DE102020002623A1

DE102020002623A1 - Method for simultaneous temperature and condition monitoring of an exhaust gas aftertreatment element

Info

Publication number: DE102020002623A1
Application number: DE102020002623.0A
Authority: DE
Inventors: Gunter Hagen; Vladimir Malashchuk; Ralf Moos; Carsten Steiner; Stefanie Walter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2021-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Abgasnachbehandlungselements für ein Kraftfahrzeug, umfassend:- Aussenden von elektromagnetischen Wellen in ein Gehäuse des Abgasnachbehandlungselements und in mindestens ein angeschlossenes Abgasrohr,- Empfangen von elektromagnetischen Wellen in Antwort auf das Aussenden,- Ermittlung mehrerer Sensorsignale aus Parametern in unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereichen der elektromagnetischen Wellen,- Ermitteln der Temperatur des Abgasnachbehandlungselements sowie der dielektrischen Eigenschaften des Abgasnachbehandlungselements durch kombinierte Betrachtung der ermittelten Sensorsignale,- Ermitteln des Zustands des Abgasnachbehandlungselements in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur und der Eigenschaft des Abgasnachbehandlungselements.The invention relates to a method for determining a state of an exhaust gas aftertreatment element for a motor vehicle, comprising: emitting electromagnetic waves into a housing of the exhaust gas aftertreatment element and in at least one connected exhaust pipe, receiving electromagnetic waves in response to the emission, determining several sensor signals from parameters in different frequencies or frequency ranges of the electromagnetic waves, - determining the temperature of the exhaust gas aftertreatment element and the dielectric properties of the exhaust gas aftertreatment element through a combined consideration of the determined sensor signals, - determining the state of the exhaust gas aftertreatment element depending on the determined temperature and the property of the exhaust gas aftertreatment element.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur simultanen Temperatur- und Zustandsüberwachung eines Abgasnachbehandlungselements mit Hilfe eines hochfrequenzbasierten Messsystems. Die Anmeldung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, ein entsprechendes Verfahren auszuführen.The application relates to a method for simultaneous temperature and condition monitoring of an exhaust gas aftertreatment element with the aid of a high-frequency-based measurement system. The application also relates to a device which is designed to carry out a corresponding method.

Technischer HintergrundTechnical background

Damit Kraftfahrzeuge die gesetzlich vorgegebenen Emissionsgrenzwerte einhalten, sind je nach Art des Verbrennungsmotors (Otto, Diesel, Erdgas) unterschiedliche Systeme für die Abgasnachbehandlung erforderlich. Während bei Dieselmotoren beispielsweise Stickoxidspeicher-Katalysatoren (LNT - Lean NO_x Trap), Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) und SCR-Katalysatoren (SCR - Selective Catalytic Reduction) eingesetzt werden, finden sich bei Ottomotoren Komponenten wie der Dreiwegekatalysator. Elemente zur Reduktion der Partikelemissionen in Form von Diesel- und Benzinpartikelfiltern sind ebenfalls fester Bestandteil der Abgasnachbehandlung beider Motorentypen. Und auch kombinierte Ausführungen wie katalytisch beschichtete Filter finden Anwendung.In order for motor vehicles to comply with the legally prescribed emission limit values, different systems for exhaust gas aftertreatment are required depending on the type of combustion engine (gasoline, diesel, natural gas). While nitrogen oxide storage catalysts (LNT - Lean NO _x Trap), diesel oxidation catalysts (DOC) and SCR catalysts (SCR - Selective Catalytic Reduction) are used in diesel engines, components such as the three-way catalyst can be found in gasoline engines. Elements for reducing particulate emissions in the form of diesel and gasoline particulate filters are also an integral part of the exhaust aftertreatment of both types of engine. Combined designs such as catalytically coated filters are also used.

Für die entsprechende Konversion der Rohemissionen im Motorabgas sind auf Filter und Katalysatoren abgestimmte die Betriebsweisen notwendig. Um eine optimale Umsetzung von Schadstoffen im Abgas zu gewährleisten, sind Regelgrößen typischerweise die Beladungs- und Speicherzustände der einzelnen Abgasnachbehandlungselemente. Die Bestimmung des genauen Beladungsgrad ist somit essentiell für eine gut funktionierende Abgasnachbehandlung. Allerdings ist dies in der Praxis nicht trivial.For the corresponding conversion of the raw emissions in the engine exhaust, the operating modes are necessary that are matched to filters and catalytic converters. In order to ensure an optimal conversion of pollutants in the exhaust gas, control variables are typically the loading and storage states of the individual exhaust gas aftertreatment elements. The determination of the exact degree of loading is therefore essential for a well-functioning exhaust gas aftertreatment. However, this is not trivial in practice.

Bei Kraftfahrzeugen werden die Speicherzustände häufig mit Hilfe eines mathematischen Katalysator- oder Filtermodells bestimmt, das die Betriebshistorie des Motors und die entsprechenden Signale der vorhandenen Abgassensorik berücksichtigt. Die Sensoren im Abgas messen die Konzentration einer Abgaskomponente und werden in diesem Zusammenhang zur Bestimmung eines Differenzzustands zwischen den Abgasen vor und nach dem Abgasnachbehandlungselement eingesetzt, wodurch der Zustand über ein integratives Verfahren im Modell abgeschätzt werden kann. Als Beispiele seien der SCR-Katalysator genannt, dessen Ammoniak-Speicherlevel aus der Signaldifferenz zweier NOx-Sensoren ermittelt wird, sowie der Dieselpartikelfilter, bei dem Differenzdrucksensoren eingesetzt werden.In motor vehicles, the storage states are often determined with the aid of a mathematical catalytic converter or filter model that takes into account the operating history of the engine and the corresponding signals from the existing exhaust gas sensors. The sensors in the exhaust gas measure the concentration of an exhaust gas component and are used in this context to determine a differential state between the exhaust gases before and after the exhaust gas aftertreatment element, whereby the state can be estimated using an integrative method in the model. Examples are the SCR catalytic converter, the ammonia storage level of which is determined from the signal difference between two NOx sensors, and the diesel particulate filter, in which differential pressure sensors are used.

