DE102017219158A1

DE102017219158A1 - Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102017219158A1
Application number: DE102017219158.9A
Authority: DE
Inventors: Paul Rodatz; Patrick Eberl-Neumaier; Hong Zhang; Dejan Jovovic; Michael Nienhoff; Oliver Kastner; Sebastian Reiss
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: EmiSense Technologies LLC
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: DE102017219158B4

Abstract

Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters (7) zur Filterung von Rußpartikeln aus Abgasen einer Brennkraftmaschine (3), wobei der Partikelfilter (7) in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases vor einem elektrostatischen Partikelsensor (9) angeordnet ist, der 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 Partikelfilters (7) folgendes durchgeführt wird:- Feststellen eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (3), in dem eine Reduktion einer Abgasgeschwindigkeit im Spalt (17) auftritt;- Messen eines kurzzeitig erhöhten Sensorstroms in Form eines Abschaltpeaks;- Vergleich des gemessenen Abschaltpeaks mit einem für einen intakten Partikelfilter (7) erwarteten Abschaltpeak,wobei auf einen defekten Partikelfilter (7) geschlossen wird, wenn ein Unterschied zwischen dem gemessenen Abschaltpeak und dem erwarteten Abschaltpeak einen vorgegebenen Wert übersteigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, wie sie in Kraftfahrzeugen 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 abhängig von ihrer Ladung an der einen Elektrode an, auf der dadurch einer Schicht aus Rußpartikeln aufwächst. Ist diese Schicht dick genug, sodass eine kritische Distanz zur anderen Elektrode unterschritten wird, so reißen die Rußpartikel aufgrund der elektrostatischen Kräfte ab und bewegen sich zur anderen Elektrode, wodurch ein Stromfluss zwischen den beiden Elektroden erfolgt, der als Sensorstrom als Maß für im Abgas befindliches Ruß gemessen wird.
Derartige Partikelsensoren lassen in begrenztem Maße einen Rückschluss auf die Filterwirkung des Partikelfilters zu, wobei jedoch problematisch ist, dass die Rußbeladung des Abgases nicht nur von der Filterwirkung des Partikelfilters abhängt, sondern in hohem Maße auch vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters mithilfe eines derartigen 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 Partikelfilters zur Filterung von Rußpartikeln in Abgasen einer Brennkraftmaschine angegeben, wobei der Partikelfilter in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases vor einem elektrostatischen Partikelsensor angeordnet ist, der 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 Partikelfilters wird folgendermaßen vorgegangen: Zunächst wird festgestellt, ob ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorliegt, in dem eine Reduktion einer Abgasgeschwindigkeit im Spalt auftritt. Ein solcher Betriebszustand kann insbesondere das Abstellen der Brennkraftmaschine oder ein Übergang zum Leerlauf der Brennkraftmaschine sein.
Falls ein solcher Betriebszustand vorliegt, wird ein kurzzeitig erhöhter Sensorstrom in Form eines Abschaltpeaks gemessen. 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.
Anschließend erfolgt ein Vergleich des gemessenen Abschaltpeaks mit einem für einen Partikelfilter mit einer vorgegebenen Güte erwarteten Abschaltpeak, wobei auf einen defekten Partikelfilter geschlossen werden kann, wenn ein Unterschied zwischen dem gemessenen Abschaltpeak und dem erwarteten Abschaltpeak einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Wie sich herausgestellt hat, tritt beim Abschalten der Brennkraftmaschine oder beim Übergang zum Leerlauf bei dem beschriebenen Sensortyp ein derartiger Abschaltpeak auf. Eine Erklärung für das Auftreten dieses „Abschaltpeaks“ ist, dass sich durch die sich reduzierende Strömungsgeschwindigkeit im Sensor die filamentartigen Partikelanlagerungen aufrichten, die bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten durch das Abgas niedergedrückt werden. Da die elektrischen Kräfte im Sensor weiterhin wirken, brechen Filamente ab und es kommt zu einem Ladungsaustausch zwischen den Elektroden, der als überhöhter Sensorstrom nachgewiesen wird.
Wie sich herausgestellt hat, kann der Abschaltpeak zur Diagnose des dem Sensor vorgelagerten Partikelfilters genutzt werden. Insbesondere hängt die Höhe des Abschaltpeaks von der Filterwirkung des Partikelfilters im Zeitintervall vor dem Auftreten des Abschaltpeaks ab. Es wird daher ein Modell-Abschaltpeak theoretisch und/oder empirisch ermittelt, mit dem der gemessene Abschaltpeak verglichen wird.
Dem Modell-Abschaltpeak kann beispielsweise ein Partikelfilter zugrunde gelegt werden, dessen Filterwirkung gerade noch akzeptabel ist. Weicht der gemessene Abschaltpeak in Richtung einer schlechteren Filterwirkung davon ab, wird ein defekter Partikelfilter diagnostiziert.
Es ist auch möglich, einen Unterschied zwischen dem Modell-Abschaltpeak und dem gemessenen Abschaltpeak zu quantifizieren und ihm einen Kennwert zuzuordnen, um eine quantitative Aussage über den Zustand des Partikelfilters machen zu können.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass eine zuverlässige Diagnose des Partikelfilters nahezu jederzeit während des Betriebs der Brennkraftmaschine möglich ist, weil Phasen mit reduzierter Abgasgeschwindigkeit häufig auftreten. Diese Phasen stellen außerdem klar definierte Betriebszustände dar, so dass eine große Streuung der Diagnoseergebnisse vermieden werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden Differenzen in der Höhe und/oder im Flächeninhalt der Abschaltpeaks zur Überprüfung der Funktion des Partikelfilters ermittelt.
Als Höhe des Peaks kann insbesondere der erreichte Maximalwert verwendet werden. Der Flächeninhalt des Peaks ist als das Integral über den Peak definiert.
Alternativ können auch Verhältnisse der Absolutwerte und/oder des Flächeninhalts der Abschaltpeaks zur Überprüfung der Funktion des Partikelfilters ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Hochspannungsversorgung der Elektroden unmittelbar vor der Reduktion einer Abgasgeschwindigkeit im Spalt abgeschaltet, und erst wieder eingeschaltet, wenn die Reduktion der Abgasgeschwindigkeit erfolgt und ein Betriebszustand mit einer niedrigeren Abgasgeschwindigkeit erreicht ist.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Form des Abschaltpeaks unabhängig von der Art und Weise der Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit ist, so dass eine Streuung der Diagnoseergebnisse weiter reduziert werden 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 Partikelfilters des Kraftfahrzeugs.

