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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 10 2014 209 840 A1 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters bekannt, bei dem ein Differenzdruck eines Partikelfilters, d.h. ein Druck vor und nach dem Partikelfilter ausgewertet wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Diagnose eines Differenzdrucksensors eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine haben demgegenüber den Vorteil, dass durch eine Frequenzselektive Auswertung nur die relevanten Signalanteile berücksichtigt werden. Es kann so eine verbesserte Auswertung mit einer besseren Erkennung sowohl von Fehlern des Sensors oder der Druckleitungen wie auch eines Beladungszustands des Partikelfilters erfolgen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach ist die Auswertung des Differenzdrucksignals wenn eine vorgegebene Frequenz einfach hinsichtlich der Amplitude ausgewertet wird. Diese vorgegebene Frequenz leitet sich dabei von einem ganzzahligen Vielfachen oder ganzzahligem Teiler der Drehzahl oder der Frequenz von Verbrennungsvorgängen der Brennkraftmaschine ab. Durch den Goertzel-Algorithmus erfolgt die Auswertung besonders effizient. Zur Verbesserung der Auswertung erfolgt ein Vergleich zu einem Schwellwert eines fehlerfreien Differenzdrucksensors. Durch Vergleich mit Modellwerten mittels einer Kreuzkorrelation kann ein Fehler einer der Druckleitungen erkannt werden. Weiterhin kann auch ein gleichzeitiger Fehler in beiden Druckleitungen erkannt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Ein Abgassystem mit einem Partikelfilter, Endschalldämpfer und einem Differenzdrucksensor und,
- 2 eine Abfolge von Auswertungsschritten.
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Beschreibung der Erfindung
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In der 1 wird ein Abgassystem mit einem Partikelfilter 1 und einem Endschalldämpfer 5 dargestellt. Abgase von einer Brennkraftmaschine werden durch eine Abgaszuführung 10 zu dem Partikelfilter 1 geleitet, durchströmen den Partikelfilter 1, durchströmen danach ein Abgasverbindungsrohr 11, dann den Endschalldämpfer 5 und werden dann durch die Abgasabführung 12 an die Umwelt abgegeben. Durch das Durchströmen durch den Partikelfilter 1 werden im Abgas enthaltene Partikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert, so dass dem Endschalldämpfer 5 durch das Abgasverbindungsrohr 11 nur Abgas zugeführt wird, welches weitgehend partikelfrei ist. Im Endschalldämpfer 5 erfolgt dann eine akustische Dämpfung, damit die Abgase beim Austritt durch die Abgaswegführung 12 nur einen geringen bzw. zumindest verringerten Geräuschpegel erzeugt.
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Unter anderem um zu erkennen, wie viele Partikel bereits in dem Partikelfilter 1 durch Filterung aus dem Abgas gespeichert wurden, ist ein Differenzdrucksensor 2 vorgesehen. Durch Auswertung des Differenzdruckes vor und nach dem Partikelfilter im Abgasstrom kann beurteilt werden, wie viele Partikel bereits in dem Partikelfilter 1 enthalten sind, da die in dem Partikelfilter 1 enthaltenen Partikel, den für die Durchströmung zur Verfügung stehenden Querschnitt verringern und somit der Druckabfall über dem Partikelfilter 1 ein Maß für die Beladung, d.h. für die Menge der im Partikelfilter 1 enthaltenden Partikel ist. Der Differenzdrucksensor 2 ist dazu mit einer ersten Druckleitung 3 mit der Abgaszuführung 10 vor dem Partikelfilter und mit einer zweiten Druckleitung 4 mit dem Abgasverbindungsrohr 11 nach dem Partikelfilter 1 verbunden. Der Differenzdrucksensor 2 enthält eine Membran, deren Auslenkung von dem relativen Druck in der ersten Druckleitung 3 und der zweiten Druckleitung 4 abhängt und erzeugt ein entsprechendes Differenzdrucksignal. Wenn aufgrund des Signals des Differenzdrucksensors 2 festgestellt wird, dass der Partikelfilter 1 eine große Menge an Partikeln enthält, so kann abhängig von weiteren Randbedingungen ein sogenannter Regenerationsprozess eingeleitet werden, bei dem die in dem Partikelfilter 1 enthaltene Partikel durch eine Oxidation verbrannt werden, d.h. in gasförmiger Produkte überführt werden. Um diese Regeneration d.h. das Verbrennen der im Partikelfilter 1 enthaltenen Partikeln vorzunehmen, muss im Partikelfilter 1 eine entsprechende Temperatur erzeugt werden, und dass durch die Abgaszuführung 10 zugeführte Abgas muss noch eine ausreichende Menge an Sauerstoff enthalten, um die Oxidation im Partikelfilter 1 vorzunehmen. Durch entsprechende Steuerung der Brennkraftmaschine können derartige Regenerationsprozesse durchgeführt werden.