Die indirekte Bestimmung des Speicherzustands über Modelle und entsprechende Sensoren ist vergleichsweise aufwändig. Auch kann es abhängig von der Dynamik und Historie des Motorbetriebs leicht zu Abweichungen zwischen dem errechneten und dem tatsächlich vorliegenden Speicherzustand des Abgasnachbehandlungselements kommen. Dieser Umstand beeinträchtigt die im Katalysator erzielbaren Konversionsraten und erhöht die Schadstoffemissionen. Als eine alternative Methode den Zustand einer Abgasnachbehandlungskomponente direkt zu bestimmen, kann ein hochfrequenzbasiertes Messsystem eingesetzt werden. Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit, den Speicherzustand eines Abgasnachbehandlungselements in situ und kontaktlos zu bestimmen. Das Grundprinzip dieses Messsystems basiert auf den, vom Speicherzustand abhängigen, dielektrischen Eigenschaften des Abgasnachbehandlungselements und der hiervon beeinflussten Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Abgasstrang. Da allerdings die dielektrischen Eigenschaften des Abgasnachbehandlungselements zusätzlich noch temperaturabhängig sind und sich durch die temperaturbedingte Ausdehnung des metallischen Abgasstrangs auch der Ausbreitungsraum der elektromagnetischen Wellen ändert, ist für eine präzise Regelung mit Hilfe des Hochfrequenzsystems die Kenntnis der Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente notwendig. Bisherige Hochfrequenzanordnungen wurden dafür mit zusätzlichen Temperatursensoren kombiniert. Die hier gezeigte Lösung nutzt einen neuen Ansatz, um die Temperatur des Abgasstrangs über ein bestehendes hochfrequenzbasiertes Messsystem zu ermitteln.The indirect determination of the storage status using models and corresponding sensors is comparatively complex. Also, depending on the dynamics and history of engine operation, there can easily be deviations between the calculated and the actually present storage state of the exhaust gas aftertreatment element. This fact impairs the conversion rates that can be achieved in the catalytic converter and increases pollutant emissions. A high-frequency-based measurement system can be used as an alternative method of directly determining the condition of an exhaust gas aftertreatment component. This method offers the possibility of determining the storage status of an exhaust gas aftertreatment element in situ and without contact. The basic principle of this measuring system is based on the dielectric properties of the exhaust gas aftertreatment element, which are dependent on the storage status, and the propagation of electromagnetic waves in the exhaust system that is influenced by this. However, since the dielectric properties of the exhaust aftertreatment element are also temperature-dependent and the temperature-related expansion of the metallic exhaust system also changes the propagation space of the electromagnetic waves, knowledge of the temperature of the exhaust aftertreatment component is necessary for precise control with the aid of the high-frequency system. For this purpose, previous high-frequency arrangements were combined with additional temperature sensors. The solution shown here uses a new approach to determine the temperature of the exhaust system using an existing high-frequency-based measurement system.

Stand der Technik bzgl. der hochfrequenten Zustandsüberwachung von AbgasnachbehandlungselementsState of the art with regard to the high-frequency condition monitoring of exhaust gas aftertreatment elements

Die hochfrequenzbasierten Messverfahren nutzen das Gehäuse des Abgasnachbehandlungssystems als Hohlraumresonator. Über entsprechende Koppelelemente (oft als Antennen bezeichnet) werden elektromagnetische Wellen zumeist im GHz-Bereich (Mikrowellen) in das Gehäuse eingekoppelt. Abhängig von der Geometrie und den dielektrischen Eigenschaften der darin befindlichen Materialien kommt es bei diskreten Frequenzen zur Ausbildung von stehenden Wellen (Resonanzmoden), welche beispielsweise durch ihre Resonanzfrequenz, den Gütefaktor oder die Halbwertsbreite beschrieben werden können. Eine Änderung des Zustandes eines im Gehäuse befindlichen Abgasnachbehandlungselements führt zu einer Änderung der dielektrischen Materialparameter der entsprechenden Speicherkomponente und beeinflusst damit direkt die Eigenschaften der Resonanzmoden innerhalb des Gehäuses. Neben der Auswertung einzelner Resonanzmoden kann auch durch Betrachtung des Verlusts, einer Amplitude und einer Phase oder der Laufzeit der elektromagnetischen Wellen bei bestimmten Frequenzen oder Frequenzbereichen auf den Zustand des Abgasnachbehandlungselements geschlossen werden. Auch kann eine Integration über einen Frequenzbereich durchgeführt werden und das Signal einem Zustand eines Filters oder Abgaskatalysators zugeordnet werden.The high-frequency-based measurement methods use the housing of the exhaust gas aftertreatment system as a cavity resonator. Electromagnetic waves, mostly in the GHz range (microwaves), are coupled into the housing via appropriate coupling elements (often referred to as antennas). Depending on the geometry and the dielectric properties of the materials contained therein, standing waves (resonance modes) are formed at discrete frequencies, which can be described, for example, by their resonance frequency, the quality factor or the half-width. A change in the state of an exhaust gas aftertreatment element located in the housing leads to a change in the dielectric material parameters of the corresponding storage component and thus directly influences the properties of the resonance modes within the housing. In addition to evaluating individual resonance modes, it is also possible to consider the loss, an amplitude and a phase or the transit time of the electromagnetic waves at certain frequencies or frequency ranges, conclusions can be drawn about the state of the exhaust gas aftertreatment element. Integration can also be carried out over a frequency range and the signal can be assigned to a state of a filter or catalytic converter.

