Temperatursignale von Temperatursensoren, welche im hinteren Bereich des Abgastraktes verbaut sind, z.B. eine SCR-Temperatur T_SCR(t) 22 am oder in der Nähe eines SCR-Katalysators und
• Temperatursignale von Sensoren im Bereich des Unterbodens und des hinteren Abgastraktes, aus denen indirekt eine Temperaturinformation abgeleitet werden kann.

Vom Waten bzw. Fluten unbeeinflusste Temperaturgrößen T_ni (not influenced) können sein:

• Temperatursignale von Sensoren im vorderen Bereich des Abgastraktes, also motornah, die bei einer zulässigen Watfahrt nicht von außen durch Wasser gekühlt werden können, z.B. Temperatursensoren nach einem Turbolader,
• Eine modellierte Temperatur aus einem Abgastemperaturmodell, z.B. eine modelliert Abgastemperatur T_Amod(t) 20 im Bereich des Partikelsensors oder eine dazu gehörige modellierte Abgasrohrwandtemperatur T_AWmod(t) 21,
• Eine Kombination aus zwei oder mehreren unbeeinflussten, modellierten Temperaturen, z.B. durch Mittelwertbildung oder gewichtete Mittelwertbildung, und
• Eine Kombination von unbeeinflussten, modellierten Temperaturen und unbeeinflussten, gemessenen Temperaturen.

Mindestens eine Differenz aus einer vom Waten beeinflussten Temperatur und einer vom Waten unbeeinflussten Temperatur wird für die Waterkennung herangezogen, nach der Zeit abgeleitet und geprüft, ob diese außerhalb eines bestimmten Bereichs bzw. oberhalb eines bestimmten Schwellwertes für eine Waterkennung S_Waten 30 liegt gemäß nachfolgender Gleichung: d(T_ni – T_i)/dt ≥ S_Waten (1)
Ist dieser Schwellwert für eine bestimmte Zeitspanne überschritten, kann auf ein Waten geschlossen werden.
1 zeigt dies am Beispiel einer Waterkennung bei einer Watfahrt in 45 cm tiefes Wasser. Dargestellt sind in diesem Verlaufsdiagramm 1 der zeitliche Verlauf der modellierten Abgastemperatur T_Amod(t) 20, der zeitliche Verlauf der modellierten Abgasrohrwandtemperatur T_AWmod(t) 21, der zeitliche Verlauf der Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors sowie eine Geschwindigkeit v_(t) 25 des Fahrzeugs. Aus der modellierten Abgastemperatur T_Amod(t) 20 und der Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors wird nach (1) eine Differenz gebildet und zeitlich abgeleitet, so dass daraus ein zeitlicher Verlauf einer 1. Ableitung der Temperaturdifferenz d(T_Amod(t) – T_M(t))/dt 26 resultiert. Ggf. wird eine Signalfilterung vorgenommen, um kurzzeitige Störungen zu unterdrücken, wie dies bereits exemplarisch im Verlaufsdiagramm 1 in 1 gezeigt ist.
Wie aus 1 hervorgeht, wirkt sich das Waten sehr deutlich in dieser Ableitung aus. Unterschreitet die Geschwindigkeit v_(t) 25 des Fahrzeugs einen Schwellwert für Geschwindigkeit S_v 31 (hier z.B. 10 km/h), beginnt eine Auswertephase 43. Ab diesem Zeitpunkt „Fahrt ins Wasser“ 40 kann davon ausgegangen werden, dass eine Watfahrt ansteht. Überschreitet in dieser Auswertephase 43 der Wert für die 1. Ableitung der Temperaturdifferenz d(T_Amod(t) – T_M(t))/dt 26 den Schwellwert für Waterkennung S_Waten 30, liegt ein Zeitpunkt „Erkennung Waten“ 41 vor. Dabei hat sich gezeigt, dass Temperaturänderungen bedingt durch Gasstöße sich deutlich geringer auswirken und können somit von einer Watfahrt unterschieden werden.
Es können weitere analoge Ableitungen gebildet werden und so die Sicherheit der Entscheidung und ggf. auch die Verfügbarkeit maximiert werden, für den Fall, dass eine Größe nicht immer ein geeignetes Signal liefert. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors als beeinflusste Größe, da diese direkt am Sensorort gemessen wird. Allerdings kann nur darauf zurückgegriffen werden, wenn der Sensor nicht eigenbeheizt wird. In diesem Fall ist ein zweites Kriterium erforderlich, um auch während dieser Zeit ein Waten erkennen zu können. Vorzugsweise wird also eine zweite Temperaturdifferenz nach der Zeit abgeleitet, in die als beeinflusste Größe eine zweite gemessene Größe möglichst nahe am Ort des Partikelsensors, typischerweise in aktuellen Systemkonfigurationen der Temperatursensor vor dem SCR-Katalysator (SCR-Temperatur T_SCR(t) 22), einfließt.
