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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Diagnose eines Betriebszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 10 2005 041 537 B4 ist bereits ein Verfahren zur Diagnose eines Betriebszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Temperatur vor und nach dem Partikelfilter ausgewertet wird. Es kann so erkannt werden, ob im Partikelfilter eine Oxidation von eingelagerten Rußpartikeln erfolgt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Diagnose eines Betriebszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Auswertung der Gradienten eines Temperatursensors vor dem Partikelfilter und eines Temperatursensors nach dem Partikelfilter eine sehr viel schnellere Erkennung von kritischen Betriebszuständen des Partikelfilters erreicht werden kann. Es kann so insbesondere beim Auftreten eines Schubbetriebs sicher ein kritischer Betriebszustand des Partikelfilters erkannt werden. Durch die Auswertung der Gradienten kann insbesondere in bestimmten kritischen Betriebszuständen, beispielsweise bei einem Umschalten der Brennkraftmaschine in einen Schubbetrieb zuverlässig ein kritischer Temperaturanstieg im Partikelfilter erreicht werden. Diese Zustände müssen deutlich unterschieden werden von anderen Variationen des Betriebs der Brennkraftmaschine insbesondere sonstige große Laständerungen oder Drehzahländerungen. Weitere Vorteile und Verbesserungen werden durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche dargestellt. Insbesondere ein Vergleich der Gradienten der Temperatursensoren vor und nach dem Partikelfilter sind besonders gut geeignet, einen kritischen Betriebszustand des Partikelfilters von unkritischen Betriebsänderungen zu unterscheiden. Besonders einfach kann von einem unkritischen Betriebszustand des Partikelfilters ausgegangen werden, wenn der Gradient des Temperatursensors vor und nach dem Partikelfilter das gleiche Vorzeichen aufweist. Ein ebenso unkritischer Betriebszustand des Partikelfilters wird diagnostiziert, wenn der Gradient des Temperatursensors vor dem Partikelfilter mit einem positiven Vorzeichen eine steigende Temperatur und der Gradient des Temperatursensors nach dem Partikelfilter mit einem negativen Vorzeichen eine sinkende Temperatur anzeigt. Betriebszustände, bei denen der Gradient des Temperatursensors vor dem Partikelfilter eine fallende Temperatur und der Gradient des Temperatursensors nach dem Partikelfilter eine steigende Temperatur aufweisen sind potentiell problematisch und müssen daher zusätzlich mit einem Schwellwerten ausgewertet werden. Wenn die Differenz der Gradienten der Temperatursensoren vor und nach dem Partikelfilter unter dem Schwellwert liegen, so kann dieser Betriebszustand als unkritisch erkannt werden. Wenn die Differenz der Gradienten der Temperatursensoren vor und nach dem Partikelfilter über dem Schwellwert liegen, so wird ein kritischer Betriebszustand diagnostiziert. In diesem Fall müssen dann Maßnahmen ergriffen werden, um einen Sauerstoffeintrag in den Partikelfilter zu verringern. Durch diese Maßnahmen kann so ein zuverlässiger Schutz des Partikelfilters vor kritischen Betriebszuständen erreicht werden. Unkritische Betriebszustände, die mit einem Schubbetrieb verbunden sind und in dem dann zumindest teilweise eine Regeneration des Partikelfilters durch Oxidation von im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikeln erfolgt, können aber zugelassen werden, da das erfindungsgemäße Verfahren zielsicher kritische und unkritische Betriebszustände erkennen kann. Es kann somit insbesondere ein Schubbetrieb der Brennkraftmaschine zugelassen werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird und gleichzeitig zumindest eine Teilregeneration des Partikelfilters ohne weitere Maßnahmen erreicht wird. Beide Ergebnisse sind für den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter vorteilhaft, da die Betriebskosten gesenkt werden und der Partikelfilter ohne weitere Eingriffe automatisch regeneriert d.h. gereinigt wird.
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Figurenliste
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- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine und einen Partikelfilter.