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Wesentlich ist dabei, dass die Messsignale des Differenzdrucksensors 2 eine zuverlässige Bestimmung der Beladung des Partikelfilters 1 erlauben. Dabei hat es sich herausgestellt, dass die erste Druckleitung 3 und die zweite Druckleitung 4 fehleranfällig sind. Insbesondere kann es in beiden Druckleitungen zu einem Loch oder einer undichten Verbindungsstelle oder einer Lösung einer Schlauchverbindung kommen, so dass dann entweder an der ersten Druckleitung 3 oder der zweiten Druckleitung 4 nicht der Druck vor bzw. nach dem Partikelfilter anliegt, sondern Umgebungsdruck. Die erfindungsgemäße Diagnose stellt nun ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung, wie Fehler in den Druckleitungen vor und nach dem Partikelfilter 1 sicher identifiziert werden können. Erfindungsgemäß wird jetzt vorgeschlagen, dass Differenzdrucksignal des Drucksensors 2 hinsichtlich einer Frequenz auszuwerten. Es hat sich nämlich herausgestellt dass für die Beurteilung des Signals des Differenzdrucksensors nicht alle Signale die gleiche Bedeutung haben. Insbesondere ist ein Differenzdrucksignal von besonderer Bedeutung wenn der Partikelfilter mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit durchflossen wird, da dann ein Druckunterschied vor und nach dem Partikelfilter besonders aussagekräftig für den Zustand des Differenzdrucks wird. Es wird daher vorgeschlagen das Differenzdrucksignal hinsichtlich der Frequenz auszuwerten.
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Besonders sinnvoll ist dabei die Frequenz der Verbrennungsvorgänge zu berücksichtigen. Nach jedem Verbrennungsvorgang in einem Zylinder der Brennkraftmaschine durchströmt das Abgas der Verbrennung den Partikelfilter besonders stark während zwischen den einzelnen Verbrennungen die Strömung im Partikelfilter deutlich geringer ist und durch andere Effekte wie beispielsweise Reflektionen beispielsweise am Endschalldämpfer bestimmt wird. Wenn somit nur das Differenzdrucksignal berücksichtigt wird während der Partikelfilter 1 jeweils stark durchströmt wird, so lässt sich eine verbesserte Aussage hinsichtlich des Zustandes des Partikelfilters 2 und auch des Zustandes der Druckleitungen 3,4 treffen, mit denen der Differenzdrucksensor 2 mit der Abgaszuführung 10 vor dem Partikelfilter und der Abgasverbindungsrohr 11 nach dem Partikelfilter 2 verbunden ist. Das so hinsichtlich der Frequenz ausgewertete Differenzdrucksignal wird dann ausgewertet um eine Diagnose des Differenzdrucksensor zu treffen. Wenn die Amplitude des Differenzdrucksignals dabei von einen Schwellwert abweicht, wird ein Fehler des Differenzdrucksensors 2 diagnostiziert. Die Abweichung wird normalerweise ein Überschreiten sein, kann aber bei bestimmten Betriebsbedingungen auch ein Unterschreiten eines Schwellwert sein. Gegebenenfalls kann als Schwellwert auch gleichzeitige ein oberer und ein unterer Schwellwert betriebspunktabhängig vorgesehen sein. Ein derartiger Fehler kann dabei auch darin bestehen, dass sich eine der Druckleitungen 3, 4 löst und so ein Leck zum Umgebungsdruck aufweist. Der Differenzdrucksensor 2 misst dann ja nicht mehr den Druck vor und nach dem Partikelfilter sondern den Druck vor oder nach dem Partikelfilter gegenüber dem normalen Luftdruck.