Vorzugsweise werden daher folgende beiden Vergleiche betrachtet: d(T_Amod(t) – T_M(t))/dt ≥ S_Waten,1 (2) d(T_Amod(t) – T_SCR(t))/dt ≥ S_Waten,2 (3) wobei S_Waten,1 und S_Waten,2 unterschiedlich Schwellwerte darstellen.
Als unbeeinflusste Größe können neben der hier beispielhaft dargestellten Größe T_Amod(t) jeweils die oben beschriebenen Alternativen verwendet werden. Zudem kann damit eine Entscheidungslogik umgesetzt werden, wie sie in einer Parallelanmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.352075 beschrieben ist.
Ein Kriterium für eine Fluterkennung basiert ebenfalls auf einer Änderung der Temperaturdifferenz einer vom Waten beeinflussten und einer vom Waten unbeeinflussten Temperaturgröße. Dabei können mehrere Varianten zur Auswertung angewendet werden, wobei diese einzeln oder auch in Kombination angewendet werden können.
In einer ersten Variante wird die erste zeitliche Ableitung dieser Temperaturdifferenz ausgewertet und mit einem Schwellwert verglichen oder geprüft, ob ein bestimmter Bereich überschritten wird, ähnlich, wie das Waterkennungskriterium, wie es zuvor beschrieben wurde, allerdings mit einer höheren Schwelle.
In einer zweiten Variante zur Fluterkennung wird eine zweite zeitliche Ableitung aus dieser Temperaturdifferenz gebildet und einerseits mit einer Schwelle verglichen oder andererseits bei Erkennung eines Vorzeichenwechsels in dieser zweiten Ableitung geprüft, ob mit den positiven und negativen Werte jeweils für eine bestimmte Zeit eine bestimmte Schwelle überschritten oder unterschritten wird.
Mindestens eine Differenz aus einer vom Waten beeinflussten Temperatur und einer vom Waten unbeeinflussten Temperatur wird für die Flutkennung herangezogen, nach der Zeit abgeleitet und geprüft, ob diese außerhalb eines bestimmten Bereichs bzw. oberhalb eines bestimmten Schwellwertes für eine Fluterkennung S_Fluten 32 liegt gemäß nachfolgender Gleichung: d(T_ni – T_i)/dt ≥ S_Fluten (4)
Die direkte Kühlung der vom Waten beeinflussten Größen bei einer Flutung führt zu einer wesentlich größeren Signaländerung als bei indirekter Kühlung durch von außen anliegendem Watwasser, weshalb der Schwellwert für die Fluterkennung S_Fluten 32 deutlich höher ist als beim Waterkennungskriterium. Ist dieser Schwellwert für eine bestimmte Zeitspanne überschritten, kann auf ein Fluten geschlossen werden.
Auch für die Fluterkennung können weitere analoge Ableitungen gebildet werden und so die Sicherheit der Entscheidung und ggf. auch die Verfügbarkeit maximiert werden, für den Fall, dass eine Größe nicht immer ein geeignetes Signal liefert. Besonders vorteilhaft ist auch hierbei die Verwendung der Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors als beeinflusste Größe, da diese direkt am Sensorort gemessen wird, und als unbeeinflusste Größe die modellierten Abgastemperatur T_Amod(t) 20.
Vorteilhaft ist hierbei auch, wenn eine zweite Temperaturdifferenz nach der Zeit abgeleitet wird, in die als beeinflusste Größe eine zweite gemessene Größe möglichst nahe am Ort des Partikelsensors, typischerweise in aktuellen Systemkonfigurationen der Temperatursensor vor dem SCR-Katalysator (SCR-Temperatur T_SCR(t) 22), einfließt.
Vorzugsweise werden daher folgende beiden Vergleiche betrachtet: d(T_Amod(t) – T_M(t))/dt ≥ S_Fluten,1 (5) d(T_Amod(t) – T_SCR(t))/dt ≥ S_Fluten,2 (6) wobei S_Fluten,1 und S_Fluten,2 unterschiedliche Schwellwerte für die Fluterkennung darstellen.