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Beschreibung
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In der 1 wird eine Brennkraftmaschine 2 und ein Partikelfilter 1 gezeigt. Die Abgase der Brennkraftmaschine 2 werden durch ein Abgasrohr 5 durch den Partikelfilter 1 zum weiteren Abgasrohr 6 geleitet und von dort in Umwelt abgegeben. Wenn bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor 2 Rußpartikel entstehen, so werden sie vom Partikelfilter 1 aus dem Abgasstrom herausgefiltert, so dass durch das weitere Abgasrohr 6 im Wesentlichen keine Partikel an die Umwelt abgegeben werden. Bei der Brennkraftmaschine 2 handelt es sich um eine übliche Brennkraftmaschine wie beispielsweise einen Otto-Motor. Die Details dieser Brennkraftmaschine 2 sind für das Verständnis daraufhin nicht von Bedeutung und daher in der 1 nicht dargestellt.
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Die Abgasvorrichtung wird hier einfach als Abgasrohr 5, Partikelfilter 1 und weiteres Abgasrohr 6 dargestellt. Reale Systeme weisen neben derartigen Abgasrohren 5, 6 und einem Partikelfilter 1 noch weitere Reinigungsvorrichtungen, wie beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator, einen NOx-Speicherkatalysator oder einen weiteren Katalysator zur NOx-Entfernung durch Einspritzung von Harnstoff auf. Da sich die Erfindung nur mit dem Partikelfilter befasst, sind diese weiteren Bestandteile des Abgassystems in der 1 nicht dargestellt.
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Durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 2 entstehen Partikel, die im Wesentlichen aus Ruß bestehen. Diese Partikel werden durch den Partikelfilter 1 herausgefiltert und sammeln sich somit im Partikelfilter 1 an. Mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine 2 bzw. mit zunehmender Dauer der Hindurchleitung von Abgasen durch den Partikelfilter 1 können dabei erhebliche Mengen an Ruß in den Partikelfilter 1 verbleiben. Diese Rußpartikel müssen von Zeit zu Zeit aus dem Partikelfilter 1 entfernt werden, da sonst durch eine zu große Menge an zurückgehaltenen Rußpartikeln der Partikelfilter 1 verstopfen würde. Bei der Verwendung eines Partikelfilters 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 wird daher die Brennkraftmaschine von Zeit zu Zeit so betrieben, dass die im Partikelfilter 1 enthaltenen Rußpartikeln oxidiert, d.h. verbrannt werden. Dazu ist es erforderlich, dass das Abgas, welches den Partikelfilter 1 durchströmt, Sauerstoff enthält, der mit den Rußpartikeln im Partikelfilter 1 reagieren kann. Weiterhin muss dazu die Betriebstemperatur im Partikelfilter 1 ausreichend sein, da nur so eine ausreichende Oxidierung bzw. ein Verbrennen der gespeicherten Rußpartikel erfolgt. Derartige Betriebszustände der Brennkraftmaschine 2 bzw. des Partikelfilters 1 können von Zeit zu Zeit mit der Absicht herbeigeführt werden, eine Reinigung des Partikelfilters 1 durch zu führen.
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Weiterhin können bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 2 mit unterschiedlichen Betriebszuständen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug ohnehin Betriebszustände auftreten, die ein Verbrennen der Rußpartikel im Partikelfilter 1 auslösen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Partikelfilter 1 aufgrund der durchströmenden Abgase ausreichend aufgeheizt ist und dann ein Betriebszustand erfolgt, bei dem nur wenig oder kein Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 1 eingespritzt wird. Dieser Betriebszustand liegt insbesondere vor bei der sogenannten Schubabschaltung, bei der kein Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 2 eingespritzt wird und der Motor durch ein weiterrollendes Fahrzeug weiterdreht. In diesem Betriebszustand befördert die Brennkraftmaschine 2 erhebliche Mengen an Sauerstoff in das Abgas, wodurch, eine ausreichend hohe Temperatur im Partikelfilter 1 vorausgesetzt, eine Oxidation der Rußpartikel im Partikelfilter 1 erfolgt. Eine derartige Oxidation der Rußpartikel im Partikelfilter 1 ist eine exotherme Reaktion, d.h. eine zusätzliche Wärme im Partikelfilter 1 erzeugt. Bei hohen Temperaturen und einem großen Sauerstoffangebot kann diese exotherme Reaktion sehr stürmisch verlaufen und es können so hohe Temperaturen auftreten, die zu einer Schädigung des Partikelfilters 1 und/oder seiner Beschichtung führen können. Es ist daher erforderlich, genau zu beurteilen, wie die exotherme Reaktion der Rußpartikel mit dem Sauerstoff erfolgt, um eine Überhitzung des Partikelfilters 1 zu vermeiden. Da die Oxidation sehr schnell erfolgen kann, müssen gegebenenfalls sehr schnell Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um eine Beschädigung des Partikelfilters 1 durch die exotherme Reaktion zu vermeiden.
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Wie in der 1 dargestellt wird, werden im Abgasrohr 5, d.h. vor dem Partikelfilter 1, ein Temperatursensor 3 und im Abgasrohr 6, d.h. nach dem Partikelfilter 1, ein Temperatursensor 4 angeordnet. Diese Temperatursensoren 3, 4 sind über entsprechende Datenleitungen 7 mit einem Steuergerät 8 verbunden, welches die Signale der Temperatursensoren 3 und 4 auswertet. Durch Auswertung der Signale der Temperatursensoren 3, 4 kann so eine Beurteilung der im Partikelfilter 1 erfolgenden exothermen Oxidation der Rußpartikel erfolgen.
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Zur Auswertung der Temperatursensoren 3, 4 hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn insbesondere die zeitlichen Änderungen, d.h. die Gradienten der Temperatursignale ausgewertet werden. Durch die Auswertung der Gradienten kann eine besonders schnelle Beurteilung erfolgen, ob ein kritischer Betriebszustand des Partikelfilters 1 vorliegt oder nicht. Es kann so sehr schnell aus eventuelle kritische Betriebszustände des Partikelfilters 1 reagiert werden. Aufgrund dieser sehr schnellen Erkennung von kritischen Betriebszuständen ist es möglich, einen Schubbetrieb, d.h. einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zuzulassen, ohne dass dabei die Gefahr eine Überhitzung des Partikelfilters 1 besteht. Es können so ohnehin beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 auftretende Betriebsphasen, die zu einer Oxidation der Partikel im Partikelfilter 1 führt, genutzt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Partikelfilter 1 geschädigt wird. Es können somit auch die Betriebsphasen verringert werden, in denen durch einen besonderen Betrieb der Brennkraftmaschine ein Regenerationsbetrieb erfolgt.
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Zur Auswertung der Signale der Temperatursensoren 3, 4 wird insbesondere die zeitliche Änderung, d.h. der Gradient dieser Temperatursignale berücksichtigt. Besonders einfach sind Betriebszustände, bei denen der Gradient des Temperatursensors 3 und der Gradient des Temperatursensors 4 das gleiche Vorzeichen aufweisen. Dies bedeutet, dass sowohl die Temperatur vor dem Partikelfilter 1 wie auch die Temperatur des Abgases nach dem Partikelfilter 1 gleichzeitig steigen (beide Gradienten haben ein positives Vorzeichen) oder beide gleichzeitig sinken (Gradienten haben ein negatives Vorzeichen). Dabei handelt es sich typischerweise um Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 2, in denen die Belastung der Brennkraftmaschine kontinuierlich zunimmt, bzw. kontinuierlich abnimmt.
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Wenn der Gradient des Temperatursensors 3 vor dem Partikelfilter 1 ein positives Vorzeichen aufweist, und der Gradient des Temperatursensors ein negatives Vorzeichen aufweist, so liegt ebenfalls ein unkritischer Betriebszustand vor. Ein derartiger Betrieb zeigt an, dass die Belastung der Brennkraftmaschine 2 steigt, und die Steigerung so schnell ist, dass die Temperaturen nach dem Partikelfilter 1 aufgrund eines Zeitversatzes bei der Hindurchleitung der Abgase durch den Partikelfilter 1 bzw. durch einen gewissen Wärmeverlust im Partikelfilter 1 temperaturmäßig zurückbleibt. Offensichtlich erfolgt in diesem Betrieb dann keine exotherme Reaktion im Partikelfilter 1, so dass dieser Betriebszustand ebenfalls unkritisch ist.
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Ein erhöhter Aufwand ist erforderlich, wenn der Gradient des Temperatursensors 3 vor dem Partikelfilter 1 ein negatives Vorzeichen (d.h. sinkende Temperaturen) aufweist, und der Gradient des Temperatursensors 4 nach dem Partikelfilter 1 ein positives Vorzeichen (d.h. steigende Temperaturen) aufweist. In diesem Fall müssen zusätzliche Betrachtungen erfolgen, um zu unterscheiden, ob es sich hier um einen einfachen Lastwechsel der Brennkraftmaschine 2 in Richtung einer sich verringernden Last handelt oder ob eine exotherme Reaktion im Partikelfilter 1 durch das Verbrennen von Rußpartikeln im Partikelfilter 1 erfolgt. Wenn dann ein Verbrennen von Rußpartikeln im Partikelfilter 1 erkannt wird, muss zusätzlich noch beurteilt werden, ob dieser Verbrennungsprozess ausreichend langsam und kontrolliert genug erfolgt, um eine Überhitzung des Partikelfilters 1 auszuschlie-ßen. Bei dieser Konstellation bei der der Gradient des Temperatursensors 3 negativ und Gradient des Temperatursensors 4 positiv ist, müssen daher zusätzliche Betrachtungen hinsichtlich mindestens eines Schwellwerts für die Höhe und Differenz dieser Gradienten betrachtet wird. Besonders vorteilhaft ist hier eine Auswertung der Differenz des Gradienten des Temperatursensors 4, verringert um den Gradienten des Temperatursensors 3.
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Wenn die Differenz dieser beiden Gradienten unter einer Schwelle bleibt und zusätzlich dieser Zustand, d.h. diese Kombination der Vorzeichen der Gradienten der Temperatursensoren 3, 4 für weniger als eine vorgegebene Zeitdauer auftritt, so handelt es sich um einen normalen unkritischen Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine 2. Es ist dann davon auszugehen, dass im Partikelfilter 1 keine exotherme Reaktion erfolgt ist.
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Wenn dieser Betriebszustand, d.h. Gradient des Temperatursensors 3 ist negativ, Gradient des Temperatursensors 4 ist positiv, und Differenz der Gradienten unterhalb eines Schwellwertes für einen längeren Zeitraum auftritt als der vorgegebene Zeitraum, so ist dies ein Hinweis auf eine schwache exotherme Reaktion in dem Partikelfilter, die nicht als kritisch beurteilt wird, und daher unproblematisch ist. Es handelt sich bei diesem Betrieb dann um einen ausreichend langsamen Verbrennungsprozess der Rußpartikel im Partikelfilter 1, d.h. um eine Regeneration des Partikelfilters 1, die aufgrund von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 2 während des laufenden Betriebs auftritt.
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Ein kritischer Zustand des Partikelfilters 1 wird erkannt, wenn der Gradient des Temperatursensors 3 negativ ist, gleichzeitig der Gradient des Temperatursensors 4 positiv ist und wenn die Differenz dieser beiden Werte einen Schwellwert überschreitet. Es handelt sich dann um eine stark exotherme Reaktion, die sofortige Maßnahmen zur Reduzierung oder zum Stopp der exothermen Reaktion erfordert. Eine entsprechende Reduzierung oder ein Stopp der exothermen Reaktion kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Angebot an Sauerstoff im Abgas reduziert wird. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts kann beispielsweise darin bestehen, dass eine Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder erfolgt, obwohl die Anforderungen an die Brennkraftmaschine eigentlich eine Schubabschaltung ermöglichen.
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Neben den hier beschriebenen Maßnahmen können natürlich weitere Maßnahmen zur Überwachung des Partikelfilters 1 erfolgen. Wenn aufgrund eines Modells oder Messungen bekannt ist, dass eine sehr große Rußmenge im Partikelfilter 1 eingelagert ist, so sollte generell ein Schubbetrieb zumindest nicht im vollen Umfang zugelassen werden. Eine derartige Unterdrückung des Schubbetriebs ist eine zusätzliche Maßnahme, die unabhängig von der Auswertung der Temperatursensoren 3, 4 ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005041537 B4 [0002]