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 7 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.
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 Hochspannung 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 oder Filamenten bestehen, die durch die vorbeistreichende Strömung des Abgases abhängig von der Abgasgeschwindigkeit niedergedrückt werden.
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 oder in den Leerlauf geschaltet wird, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert. Dadurch richten sich nämlich die Filamente auf, Partikel reißen vermehrt ab und induzieren 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 Diagnose des Partikelfilters 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 Partikelfilters genutzt wird.
Dazu wird theoretisch und/oder empirisch ein Modell-Abschaltpeak ermittelt, der zu erwarten wäre, wenn der Partikelfilter eine bestimmte Güte aufwiese. Beispielsweise kann der Modell-Abschaltpeak ermittelt werden für einen Partikelfilter, der gerade noch als intakt bzw. gerade schon als defekt angesehen werden kann. Der Abschaltpeak im Falle eines Partikelfilters mit guter Filterwirkung läge dann unter dem Modell-Abschaltpeak. Je mehr sich der gemessene Abschaltpeak dem Modell-Abschaltpeak annähert, desto mehr nähert sich der Filter einem Zustand, in dem seine Filterwirkung nicht mehr als ausreichend akzeptiert wird.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Partikelsensors. Im Schritt 500 wird das Verfahren gestartet, beispielsweise mit einem Start der Brennkraftmaschine. Im Schritt 501 wird abgefragt, ob ein Betriebszustand vorliegt, in dem die Abgasgeschwindigkeit reduziert ist.
Falls ein solcher Betriebszustand vorliegt, wird in einem Schritt 502 ein Abschaltpeak gemessen und im Schritt 503 mit einem Modell-Abschaltpeak verglichen. Ergibt dieser Vergleich im Schritt 504, dass eine vorher festgelegte Kenngröße kritisch ist, wobei die Kenngröße derart gewählt ist, dass sie dann kritisch ist, wenn der gemessene Abschaltpeak einem Modell-Abschaltpeak eines defekten Filters entspricht, wird in einem Schritt 505 eine Warnung vor einem defekten Filter ausgegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005039915 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters (7) zur Filterung von Rußpartikeln aus Abgasen einer Brennkraftmaschine (3), wobei der Partikelfilter (7) in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases vor einem elektrostatischen Partikelsensor (9) angeordnet ist, der 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 Partikelfilters (7) folgendes durchgeführt wird: - Feststellen eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (3), in dem eine Reduktion einer Abgasgeschwindigkeit im Spalt (17) auftritt; - Messen eines kurzzeitig erhöhten Sensorstroms in Form eines Abschaltpeaks; - Vergleich des gemessenen Abschaltpeaks mit einem für einen Partikelfilter (7) mit einer vorgegebenen Filterwirkung erwarteten Abschaltpeak, wobei auf einen defekten Partikelfilter (7) geschlossen wird, wenn ein Unterschied zwischen dem gemessenen Abschaltpeak und dem erwarteten Abschaltpeak einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Differenzen in der Höhe und/oder im Flächeninhalt der Abschaltpeaks zur Überprüfung der Funktion des Partikelfilters (7) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Verhältnisse der Absolutwerte und/oder des Flächeninhalt der Abschaltpeaks zur Überprüfung der Funktion des Partikelfilters (7) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Hochspannungsversorgung der Elektroden (13, 15) unmittelbar vor der Reduktion einer Abgasgeschwindigkeit im Spalt (17) abgeschaltet wird, und erst wieder eingeschaltet wird, wenn die Reduktion der Abgasgeschwindigkeit erfolgt und ein Betriebszustand mit einer niedrigeren Abgasgeschwindigkeit erreicht ist.
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 4 auszuführen.