DE102020204823A1

DE102020204823A1 - Verfahren und Recheneinheit zur Diagnose eines Partikelsensors

Info

Publication number: DE102020204823A1
Application number: DE102020204823.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Raeder; Jan Rheingans
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelsensors (20, 22) sowie ein Computerprogramm und eine Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens, umfassend ein Erfassen (210) des Beginns einer Regenerationsphase für den Partikelsensor (20, 22); ein Messen (220, 230) einer Zeit, die seit Beginn der Regenerationsphase abgelaufen ist; ein Prüfen (240), ob eine Messphase des Partikelsensors eingeleitet wurde; und falls das Messen der Zeit ergibt, dass eine vorgegebene Maximalzeit abgelaufen ist, ohne dass eine Messphase des Partikelsensors eingeleitet wurde, ein Ausgeben (270) eines Fehlersignals für den Partikelsensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelsensors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren erzeugen Rußpartikel im Abgas, für die zunehmend strenge Grenzwerte gültig sind. Daher werden in Dieselmotoren, aber auch in Ottomotoren Rußfilter bzw. Partikelfilter im Abgasnachbehandlungssystem genutzt. Die Leistungsfähigkeit eines verbauten Partikelfilters im Abgasstrom kann beispielsweise durch geeignete Rußpartikelsensoren überwacht werden, deren Ausgangssignal durch eine Steuereinheit ausgewertet wird, um auf den Rußpartikelgehalt im Abgas zu schließen. Entsprechende Sensoren können zu verschiedenen Zwecken vor und/oder hinter einem Partikelfilter angeordnet werden.
Solche Sensoren können beispielsweise auf einem keramischen Grundsubstrat zwei kammartige, ineinandergreifende Elektroden umfassen, bei denen eine Anlagerung von leitenden Rußpartikeln dafür sorgt, dass sich die Impedanz der Elektroden in Abhängigkeit von der angelagerten Rußmenge verändert. Mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensorfläche wird auf diese Weise ein abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung zwischen den Elektroden messbar.
Dabei kann ein resistiver Partikelsensor nur bis zu einer gewissen Maximalbeladung ein sinnvoll auswertbares Signal liefern; darüber wird der Widerstand nicht mehr nennenswert absinken bzw. der gemessene Strom nicht mehr wesentlich ansteigen. Daher kann ein Partikelsensor durch Pyrolyse regeneriert werden, indem er auf eine geeignete Temperatur aufgeheizt wird, bei der ein Abbrand der abgelagerten Rußpartikel möglich ist. Der Sensor kann beispielsweise durch Heizelemente auf der Rückseite des Keramiksubstrats aufgeheizt werden. Die Heizelemente können außerdem verwendet werden, um den Sensor auf einer relativ konstanten Betriebstemperatur zu halten, da die Leitfähigkeit auch von der Temperatur beeinflusst wird. Üblicherweise wird ein Messzyklus für Diagnosezwecke im Fahrzeug mit einer solchen Regeneration des Sensors gestartet, und nach Erreichen eines Diagnoseergebnisses wird wieder vollständig regeneriert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelsensors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, bei einem Partikelsensor die Zeit zwischen Beginn einer Regenerationsphase für den Partikelsensor und dem eigentlichen Messbeginn zu messen und davon abhängig einen Zustand des Partikelsensors zu bewerten. Auf diese Weise kann eine sehr einfache Beurteilung des Erfolgs einer Regenerationsphase eines Partikelsensors vorgenommen werden. Ebenso können auch Rückschlüsse darüber gezogen werden, ob der Partikelsensor oder Teile davon (etwa eine Steuereinheit oder Schnittstellen zum Motorsteuergerät) manipuliert wurden, oder ob möglicherweise eine Fehlfunktion des Sensors vorliegt, bei der z.B. die vorgegebenen Temperaturen nicht mehr erreicht oder gehalten werden können.