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Der Schwellwert kann dabei auf unterschiedliche Arten gebildet werden. Zum einen können Schwellwerte durch Messungen an einem fehlerfreien Differenzdrucksensor 2 gebildet werden, indem die Differenzdrucksignale bei einem fehlerfreien Differenzdrucksensor 2 gemessen werden und dann mit einem Sicherheitszuschlag gespeichert werden. Diese Schwellwerte können dabei auch abhängig von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gebildet werden, so dass für jeden Betriebspunkt ein anderer Schwellwert verwendet wird. Alternativ können die Schwellwerte auch während eines laufenden Betriebes der Brennkraftmaschine durch Messen und Mittelwertbildung von Drucksignalen bestimmt werden und es wird dann ein Fehler erkannt wenn sich die Drucksignale plötzlich stark ändern. Es sind auch gewichtete Mischungen beider Vorgehensweisen möglich. Ein besonders einfacher Fehlerfall liegt vor wenn das Differenzdrucksignal null ist oder nahe null ist. In diesem Fall liegt an beiden Druckleitungen 3, 4 der selbe Druck an, was nur der Fall sein kann wenn beide Druckleitungen ein Leck gegen Umgebungsdruck haben oder beide verstopft sind oder beide ganz einfach beispielsweise bei einer Wartung nicht angeschlossen wurden. Wenn das Differenzdrucksignal null ist liegt offensichtlich ein schwerer Fehler vor.
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Zur Auswertung des Differenzdrucksignals hinsichtlich der Frequenz ist insbesondere eine Fouriertransformation sinnvoll. Es wird so das Drucksignal hinsichtlich der Anteile bei bestimmten Frequenzen dargestellt. Es kann dann durch gezielte Auswahl bestimmter Frequenzen und Betrachtung der Amplitude zu den bestimmten Frequenzen eine Auswertung erfolgen. Besonders vorteilhaft sind dabei die Frequenzen die einen technischen Zusammenhang mit dem Gasfluss durch den Partikelfilter aufweisen. Insbesondere die Frequenz der Verbrennungsvorgänge in dem Brennraum der Brennkraftmaschine ist dabei eine aussagekräftige Frequenz, da der Partikelfilter im Takt der Verbrennungsvorgänge mit Abgasen durchströmt wird. Diese Frequenz der Verbrennungsvorgänge kann entweder direkt bekannt oder kann durch Messungen an Sensoren bestimmt werden. Eine Möglichkeit ist beispielsweise das Zündsignal, d.h. die Ansteuerung der Zündkerzen durch das Steuergerät 6 oder ein ganzzahliges Vielfaches oder ganzzahliger Teiler der Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Durch eine Fouriertransformation oder eine Fast-Fouriertransformation wird dabei ein Überblick über alle Frequenzen gegeben die in einem Abgastrakt auftreten. Eine Fouriertransformation beansprucht jedoch einen erheblichen Rechenaufwand. Es kann daher sinnvoll sein nur eine Auswertung des Differenzdrucksignals nur hinsichtlich einer Frequenz insbesondere der Frequenz der Verbrennungsvorgänge der Brennkraftmaschine vorzunehmen. Mit eine Fouriertransformation lassen sich zwar auch Anteile von Oberwellen der Verbrennungsfrequenz auswerten aber der Aufwand dafür ist hoch. In vielen Fällen ist die Auswertung nur der Zündfrequenz bzw. der Frequenz der Verbrennungsvorgänge in der Brennkraftmaschine völlig ausreichend. Dazu kann insbesondere der Goertzel-Algorithmus verwendet werden der eine besonders ressourcenarme Berechnung einer Transformation in den Frequenzbereich nur für eine Frequenz darstellt.
