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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Filterfunktion eines Partikelfilters eines Kraftfahrzeugs. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Um eine Belastung des Kraftfahrzeugumfelds mit ausgestoßenen Partikeln zu verringern, ist es vorteilhaft, Partikelfilter vorzusehen, die Partikel, beispielsweise Rußpartikel, aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren filtern. Solche Partikelfilter können auch erforderlich sein, um beispielsweise gesetzlich vorgegebene Grenzwerte bezüglich einer pro Zeit ausgestoßenen Partikelmasse oder Partikelanzahl einzuhalten. Ein solcher Partikelfilter stellt ein emissionsrelevantes Bauteil dar, weshalb es zweckmäßig und teilweise auch vorgeschrieben ist, dessen Funktion zu überwachen.
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Eine Überwachung eines Partikelfilters für Diesel-Motoren ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2013 206 451 A1 bekannt. Hierbei wird ein Rußsensor genutzt, der stromabwärts von einem Rußfilter angeordnet ist. Mithilfe der Messwerte dieses Rußsensors und einer modellierten Motor-Partikel-Emission wird eine Filtereffizienz des Rußfilters bestimmt und bei Unterschreiten eines Erwartungswertes durch den Effizienzwert wird ein Fehlerverdacht erkannt.
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Problematisch an diesem Überwachungsansatz ist es, dass Rußsensoren, die ausreichend kleinbauend und günstig herstellbar sind, um ökonomisch in Kraftfahrzeugen einsetzbar zu sein, zwar bei relativ hohen Partikelbelastungen, wie sie bei Dieselmotoren auftreten, eine genaue Bestimmung der im Abgasstrom enthaltenen Partikelmasse ermöglichen, die Genauigkeit aber bei geringen Partikelmassen im Abgasstrom abnimmt. Partikel in dem Abgasstrom von Ottomotoren, also insbesondere von fremdgezündeten bzw. Benzinmotoren, weisen jedoch eine erheblich kleinere Größe und ein erheblich kleines Gewicht auf, als durch Dieselmotoren erzeugte Rußpartikel. Somit kann ein Ausfall eines Partikelfilters für einen Ottomotor mit vertretbarem technischen Aufwand nicht direkt über einen solchen Rußsensor erfasst werden. Dies ist problematisch, da eine Nutzung von Partikelfiltern trotz der relativ geringen Partikelmassen, die bei Ottomotoren auftreten, vorteilhaft sein kann, um Partikelanzahlgrenzwerte einzuhalten.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Überwachung einer Filterfunktion eines Abgasfilters anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Überwachung einer Filterfunktion eines Abgasfilters eines Kraftfahrzeugs gelöst, wobei der Abgasfilter in einem Abgaskanal zwischen einem Ottomotor und einem Partikelsensor angeordnet ist, wobei bei Erfüllung einer Messbedingung wenigstens ein Betriebsparameter des Ottomotors für ein Messzeitintervall derart verändert wird, dass sich eine Partikelbeladung eines in dem Abgaskanal geführten Abgases des Ottomotors gegenüber einem vorangehenden Fahrbetrieb erhöht, wobei innerhalb des Messzeitintervalls wenigstens ein die Partikelbeladung betreffender Messwert über den Partikelsensor erfasst wird.
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Unter einer Partikelbeladung ist insbesondere die Gesamtmasse der Partikel in einem bestimmten Abgasvolumen und/oder eine Partikelanzahl pro Abgasvolumen zu verstehen. Die Messbedingung kann beispielsweise jedes Mal erfüllt sein, wenn ein bestimmtes Zeitintervall seit der letzten Messwerterfassung vergangen ist und/oder eine bestimmte Strecke seit der letzten Messwerterfassung gefahren wurde und/oder der Ottomotor eine bestimmte Anzahl von Malen seit der letzten Messung gestartet wurde. Vorzugsweise ist die Erfüllung der Messbedingung jedoch zusätzlich von einer Fahrsituation des Kraftfahrzeugs abhängig. Beispielsweise kann es zur Erfüllung der Messbedingung zusätzlich zu den obig genannten Bedingungen erforderlich sein, dass eine bestimmte Zeit seit dem Anlassen des Ottomotors vergangen ist, dass eine gewisse Mindesttemperatur des Ottomotors bzw. von dessen Kühlwasser erfasst wird, dass sich die Drehzahl des Ottomotors in einem bestimmten Drehzahlbereich befindet oder Ähnliches.
