DE102020109946A1

DE102020109946A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Partikelfilters im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020109946A1
Application number: DE102020109946.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Bruene; Gerhard Weiss; Michael Weitz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Überwachung eines Partikelfilters im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (vorzugsweise eines Dieselmotors) mit einer elektronischen Steuereinheit und mit einer Diagnoseleitung zur Entnahme von Abgas nach dem Partikelfilter, die das Abgas zu reinen Diagnosezwecken auf die Niederdruckseite eines Verdichters zurückführt. Dabei ist der Durchmesser der Diagnoseleitung derart klein gewählt, dass das Abgas ungekühlt und ungeregelt zurückführbar ist. Nach der Entnahmestelle in der Diagnoseleitung ist ein Abscheider angebracht, an dem sich bei defektem Partikelfilter Rußpartikel anlagern. Vor und nach dem Abscheider sind vorzugsweise Temperatursensoren vorgesehen. Die Signale der Temperatursensoren sind Eingangssignale der elektronischen Steuereinheit. Die elektronische Steuereinheit ist derart ausgestaltet, dass anhand der ermittelten Differenz der Temperaturen vor und nach dem Abscheider eine Diagnose des Partikelfilters durchführbar ist; insbesondere wird die Temperaturdifferenz mit einem definierten Schwellwert zur Fehlererkennung verglichen.