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In der 2 wird eine Abfolge von Schritten gezeigt, die das Verfahren in dem Steuergerät 6 realisieren. In einem ersten Schritt 100 erfolgt eine Messung des Differenzdrucksignals und Abspeicherung des Differenzdrucksignals. Wenn der Differenzdrucksensor als Analogsensor ausgebildet ist erfolgt gleichzeitig eine Analog-Digital-Wandlung. Durch Speicherung einer Vielzahl von aufeinander folgenden Werten wird ein zeitlicher Verlauf des Signals des Differenzdrucksensors 2 gespeichert. Es erfolgt dann im Schritt 200 eine Umwandlung des zeitlichen Signals in den Frequenzbereich durch den so die Amplitudenanteile gegenüber der Frequenz dargestellt sind. Wenn der Goertzel-Algorithmus genutzt wird so wird das Differenzdrucksignal nur für die verwendete Frequenz typischerweise der Frequenz der Verbrennungsvorgänge in der Brennkraftmaschine dargestellt. Im darauffolgenden Schritt 300 erfolgt dann eine Auswertung des im Schritt 200 ermittelten Signal hinsichtlich einer Diagnose ob das so gewonnene Signal eine Fehlfunktion des Differenzdrucksensors bzw. der Druckleitungen 3, 4 anzeigt.
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Zusätzlich zur Diagnose des Differenzdrucksignals wird eine weitere Diagnose vorgeschlagen (siehe auch
DE102017211575 ) mit der sich auch bestimmen lässt welches der beiden Druckleitungen ein Leck gegen die Umgebung oder einen Schlauchabfall aufweist. Dieses Verfahren kann kontinuierlich parallel durchgeführt werden oder nur dann wenn aufgrund der Diagnose des Differenzdrucksignals hinsichtlich der Frequenz bereits ein Fehler des Differenzdrucksensors
2 festgestellt wurde. Dazu wird vorgeschlagen, das gemessene Signal des Differenzdrucksensors
2 und modellierte Drücke im Abgassystem mittels Kreuzkorrelationsfunktionen bzw. daraus berechnete Kreuzkorrelationskoeffizienten (KKF) auszuwerten. Durch eine Kreuzkorrelationsfunktion wird zum Ausdruck gebracht, inwieweit sich zwei Signale ähneln oder deckungsgleich sind. Wenn beispielsweise der Partikelfilter vollständig leer ist, so gibt es über den Partikelfilter
1 nur einen sehr geringen Druckabfall, d.h. das gemessene Differenzdrucksignal und das modellierte Drucksignal entsprechen einander und sind einander somit sehr ähnlich. In Abhängigkeit von der Beladung des Partikelfilters
1 wird sich die Ähnlichkeit des Druckes vor und nach dem Partikelfilter verändern. Weiterhin wird beispielsweise der Druck nach dem Partikelfilter auch stark von dem Gegendruck des Endschalldämpfers
5 beeinflusst. Weiterhin hängen alle Druckverhältnisse im Abgassystem auch noch von den Temperaturen und der Menge an durchfließendem Abgas ab. Diese verschiedene Drücke können nun genutzt werden, um eine Diagnose des Differenzdrucksensors bzw. der ersten Druckleitung
3 und der zweiten Druckleitung
4 durchzuführen.
