DE102016219454A1

DE102016219454A1 - Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines elektrostatischen Partikelsensors

Info

Publication number: DE102016219454A1
Application number: DE102016219454.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Reiss; Patrick Eberl-Neumaier; Florian Koller; Michael Nienhoff; Christian Stahl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: EmiSense Technologies LLC
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: DE102016219454B4; US11105724B2; US20200025666A1; EP3523627A1; WO2018065201A1

Abstract

Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines elektrostatischen Partikelsensors (9) zur Sensierung von Rußpartikeln in Abgasen einer Brennkraftmaschine (3), wobei der Partikelsensor (9) eine erste Elektrode (13) und eine zweite Elektrode (15) aufweist, wobei zwischen den Elektroden (13, 15) ein von dem Abgas durchströmter Spalt (17) vorgesehen ist und die Elektroden (13, 15) eine Potentialdifferenz aufweisen, wobei sich an den Elektroden (13, 15) Rußpartikel anlagern und sich nach einer von einer Vorbeladung der Elektroden (13) mit Rußpartikeln abhängigen Verweilzeit zu der jeweils anderen Elektrode (15, 13) bewegen, so dass ein Stromfluss erzeugt wird, der als Sensorstrom als Maß für die Rußmenge im Abgasstrom gemessen wird, wobei zur Überprüfung der Funktion des Partikelsensors (9) ermittelt wird, ob nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine (3) kurzzeitig ein erhöhter Sensorstrom in Form eines Peaks gemessen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines elektrostatischen Partikelsensors, insbesondere eines elektrostatischen Partikelsensors zum Sensieren von Rußpartikeln in Abgasen einer Brennkraftmaschine, wie sie in Kraftfahrzeugen hinter dem Partikelfilter eingesetzt werden. Sie betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
Es gibt derzeit verschiedene Konzepte für Rußsensoren, die im Abgastrakt von Fahrzeugen beispielsweise die Funktion eines Partikelfilters überwachen und somit zur Reduzierung von Emissionen beitragen sollen. Beispielsweise sind elektrostatische Partikelsensoren bekannt, bei denen sich Rußpartikel in einem von zumindest zwei Elektroden erzeugten elektrischen Feld bewegen und ihr Auftreffen auf eine der Elektroden als Stromfluss gemessen wird.
Ein derartiger elektrostatischer Partikelsensor ist beispielsweise aus der DE 10 2005 039 915 A1 bekannt.
Bei einem abgewandelten Konzept dieses elektrostatischen Partikelsensors durchströmt das Abgas einen Spalt zwischen einer zylindrischen inneren Elektrode und einer ebenfalls zylindrischen äußeren Mantelelektrode, die die innere Elektrode koaxial umgibt. Die innere Elektrode liegt dabei auf einem Potenzial von beispielsweise 1000 V, während die äußere Elektrode auf Masse liegt. Sich durch den Spalt bewegende Rußpartikel lagern sich zunächst an der inneren Elektrode an, auf der dadurch einer Schicht aus Rußpartikeln aufwächst. Ist diese Schicht dick genug, sodass eine kritische Distanz zur äußeren Mantelelektrode unterschritten wird, so reißen die Rußpartikel aufgrund der elektrostatischen Kräfte ab und bewegen sich zur Mantelelektrode, wodurch ein Stromfluss zwischen den beiden Elektroden erfolgt, der als Sensorstrom als Maß für im Abgas befindliches Ruß gemessen wird.
Bei diesem Sensortyp ist problematisch, dass derzeit keine zufriedenstellende Möglichkeit zur Diagnose der Kennlinie des Sensors im realen Messbetrieb besteht. Somit kann ein Messergebnis des Sensors derzeit nicht ausreichend plausibilisiert werden.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines derartigen elektrostatischen Partikelsensors anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines elektrostatischen Partikelsensors zur Sensierung von Rußpartikeln in Abgasen einer Brennkraftmaschine angegeben, wobei der Partikelsensor eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei zwischen den Elektroden ein von dem Abgas durchströmter Spalt vorgesehen ist und die Elektroden eine Potenzialdifferenz aufweisen. An den Elektroden lagern sich Rußpartikel an und bewegen sich nach einer von einer vor Beladung der Elektroden mit Rußpartikeln abhängigen Verweilzeit zu der jeweils anderen Elektrode, sodass ein Stromfluss erzeugt wird, der als Sensorstrom als Maß für die Rußmenge im Abgasstrom gemessen wird.