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Die Erfassung des Messwertes kann durch ein Onboarddiagnosesystem erfolgen. Bei Erfüllung der Messbedingung kann zunächst kurzzeitig die Rußemission erhöht werden, indem der wenigstens eine Betriebsparameter verändert wird. Während des Messzeitintervalls ist somit die Partikelbeladung erhöht und die Partikelmassenkonzentration hinter dem Partikelfilter kann gemessen werden. Vorzugsweise wird ergänzend, wie später noch erläutert werden wird, auch in dem Bereich zwischen dem Ottomotor und dem Filter eine Partikelkonzentration erfasst. Hieraus kann beispielsweise eine Abscheiderate des Partikelfilters bzw. eine Filtrationseffizienz berechnet und mit einem Grenzwert verglichen werden. Erreicht der Filter keine ausreichende Qualität, kann beispielsweise die Steuerung des Motors oder einer anderen Komponente angepasst werden und/oder der Fahrer kann auf diesen Mangel des Fahrzeugs hingewiesen werden, beispielsweise durch Aktivieren einer Warnleuchte. Nach Durchführung der Messung bzw. der Messungen können die Betriebsparameter wieder zurückgesetzt werden bzw. auf Werte gesetzt werden, die einem Betrieb des Ottomotors mit geringer Partikelbeladung des Abgases ermöglichen.
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Als Partikelfilter kann beispielsweise ein Keramikfilter genutzt werden, bei dem der Abgasstrom mehrmals durch poröse Wände geführt wird. Ein solcher Partikelfilter kann beispielsweise durch eine unkontrollierte hohe Wärmeeinwirkung, beispielsweise bei einem Rußband, beschädigt werden, so dass er seine Filtrationswirkung vollständig oder weitgehend verliert. Wie eingangs erläutert, ist die Partikelmasse in dem Abgasstrom eines Ottomotors typischerweise niedrig. Eine Beschädigung des Filters kann jedoch zu einer Überschreitung von Grenzwerten für eine Partikelanzahl führen. Um diese Emissionssteigerung zu korrigieren, kann der Fahrer mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine solche Beschädigung bzw. Wirkungsreduktion des Partikelfilters hingewiesen werden und/oder andere Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs können angepasst werden, um die Partikelemission bei nicht oder nicht ausreichend gut wirkendem Partikelfilter durch andere Maßnahmen, beispielsweise durch Reduktion der Motorleistung, zu reduzieren.
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Als Partikelsensor können Partikelmassesensoren verwendet werden. Partikelmassesensoren können relativ einfach aufgebaut sein. Beispielsweise können sich Partikel auf einer Sensorfläche ablagern, wonach eine Gewichtsänderung dieser Sensorfläche, beispielsweise durch eine Verstimmung einer Schwingung der Sensorfläche, erkannt wird. Partikelmassesensoren sind günstig und mit geringem Bauraumverbrauch implementierbar. Aufgrund der erfindungsgemäßen gezielten Erhöhung der Partikelbeladung des Abgases des Ottomotors im Messzeitintervall kann ein unzureichender Partikelfilter, der zu einer Überschreitung eines Partikelanzahlgrenzwertes führen könnte, auch dadurch erkannt werden, dass eine Partikelmassebeladung überwacht wird.
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Aufgrund eines Rauschens und/oder einer Quantisierung der Messwerterfassung kann der Messwert ausschließlich aufgrund der Erhöhung der Partikelbeladung durch die Veränderung des Betriebsparameters eine Unterscheidung zwischen einem Betrieb und einem Nichtbetrieb des Ottomotors und/oder zwischen einer Messung mit und einer Messung ohne zwischen dem Ottomotor und dem Partikelsensor angeordneten Partikelfilter und/oder eine Erkennung eines mangelhaften Partikelfilters ermöglichen. Wie bereits erläutert, ist insbesondere die Partikelmassebeladung bei Ottomotoren typischerweise sehr gering. Insbesondere bei einer Nutzung von Partikelmassesensoren müssten somit eine sehr hohe Masseauflösung und ein sehr geringes Rauschen erzielt werden, um die Filterfunktion ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Erhöhung der Abgasbeladung des Abgas des Ottomotors zu implementieren. Eine derart hoch aufgelöste und rauscharme Messung ist in Kraftfahrzeugen momentan nicht mit vertretbarem technischen Aufwand realisierbar.