Zum Erfassen des Hochfrequenzsignals ist eine Anordnung mit zwei oder mehr Antennen als Transmissionsmessung möglich. Der Zustand der Speicherkomponente kann aber auch über eine Messung der Reflexion mit nur einer Antenne erfasst werden.An arrangement with two or more antennas as a transmission measurement is possible for acquiring the high-frequency signal. The state of the storage component can, however, also be recorded by measuring the reflection with just one antenna.

Das allgemeine Messprinzip ist in 1 dargestellt und beschreibt den typischen Aufbau von bisherigen Systemen. Das Abgasnachbehandlungssystem besteht aus dem metallischen Gehäuse (11) und dem Abgasnachbehandlungselement (12), das ein Katalysator, ein Filter oder auch ein beschichteter Filter sein kann. Das schadstoffhaltige Abgas (13) durchströmt das Abgasnachbehandlungselement und verlässt als gereinigtes Abgas (14) das Gehäuse. Die Figur zeigt in diesem Fall ein System mit zwei Antennen (15,16) über die eine Ein- und Auskopplung der elektromagnetischen Wellen möglich ist. Zudem muss für eine Beurteilung des Zustands des Abgasnachbehandlungselements auch dessen aktuelle Temperatur bekannt sein. Diese wird bisher mittels zusätzlicher Temperatursensoren (17) ermittelt. Diese Temperatursensoren können allerdings die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen beeinträchtigen, weshalb mittels zusätzlicher Drahtgitter (18,19) vor und nach dem Abgasnachbehandlungselement eine Begrenzung der Wellenausbreitung auf das Abgasnachbehandlungselement und damit eine Verbesserung der Signalgüte erreicht werden kann. Zur Reduktion der zu verbauenden Komponenten bei gleichbleibender Signalgüte wurde beispielsweise in der DE102015001230 eine Vorrichtung offenbart, welche in den Antennen integrierte Temperatursensoren besitzt und somit eine Temperaturmessung ohne zusätzliche Sensoren, welche das Hochfrequenzsignal beeinträchtigen könnten, ermöglicht.The general measuring principle is in 1 shown and describes the typical structure of previous systems. The exhaust aftertreatment system consists of the metallic housing ( 11 ) and the exhaust aftertreatment element ( 12th ), which can be a catalyst, a filter or a coated filter. The exhaust gas containing pollutants ( 13th ) flows through the exhaust gas aftertreatment element and leaves as cleaned exhaust gas ( 14th ) the housing. In this case the figure shows a system with two antennas ( 15th , 16 ) through which coupling and decoupling of the electromagnetic waves is possible. In addition, in order to assess the condition of the exhaust gas aftertreatment element, its current temperature must also be known. Up to now, this has been carried out by means of additional temperature sensors ( 17th ) determined. These temperature sensors can, however, impair the propagation of the electromagnetic waves, which is why additional wire grids ( 18th , 19th ) before and after the exhaust aftertreatment element, a limitation of the wave propagation to the exhaust aftertreatment element and thus an improvement in the signal quality can be achieved. To reduce the number of components to be installed while maintaining the same signal quality, the DE102015001230 discloses a device which has temperature sensors integrated in the antennas and thus enables temperature measurement without additional sensors which could impair the high-frequency signal.

Die Zustandsdiagnose mittels Mikrowellen wurde bereits für zahlreiche Katalysator- und Filtersysteme erfolgreich eingesetzt [1]. Für Dreiwegekatalysatoren wurde nachgewiesen, dass mit dem Hochfrequenzsignal eine Regelung des ceroxidbasierten Sauerstoffspeichers ebenso möglich ist, wie eine Alterungserkennung [2-4]. Auch der Ammoniakspeicher eines SCR-Katalysators kann mit Hilfe des Mikrowellensystems überwacht werden. Darüber hinaus können aus dem Hochfrequenzsignal auch geeignete Dosierintervalle für das Reduktionsmittel (Harnstoff-Wasser-Lösung) abgeleitet werden, um die Stickoxid-Emissionen selbst unter transienten Betriebsbedingung immens zu reduzieren [5,6]. Für Stickoxidspeicher-Katalysatoren (LNT) kann das Verfahren ebenfalls eingesetzt werden [7]. Mit der Betrachtung der Resonanzfrequenz und des Gütefaktors können zudem die Zustände des Stickoxid- und des Sauerstoffspeichers getrennt voneinander ausgewertet werden [8]. Neben Katalysatoren hat sich das Messsystem aber auch bei Partikelfiltersystemen zur Überwachung der Rußbeladung bewährt [9-12]. Auch für katalytisch beschichtete Filtersysteme von Ottomotoren eignet sich die Hochfrequenzmethode [13].The condition diagnosis by means of microwaves has already been used successfully for numerous catalyst and filter systems [1]. It has been proven for three-way catalytic converters that the high-frequency signal can be used to regulate the cerium oxide-based oxygen storage system and to detect aging [2-4]. The ammonia storage of an SCR catalytic converter can also be monitored with the aid of the microwave system. In addition, suitable dosing intervals for the reducing agent (urea-water solution) can be derived from the high-frequency signal in order to immensely reduce nitrogen oxide emissions even under transient operating conditions [5,6]. The process can also be used for nitrogen oxide storage catalysts (LNT) [7]. By considering the resonance frequency and the quality factor, the states of the nitrogen oxide and oxygen stores can also be evaluated separately from one another [8]. In addition to catalytic converters, the measuring system has also proven itself in particle filter systems for monitoring soot loading [9-12]. The high-frequency method is also suitable for catalytically coated filter systems in gasoline engines [13].