Zur Überprüfung der Funktion des Partikelsensors wird ermittelt, ob nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine kurzzeitig ein erhöhter Sensorstrom in Form eines Peaks gemessen wird.
Dabei wird unter einem kurzzeitig erhöhten Sensorstrom ein Sensorstrom verstanden, der für eine Dauer von beispielsweise einigen Sekunden deutlich gegenüber im Normalbetrieb auftretenden Strömen erhöht ist. Beispielsweise kann der Sensorstrom auf das Doppelte oder auch auf das Zehnfache von im Normalbetrieb auftretenden Strömen erhöht sein.
Wie sich herausgestellt hat, tritt beim Abschalten der Brennkraftmaschine bei dem beschriebenen Sensortyp ein derartiger Peak auf, es sei denn, vor dem Abschalten der Brennkraftmaschine war für eine gewisse Zeit kein Ruß im Abgas vorhanden. Eine Erklärung für das Auftreten dieses „Abschaltpeaks“ ist, dass durch die sich abrupt auf null ändernde Strömungsgeschwindigkeit im Sensor die Partikelanlagerungen aus dem Gleichgewicht kommen, größere Mengen von Partikeln gelöst werden und sich zur anderen Elektrode bewegen, sodass ein Stromfluss registriert wird.
Dieser Vorgang kann zur Plausibilisierung der Messwerte eines elektrostatischen Partikelsensors bzw. zur Überprüfung seiner Funktion genutzt werden. Das hat den Vorteil, dass eine Möglichkeit zur Verfügung steht, zumindest in vielen Fällen die Messergebnisse des Sensors zu plausibilisieren.
Dazu kann insbesondere eine Höhe des Peaks und/oder ein Flächeninhalt des Peaks zur Überprüfung der Funktion des Partikelsensors ermittelt werden. Als Höhe des Peaks kann insbesondere der erreichte Maximalwert verwendet werden. Der Flächeninhalt des Peaks ist als das Integral über den Peak definiert.
Wie sich herausgestellt hat, sind sowohl die Höhe des Peaks als auch sein Flächeninhalt geeignet, um vorangegangene Messergebnisse des Partikelsensors zu plausibilisieren. Dies kann insbesondere in der im Folgenden beschriebenen Weise erfolgen:
Gemäß einer Ausführungsform werden Messwerte des Partikelsensors in einem Zeitraum Δt vor dem Abschalten der Brennkraftmaschine anhand der ermittelten Höhe und oder des Flächeninhalts des Peaks plausibilisiert, wobei Messwerte des Partikelsenders als plausibel angesehen werden, wenn im Zeitraum Δt kein Ruß im Abgasstrom ermittelt wurde und kein erhöhter Sensorstrom in Form eines Peaks gemessen wird. In diesem ersten Fall wird davon ausgegangen, dass tatsächlich keine Rußbeladung vorgelegen hat, so dass sich auch keine Rußbeladung des Sensors bilden konnte, die den Abschaltpeak hätte hervorrufen können.
Ferner werden Messwerte des Partikelsensors als plausibel angesehen, wenn im Zeitraum Δt eine geringe Rußmenge im Abgasstrom ermittelt wurde und ein erhöhter Sensorstrom in Form eines verhältnismäßig kleinen Peaks gemessen wird. Dieser zweite Fall bezieht sich auf Situationen, in denen nur eine geringe Beladung des Abgasstroms vorliegt. Häufig ist der Partikelsensor bei derartigen geringen Konzentrationen nicht zuverlässig messbereit. Ein feststellbarer, jedoch kleiner Abschaltpeak kann in diesem Falle darauf hinweisen, dass die vorher ermittelten geringen Rußmengen plausibel sind.