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Für diese Diagnose des Differenzdrucksensors
2 wird dazu zunächst ein Kreuzkorrelationskoeffizient
1 (KKF1) gebildet, der sich wie folgt errechnet:
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Für die Berechnung von KKF1 wird das Signal über einen vorgegebenen Zeitraum (hier 20 sec) auf-integriert bzw. aufsummiert. Es sind aber auch andere Zeiträume beispielsweise 5 sec möglich, sofern der Zeitraum lang genug ist um eine stabile Kreuzkorrelation bzw. einen stabilen Kreuzkorrelationskoeffizienten zu berechnen. Bei dem Signal ΔpFilter,measure handelt es sich um den gemessenen Wert des Differenzdrucks, d.h. das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors. Bei dem Wert ΔpFilter,model handelt es sich um einen modellierten Wert für den Druckabfall über den Partikelfilter. Dieser Wert wird bei der Applikation der Brennkraftmaschine und des Abgassystems durch Ausmessen von typischen Betriebswerten ermittelt. Diese werden dann in einem Kennfeld, beispielsweise in Abhängigkeit von Last- und Drehzahl gespeichert und für die Berechnung eines modellierten Differenzdruckes über den Partikelfilter 1 verwendet. Neben der Last und der Drehzahl können auch noch andere Werte wie beispielsweise die Temperatur oder eine modellierte Beladung des Partikelfilters 1 in die Berechnung dieses modellierten Differenzdruckes ΔpFilter,model eingehen.
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Durch diesen ersten KKF1 wird somit gemessen, inwieweit der tatsächlich am Differenzdrucksensor 2 gemessene Differenzdruck über dem Partikelfilter 1 mit einem aus einem Modell berechneten Differenzdruck über den Partikelfilter 1 übereinstimmt. Wenn es zu einer Störung in der ersten Druckleitung 3 oder zweiten Druckleitung 4 kommt, so hat dies einen Einfluss auf das tatsächlich gemessene Differenzdrucksignal des Differenzdrucksensors 2 und hat aber keinen Einfluss auf den modellierten Differenzdruck, da dieser ja nur aufgrund einer Modellbildung erfolgt.
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Ein Fehler in der ersten Druckleitung 3 kann durch Auswertung des Wertes von KKF1 erfolgen. Wenn keinerlei Fehler vorliegt, so ist der Wert für KKF1 positiv. Wenn es zu einem Fehler, d.h. einem Auftreten von Umgebungsdruck in der ersten Druckleitung 3 kommt, so entsteht die Situation, dass der gemessene Druck vor dem Partikelfilter 1 geringer ist als der gemessene Druck nach dem Partikelfilter, d.h. der Druckabfall im Partikelfilter ist negativ, d.h. beim Durchströmen durch den Partikelfilter 1 würde das Gas nicht an Druck verlieren, sondern es würde seinen Druck erhöhen. Dies führt dann dazu, dass der Wert von KKF1 sein Vorzeichen ändert und negativ wird. Allein aufgrund der Auswertung von KKF1 ist daher ein Fehler in der ersten Druckleitung 3, die dazu führt, dass in der ersten Druckleitung 3 dann Umgebungsdruck anliegt, sehr einfach feststellbar. Weiterhin kann KKF1 auch ein negatives Vorzeichen aufweisen wenn die Druckleitungen 3 und 4 vertauscht sind. Dies kann beispielsweise bereits in der Herstellung der Brennkraftmaschine oder bei einer Wartung erfolgen. Wenn also nicht während eines laufenden Betriebs ein Vorzeichenwechsel von KKF1 auftritt sondern bei einer Inbetriebnahme KKF1 dauernd ein negatives Vorzeichen hat so kann neben einem Fehler der ersten Druckleitung auch ein Vertauschen der Druckleitungen 3 und 4 die Ursache sein.
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Ein Fehler in der zweiten Druckleitung 4 ist ebenfalls feststellbar. Da aufgrund der Auswertung des hinsichtlich der Frequenz aufbereiteten Differenzdrucksignals feststeht dass ein Fehler des Differenzdrucksensors bzw. der Druckleitungen 3, 4 vorliegt, kann zusammen mit KKF1 auf einen Fehler der hinteren Druckleitung 4 geschlossen werden wenn KKF1 sein Vorzeichen nicht wechselt. Wenn also aufgrund der Auswertung der Amplitude in Schritt 200 ein Fehler festgestellt wird und im Schritt 300 zusätzlich noch das Vorzeichen des KKF1 ausgewertet wird, so kann auf einfache Weise ein Fehler der hinteren Druckleitung 4 festgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014209840 A1 [0002]
- DE 102017211575 [0014]