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Zur Erhöhung der Partikelbeladung können ein Einspritzzeitpunkt und/oder ein Einspritzdruck und/oder eine Einspritzstrategie gegenüber dem vorangehenden Fahrbetrieb verändert werden. Durch Veränderung der genannten Größe kann beispielsweise ein ungleichmäßiges Abbrennen des Ottotreibstoffs, also beispielsweise von Benzin, erreicht werden, womit die Belastung des Abgasstroms mit Partikeln, beispielsweise mit Ruß, steigt. Im normalen Fahrbetrieb soll eine solche Partikelbeladung typischerweise möglichst gering gehalten werden, so dass der Einspritzzeitpunkt, der Einspritzdruck und die Einspritzstrategie hierzu passend gewählt werden. Von diesen Einstellungen wird nun gezielt abgewichen, um über eine Messwerterfassung über den Partikelsensor eine Filterfunktion überwachen zu können. Da die Messzeitintervalle sehr kurz gewählt werden können und Messungen mit relativ großen Abständen, also beispielsweise im Abstand von einigen zehn Minuten oder von einigen Stunden, durchgeführt werden können, resultieren aus dem erfindungsgemäßen Verfahren keine spürbaren Leistungseinbußen, keine Erhöhungen des Partikelausstoßes und keine Erhöhung des Verbrauchs über längere Betriebszeiten des Kraftfahrzeugs hinweg.
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In modernen Ottomotoren ist es möglich, dass für einzelne Zylinder innerhalb eines Durchlaufs des thermischen Kreisprozesses, also innerhalb von vier Takten eines Viertakters oder von zwei Takten eines Zweitakters, mehrere Einspritzvorgänge zu mehreren Zeitpunkten und/oder über verschiedene Ventile erfolgen. Beispielsweise kann ein Einspritzen im Saugzyklus und zusätzlich kurz vor der Zündung erfolgen. Die Anzahl der Einspritzungen und die Mengenverteilung des eingespritzten Kraftstoffs auf die verschiedenen Einspritzzeitpunkte bzw. Ventile kann zusammenfassend als Einspritzstrategie bezeichnet werden.
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In dem Abgaskanal kann zwischen dem Ottomotor und dem Partikelfilter ein weiterer Partikelsensor angeordnet sein, über den innerhalb des Messzeitintervalls ein weiterer Messwert erfasst wird. In diesem Fall wird die Partikelbeladung, insbesondere die Partikelmassebeladung, des Abgases vor und nach dem Abgasfilter gemessen, womit durch einen Vergleich dieser Werte eine Wirkung des Partikelfilters ermittelt werden kann. Beispielsweise kann eine Abscheiderate und/oder eine Filtrationseffizienz des Partikelfilters ermittelt werden.
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In Abhängigkeit des Messwertes kann ermittelt werden, ob eine die Qualität der Abgasfilterung durch den Partikelfilter betreffende Qualitätsbedingung erfüllt ist. Die Erfüllung der Qualitätsbedingung kann insbesondere zusätzlich von dem weiteren Messwert abhängen. Beispielsweise kann eine Abscheiderate bzw. eine Filtrationseffizienz mit einem Grenzwert verglichen werden und die Erfüllung der Qualitätsbedingung kann von diesem Grenzwertvergleich abhängen.
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Bei Nichterfüllung der Qualitätsbedingung kann eine kraftfahrzeugseitige Einrichtung angesteuert werden oder die Ansteuerung der Einrichtung kann verändert werden. Beispielsweise ist es möglich, dass bei Nichterfüllung der Qualitätsbedingung, also insbesondere bei Erkennung eines unzureichend arbeitenden Partikelfilters, die Ansteuerung des Motors angepasst wird, um beispielsweise die Partikelbeladung auf Kosten der bereitstehenden Leistung oder des Verbrauchs zu reduzieren.