Description

Grundsätzlich sind diverse Katalysatoren im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) im Abgasstrang anzuordnen, der im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Dabei wird in der Regel eine wässrige Harnstofflösung (HWL = Harnstoffwasserlösung) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Zum kostengünstigen und wirkungsgradoptimalen Einsatz von SCR-Katalysatorsystemen werden auch sogenannte SCRF-Systeme verwendet („SCR on filter“). Dabei handelt es sich um einen Partikelfilter, auf dessen Oberfläche eine SCR-Beschichtung aufgebracht ist. Derartige Systeme werden bisher im Wesentlichen genauso betrieben wie herkömmliche SCR-Katalysatorsysteme. Aufgrund der Partikelfilterfunktion des SCRF-Katalysators lagern sich darin im Laufe der Zeit Rußpartikel ein, die einen Teil der Katalysatoroberfläche bedecken. Es sind auch noch andere Arten von Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter (DPF) ohne Stickoxidreduktionsfunktion bekannt, die demselben Problem unterliegen.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2014 201 325 A1 eine Vorrichtung zur Überwachung eines vor einem Abgasrückführungs- (AGR) Ventil angeordneten Dieselpartikelfilters bekannt, die sich insbesondere mit der Erkennung des Verschmutzungsgrades eines solchen Filters befasst. Durch die Verschmutzung des Filters können sich die Druckverhältnisse in der Abgasanlage signifikant verändern, wodurch auch die Steuerung der Abgasrückführung beeinträchtigt werden kann.
Beim Gegenstand dieser bekannten Druckschrift ist eine Steuereinheit dazu eingerichtet, einen Druckabfall über den Partikelfilter zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann das Fahrzeug einen ersten Drucksensor umfassen, der eingerichtet ist, einen ersten Druck, insbesondere einen ersten Relativdruck (z.B. relativ zu einem Umgebungsdruck des Fahrzeugs), am Ausgang des Partikelfilters zu erfassen. Weiterhin kann ein zweiter Drucksensor vorgesehen sein, der eingerichtet ist, einen zweiten Druck, insbesondere einen zweiten Relativdruck (z.B. relativ zu dem Umgebungsdruck des Fahrzeugs) am Eingang des Partikelfilters zu erfassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Rußfilterfunktion eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselpartikelfilters, auf kostengünstige Weise zu überwachen und den Zustand im Rahmen der On-Board Diagnose rückzumelden.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden insbesondere in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Überwachung eines Partikelfilters im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (vorzugsweise eines Dieselmotors) mit einer elektronischen Steuereinheit und mit einer Diagnoseleitung zur Entnahme von Abgas nach dem Partikelfilter, die das Abgas zu reinen Diagnosezwecken auf die Niederdruckseite eines Verdichters zurückführt. Dabei ist der Durchmesser der Diagnoseleitung derart klein gewählt, dass das Abgas ungekühlt und ungeregelt zurückführbar ist. Nach der Entnahmestelle in der Diagnoseleitung ist ein Abscheider angebracht, an dem sich bei defektem Partikelfilter Rußpartikel anlagern.
Vor und nach dem Abscheider sind vorzugsweise Temperatursensoren vorgesehen. Die Signale der Temperatursensoren sind Eingangssignale der elektronischen Steuereinheit. Die elektronische Steuereinheit ist derart ausgestaltet, dass anhand der ermittelten Differenz der Temperaturen vor und nach dem Abscheider eine Diagnose des Partikelfilters durchführbar ist; insbesondere wird die Temperaturdifferenz mit einem definierten Schwellwert zur Fehlererkennung verglichen. Es könnten anstelle der Temperatursensoren auch Drucksensoren verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Weiterhin können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde: Bei Fahrzeugen der Anmelderin werden die Rußemissionen aktuell nach dem Dieselpartikelfilter (DPF) mittels eines Partikelmassensensors (PMS), der auf Widerstandsbasis eines elektrischen Messmäanders arbeitet, gemessen. Dabei lagert sich Ruß am Sensorelement zwischen den Messmäanderschleifen an und senkt dabei den elektrischen Widerstand. Sinkt der elektrische Widerstand schneller als aus einem Rußmassenmodell errechnet, indiziert dies einen Fehler des DPFs.
Bei Verwendung eines Partikelmassensensors (PMS) muss vor dem Start eines jeden Messzyklus das Sensorelement durch Aufheizen regeneriert werden. Die dadurch resultierende Empfindlichkeit auf Wasserschlag ist mitunter ein Grund für die mangelnde Robustheit des elektrischen PMS. Zusätzlich ist der PMS hinsichtlich Kosten nicht optimal und er erfordert eine aufwendige Applikation.
Alternativ könnte in eine („normale“) serienmäßig vorhandene Niederdruck-Abgasrückführungs-Strecke ein Abscheider verbaut werden, an dem Rußpartikel bei defektem DPF haften bleiben. Der dadurch entstehende Anstieg des Differenzdrucks über den Abscheider kann als Größe für die On-Board Diagnose (OBD) des DPFs verwendet werden. Diese alternative Diagnose eines Dieselpartikelfilters ist sehr stark an Betriebsbereiche gekoppelt, bei denen ausreichend Massenstrom der Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) zur Verfügung steht. Zusätzlich erfordert dieses On-Board-Diagnoseprinzip das Vorhandensein einer „normalen“ voll funktionsfähigen ND-AGR, die mit hohen Mehrkosten verbunden ist (z.B. durch Regelung, Kühlung, Bypass, etc.), wenn diese ND-AGR nicht zwingend notwendig ist.
Die Kernidee der Erfindung beruht auf der Vermeidung der wesentlichen Probleme der beiden oben beschriebenen Alternativen. Das erfindungsgemäße Prinzip sorgt dafür, dass die On-Board-Diagnose (OBD) des Partikelfilters (DPF) sofort aktivierbar ist (kein Abwarten der Taupunktende-Freigabe des PMS) und im gesamten Kennfeldbereich durchgeführt werden kann. Zusätzlich ist das Messprinzip sehr robust, da anstatt der Differenzdrucksensoren nur Temperaturfühler verwendet werden müssen:

Bei Motoren ohne serienmäßiger ND-AGR wird erfindungsgemäß eine ND-AGR Diagnoseleitung eingeführt. Diese ND-AGR Diagnoseleitung entnimmt Abgas nach dem DPF und führt dieses vor den Verdichter (genauer zur Niederdruckseite des Verdichters) zurück. Dabei kann der Durchmesser der ND-AGR Diagnoseleitung im Vergleich zu einer serienmäßig vorhandenen Niederdruck-Abgasrückführungs-Strecke derart klein gewählt werden, dass das Abgas ungekühlt und ungeregelt zurückgeführt werden kann. Nach der Entnahmestelle ist in der Diagnoseleitung ein Abscheider angebracht, an dem sich bei defektem DPF Rußpartikel anlagern. Dadurch lässt sich durch Messung der Differenz der Temperatur vor und nach dem Abscheider eine Aussage über den Zustand des DPFs machen. Diese Aussage lässt sich für die OBD des DPFs heranziehen.