Neben der hier beispielhaft dargestellten Größe T_Amod(t) können jeweils die oben beschriebenen Alternativen für die unbeeinflussten Größen verwendet werden. Für eine Fluterkennung können zudem weitere Kriterien herangezogen werden, wobei auch hierbei eine Entscheidungslogik umgesetzt werden kann. Außerdem geht der Flutung typischerweise ein erkanntes Waten voran, was ebenfalls in die Entscheidungslogik einfließen kann.
In einer weiteren Variante des Auswerteverfahrens wird für eine Fluterkennung mindestens eine Differenz aus einer vom Waten beeinflussten Temperatur und einer vom Waten unbeeinflussten Temperatur herangezogen und die zweite zeitliche Ableitung daraus gebildet und geprüft, ob diese außerhalb eines bestimmten Bereichs bzw. oberhalb eines bestimmten Schwellwertes für die 2. Ableitung S_{Fluten,2.Abl.} 33 liegt und/ oder ein Vorzeichenwechsel eintritt: d²(T_ni – T_i)/dt² ≥ S_{Fluten,2.Abl.} (7)
Besonders vorteilhaft ist auch hierbei die Verwendung der Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors als beeinflusste Größe, da diese direkt am Sensorort gemessen wird, und als unbeeinflusste Größe die modellierten Abgastemperatur T_Amod(t) 20, so dass sich daraus folgende Bedingung für eine Fluterkennung ableitet: d²(T_Amod(t) – T_M(t))/dt² ≥ S_{Fluten,2.Abl.,1} (8)
S_{Fluten,2.Abl.,1} ist hierbei der entsprechende Schwellwert für diese Betrachtung. Analog zu den oben beschrieben Verfahrensvarianten können auch hier weitere Größen herangezogen werden und mit entsprechend modifizierten Schwellwerten verglichen werden.
In einer weiteren Variante wird bei einem Vorzeichenwechsel in der zweiten Ableitung ausgewertet, ob die positiven oder die negativen Werte der 2. Ableitung jeweils für eine bestimmte Zeit eine bestimmte Schwelle überschreiten oder unterschreiten. Werden die Schwellen jeweils für einen bestimmten Zeitraum überschritten bzw. unterschritten, kann auf ein Fluten geschlossen werden. Der zeitliche Abstand ∆t zwischen den beiden Betrachtungszeitpunkten kann dabei im Sekundenbereich, typisch zwischen 2 s und 10 s liegen. Hierfür ergeben sich folgende Bedingungen: d²(T_ni – T_i)/dt² ≥ S_{Fluten,2.Abl.} zum Zeitpunkt t₁ (9) und d²(T_ni – T_i)/dt² ≤ – S_{Fluten,2.Abl.} zum Zeitpunkt t₁ + ∆t (10)
Vorzugsweise wird auch hierbei die Verwendung der Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors als beeinflusste Größe und als unbeeinflusste Größe die modellierten Abgastemperatur T_Amod(t) 20 zur Auswertung herangezogen. Eine weitere Umsetzung kann analog der zuvor beschriebenen Auswertestrategien geschehen.
In 2 sind die zuvor beschriebenen Fluterkennungsstrategien anhand von verschiedenen Signalverläufen im gezeigten Verlaufsdiagramm 1 zusammengefasst. Dargestellt ist ein typischer Verlauf der Mäandertemperatur T_M(t) 23 als eine vom Waten beeinflusste Temperatur, wobei es infolge einer Flutung zu einem starken Abfall der Temperatur kommt. Verglichen wird einerseits die 1. Ableitung der Temperaturdifferenz d(T_Amod(t) – T_M(t))/dt 26 mit dem Schwellwert für die Fluterkennung S_Fluten 32. Dieser liegt gegenüber dem in 1 gezeigten Schwellwert für die Waterkennung S_Waten 30 deutlich höher. Bei Überschreitung des Schwellwertes für die Fluterkennung S_Fluten 32 für eine bestimmte Zeit kann von einer Flutung ausgegangen werden. Weiterhin ist in 2 auch der Verlauf der 2. Ableitung der Temperaturdifferenz d²(T_Amod(t) – T_M(t))/dt² 27 dargestellt. Die direkte Kühlung der vom Waten beeinflussten Größe bei einer Flutung, hier die Mäandertemperatur T_M(t) 23, führt zu einer signifikanten Signaländerung in der 2. Ableitung, wobei im gezeigten Beispiel der Signalwert der 2. Ableitung mit dem Schwellwert für die 2. Ableitung S_{Fluten,2.Abl.} 33 zum Zeitpunkt t₁ und der Signalwert der 2. Ableitung nach dem erfolgten Vorzeichenwechsel mit dem negativen Schwellwert für die 2. Ableitung 33, also mit – (S_{Fluten,2.Abl.}), zum Zeitpunkt t₁ + ∆t verglichen wird.