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Besonders bevorzugt wird jedoch ein Hinweis an einen Fahrer gegeben, dass der Partikelfilter nicht korrekt arbeitet und beispielsweise getauscht werden sollte bzw. dass eine Wartung des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Durch die kraftfahrzeugseitige Einrichtung kann daher bei Nichterfüllung der Qualitätsbedingung ein Hinweis an einen Nutzer des Kraftfahrzeugs ausgegeben werden. Die kraftfahrzeugseitige Einrichtung kann beispielsweise eine Warnleuchte sein oder beispielsweise ein Display, an dem ein entsprechender Hinweis ausgegeben wird. Ergänzend oder alternativ können auch akustische Hinweise, beispielsweise durch eine Sprachausgabe oder die Ausgabe eines bestimmten Geräusches, und/oder haptische Hinweise gegeben werden.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Ottomotor, einen Partikelsensor und einen in einem Abgaskanal zwischen dem Ottomotor und dem Partikelsensor angeordneten Partikelfilter, wobei eine Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs dazu eingerichtet ist, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren den Ottomotor zu steuern und den Messwert über den Partikelsensor zu erfassen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann mit den zum erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Zeichnung. Die Figur zeigt hierbei schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, durch das ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird.
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Die Figur zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das durch einen Ottomotor 2 angetrieben wird. Die Abgase des Ottomotors werden über einen Abgaskanal 3 zu einem Auspuff 4 des Kraftfahrzeugs 1 geführt. Um eine Belastung des Fahrzeugumfelds durch Partikel zu verringern, die im Rahmen des Verbrennungsvorgangs im Ottomotor 2 entstehen, wird das Abgas in dem Abgaskanal 3 durch einen Partikelfilter 5 geführt.
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Der Partikelfilter kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass das Abgas mehrfach durch poröse Wände, beispielsweise aus Keramik, geführt wird. Hierbei lagern sich mitgeführte Partikel an den Wänden ab und werden somit nicht in das Fahrzeugumfeld ausgestoßen.
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Bei dem Partikelfilter 5 handelt es sich um eine für die Emissionen des Kraftfahrzeugs 1 relevante Komponente. Da diese, beispielsweise durch starke Hitzeeinwirkung bei einem Rußbrand, beschädigt werden kann, was zu einer deutlichen Erhöhung des Partikelausstoßes des Kraftfahrzeugs 1 führen würde, ist es zweckmäßig, die Funktionstüchtigkeit bzw. die erreichte Qualität der Abgasfilterung zu überwachen. Hierzu werden zwei in dem Abgaskanal 3 angeordnete Partikelsensoren 7, 8 genutzt. Der Partikelsensor 7 liegt stromabwärts des Partikelfilters 5 und der Partikelsensor 8 stromaufwärts des Partikelfilters 5.
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Aus Messwerten der Partikelsensoren 7, 8, die jeweils eine Partikelbeladung des Abgasstroms vor und nach dem Partikelfilter 5 erfassen, wäre es prinzipiell möglich, beispielsweise eine Abscheidrate bzw. eine Filtrationseffizienz des Partikelfilters 5 zu ermitteln und diese mit einem Grenzwert zu vergleichen, um die Funktionstüchtigkeit bzw. die Qualität des Partikelfilters 5 zu bestimmen. Ein solches Vorgehen wäre beispielsweise problemlos möglich, wenn statt des Ottomotors 2 ein Dieselmotor genutzt würde, da durch Dieselmotoren erheblich größere und schwerere Partikel ausgestoßen werden als durch Ottomotoren. Da jedoch die Filterung des Abgases des Ottomotors 2 überwacht werden soll, ist, wie im Folgenden genauer erläutert werden wird, ein mehrschrittiger Messprozess erforderlich.