Ferner werden Messwerte des Partikelsensors als plausibel angesehen, wenn im Zeitraum Δt eine hohe Rußmenge im Abgasstrom ermittelt wurde und ein erhöhter Sensorstrom in Form eines verhältnismäßig hohen Peaks gemessen wird. In diesem dritten Fall liegt eine hohe Rußbeladung des Abgasstroms vor, so das sich auch eine große Menge Ruß auf den Elektroden des Sensors angesammelt und ein deutlicher Abschaltpeak erzeugt wird.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass in vielen typischen Situationen die Messwerte des Partikelsensors auf einfache Weise plausibilisiert werden können.
Es kann vorgesehen sein, bei einem wiederholten Auftreten nicht plausibler Messwerte eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Partikelsensors vorzuschlagen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein defekter Partikelfilter angenommen, falls im Zeitraum Δt keinen Ruß oder nur eine geringe Menge Ruß im Abgasstrom ermittelt wurde und ein erhöhter Sensorstrom in Form eines verhältnismäßig hohen Peaks gemessen wird.
Wie bereits oben erwähnt, sind die Messergebnisse des Partikelsensors bei geringen Konzentrationen nicht immer verlässlich bzw. der Sensor nicht immer zuverlässig messbereit. Werden lediglich geringe Konzentrationen im Zeitraum Δt gemessen, denen dann aber ein hoher Abschaltpeak gegenübersteht, könnte dies darauf hindeuten, dass in dem Zeitraum Δt fälschlicherweise eine geringe Rußkonzentration gemessen wurde, während in Wahrheit eine höhere Rußbeladung vorlag. Dies könnte wiederum auf einen defekten Partikelfilter hinweisen.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass sich bei sehr geringen Rußkonzentrationen eine Möglichkeit der Unterscheidung zwischen einem komplett intakten Partikelfilter und einem leicht beschädigten Filter ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Überprüfung der Funktion des Partikelsensors bei jedem Abschalten der Brennkraftmaschine durchgeführt. Alternativ kann die Überprüfung der Funktion des Partikelsensors auch in regelmäßigen Abständen erfolgen, wobei die Abstände beispielsweise regelmäßige zeitliche Abstände sein können oder regelmäßig nach einer bestimmten Menge gefahrener Kilometer eine Überprüfung der Funktion des Partikelsensors durchgeführt werden kann.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass eine regelmäßige Überprüfung der Funktion des Partikelsensors stattfindet, so dass die Funktion eines Partikelfilters, der mittels des Partikelsensors überwacht wird, verlässlich stattfinden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt angegeben aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem Computer lesbaren Medium abgespeicherter Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, das beschriebene Verfahren auszuführen.
Bei der Recheneinheit kann es sich insbesondere um ein Sensorsteuergerät oder ein Steuergerät der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrostatischen Partikelsensor, auf den sich die Erfindung bezieht;
2 schematisch einen Querschnitt durch den Partikelsensor gemäß 1 und
3 beispielhaft Messergebnisse unter anderem des elektrostatischen Partikelsensors gemäß 2 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung der Funktion des elektrostatischen Partikelsensors gemäß 2.
Das Kraftfahrzeug 1 gemäß 1 weist eine Brennkraftmaschine 3 auf, die als Dieselmotor ausgebildet ist. Der Brennkraftmaschine 3 ist ein Abgastrakt 5 zugeordnet, über den ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine 3 abgeführt wird. In dem Abgastrakt 5 ist ein Partikelfilter 7 zur Reinigung des Abgases angeordnet, sowie ein dem Partikelfilter nachgeschalteter elektrostatischer Partikelsensor 9.
Ein Motorsteuergerät 11 ist über Signalleitungen sowohl mit der Brennkraftmaschine 3 als auch mit dem elektrostatischen Partikelsensor 9 verbunden.
Der Partikelsensor 9 hat insbesondere die Aufgabe, die Funktion des Partikelfilters 7 zu überwachen. In nicht gezeigten Ausführungsformen kann ein derartiger Partikelsensor 9 auch vor dem Partikelfilter 7 angeordnet sein oder es sind zwei Partikelsensoren 9 vorgesehen, von denen einer vor und einer hinter dem Partikelfilter 7 angeordnet ist.
Um die Funktion des Partikelfilters 7 zu überprüfen, misst der Partikelsensor 9 die Beladung des Abgasstroms mit Rußpartikeln. Dazu ist er wie in 2 gezeigt aufgebaut.
2 zeigt einen Querschnitt durch Teile eines Partikelsensors 9, der als elektrostatischer Partikelsensor ausgebildet ist und im Wesentlichen die Form eines Zylinderkondensators aufweist.
Der elektrostatische Partikelsensor 9 weist eine zylinderförmige innere Elektrode 13 sowie eine äußere Mantelelektrode 15 auf, die ebenfalls zylinderförmig ausgebildet ist. Die innere Elektrode 13 und die Mantelelektrode 15 sind koaxial zu der Längsachse 14 angeordnet. Zwischen der inneren Elektrode 13 und der Mantelelektrode 15 ist ein Spalt 17 gebildet, der in der gezeigten Ausführungsform eine Breite d von 1,3 mm aufweist.
Im Betrieb des Partikelsensors 9 wird eine Potentialdifferenz zwischen der inneren Elektrode 13 und der Mantelelektrode 15 durch Anlegen einer Spannung von beispielsweise 1000 Volt an die innere Elektrode 13 erzeugt. Die Mantelelektrode 15 liegt auf Masse.
Im Betrieb durchstreicht der Abgasstrom den Spalt 17 zwischen den Elektroden 13, 15. Negativ bzw. positiv geladene Rußpartikel setzen sich dabei aus dem Abgasstrom auf der inneren Elektrode 13 bzw. der Mantelelektrode 15 ab. Dadurch wachsen im Laufe der Betriebszeit des Partikelsensors 9 Schichten 19 bzw. 20 aus Rußpartikeln auf den Elektroden 13, 15 auf, wobei die Schichten im Wesentlichen aus einzelnen Dendriten bestehen.
Aufgrund des im Spalt 17 anliegenden radialen elektrischen Feldes bewegen sich positiv geladene Rußteilchen aus der Schicht 19 zur äußeren Mantelelektrode 15 hin, falls sie der Mantelelektrode 15 nahe genug kommen. Dies ist dann der Fall, wenn sie die kritische Distanz d₀ zu der Mantelelektrode 15 unterschreiten, d.h. wenn die Dicke der Schicht 19 lokal den Betrag d – d₀ überschreitet. Die kritische Distanz d₀ ist in der 2 durch die gestrichelte Kreislinie 21 angedeutet. Falls diese Distanz unterschritten wird, können Rußpartikel aus der Schicht 19 abreißen und sich zur äußeren Mantelelektrode 15 bewegen, wo sie einen Stromfluss auslösen, der durch das Strommessgerät 23 gemessen werden kann.
Umgekehrt reißen auch Partikel aus der Schicht 20 ab und bewegen sich zur inneren Elektrode 13, wenn die Dicke der Schicht 20 lokal derart groß geworden ist, dass die Partikel die Entfernung d₀ zur inneren Elektrode 13 unterschreiten.
In der schematischen Darstellung in 2 sind die Größenverhältnisse nicht maßstäblich dargestellt. Während d, wie bereits angegeben, typischerweise im Millimeterbereich liegt, liegt d₀ ebenfalls in dieser Größenordnung. Die Dicke der aufwachsenden Schichten 19, 20 liegt im Mikrometerbereich, typischerweise bei wenigen Mikrometern.
Wie sich herausgestellt hat, reißen vermehrt Rußpartikel ab, wenn die Brennkraftmaschine 3 ausgeschaltet wird. Dies verursacht einen kurzzeitig besonders hohen Sensorstrom in Form eines Peaks. Dabei ist zu beachten, dass dieser Peak zwar einerseits „echt“ ist, weil er durch real detektierte Rußpartikel verursacht wird, andererseits aber kein Maß für die Rußbeladung des Abgases zum Zeitpunkt seines Auftretens ist, sondern eine plötzliche Lösung über einen längeren Zeitraum akkumulierter Rußpartikel kennzeichnet. Insofern kann auch von einem Artefakt des Sensors gesprochen werden.
Dieses Verhalten des Partikelsensors 9 wird, wie im Folgenden anhand von 3 beschrieben, zur Plausibilisierung der Messwerte des Partikelsensors 9 genutzt.
3 zeigt eine beispielhafte Messung unter anderem des elektrostatischen Partikelsensors im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Die Messergebnisse des elektrostatischen Partikelsensors (“SootValue“) sind als Kurve 100 aufgetragen.
Die Kurve 200 zeigt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Die dritte Kurve 300 (“MSS“) besteht aus Messwerten eines Referenzmessgerätes, das die Partikelbeladung im Abgasstrom unabhängig von dem elektrostatischen Partikelsensor ermittelt.
Zum Zeitpunkt um 1390 Sekunden herum kommt das Fahrzeug zum Stehen und die Brennkraftmaschine wird abgeschaltet. Das Referenzmessgerät detektiert keinen Partikelfluss mehr, die Kurve 300 geht auf null zurück. Die Kurve 100 zeigt jedoch einen deutlichen Peak bei etwa 1400 Sekunden. Dieser Abschaltpeak ist eine Art Artefakt des elektrostatischen Partikelsensors, das jedoch erfindungsgemäß zur Überprüfung der Funktion des Sensors genutzt wird.
Im vorliegenden Messbeispiel wurde ein verhältnismäßig hoher Abschaltpeak festgestellt. In dem dargestellten Zeitraum von 100 Sekunden vor Auftreten des Abschaltpeaks wurde eine mäßige bis hohe Menge im Abgasstrom ermittelt. Diese hohe Rußbeladung des Abgases hat dazu geführt, dass sich eine verhältnismäßig dicke Rußschicht auf den Elektroden des Sensors absetzte, die nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine den Abschaltpeak hervorrief.
Aufgrund des hohen Abschaltpeaks würde man in der vorliegenden Beispielmessung davon ausgehen, dass die zuvor gemessenen verhältnismäßig hohen Rußmengen im Abgasstrom plausibel sind und der elektrostatische Partikelsensor verlässlich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005039915 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines elektrostatischen Partikelsensors (9) zur Sensierung von Rußpartikeln in Abgasen einer Brennkraftmaschine (3), wobei der Partikelsensor (9) eine erste Elektrode (13) und eine zweite Elektrode (15) aufweist, wobei zwischen den Elektroden (13, 15) ein von dem Abgas durchströmter Spalt (17) vorgesehen ist und die Elektroden (13, 15) eine Potentialdifferenz aufweisen, wobei sich an den Elektroden (13, 15) Rußpartikel anlagern und sich nach einer von einer Vorbeladung der Elektroden (13) mit Rußpartikeln abhängigen Verweilzeit zu der jeweils anderen Elektrode (15, 13) bewegen, so dass ein Stromfluss erzeugt wird, der als Sensorstrom als Maß für die Rußmenge im Abgasstrom gemessen wird, wobei zur Überprüfung der Funktion des Partikelsensors (9) ermittelt wird, ob nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine (3) kurzzeitig ein erhöhter Sensorstrom in Form eines Peaks gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Höhe des Peaks und/oder ein Flächeninhalt des Peaks zur Überprüfung der Funktion des Partikelsensors (9) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Messwerte des Partikelsensors (9) in einem Zeitraum Δt vor dem Abschalten der Brennkraftmaschine (3) anhand der ermittelten Höhe und/oder des Flächeninhalts des Peaks plausibilisiert werden, wobei Messwerte des Partikelsensors (9) als plausibel angesehen werden, wenn – im Zeitraum Δt kein Ruß im Abgasstrom ermittelt wurde und kein erhöhter Sensorstrom in Form eines Peaks gemessen wird; – im Zeitraum Δt eine geringe Rußmenge im Abgasstrom ermittelt wurde und ein erhöhter Sensorstrom in Form eines verhältnismäßig kleinen Peaks gemessen wird oder – im Zeitraum Δt eine hohe Rußmenge im Abgasstrom ermittelt wurde und ein erhöhter Sensorstrom in Form eines verhältnismäßig hohen Peaks gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei falls im Zeitraum Δt kein Ruß oder eine geringe Rußmenge im Abgasstrom ermittelt wurde und ein erhöhter Sensorstrom in Form eines verhältnismäßig hohen Peaks gemessen wird, ein defekter Partikelfilter (7) angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Überprüfung der Funktion des Partikelsensors (9) bei jedem Abschalten der Brennkraftmaschine (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Überprüfung der Funktion des Partikelsensors (9) in regelmäßigen Abständen durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit (11) ausgeführt wird, die Recheneinheit (11) anleitet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.