Im Vergleich zur Umsetzung der Idee mit einer „normalen“ ND-AGR, ist das beschriebene Prinzip weniger stark applikations- und hardwareabhängig. Bei normaler ND-AGR würde durch das zusätzliche Aufstauen auch ein Verbrauchsnachteil entstehen. Diese Nachteile können durch den Verbau einer einfachen ND-AGR-Diagnoseleitung umgangen werden, die nicht die innermotorische Stickoxidreduktion als vorrangiges Ziel hat, sondern lediglich die Basis für die DPF-Diagnose darstellt.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt

1 schematisch einen Überblick über eine mögliche gesamte Abgasanlage eines Dieselmotors und
2 einen detaillierteren Ausschnitt des erfindungsgemäßen Abschnitts der Abgasanlage.

In 1 ist ein Verbrennungsmotor 1, zwei Abgasturbolader 2 und 3 (jeweils rechts die Niederdruckseiten der Verdichter mit Frischluftzufuhr) und mindestens ein Partikelfilter 4 (DPF), beispielsweise in Form eines SCRF-Katalysators, in einem Abgasstrang stromabwärts des Verbrennungsmotors 1 dargestellt. Es kann auch nur ein Abgasturbolader vorgesehen sein. Der Abgasstrang kann beispielsweise vor dem Partikelfilter 4 einen Oxidationskatalysator 5 (DOC = Diesel Oxidation Catalyst) aufweisen. Nach dem Partikelfilter 4 kann ein weiterer SCR-Katalysator 6 („selective catalytic reduction“) zur weiteren Reduktion von Stickoxiden (NOx Reduktionskatalysator) vorgesehen sein, der weiterhin einen nachgeschalteten Ammoniak-Schlupfkatalysator 12 (ASC) zur Umwandlung von überschüssigem Ammoniak in Stickstoff und Wasser umfassen kann. Die Verwendung eines SCRF als Partikelfilter 4 (hier Dieselpartikelfilter) hat den Vorteil, dass SCR- und Rußabscheide-Funktion in einem motornah angeordneten Bauteil kombiniert untergebracht werden können.
In 2 sind zusätzlich Harnstoffinjektoren HWL angedeutet. Ebenso sind die Temperatursensoren S1 und S2 sowie Details der elektronischen Steuereinheit 10 genauer dargestellt.
Ein Abscheider 9 ist stromabwärts in einer Diagnoseleitung 7 zwischen dem Ausgang des Dieselpartikelfilters 4 und dem Eingang eines Verdichters 3 (bzw. der Niederdruckseite des Verdichters 3), vorzugsweise in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter 3, angeordnet. Die Diagnoseleitung 7 ist dadurch derart angeordnet, dass zumindest Umgebungsdruck, aber vorzugsweise leichter Unterdruck - hier durch das Reinluftrohr vor dem Verdichter 3 - vorherrscht.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Abscheider 9 zur Abscheidung von Verunreinigungen aus dem Abgasstrom, insbesondere zur Abscheidung von Rußpartikeln, kann beispielsweise als ein Prallplattenabscheider, als ein Zyklon, als ein Impaktor-Vlies oder als ein ähnlicher passiver Abscheider ausgebildet sein.
Der Leitungsquerschnitt der Diagnoseleitung 7 ist mit vorzugsweise weniger als 1 [cm] - beispielsweise circa 6 [mm] (+/- einem einstelligen Toleranzbereich in [mm]) je nach empirischer Applikation - wesentlich kleiner als der Leitungsquerschnitt einer „normalen“ ND-AGR-Leitung.
Ein erster Temperatursensor S1 ist stromabwärts vor dem Abscheider 9 - vorzugsweise im Ausgangstrichter des Partikelfilters 4 - angeordnet. Ein zweiter Temperatursensor S2 ist in der Diagnoseleitung 7 stromabwärts nach dem Abscheider 9 vorgesehen.
Die Temperatursignale T1 und T2 der beiden Temperatursensoren S1 und S2 sind Eingangssignale der elektronischen Steuereinheit 10. Hieraus wird die Temperaturdifferenz ΔT ermittelt und mit einem Schwellwert L verglichen. Ist die Temperaturdifferenz größer als der vorgegebene Schwellwert L, wird ein Fehler des Partikelfilters erkannt und in einem Fehlerspeicher abgespeichert. Auch kann unmittelbar eine Warnmeldung an den Fahrer ausgegeben werden.