3 zeigt in einem Vergleich zu den in 1 dargestellten Signalverläufen für die modellierten Abgastemperatur T_Amod(t) 20, für die modellierte Abgasrohrwandtemperatur T_AWmod(t) 21, für die Mäandertemperatur T_M(t) 23 des Partikelsensors, die Geschwindigkeit v_(t) 25 des Fahrzeugs sowie für die 1. Ableitung der Temperaturdifferenz d(T_Amod(t) – T_M(t))/dt 26, dass bei indirekter Kühlung, wie dies beim Waten ohne Flutung der Fall wäre, eine 2. Ableitung der Mäandertemperatur d²T_M(t)/dt² 29 kaum signifikante Veränderungen zeigt. Damit kann sichergestellt werden, dass zwischen einem Waten und einer Flutung unterschieden werden kann.
Generell setzt das erfindungsgemäße Verfahren mit seinen zuvor aufgezeigten Auswertevarianten voraus, dass nach einem Motorstopp die Spannungsversorgung der relevanten Sensoren (Partikelsensor, Temperaturmesssonden) erhalten bleibt, damit die Temperatursignale gemessen und ausgewertet werden können. Dies ist bei Fahrzeugen ohne automatischen Start/Stopp im Nachlauf sowie bei Fahrzeugen mit automatischen Start/Stopp nach einem automatischen Stopp möglich.
Der Flutung geht typischerweise ein erkanntes Waten voraus, was ebenfalls in einer Entscheidungslogik einfließen kann. Daher kann der Sensor nach erfolgter Waterkennung zeitweise oder dauerhaft in einem Schutzheizmodus betrieben werden, damit die Leitfähigkeit hoch genug ist, um bei Anlegen von Spannung an die Elektroden eine signifikante Stromantwort zu messen.
Alternativ ist ein Verfahren denkbar, dass anstelle der Temperaturdifferenzen nur die vom Waten beeinflussten Temperaturgrößen verwendet und davon die 2. Ableitungen gebildet werden und mit entsprechenden Schwellwerten verglichen werden.
Als zusätzliches Kriterium zur Erkennung eines Watvorganges kann die Änderung des Stromes an den Interdigitalelektroden (Elektrodenstromverlauf I_(IDE) 24, 1. Ableitung des Elektrodenstroms d(I_(IDE))/dt 28) des Partikelsensors verwendet werden. Gemäß der 4 zeigt sich mit direktem Beginn der Umspülung des Sensorelementes mit Wasser, dem Zeitpunkt „Beginn Fluten“ 42, eine drastische Änderung im Elektrodenstrom I_(IDE) 24 bei angelegter Spannung. Überschreitet die 1. Ableitung des Elektrodenstroms d(I_(IDE))/dt 28 einen Schwellwert S_{Fluten,IDE-Strom}, so kann auf eine Flutung gemäß der Bedingung d(I_(IDE))/dt ≥ S_{Fluten,IDE-Strom} (11) geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10133384 A1 [0004]
DE 102012008462 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Wasserdurchfahrt und einer damit verbundenen Abkühlung eines Abgastraktes einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei der Abgastrakt mindestens einen Abgassensor zur Überwachung der Funktionalität einer Abgasreinigungsanlage im Abgastrakt aufweist, und der Abgassensor zumindest zeitweise mit hohen Temperaturen betrieben wird und bauartbedingt eine Thermoschockempfindlichkeit aufweist, und wobei bei Erkennung einer Wasserdurchfahrt Schutzmaßnahmen für die Abgasreinigungsanlage des Fahrzeugs oder für den oder die im Abgastrakt angeordneten Abgassensoren eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Waterkennungskriterium oder ein Fluterkennungskriterium auf Basis einer Änderung mindestens einer Differenz einer vom Waten beeinflussten Größe und einer vom Waten unbeeinflussten Größe ausgewertet und mit applizierbaren Schwellwerten verglichen oder geprüft wird, ob diese Schwellwerte zumindest zeitweise über- oder unterschritten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung oder die zweite zeitliche Ableitung der Differenz dieser Größen gebildet und mit Schwellwerten für die erste zeitliche Ableitung oder mit Schwellwerten für die zweite zeitliche Ableitung verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auszuwertenden Größen Temperaturgrößen sind, wobei vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Temperaturgrößen Temperatursignale von Temperatursensoren, welche im hinteren Bereich des Abgastraktes verbaut sind oder Temperatursignale von Sensoren im Bereich des Unterbodens und des hinteren Abgastraktes verwendet werden, aus denen indirekt eine Temperaturinformation abgeleitet werden kann, und wobei vom Waten und/ oder Fluten unbeeinflusste Temperaturgrößen Temperatursignale von Sensoren im vorderen, motornahen Bereich des Abgastraktes, modellierte Temperaturen aus einem Abgastemperaturmodell, eine Kombination aus zwei oder mehreren unbeeinflussten, modellierten