Zur Anwendung der Hochfrequenzsensorik für die Zustandsdiagnose von Abgasnachbehandlungskomponenten existieren bereits zahlreiche Offenbarungen. Das grundsätzliche Verfahren zur Erkennung des Zustands für alle gängigen Katalysatortypen, wie dem NO_x-Speicherkatalysator oder dem SCR-Katalysator, wird in der DE 10358495 beschrieben. Für Diesel-Partikelfilter kann man die umfangreiche Patentfamilie der US 20130127478 A1 zu Rate ziehen.Numerous disclosures already exist on the use of high-frequency sensors for diagnosing the condition of exhaust gas aftertreatment components. The basic method for recognizing the status of all common types of catalytic converters, such as the NO _x storage catalytic converter or the SCR catalytic converter, is described in the DE 10358495 described. The extensive patent family of the US 20130127478 A1 consult.

In der DE 102010019309 wird eine Methode offenbart, Zustände von Abgasnachbehandlungssystemen zu erfassen, die aus mehreren Abgasnachbehandlungselementen (z.B. einer Kombination aus Katalysator und Partikelfilter) bestehen. Das Verfahren nutzt für die Bestimmung eine Messung in mehreren Frequenzbereichen innerhalb des Gehäuses. Für SCR-Katalysatoren ist die Eliminierung von Quereinflüssen auf das Mikrowellensignal (z.B. der Wassergehalt im Abgas) in der DE 102010034983 aufgezeigt. Auch hier kommt ein Messverfahren zum Einsatz, das mit mehr als einem Frequenzbereich arbeitet. Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen beschränkt sich in beiden Offenbarungen auf das Gehäuse des Abgasnachbehandlungselements.In the DE 102010019309 A method is disclosed for detecting the states of exhaust gas aftertreatment systems which consist of several exhaust gas aftertreatment elements (eg a combination of catalytic converter and particle filter). The method uses a measurement in several frequency ranges within the housing for the determination. For SCR catalytic converters, the elimination of cross influences on the microwave signal (e.g. the water content in the exhaust gas) is in the DE 102010034983 shown. Here, too, a measurement method is used that works with more than one frequency range. In both disclosures, the propagation of the electromagnetic waves is limited to the housing of the exhaust gas aftertreatment element.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Für die bisher erforschten Methoden zur Zustandsdiagnose von Abgasnachbehandlungssystemen ist eine Temperaturmessung unbedingt notwendig. Der Grund hierfür liegt zum einen an den Hochfrequenzeigenschaften des Abgasnachbehandlungselements, welche eine Temperaturabhängigkeit zeigen. So steigt beispielsweise bei Dreiwegekatalysatoren die Leitfähigkeit der darin enthaltenen ceroxidbasierten Speichermaterialien nichtlinear mit der Temperatur an. Weiterhin ändert sich dessen Permittivität mit der Temperatur. Zum anderen dehnt sich mit steigender Temperatur das Gehäuse des Abgasnachbehandlungselements aus, was ebenfalls das Hochfrequenzsignal beeinflusst.For the methods researched to date for diagnosing the condition of exhaust gas aftertreatment systems, a temperature measurement is absolutely necessary. The reason for this is, on the one hand, the high-frequency properties of the exhaust gas aftertreatment element, which show a temperature dependency. In three-way catalytic converters, for example, the conductivity of the cerium oxide-based storage materials contained therein increases non-linearly with temperature. Furthermore, its permittivity changes with temperature. On the other hand, the housing of the exhaust gas aftertreatment element expands as the temperature rises, which also affects the high-frequency signal.

Zur genauen Bestimmung des Speicherzustands ist somit die Kenntnis der momentanen Temperatur des Abgasnachbehandlungselements erforderlich. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Ermittlung der Temperatur bisher über die Messung der Abgastemperatur mittels zusätzlicher Temperatursensoren, die eigens in das System integriert werden müssen (z.B. Thermoelemente), und einem mathematischen Modell, welches ausgehend von der gemessenen Abgastemperatur die Temperatur des Abgasnachbehandlungselements bestimmt. Um Störungen des elektromagnetischen Felds und damit des Messsignals durch die Temperatursensoren zu verhindern, können die Temperatursensoren in die Antennen selbst integriert werden oder durch zusätzliche Gitter vom Messraum abgeschirmt werden. Beides führt zu einer höheren Komplexität und höheren Kosten bei der Herstellung des Abgasnachbehandlungssystems.Knowledge of the current temperature of the exhaust gas aftertreatment element is therefore essential for the precise determination of the storage status necessary. According to the state of the art, the temperature has so far been determined by measuring the exhaust gas temperature using additional temperature sensors that have to be specifically integrated into the system (e.g. thermocouples) and a mathematical model that determines the temperature of the exhaust gas aftertreatment element based on the measured exhaust gas temperature. In order to prevent interference to the electromagnetic field and thus to the measurement signal from the temperature sensors, the temperature sensors can be integrated into the antennas themselves or shielded from the measuring room by additional grids. Both lead to greater complexity and higher costs in the manufacture of the exhaust gas aftertreatment system.