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Eine relativ einfache, bauraumsparende und günstige Möglichkeit, eine Partikelbeladung zu messen, sind Partikelmassesensoren, die beispielsweise die Änderung des Gewichts einer Sensoroberfläche durch sich darauf ablagernde Partikel erfassen. Solche Sensoren werden auch in dem Kraftfahrzeug 1 als Partikelsensoren 7, 8 genutzt. Hierbei ist jedoch problematisch, dass die durch den Ottomotor 2 ausgestoßenen Partikel verglichen mit durch Dieselmotoren ausgestoßenen Partikeln erheblich leichter sind, weshalb die relativ geringe Partikelbeladung beim Normalbetrieb des Ottomotors 2 durch die Partikelsensoren 7, 8 nicht erfasst werden kann, da sie im Sensorrauschen bzw. in der Quantisierung der Messdatenerfassung durch die Steuereinrichtung 6 typischerweise untergeht. Die genannten Rausch- und Quantisierungseffekte können beispielsweise so stark sein, dass anhand der Messwerte nicht zwischen einem abgeschalteten Ottomotor 2 und einem im Normalbetrieb arbeitenden Ottomotor 2 unterschieden werden kann. Zumindest ist es jedoch typischerweise nicht möglich, zwischen dem Vorhandensein und dem Nichtvorhandensein des Partikelfilters 5 zu unterscheiden bzw. dessen mangelnde Funktion zu erkennen.
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Um dennoch eine Überwachung der Filterfunktion des Partikelfilters 5 zu ermöglichen, wird durch die Steuereinrichtung 6 jedes Mal, wenn ein jeweiliger Messwert über die Partikelsensoren 7, 8 erfasst werden soll, zunächst wenigstens ein Betriebsparameter des Ottomotors 2 verändert, um die Partikelbeladung des Abgases des Ottomotors 2 zu erhöhen. Bei einem Normalbetrieb des Ottomotors werden die Betriebsparameter so gewählt, dass beispielsweise ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch und ein möglichst geringer Schadstoffausstoß bei einer möglichst hohen Leistung erreicht werden. Während eines Messzeitintervalls wird hingegen gezielt die Partikelbeladung erhöht, selbst wenn dies beispielsweise zu einer geringfügigen Reduktion der Leistung oder zu einer Erhöhung des Verbrauchs führen kann. Da entsprechende Messzeitintervalle relativ kurz gewählt werden können und Messwerte nur in relativ großen Abständen, beispielsweise nur nach einigen Stunden, neu erfasst werden können, wirkt sich dies im Wesentlichen nicht auf den Verbrauch, die Leistung und den Schadstoffausstoß des Fahrzeugs über seine Betriebszeit hinweg aus.
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Eine Möglichkeit, die Partikelbeladung gezielt zu erhöhen, ist es, die Einspritzsteuerung des Ottomotors 2 zu manipulieren. Beispielsweise können Einspritzzeitpunkte und/oder Einspritzdrücke und/oder Einspritzstrategien verändert werden.
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Nach Änderung der Betriebsparameter des Ottomotors 2, vorzugsweise nach einem kurzen Verzögerungsintervall, können durch die Steuereinrichtung 6 über die Partikelsensoren 7, 8 die Messwerte erfasst werden. Anschließend kann die Änderung der Betriebsparameter des Ottomotors rückgängig gemacht werden, um ihn in seinen üblichen Betriebsmodus zurückzuversetzen.
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Aus den so erfassten Messwerten kann beispielsweise eine Filtrationseffizienz des Filters 5 ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen werden. Wird dieser Grenzwert unterschritten, so weist dies darauf hin, dass der Partikelfilter 5 nicht wirksam arbeitet, da er beispielsweise beschädigt ist. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 6 die Einrichtung 9 des Kraftfahrzeugs, in diesem Beispiel eine Warnleuchte, ansteuern, um den Nutzer des Fahrzeugs auf eine Fehlfunktion des Partikelfilters 5 hinzuweisen. Ergänzend oder alternativ kann beispielsweise auch die Steuerung des Ottomotors 2 angepasst werden, um die Partikelbeladung des Abgases gezielt, beispielsweise auf Kosten einer verfügbaren Leistung, zu reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013206451 A1 [0003]