Weiterhin kann ein Absperrventil 11 in der Diagnoseleitung 7 stromabwärts vom Abscheider 9 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise geschlossen werden, wenn vorzugsweise die Diagnose bei einem Kaltstart unterhalb einer vorgegebenen Mindesttemperatur (0°C) abgeschaltet werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014201325 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines Partikelfilters (4) im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (1) mit einer elektronischen Steuereinheit (10) und mit einer Diagnoseleitung (7) zur Entnahme von Abgas nach dem Partikelfilter (4), die das Abgas zu Diagnosezwecken auf die Niederdruckseite eines Verdichters (3) zurückführt, wobei der Durchmesser der Diagnoseleitung (7) derart klein gewählt ist, dass das Abgas ungekühlt und ungeregelt zurückführbar ist und wobei nach der Entnahmestelle in der Diagnoseleitung (7) ein Abscheider (9) angebracht ist, an dem sich bei defektem Partikelfilter (4) Rußpartikel anlagern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach dem Abscheider (9) jeweils mindestens ein Temperatursensor (S1, S2) vorgesehen ist, dass die Signale der Temperatursensoren (S1, S2) Eingangssignale der elektronischen Steuereinheit 10 sind und dass die elektronische Steuereinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass anhand der Differenz der Temperaturen (T1, T2) vor und nach dem Abscheider (9) eine Diagnose des Partikelfilters (4) durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseleitung (7) ein von der Steuereinheit (10) ansteuerbares Absperrventil (11) aufweist.
Elektronische Steuereinheit (10) für eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einem Computerprogrammprodukt zur Erfassung und Auswertung der Temperatursignale (T1, T2).
Verfahren zur Überwachung eines Partikelfilters (4) im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (1) mittels einer elektronischen Steuereinheit (10) und mittels einer Diagnoseleitung (7) zur Entnahme von Abgas nach dem Partikelfilter (4), die das Abgas zu reinen Diagnosezwecken auf die Niederdruckseite eines Verdichters (3) zurückführt, wobei der Durchmesser der Diagnoseleitung (7) derart klein gewählt wird, dass das Abgas ungekühlt und ungeregelt zurückgeführt wird und wobei nach der Entnahmestelle in der Diagnoseleitung (7) ein Abscheider (9) angebracht wird, an dem sich bei defektem Partikelfilter (4) Rußpartikel anlagern.
Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach dem Abscheider (9) jeweils mindestens ein Temperatursensor (S1, S2) vorgesehen wird und dass mittels der elektronischen Steuereinheit (10) durch Erfassung und Differenzbildung der Temperaturen (T1, T2) vor und nach dem Abscheider (9) eine Diagnose des Partikelfilters (4) durchgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach dem Abscheider (9) jeweils mindestens ein Drucksensor (SP1, SP2) vorgesehen ist, dass die Signale der Drucksensoren (SP1, SP2) Eingangssignale der elektronischen Steuereinheit 10 sind und dass die elektronische Steuereinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass anhand der Differenz der Drücke (P1, P2) vor und nach dem Abscheider (9) eine Diagnose des Partikelfilters (4) durchführbar ist.
Elektronische Steuereinheit (10) für eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einem Computerprogrammprodukt zur Erfassung und Auswertung der Drucksignale (P1, P2).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach dem Abscheider (9) jeweils mindestens ein Drucksensor (SP1, SP2) vorgesehen wird und dass mittels der elektronischen Steuereinheit (10) durch Erfassung und Differenzbildung der Drücke (P1, P2) vor und nach dem Abscheider (9) eine Diagnose des Partikelfilters (4) durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt zur Verwendung in einer elektronischen Steuereinheit (10) zur Überwachung eines Partikelfilters (4) im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (1) und/oder zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche.