DE102017223194A1

DE102017223194A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102017223194A1
Application number: DE102017223194.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumann; Yunjie Lian
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: DE102017223194B4; CN109931137B; CN109931137A

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters (1) in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit Mitteln die aus einer Messung der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter einen Messwert bilden. Weiterhin wird aus einem Modell der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter aufgrund eines Modells gebildet und aus dem Messwert und dem Modellwert eine Kreuzkorrelation gebildet. Die Mittel leiten aus der Kreuzkorrelation ein Zustand des Partikelfilters hinsichtlich eine Aschebeladung und hinsichtlich einer Rußbeladung ab.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine haben demgegenüber den Vorteil, dass eine besonders zuverlässige Auswertung der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter erfolgt. Durch die gebildete Kreuzkorrelation kann insbesondere genau ermittelt werden, inwieweit der Partikelfilter durch eine Aschebeladung bzw. Rußbeladung gefüllt ist. Es lässt sich so ermitteln, wann eine Regeneration, d.h. ein Verbrennen der Rußbeladung erfolgen sollte bzw. wann ein Partikelfilter aufgrund einer Aschebeladung ausgetauscht werden soll oder bei einer geringeren Aschebeladung dieser Effekt durch innermotorische Maßnahmen kompensiert werden soll. Es kann so sowohl die Steuerung der Regeneration wie auch des Betriebs der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Weiter Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach kann die Aschebeladung und Rußbeladung durch eine zeitliche Filterung der Kreuzkorrelation ermittelt werden. Dabei sind die entsprechenden Zeitkonstanten an die Zeitdauer anzupassen mit der eine spürbare Aschebeladung bzw. Rußbeladung des Partikelfilters erfolgt. Dazu sollte die zeitliche Filterung zur Ermittlung der Aschebeladung mit einer mindestens fünf Mal längeren Zeitkonstante erfolgen, als die zeitliche Filterung zur Ermittlung der Rußbeladung. Durch die so ermittelte Rußbeladung kann zielsicher ein geeigneter Zeitpunkt für eine Regeneration des Partikelfilters, durch die die Rußpartikel in gasförmige Verbrennungsprodukte umgewandelt werden, ausgewählt werden. Weiterhin kann eine teilweise Aschebeladung des Partikelfilters durch innermotorische Maßnahmen, die den erhöhten Gegendruck durch den mit Asche beladenen Partikelfilter berücksichtigen, entsprechend kompensiert werden. Es wird so die Ansteuerung der Brennkraftmaschine, deren Abgase durch den Partikelfilter strömen, verbessert. In Abhängigkeit von einer ermittelten Aschebeladung kann dabei auch ein Austausch des Partikelfilters veranlasst werden, da durch das erfindungsgemäße Verfahren zuverlässig eine Grenze erkannt werden, bei der ein derartige Austausch notwendig ist. Es kann alternativ entweder eine Kreuzkorrelation des Differenzdruckes oder aber trotz Korrelation des Gradienten des Differenzdruckes ermittelt werden. Beide Verfahren eignen sich für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Bei einem eher statischen Betrieb ist die Kreuzkorrelation des Differenzdruckes und bei einem eher dynamischen Betrieb die Auswertung des Gradienten des Differenzdruckes vorteilhaft. Für den Modellwert der Kreuzkorrelation eignet sich vorzugsweise ein Strömungswiderstand multipliziert mit dem Volumenstrom des Abgases oder ein Strömungswiderstand multipliziert mit dem Gradienten des Volumenstromes. Zur Verbesserung der Modellgenauigkeit können auch weitere Koeffizienten für den Strömungswiderstand multipliziert mit dem Quadrat des Volumenstromes oder dem Quadrat des Gradienten des Volumenstromes verwendet werden. Durch die Verwendung der quadratischen Bestandteile wird die Modellgenauigkeit verbessert.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Abgassystem mit einem Partikelfilter, Endschalldämpfer und einem Differenzdrucksensor und
2 den zeitlichen Verlauf einer Kreuzkorrelation, die zur Diagnose verwendet wird.

Beschreibung der Erfindung
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. Bei modernen Brennkraftmaschinen erfolgt die Verbrennung in der Regel mit einem Kraftstoff-Luft Gemisch bei dem das Auftreten von Rußpartikel nicht immer verhindert werden kann. Durch das Durchströmen durch den Partikelfilter 1 werden im Abgas enthaltene Rußpartikel 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.
Um zu erkennen, wie viele Rußpartikel 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 1 im Abgasstrom kann beurteilt werden, wie viele Rußpartikel bereits in dem Partikelfilter 1 enthalten sind, da die in dem Partikelfilter 1 enthaltenen Rußpartikel, 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 Rußpartikel ist. Eine direkte Messung der Beladung des Partikelfilters ist teilweise schwierig da beispielsweise bei Benzinmotoren die Druckdifferenz nur gering ist und aufgrund der sich kontinuierlich wechselnden Betriebsbedingungen die kleinen Druckdifferenzen nur schwer messen lassen. Der Druckunterschied wird daher mit sensibleren Methoden die weiter unten beschrieben werden ausgewertet. Der Differenzdrucksensor 2 ist zur Messung der Druckdifferenz 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 der Auswertung der Signale des Differenzdrucksensors 2 festgestellt wird, dass der Partikelfilter 1 eine große Menge an Rußpartikeln enthält, so kann abhängig von weiteren Randbedingungen ein Regenerationsprozess eingeleitet werden, bei dem die in dem Partikelfilter 1 enthaltene Rußpartikel durch eine Oxidation verbrannt werden, d.h. in gasförmiger Produkte überführt werden. Um diese Regeneration d.h. das Verbrennen der im Partikelfilter 1 enthaltenen Rußpartikeln 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.
Es hat sich nun herausgestellt, dass nicht alle im Partikelfilter festgehaltenen Rußpartikel vollständig verbrannt werden können, sondern es bleibt bei jeder Regeneration ein kleiner Rest an nicht flüchtigen Bestandteilen der Rußpartikel die nicht in ein Gas umgewandelt werden können. Diese Asche stellt aber nur einen Bruchteil der Rußpartikel dar und führt nur über einen langen Betriebszeitraum zu einer Beladung des Partikelfilters mit Asche.
Zur Diagnose des Partikelfilters 1 und Feststellung der Beladung wird vorgeschlagen, das gemessene Signal des Differenzdrucksensors und modulierte Signale von Drücken 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 nur wenig wenn das Modell einen Druckverlust im Partikelfilter vorsieht. 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 Partikelfilters 1 bzw. eine Erkennung der Beladung des Partikelfilters 1 durch zu führen.
Für die Diagnose des Partikelfilters 1 wird dazu zunächst ein Kreuzkorrelationskoeffizient 1 (KKF1) gebildet, der sich wie folgt errechnet: $KKF1 \sim \sum_{20 sec} (Δ p_{Filter,measure} * Δ p_{Filter,model}) / {\sum_{20 sec} (Δ p_{Filter,model})}^{2}$
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 Δp_{Filter,measure} handelt es sich dem gemessenen Wert des Differenzdrucks, d.h. das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors. Bei dem Wert Δp_Filter,model handelt es sich um einen modellierten Wert für den Druckabfall über den Partikelfilter. Der Wert für Δp_Filter,model ergibt sich im Wesentlichen aus einem Strömungswiderstand R1 und dem Abgasvolumenstrom dVol in einer linearen Beziehung: Δp_Filter,model = R1 x dVol. Für eine höhere Modellgenauigkeit kann aber auch zusätzlich noch ein quadratischer Anteil mit einem zweiten Strömungswiderstand R2 berücksichtigt werden, wodurch die Verdichtung und Expansion der Abgase berücksichtigt werden. Es ergibt sich dann eine Abhängigkeit in der Form Δp_Filter,model = R1 × dVol + R2 × (dVol)². Die Werte für R1 und R2 werden 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. Als weitere Möglichkeit können die Werte für R1 und R2 auch von anderen Betriebsparametern abhängen. R1 kann sich aus einem Referenzwert R1(T0) bei einer Referenztemperatur TO multipliziert mit einem Korrekturfaktor ergeben, welcher aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Abgastemperatur abgelesen werden kann. R2 kann sich aus einem Referenzwert R2(T0) bei einem Referenztemperatur TO multipliziert mit einem Korrekturfaktorergeben, wobei der Korrekturfaktor sich aus der Abgasdichte bei der aktuellen Abgastemperatur ergibt.
Alternativ kann auch der zeitliche Gradient des gemessenen Differenzdrucks δΔp_{Filter,measure} und der zeitliche Gradient des modellierten Differenzdruck δΔp_Filter,model verwendet werden. Daraus ergibt sich ein weiterer Kreuzkorrelationskoeffizient KKF2 mit der Formel: $KKF2 \sim \sum_{20 sec} (δΔ p_{Filter,measure} * δΔ p_{Filter,model}) / {\sum_{20 sec} (δΔ p_{Filter,model})}^{2}$
Durch den ersten KKF1 wird 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. Durch den zweiten KKF2 wird gemessen, inwieweit der zeitliche Gradient des am Differenzdrucksensor 2 gemessenen Differenzdruck über dem Partikelfilter 1 mit einem aus einem Modell berechneten zeitlichen Gradient des Differenzdrucks über den Partikelfilter 1 übereinstimmt.
Es hat sich herausgestellt, dass sowohl KKF1 wie auch KKF2 mit steigender Beladung mit Rußpartikeln oder Asche ansteigen. Der Wert für KKF1 oder KKF2 steigt jeweils mit steigender Menge an Ruß oder Asche im Partikelfilter. Die verschiedenen Modelle gehen alle von einem ersten Strömungswiderstand R1 und einem zweiten Strömungswiderstad R2 aus, die dann jeweils linear vom Volumenstrom bzw. dem Volumenstromquadrat des durch den Partikelfilter fließenden Abgasstromes abhängen. Da mit steigender Beladung durch die Asche oder den Ruß der Strömungswiderstand des gemessenen Signals zunimmt, steigen die bestimmten normierten Kreuzkorrelationsfaktoren KKF mit steigender Beladung an. Dies bedeutet je stärker die Beladung ist, umso höher wird der durch die angegebenen Formeln bestimmte Wert für KKF1 und KKF2.
In der 2 wird nun der Wert für KKF1 oder KKF2 (der Einfachheit dargestellt als Wert KKF) gegenüber einer Betriebszeit der Brennkraftmaschine dargestellt. Wie zu erkennen ist, geht der Wert von KKF von einem Grundwert aus und steigt dann mit laufender Betriebszeit der Brennkraftmaschine kontinuierlich leicht an. Weiterhin gibt es noch eine weitere Komponente die sich in der Form eines Sägezahnes zu dieser Grundkomponente hinzuaddiert. Dieser sägezahnhafte Anteil, d. h. der Anteil der mit größerer Steigung zunimmt und dann schlagartig wieder zurückspringt, entsteht durch die Rußbeladung des Partikelfilters und das Zurückspringen wird durch die Regeneration, d. h. die Überführung des Rußes in ein gasförmiges Abgas realisiert. Dabei zeigt es sich jedoch, dass bei jedem Regenerationsprozess ein kleiner Restbestandteil im Partikelfilter verbleibt, der nicht in einen gasförmigen Zustand überführt werden kann. Diese Asche akkumuliert sich langsam über der Zeit im Partikelfilter und führt auf sehr lange Laufdauer betrachtet zu einem Verstopfen des Partikelfilters.
Es ist nun möglich, diese beiden Bestandteile durch eine zeitliche Filterung voneinander zu trennen und so zu einer getrennten Aussage hinsichtlich der Rußbeladung und der Aschebeladung des Partikelfilters kommen. Dies erfolgt einfach durch eine zeitliche Filterung, wobei die Zeitkonstante der Filterung hinsichtlich der Aschebeladung deutlich länger ist als die zeitliche Filterung zur Ermittlung der Rußbeladung. Bewährt hat sich dabei, wenn die Zeitkonstante für die Ermittlung der Aschbeladung fünf Mal langsamer oder länger ist als die Zeitkonstante zur Ermittlung der Rußbeladung. Da nur eine gesamte Beladung messbar ist, müssen diese beiden Anteile, d. h. die Rußbeladung und die Aschebeladung rechnerisch voneinander getrennt werden. Dazu erfolgt durch eine Langzeitmittelwertbildung eine Ermittlung der Aschebeladung, die dann von der jeweils gemessenen Gesamtbeladung abgezogen wird. Diese Differenz ergibt dann die aktuelle Rußbeladung und kann als Wert zur Auslösung eines Regenerationsbetriebes verwendet werden.
Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine kann insbesondere der durch die Aschebeladung verursachte Gegendruck durch den Partikelfilter berücksichtigt werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung kann der Einfluss des zunehmenden Zylinderdruckes auf die Zylinderfüllung des Motors kompensiert werden. Im Extremfall, d. h. wenn das Fahrzeug über einen sehr langen Zeitraum betrieben wurde, oder aber durch andere Ereignisse, beispielsweise die Verwendung von verschmutzten Betriebsstoffen, eine vorzeitige übermäßige Aschebeladung des Partikelfilters erreicht werden, so kann der Betreiber der Brennkraftmaschine aufgefordert werden, den Partikelfilter der übermäßig mit Asche verstopft ist, auszutauschen. Es kann so sichergestellt werden, dass immer eine optimale Reinigung des Abgases erfolgt.
In der 2 ist der Kreuzkorrelationsfaktor KKF gegenüber der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine aufgetragen. Dies kann beispielweise, wenn die Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug verbaut ist, die Kilometerleistung des Fahrzeugs sein. Alternativ kann aber auch einfach eine Betriebszeit oder eine Anzahl von Umdrehungen der Brennkraftmaschine aufgetragen sein. Weiterhin wird in der 2 ein Diagramm für einen sehr gleichmäßigen Betrieb der Brennkraftmaschine gezeigt. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen hängt jedoch die aktuelle Rußbildung und damit der Zuwachs an Rußbeladung verstärkt von den Betriebsparametern des Fahrzeugs ab. Es kann daher deutliche Schwankungen hinsichtlich der Rußbeladung aufgetragen gegen die Betriebszeit der Brennkraftmaschine erfolgen.
Weiterhin wurde beschrieben, dass die Bestimmung des Differenzdruckes durch einen Differenzdrucksensor erfolgt. Alternativ können aber auch Absolutdruckmessungen vor und nach dem Partikelfilter unter Vergleich der beiden, oder aber auch nur die Messung eines Drucks vor oder nach dem Partikelfilter und eine Modellierung des jeweils anderen Drucks erfolgen. Wesentlich ist nur, dass der Differenzdruck vor und nach dem Partikelfilter bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014209840 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters (1) in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine wobei aus einer Messung der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter ein Messwert gebildet wird, dass aus einem Modell der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter eine Modellwert gebildet wird, das aus dem Messwert und dem Modellwert eine Kreuzkorrelation gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Kreuzkorrelation ein Zustand des Partikelfilters hinsichtlich eine Aschebeladung und hinsichtlich einer Rußbeladung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aschebeladung und die Rußbeladung durch zeitliche Filterung der Kreuzkorrelation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Filterung zur Ermittlung der Aschebeladung mit einer mindestens 5 mal längeren Zeitkonstante erfolgt als die zeitliche Filterung zur Ermittlung der Rußbeladung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Rußbeladung eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Aschebeladung die Ansteuerung der Brennkraftmaschine verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Aschebeladung ein Austausch des Partikelfilters (1) veranlasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert dem Differenzdruck vor und nach dem Partikelfilter oder dem Gradienten des Differenzdrucks vor und nach dem Partikelfilter entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellwert aus einem Strömungswiderstand multipliziert mit einem Volumenstrom oder aus einem Strömungswiderstand multipliziert mit dem Gradienten des Volumenstromes durch den Partikelfilter gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Modellwert zusätzlich noch aus einem weiteren Strömungswiderstand multipliziert mit dem Quadrat des Volumenstroms oder aus einem weiteren Strömungswiderstand multipliziert mit dem Quadrat des Gradienten des Volumenstromes gebildet wird.
Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters (1) in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit Mitteln die aus einer Messung der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter einen Messwert bilden, und aus einem Modell der Druckdifferenz vor und nach dem Partikelfilter einen Modellwert bilden, und das die Mittel aus dem Messwert und dem Modellwert eine Kreuzkorrelation bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel aus der Kreuzkorrelation ein Zustand des Partikelfilters hinsichtlich eine Aschebeladung und hinsichtlich einer Rußbeladung ableiten.