Temperaturen, eine Kombination von unbeeinflussten, modellierten Temperaturen und unbeeinflussten, gemessenen Temperaturen oder applizierbare konstante Temperaturvergleichsgrößen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterscheidung einer Watfahrt von einer Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes die erste zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten und unbeeinflussten Temperaturgrößen mit unterschiedlich hohen Schwellwerten verglichen werden, wobei als Schwellwert für eine Waterkennung ein betragsmäßig kleinerer Wert gegenüber einem Schwellwert für eine Fluterkennung vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes die zweite zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten und unbeeinflussten Temperaturgrößen gebildet und mit einem Schwellwert für die zweite Ableitung verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Flutung des Abgassensors oder des Abgastraktes die zweite zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten und unbeeinflussten Temperaturgrößen gebildet und geprüft wird, ob ein Vorzeichenwechsel eintritt, wobei bei einem Vorzeichenwechsel geprüft wird, ob die positiven Werte der zweiten Ableitung der Temperaturdifferenz zumindest zeitweise den Schwellwert für die zweite Ableitung überschreiten und nach einer bestimmten Zeitdifferenz ∆t die negativen Werte der zweiten Ableitung der Temperaturdifferenz zumindest zeitweise den negativen Schwellwert der zweiten Ableitung unterschreiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite zeitliche Ableitung der Temperaturdifferenz aus einer Mäandertemperatur (23) eines als Partikelsensor ausgebildeten Abgassensors und einer modellierten Abgastemperatur (20), welche aus einem Abgastemperaturmodell bestimmt wird, gebildet und mit Schwellwerten verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur ersten vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Temperaturgröße eine zweite vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Temperaturgröße zur Auswertung herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Temperaturgröße ein Temperatursignal eines in oder an einem SCR-Katalysator angeordneten Temperatursensors verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite zeitliche Ableitung einer vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Temperaturgröße gebildet und mit Schwellwerten verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung des Stroms bei angelegter Spannung an den Interdigitalelektroden des als Abgassensors ausgebildeten Partikelsensors mit einem applizierbaren Schwellwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellwertes auf eine Umspülung des Partikelsensors geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erfolgten Waterkennung zeitweise oder dauerhaft die Elektroden mit Spannungspulsen beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erfolgten Waterkennung zeitweise oder dauerhaft eine Schutzheizung des Abgassensors durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Erkennen einer Wasserdurchfahrt und einer damit verbundenen Abkühlung eines Abgastraktes einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei der Abgastrakt mindestens einen Abgassensor zur Überwachung der Funktionalität einer Abgasreinigungsanlage im Abgastrakt aufweist, und der Abgassensor zumindest zeitweise mit hohen Temperaturen betreibbar ist und bauartbedingt eine Thermoschockempfindlichkeit aufweist, und bei Erkennung der Wasserdurchfahrt Schutzmaßnahmen für die Abgasreinigungsanlage des Fahrzeugs oder für den im Abgastrakt angeordneten Abgassensor einleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit ein Waterkennungskriterium oder ein Fluterkennungskriterium auf Basis einer Änderung mindestens einer Differenz einer vom Waten und/ oder Fluten beeinflussten Größe und einer vom Waten und/ oder Fluten unbeeinflussten Größe bestimmbar ist und mit applizierbaren Schwellwerten vergleichbar ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit Einrichtungen, insbesondere Berechnungseinheiten zur Bestimmung von zeitlichen Ableitungen und Komparatoren, zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor als Partikelsensor ausgeführt ist und die vom Waten und/ oder Fluten beeinflusste Größe eine Mäandertemperatur (23) der Heizeinrichtung und/ oder ein Elektrodenstromverlauf (24) an Interdigitalelektroden des Partikelsensors auswertbar ist.