Dabei kann ein Signal übermittelt werden, insbesondere vom Partikelsensor bzw. dessen Sensorsteuereinheit zum Motorsteuergerät, welches eine erfolgreiche Regenerationsphase des Partikelsensors anzeigt, sobald eine Messphase eingeleitet wurde. Die eingeleitete Messphase weist darauf hin, dass zuvor die Regeneration erfolgreich abgeschlossen wurde. Ein derartiges Signal kann beispielsweise auch an eine andere Steuereinheit übermittelt werden oder in einem Speicherelement zu Diagnosezwecken, z.B. gemäß den Vorgaben einer OnBoard-Diagnose (OBD), abgespeichert werden.
Dabei kann optional das Signal, welches eine erfolgreiche Regenerationsphase anzeigt, erst nach Ablauf der vorgegebenen Maximalzeit gebildet oder übermittelt werden, um beispielsweise OBD-Vorgaben für die Diagnose einzuhalten.
Eine Möglichkeit zum Bestimmen der Maximalzeit kann zumindest eine vorgegebene maximale Anzahl von Regenerationsversuchen und eine maximale Dauer eines einzelnen Regenerationsversuchs des Partikelsensors berücksichtigen. Zusätzlich können beispielsweise Pausen zwischen jeweils zwei Regenerationsversuchen einberechnet werden. Die Maximalzeit kann auch im Voraus festgelegt und auf geeignete Weise abgespeichert sein. Diese Maximalzeit beschreibt somit die Zeit, die höchstens verstreichen darf, bis unter allen zulässigen Umständen eine Regeneration erfolgreich abgeschlossen sein müsste.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann die Erfassung des Beginns einer Regenerationsphase erreicht werden, indem geprüft wird, ob ein oder mehrere vorbestimmte Signale zur Regeneration an den Partikelsensor und/oder an eine Sensorsteuereinheit des Partikelsensors übermittelt wurden. Sobald alle erforderlichen Signale übermittelt wurden, kann dann die Zeitmessung gestartet werden.
Derartige Verfahren können beispielsweise für einen resistiven Partikelsensor angewendet werden. Insbesondere kann es sich dabei um einen Partikelsensor handeln, der eine eigene dezidierte Sensorsteuereinheit aufweist. Ebenso kann aber auch eine Steuereinheit für mehrere Sensoren oder für zusätzliche Zwecke vorgesehen sein.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt einen Bereich eines Abgasstrangs mit Partikelsensoren, in dem Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können; und
2 zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch ein System, in dem beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können. Ein Verbrennungsmotor 10, der als Dieselmotor ausgeführt sein kann, bekommt Verbrennungsluft über eine Luftzuführung 11 zugeführt. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgasstrang 17 abgeführt, in dem mindestens ein Partikelfilter 16 angeordnet ist. An geeigneten Stellen des Abgasstrangs kann mindestens ein Partikelsensor 20, 22 angeordnet sein, z.B. stromaufwärts vor (20) und/oder stromabwärts nach (22) dem Partikelfilter 16. Dabei kann es sich bei den Partikelsensoren 20, 22 beispielsweise um resistive Partikelsensoren handeln, die mit einer geeigneten Sensorsteuereinheit 14 verbunden sind. Alternativ zu der gemeinsamen Steuereinheit 14 kann zumindest ein Teil der Partikelsensoren auch mit einem eigenen Sensorsteuergerät ausgestattet sein, das beispielsweise integral mit dem jeweiligen Sensor 20, 22 ausgebildet sein kann und nur für die Steuerung des jeweiligen Partikelsensors vorgesehen ist, was auch als „Smartsensor“-Konzept bezeichnet werden kann. Auf diese Weise kann ein Sensor mit minimalen Signalen aus einem Motorsteuergerät oder einer anderen ansteuernden Einheit auskommen.
Auch der Partikelfilter 16 kann optional mit der Steuereinheit 14 oder einer anderen Steuereinheit, z.B. dem Motorsteuergerät (nicht gezeigt) verbunden sein. Die Steuereinheiten können untereinander wiederum geeignet verbunden sein, um Daten zu übermitteln und die Funktionsweise aller Elemente aufeinander abzustimmen; beispielsweise kann ein Sensorsteuergerät eines Partikelsensors direkt mit einem Motorsteuergerät verbunden sein und/oder mit einer Steuereinheit 14, die z.B. zur Steuerung der Abgasbehandlung eingerichtet ist. Ebenso kann auch eine gemeinsame Steuereinheit 14, die mehrere Partikelsensoren und optional weitere Elemente steuern kann, mit einem Motorsteuergerät verbunden sein. Dabei können je nach Ausführungsform geeignete Softwaremodule in den jeweiligen Steuereinheiten vorhanden sein, um beispielsweise die Regeneration des Partikelfilters 16 oder eine Regeneration eines Partikelsensors 20, 22 durch Aufheizen der Elemente anzusteuern.
Der Partikelsensor ist in der Lage, bei Anlegen einer Messspannung ein Signal auszugeben, das die Beladung des Sensors mit Rußpartikeln wiedergibt. Das Signal kann als Strom bzw. als Widerstand des Partikelsensorelements ausgegeben werden. Weitere fachübliche Bestandteile des Abgasstrangs und des Abgasnachbehandlungssystems, wie z.B. Katalysatoren, andere Filter und Sensoren (wie etwa Lambdasonden, Temperatursensoren und andere), sind in dieser Figur nicht gezeigt.
Um einen definierten Messzustand zu erreichen, kann ein derartiger Sensor 20, 22 zu festgelegten Zeitpunkten, beispielsweise vor jeder Messphase, regeneriert werden, d.h. auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden, um die Messelektroden von eventuell vorhandenen Rückständen zu befreien. Dazu wird der Sensor für eine vorgegebene Zeit oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur gehalten. Die Zeit, die für eine Regeneration erforderlich ist, kann dabei unter anderem abhängig vom Sensordesign, von der Einbauposition des Sensors und vom Partikelgehalt im Abgas abhängig sein.
2 zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform. Die beschriebenen Schritte können beispielsweise in einer geeigneten Steuereinheit durchgeführt werden, etwa in einem Motorsteuergerät, das mit einem oder mehreren Partikelsensoren bzw. zugehörigen Sensorsteuereinheiten verbunden ist.
Es kann zunächst in Schritt 200 eine Maximalzeit festgelegt werden, die der Zeit entsprechen soll, die maximal für eine abgeschlossene Regeneration des Partikelsensors erwartet wird. Dabei kann auch mit berücksichtigt werden, dass optional mehrere Regenerationsversuche zulässig sind, bis eine erfolgreiche Regeneration durchgeführt wurde. Die Anzahl der erlaubten Regenerationsversuche kann dabei bereits fest vorgegeben sein, durch eine Eingabe bei einer Sensorkalibrierung erfasst werden und/oder abhängig von weiteren Bedingungen bestimmt werden. Das Festlegen der Maximalzeit kann also beispielsweise auch das Abrufen eines entsprechenden vorgegebenen Zeitparameters aus einem Speicherelement umfassen.
Die erwartete Maximalzeit kann bestimmt werden, indem die vorgegebene Zeit für einen einzelnen Regenerationsversuch mit der Anzahl der erlaubten Regenerationsversuche multipliziert wird. Darüber hinaus kann eine Wartezeit berücksichtigt werden, die nach einem bzw. zwischen zwei Regenerationsversuchen abgewartet werden soll.
Falls jeweils eine Pause mit einer Dauer von to zwischen zwei Versuchen eingehalten werden soll und ein einzelner Regenerationsversuch eine erwartete Zeit treg andauert, ergibt sich die erwartete Maximalzeit t_max für eine Regenerationsphase bei einer erlaubten Anzahl n von Regenerationsversuchen als $t_{max} = n \cdot t_{reg} + (n - 1) \cdot t_{0}$
Ebenso kann die Maximalzeit t_max aber auch auf andere Weise bestimmt oder vorgegeben sein. Es ist auch grundsätzlich möglich, einzelne Parameter bei dieser Bestimmung abhängig von anderen Parametern anzugeben, z.B. in Abhängigkeit von der angewendeten Aufheiztemperatur, die zur Regeneration des Sensors verwendet werden soll.
Die Maximalzeit t_max muss nicht für jede Regenerationsphase erneut bestimmt werden, sondern kann einmalig oder unter bestimmten Bedingungen festgelegt werden und später für jede Regenerationsphase des Partikelsensors angewendet werden.
Sobald eine Regenerationsphase eines Partikelsensors begonnen wird, kann in Schritt 220 eine Zeitmessung gestartet werden. Dabei kann der Beginn der Regenerationsphase beispielsweise bestimmt werden, indem geprüft wird, ob alle für eine Regeneration erforderlichen Signale an den Partikelsensor bzw. an ein Sensorsteuergerät gesendet wurden. Sobald diese Signale übermittelt wurden, kann die Zeitmessung gestartet werden. Dabei kann es sich bei den übermittelten Signalen beispielsweise um ein Signal handeln, das die Aufheizung des resistiven Sensors einleitet.
Es kann nun kontinuierlich bzw. in regelmäßigen Intervallen in Schritt 230 geprüft werden, ob die in Schritt 200 festgelegte Maximalzeit erreicht wurde. Außerdem kann gemäß Schritt 240 geprüft werden, ob eine Messphase des Partikelsensors begonnen wurde, beispielsweise indem überprüft wird, ob ein Sensorsteuergerät des Partikelsensors ein entsprechendes Signal übermittelt hat, das den Beginn der Messphase anzeigt. Dabei können die Prüfungen der Schritte 230 und 240 auch in umgekehrter Reihenfolge und/oder parallel stattfinden.
Falls dabei in Schritt 230 festgestellt wird, dass die Maximalzeit t_max erreicht wurde, aber bisher keine eingeleitete Messphase des Partikelsensors erfasst wurde, kann von einer Fehlfunktion ausgegangen werden. Damit kann in Schritt 270 ein entsprechendes Fehlersignal erzeugt werden, das lokal abgespeichert oder an eine andere Einheit oder ein Steuergerät gesendet wird. Die Feststellung, dass innerhalb der Maximalzeit t_max keine Messphase begonnen wurde, kann beispielsweise darauf schließen lassen, dass innerhalb der vorgegebenen Anzahl n von Versuchen keine erfolgreiche Regeneration des Sensors stattgefunden hat. Dies kann etwa darauf hinweisen, dass zumindest ein Teil der Sensorfunktionen nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert, oder auch darauf, dass der Sensor bzw. das zugehörige Sensorsteuergerät oder eine Schnittstelle zwischen Motorsteuergerät und Sensorsteuergerät aktiv manipuliert wurde. Falls beispielsweise der Partikelsensor die erforderliche Mindesttemperatur nicht mehr erreicht oder nicht mehr für ausreichende Zeit halten kann, kann eine Regeneration nicht korrekt abgeschlossen werden.
Nach einer erfolgen Fehlermeldung gemäß Schritt 270 kann vorgegeben sein, dass vor einer Messphase der gesamte Regenerationszyklus erneut startet, oder es können andere Maßnahmen vorgegeben sein, z.B. ein Warnsignal an einen Nutzer, der einen nicht funktionsfähigen Partikelsensor ausgibt. Ebenso ist auch denkbar, dass auf Grundlage der fehlerhaften Regeneration die in Schritt 200 bestimmte Maximalzeit abgeändert werden kann, z.B. indem die Anzahl der erlaubten Regenerationsversuche erhöht wird.
Falls dagegen in Schritt 240 der Beginn einer Messphase des Sensors erfasst wird und die Maximalzeit t_max bis dahin noch nicht abgelaufen ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Sensorregeneration innerhalb der vorgegebenen Zeit erfolgreich stattgefunden hat. Je nach Vorgabe kann nun sofort oder später in Schritt 260 ein entsprechendes Signal übermittelt und/oder abgespeichert werden, das einen erfolgreichen Abschluss der Regenerationsphase anzeigt. Um gesetzlichen Vorgaben (z.B. in Bezug auf die OnBoard-Diagnose) zu genügen, kann beispielsweise auch festgelegt sein, dass die Zeitmessung auch nach erfasstem Beginn einer Messphase fortgesetzt wird, wobei weiterhin in Schritt 250 geprüft werden kann, ob die vorgegebene Maximalzeit abgelaufen ist, und erst bei Ablauf der Maximalzeit das Signal zur erfolgreichen Sensorregeneration in Schritt 260 übermittelt wird.
Damit kann eine vereinfachte Diagnose des Regenerationserfolgs eines Partikelsensors umgesetzt werden. Außerdem kann auf Manipulationen geschlossen werden, die an einem der Steuergeräte, an den verwendeten Schnittstellen oder an den Sensoren
Das beschriebene Verfahren und seine Varianten können für jeden Partikelsensor eingesetzt werden, der eine Regenerationsphase benötigt, unabhängig z.B. von seiner Funktion und Lage im Abgasstrang. Dies gilt insbesondere für resistive Partikelsensoren. Falls mehrere Partikelsensoren vorhanden sind, können die verwendeten Parameter auch beispielsweise für alle Sensoren gleich oder für jeden Sensor einzeln festgelegt sein, etwa die Anzahl der erlaubten Regenerationsversuche oder die Zeit, die für eine Regeneration benötigt wird. Die Zeitmessung kann auf geeignete Art in einem Software- oder Hardwaremodul vorgenommen werden, wobei auch mehrere Zeitmessungen parallel stattfinden können, falls sich beispielsweise mehrere Partikelsensoren gleichzeitig in einer Regenerationsphase befinden. Ebenso kann eine Partikelsensorregeneration optional parallel zu einer Regeneration eines zugehörigen Partikelfilters stattfinden.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Partikelsensors (20, 22), umfassend: Erfassen (210) des Beginns einer Regenerationsphase für den Partikelsensor (20, 22); Messen (220, 230) einer Zeit, die seit Beginn der Regenerationsphase abgelaufen ist; Prüfen (240), ob eine Messphase des Partikelsensors eingeleitet wurde; und falls das Messen der Zeit ergibt, dass eine vorgegebene Maximalzeit abgelaufen ist, ohne dass eine Messphase des Partikelsensors eingeleitet wurde, Ausgeben (270) eines Fehlersignals für den Partikelsensor.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Übermitteln (260) eines Signals, welches eine erfolgreiche Regenerationsphase des Partikelsensors anzeigt, falls eine Messphase eingeleitet wurde (240), bevor die vorgegebene Maximalzeit abgelaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Signal (260), welches eine erfolgreiche Regenerationsphase anzeigt, erst nach Ablauf (250) der vorgegebenen Maximalzeit übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Festlegen (200) der vorgegebenen Maximalzeit zumindest aus einer vorgegebenen Anzahl von Regenerationsversuchen und einer Dauer eines einzelnen Regenerationsversuchs des Partikelsensors.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen (210) des Beginns einer Regenerationsphase umfasst: Prüfen, ob ein oder mehrere vorbestimmte Signale zur Regeneration an den Partikelsensor und/oder an eine Sensorsteuereinheit des Partikelsensors übermittelt wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Partikelsensor (20, 22) ein resistiver Partikelsensor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Partikelsensor (20, 22) eine Sensorsteuereinheit aufweist.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.