Alternativ wäre auch eine Integration existierender thermischer Modelle zur Abschätzung der Temperatur eines Abgasnachbehandlungselements denkbar. Der Nachteil dieser Verfahren besteht hier in der hohen Anzahl der eingehenden Parameter (beispielsweise Motorlast, Drehzahl oder Luftzahl), der Komplexität der Berechnung und der im Betrieb fehlenden Überprüfbarkeit des Ergebnisses, wenn kein zusätzlicher Temperatursensor eingesetzt werden soll. Zudem ist die Genauigkeit eines Modells grundsätzlich eingeschränkt, insbesondere wenn das Modell über die Lebensdauer nicht nachkalibriert werden kann.Alternatively, an integration of existing thermal models for estimating the temperature of an exhaust gas aftertreatment element would also be conceivable. The disadvantage of this method is the large number of incoming parameters (for example engine load, speed or air ratio), the complexity of the calculation and the lack of verifiability of the result during operation if no additional temperature sensor is to be used. In addition, the accuracy of a model is fundamentally limited, especially if the model cannot be recalibrated over its service life.

Grundgedanke der ErfindungBasic idea of the invention

Das vorliegende Verfahren nutzt die Temperaturausdehnung des Abgasstrangs, um mittels der Hochfrequenzmethode die Temperatur der Abgasstrangwände zu ermitteln und damit, vergleichbar wie bei Einsatz von Temperatursensoren entsprechend dem Stand der Technik, auf die mittlere Temperatur des Abgasnachbehandlungselements zu schließen. Bei der beschriebenen Methode werden gezielt elektromagnetische Wellen bei verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbereichen ausgesendet. Die Ausbreitung dieser wird aufgrund der unterschiedlichen Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Ausbreitungsraum unterschiedlich von dem Zustand des Abgasnachbehandlungselements und der Temperatur des Abgasstrangs beeinflusst. Als Sensorsignale können verschiedene Parameter der empfangenen Wellen dienen. Aufgrund der unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Sensorsignale bei unterschiedlichen Frequenzen, kann ausgehend von mindestens zwei Sensorsignalen auf die Temperatur des Abgasstrangs - und damit über mathematische Modelle auf die Temperatur des Abgasnachbehandlungselements - sowie auf den Zustand des Abgasnachbehandlungselements zurückgerechnet werden. Das System benötigt keine zusätzlichen Temperatursensoren. Auf den Einsatz von Gittern, zur Verringerung von Störungen infolge der Temperatursensoren kann verzichtet werden.The present method uses the temperature expansion of the exhaust system to determine the temperature of the exhaust system walls by means of the high-frequency method and thus, comparable to the use of temperature sensors according to the prior art, to infer the mean temperature of the exhaust gas aftertreatment element. In the method described, electromagnetic waves are emitted in a targeted manner at different frequencies or frequency ranges. Due to the different distribution of the electromagnetic field in the propagation space, the propagation of this is influenced differently by the state of the exhaust gas aftertreatment element and the temperature of the exhaust system. Various parameters of the received waves can serve as sensor signals. Due to the different sensitivities of the sensor signals at different frequencies, based on at least two sensor signals, the temperature of the exhaust tract - and thus the temperature of the exhaust aftertreatment element using mathematical models - and the condition of the exhaust aftertreatment element can be calculated back. The system does not require any additional temperature sensors. There is no need to use grids to reduce interference from the temperature sensors.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

2 beschreibt eine Vorrichtung, mit welcher eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens durchgeführt werden kann. Diese besteht, wie auch bei dem in 1 dargestellten Stand der Technik, aus einem Abgasnachbehandlungselement (22), welches in einem metallischen Gehäuse (21) verbaut ist. Das einströmende Abgas (23) durchströmt das Abgasnachbehandlungselement (22) und verlässt als gereinigtes Abgas (24) die Geometrie. Das Aussenden sowie Empfangen der elektromagnetischen Wellen in den Ausbreitungsraum kann über Stiftkoppler (25,26) oder über eine andere Kopplungsart erfolgen. Aus den empfangenen elektromagnetischen Wellen kann als Antwort auf die ausgesendeten Wellen ein frequenzabhängiges Signal aufgenommen werden. Die elektromagnetischen Wellen können entweder mit demselben Kopplungselement, welches die elektromagnetischen Wellen ausgesendet hat (Reflexionsmessung), oder mit einem anderen Kopplungselement (Transmissionsmessung) empfangen werden. Zur Ermittlung eines Sensorsignals ist eine Auswertung des Frequenzspektrums, bei einzelnen Frequenzen oder Frequenzbereichen hinsichtlich eines Parameters aus Verlust, Phase, Amplitude und Laufzeit, sowie in Frequenzbereichen, in welchen Resonanzmoden existieren, hinsichtlich eines Parameters aus Resonanzfrequenz, Halbwertsbreite oder Gütefaktor denkbar. 2 describes a device with which a possible embodiment of the method can be carried out. As with the in 1 the state of the art shown, from an exhaust gas aftertreatment element ( 22nd ), which is in a metallic housing ( 21 ) is installed. The incoming exhaust gas ( 23 ) flows through the exhaust aftertreatment element ( 22nd ) and leaves as cleaned exhaust gas ( 24 ) the geometry. The transmission and reception of electromagnetic waves in the propagation space can be done via pin couplers ( 25th , 26th ) or another type of coupling. A frequency-dependent signal can be recorded from the received electromagnetic waves as a response to the transmitted waves. The electromagnetic waves can either be received with the same coupling element that emitted the electromagnetic waves (reflection measurement) or with a different coupling element (transmission measurement). To determine a sensor signal, an evaluation of the frequency spectrum is conceivable for individual frequencies or frequency ranges with regard to a parameter from loss, phase, amplitude and transit time, as well as in frequency ranges in which resonance modes exist, with regard to a parameter from resonance frequency, half-width or quality factor.

Das beschriebene Verfahren basiert auf der Möglichkeit, mit demselben Hochfrequenzsystem mehrere Sensorsignale bei unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereichen der ausgesendeten, elektromagnetischen Wellen simultan ermitteln zu können. Die ermittelten Sensorsignale zeigen dabei unterschiedlich starke Abhängigkeiten von der Temperatur der metallischen Wände des Abgasstrangs und vom Zustand des Abgasnachbehandlungselements. Die Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals beruht unter anderem auf der temperaturbedingten Ausdehnung der Wände des Abgasstrangs, wodurch sich der Ausbreitungsraum der elektromagnetischen Wellen verändert. Der Zustand des Abgasnachbehandlungselements beeinflusst dessen dielektrische Eigenschaften und damit ausschließlich die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Bereich des Abgasnachbehandlungselements, weshalb die Auswirkungen auf das Sensorsignal von der Stärke des dort befindlichen elektromagnetischen Feldes abhängen. Aufgrund der frequenzabhängigen Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Abgasstrang hängt die Empfindlichkeit des Sensorsignals auf den Zustand des Abgasnachbehandlungselements stark von der Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Wellen ab. Die Temperaturabhängigkeit zeigt dagegen eine geringere Frequenzabhängigkeit. Durch Kenntnis der frequenzabhängigen Abhängigkeiten aus vorausgegangenen Messungen ist durch Verrechnung mindestens zweier Sensorsignale eine Bestimmung der Temperatur der Abgasstrangwände sowie des Zustands des Abgasnachbehandlungselements möglich. Diese Verrechnung kann in bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens auf Grundlage linearer Gleichungssysteme erfolgen. Auf die mittlere Temperatur des Abgasnachbehandlungselements kann mittels mathematischer Modelle geschlossen werden. Solche mathematischen Modelle werden bereits bei bisher verwendeten Temperatursensoren eingesetzt, welche auf der Messung der Abgastemperatur beruhen.The method described is based on the possibility of being able to determine several sensor signals at different frequencies or frequency ranges of the emitted electromagnetic waves simultaneously with the same high-frequency system. The determined sensor signals show differently strong dependencies on the temperature of the metallic walls of the exhaust system and on the condition of the exhaust gas aftertreatment element. The temperature dependency of the sensor signal is based, among other things, on the temperature-related expansion of the walls of the exhaust system, which changes the propagation space of the electromagnetic waves. The state of the exhaust gas aftertreatment element influences its dielectric properties and thus exclusively the propagation of the electromagnetic waves in the area of the exhaust gas aftertreatment element, which is why the effects on the sensor signal depend on the strength of the electromagnetic field located there. Due to the frequency-dependent distribution of the electromagnetic field in the exhaust system, the sensitivity of the sensor signal to the state of the exhaust gas aftertreatment element depends heavily on the frequency of the electromagnetic waves emitted. The temperature dependence, on the other hand, shows a lower frequency dependence. Knowing the frequency-dependent dependencies from previous measurements, it is possible to determine the temperature of the exhaust system walls and the state of the exhaust gas aftertreatment element by offsetting at least two sensor signals. In certain embodiments of the method, this calculation can take place on the basis of linear systems of equations. The mean temperature of the exhaust gas aftertreatment element can be deduced from mathematical models. Such mathematical models are already used in previously used temperature sensors, which are based on the measurement of the exhaust gas temperature.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens zeigt eines der Sensorsignale eine nur geringe Abhängigkeit vom Zustand des Abgasnachbehandlungselements. Hierzu hat die Ermittlung des Sensorsignals bei Frequenzen oder Frequenzbereichen zu erfolgen, in welchen das elektromagnetische Feld im Bereich des Abgasnachbehandlungselements nur schwach ausgeprägt ist. Um die Frequenzbereiche, in welchen eine solche Verteilung vorliegt, zu vergrößern und so deren Messung zu vereinfachen, kann wie in 2 dargestellt, der Ausbreitungsraum der elektromagnetischen Wellen neben dem Gehäuse des Abgasnachbehandlungselements (21) auch ein angrenzendes Abgasrohr (27) umfassen. Der Ausbreitungsraum der elektromagnetischen Wellen wird neben den metallischen Wänden des Abgasstrangs auch durch die Geometrie der angrenzenden Abgasrohre beschränkt. In diesen ist eine Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen abhängig vom Durchmesser der Abgasrohre nur oberhalb bestimmter Frequenzen möglich, so dass der Ausbreitungsraum durch die Wahl des dem Sensorsignal zugrundeliegenden Frequenzbereichs definiert werden kann.In a preferred embodiment of the method, one of the sensor signals shows only a slight dependence on the state of the exhaust gas aftertreatment element. For this purpose, the sensor signal must be determined at frequencies or frequency ranges in which the electromagnetic field in the area of the exhaust gas aftertreatment element is only weakly pronounced. In order to enlarge the frequency ranges in which there is such a distribution and thus to simplify their measurement, as in 2 shown, the propagation space of the electromagnetic waves next to the housing of the exhaust gas aftertreatment element ( 21 ) also an adjacent exhaust pipe ( 27 ) include. In addition to the metallic walls of the exhaust system, the space that the electromagnetic waves can propagate is also limited by the geometry of the adjacent exhaust pipes. In these, the electromagnetic waves can only propagate above certain frequencies, depending on the diameter of the exhaust pipes, so that the propagation space can be defined by selecting the frequency range on which the sensor signal is based.

Eine für diese bevorzugte Ausführung des Verfahrens geeignete Feldverteilung zeigt 3. Die Feldstärke des dort dargestellten elektrischen Feldes (31) ist im Bereich des Abgasrohrs (32) maximal (schwarze Farbe entspricht hierbei einer im Vergleich zum restlichen Ausbreitungsraum höheren Feldstärke). Im Bereich des Abgasnachbehandlungselements (33) treten im Vergleich zum Bereich des Abgasrohrs (32) nur geringe Feldstärken auf. Weiterhin handelt sich bei der dargestellten Feldverteilung (31) um eine Resonanzmode, weshalb durch Evaluation der zu dieser gehörigen Resonanzfrequenz ein Sensorsignal aus dem ausgenommenen Frequenzspektrum ermittelt werden kann. Diese Resonanzfrequenz mit Berücksichtigung von Temperatur- und Zustandsänderungen ist in 4 dargestellt. Ein Wechsel des Zustandes des Abgasnachbehandlungselements, welcher beispielshaft ein Wechsel vom reduzierten (41) in den oxidierten Zustand (42) eines Dreiwegekatalysators sein kann, führt nur zu einer geringfügigen Signaländerung. Die Temperaturabhängigkeit ist im Vergleich hierzu stark ausgeprägt. Die dem Sensorsignal zugrundeliegende Temperatur entspricht der mittleren Temperatur der angrenzenden Wände des Abgasstrangs im Bereich der maximalen Feldstärke, welche den Wänden des Abgasrohrs (32) entsprechen. Von dieser Wandtemperatur kann mittels mathematischer Modelle auf die mittlere Temperatur des Abgasnachbehandlungselements geschlossen werden.A field distribution suitable for this preferred embodiment of the method is shown 3 . The field strength of the electric field shown there ( 31 ) is in the area of the exhaust pipe ( 32 ) maximum (black color corresponds to a higher field strength compared to the rest of the dispersion area). In the area of the exhaust aftertreatment element ( 33 ) occur in comparison to the area of the exhaust pipe ( 32 ) only have low field strengths. Furthermore, the field distribution shown is ( 31 ) a resonance mode, which is why a sensor signal can be determined from the excluded frequency spectrum by evaluating the resonance frequency associated with this. This resonance frequency, taking temperature and state changes into account, is in 4th shown. A change in the state of the exhaust gas aftertreatment element, which is, for example, a change from the reduced (41) to the oxidized state ( 42 ) of a three-way catalytic converter leads to only a slight change in signal. In comparison, the temperature dependency is very pronounced. The temperature on which the sensor signal is based corresponds to the mean temperature of the adjacent walls of the exhaust system in the area of the maximum field strength which the walls of the exhaust pipe ( 32 ) correspond. From this wall temperature, mathematical models can be used to determine the mean temperature of the exhaust gas aftertreatment element.

Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens kann in einer weiteren Ausführung des Verfahrens ein zusätzliches Sensorsignal ermittelt werden, dessen Feldverteilung, im Vergleich zu der in 3 abgebildeten Feldverteilung, stärker von den Zustandseigenschaften des Abgasnachbehandlungselements abhängt als von dessen Temperatur. Eine entsprechend dieser Ausführung des Verfahrens mögliche elektrische Feldverteilung (51) zeigt 5 (schwarze Farbe entspricht hierbei einer im Vergleich zum restlichen Ausbreitungsraum höheren Feldstärke). Die dargestellte Feldverteilung (51) entspricht einer Resonanzmode, deren elektrisches Feldmaximum zentral im Bereich des Abgasnachbehandlungselements (52) liegt. Eine Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen in den Bereich des Abgasrohrs (53) ist aufgrund der niedrigen Frequenz der von den Kopplungselementen ausgesendeten elektromagnetischen Wellen nicht möglich. Das von Temperatur und Zustand des Abgasnachbehandlungselements beeinflusste Signal ist in 6 dargestellt. Die Zustände entsprechen denselben Zuständen wie in 4 (z.B. reduzierter (61) beziehungsweise oxidierter Zustand (62) eines Dreiwegekatalysators). Aufgrund der vorliegenden Feldverteilung zeigt das Sensorsignal eine starke Abhängigkeit vom Zustand des Abgasnachbehandlungselements im Vergleich zum Temperatureinfluss. Die dem Sensorsignal zugrundeliegende Temperatur entspricht der mittleren Temperatur der angrenzenden Wände des Abgasstrangs im Bereich der maximalen Feldstärke, welche in diesem Fall den Wänden des Gehäuses des Abgasnachbehandlungselements (54) entsprechen. Von dieser kann mittels mathematischer Modelle auf die mittlere Temperatur des Abgasnachbehandlungselements geschlossen werden.To further increase the accuracy of the method, in a further embodiment of the method, an additional sensor signal can be determined whose field distribution is compared to that in FIG 3 field distribution shown, depends more on the condition properties of the exhaust gas aftertreatment element than on its temperature. A possible electric field distribution according to this implementation of the method ( 51 ) shows 5 (The black color corresponds to a higher field strength compared to the rest of the dispersion area). The field distribution shown ( 51 ) corresponds to a resonance mode, the electric field maximum of which is centrally located in the area of the exhaust gas aftertreatment element ( 52 ) lies. Propagation of the electromagnetic waves in the area of the exhaust pipe ( 53 ) is not possible due to the low frequency of the electromagnetic waves emitted by the coupling elements. The signal influenced by the temperature and condition of the exhaust aftertreatment element is shown in 6th shown. The states correspond to the same states as in 4th (e.g. reduced (61) or oxidized state ( 62 ) of a three-way catalytic converter). Due to the existing field distribution, the sensor signal shows a strong dependency on the state of the exhaust gas aftertreatment element compared to the influence of temperature. The temperature on which the sensor signal is based corresponds to the mean temperature of the adjacent walls of the exhaust system in the area of the maximum field strength, which in this case corresponds to the walls of the housing of the exhaust gas aftertreatment element ( 54 ) correspond. From this, mathematical models can be used to determine the mean temperature of the exhaust gas aftertreatment element.

Aus den in 4 und 6 dargestellten Signalen kann durch Lösen linearer Gleichungssysteme oder anderer mathematischer Modelle aufgrund der unterschiedlich starken Abhängigkeiten des Sensorsignals eindeutig auf Temperatur sowie den Zustand des Abgasnachbehandlungselements geschlossen werden.From the in 4th and 6th By solving linear systems of equations or other mathematical models, based on the differently strong dependencies of the sensor signal, conclusions can be drawn unambiguously about the temperature and the state of the exhaust gas aftertreatment element.

In weiteren Ausführungen des Verfahrens kann der Ausbreitungsraum neben dem Gehäuse des Abgasnachbeharidlungselements sowohl das Abgasrohr vor als auch nach diesem umfassen. Dies ermöglicht es Sensorsignale heranzuziehen, welche von der Temperatur des Abgasrohrs vor beziehungsweise des Abgasrohrs nach dem Abgasnachbehandlungselement abhängig sind. Hierdurch kann durch die zusätzlichen Temperaturinformationen eine genauere Bestimmung der Temperatur des Abgasnachbehandlungselements mittels der mathematischen Modelle erfolgen.In further versions of the method, the expansion space can be used in addition to the Housing of the exhaust aftertreatment element include both the exhaust pipe before and after this. This makes it possible to use sensor signals which are dependent on the temperature of the exhaust pipe before or the exhaust pipe after the exhaust gas aftertreatment element. As a result, the additional temperature information enables the temperature of the exhaust gas aftertreatment element to be determined more precisely by means of the mathematical models.

Die beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens können unabhängig von der Art des für die Hochfrequenzsensorik geeigneten Abgasnachbehandlungselements durchgeführt werden.The described embodiments of the method can be carried out independently of the type of exhaust gas aftertreatment element suitable for the high-frequency sensor system.

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M. Dietrich, C. Steiner, G. Hagen, R. Moos: Radio-Frequency-Based Urea Dosing Control for Diesel Engines with Ammonia SCR Catalysts, SAE Int. J. Engines, 10, 1638-1645 (2017) [0023]
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Claims

A method for determining a state of an exhaust gas aftertreatment element for a motor vehicle, comprising: - Emission of electromagnetic waves in a housing of the exhaust gas aftertreatment element and in at least one connected exhaust pipe, - receiving electromagnetic waves in response to the emission, - Determination of several sensor signals from parameters in different frequencies or frequency ranges of the electromagnetic waves, - Determination of the temperature of the exhaust gas aftertreatment element and the dielectric properties of the exhaust gas aftertreatment element by offsetting the determined sensor signals, - Determining the state of the exhaust gas aftertreatment element as a function of the determined temperature and the property of the exhaust gas aftertreatment element.

Procedure according to Claim 1 , in which the parameter comprises at least one of: - resonance frequency, - half width, - quality factor, - loss, - phase, - amplitude and - transit time.

Procedure according to Claim 1 - 2 , characterized in that the sensor signals are different depending on the state property and the temperature of the exhaust gas aftertreatment element.

Procedure according to Claim 1 - 3 , characterized in that the temperature of the walls of the exhaust line is determined from the changes in the sensor signals resulting from the temperature-related expansion of the walls of the exhaust line.

Procedure according to Claim 1 - 4th , characterized in that the temperature of the exhaust gas aftertreatment element is determined on the basis of the temperature of the walls of the exhaust line.

Procedure according to Claim 1 - 5 , characterized in that a sensor signal is mainly influenced by the temperature-related expansion of the exhaust line.

Procedure according to Claim 1 - 6th , characterized in that a sensor signal is determined at one or more frequencies at which the electromagnetic field is primarily formed in an exhaust pipe adjoining the exhaust gas aftertreatment element.

Procedure according to Claim 1 - 7th , characterized in that a sensor signal is determined at one or more frequencies at which the electromagnetic field is primarily formed in the exhaust gas aftertreatment element.

Procedure according to Claim 1 - 8th , characterized in that the accuracy of the condition determination is increased by two different sensor signals which show a dependency on the temperature of the exhaust gas tract before and after the exhaust gas aftertreatment element.

Device which is designed, a method according to one of the Claims 1 - 9 perform.