DE10316809B4

DE10316809B4 - Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE10316809B4
Application number: DE10316809A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr. Rabl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: DE10316809A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters für Dieselpartikel im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, die mit Kraftstoff mit bekanntem oder zu ermittelndem Schwefelgehalt betankt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
– Stromabwärts von dem Partikelfilter (18) ist ein Schwefeldioxid-Sensor (20) vorgesehen, der die Schwefeldioxidkonzentration im Abgas fühlt,
– die aktuelle Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter wird ermittelt und
– aus der Abweichung der Schwefeldioxidkonzentrationen vor und nach dem Partikelfilter wird ein Befüllungszustand für den Partikelfilter ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters für Dieselpartikel im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.

In dem Fachaufsatz von Hans-Otto Herrmann et al. in MTZ 9/2001, Seite 652ff „Partikelfiltersysteme für Diesel-PKW" wird erläutert, dass Partikelfilter derzeit die einzig technische Lösung darstellen, den Ausstoß von Dieselpartikeln um mehr als 90% zu senken. Als wesentliche Herausforderung in der Partikelfiltertechnik wird die Regeneration der Filter durch Verbrennung gesehen. Zu ihrer Oxidation mit dem im mageren Dieselabgas vorhandenen Sauerstoff ist eine Temperatur von über 600°C erforderlich, die von modernen Dieselmotoren im Abgasstrang stromabwärts des Turboladers selbst unter Volllastbedingungen kaum erreicht wird. Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, die gewährleisten, dass der Filter bei einer entsprechenden Beladung sicher regeneriert und nicht überladen wird. Diese beiden Strategien werden als diskontinuierliche Regeneration und als kontinuierliche Regeneration bezeichnet. Zum besseren Verständnis sei noch erwähnt, dass beide Strategien sich jeweils noch in aktive und in passive Regenerationsmaßnahmen unterscheiden lassen, wobei bei den aktiven Systemen zusätzliche Wärme zur Regeneration zugeführt wird und bei den passiven Systemen in der Regel katalytische Effekte, beispielsweise durch Kraftstoffadditive, ausgenutzt werden.

Unabhängig davon, welcher Partikelfilter nun eingesetzt wird, ist zur Minimierung des Kraftstoffmehrverbrauchs eine ausreichend genaue Diagnose des Filterzustands erforderlich. Eine zuverlässige Regeneration wird zusätzlich dadurch erschwert, dass im Stadtverkehr bei Einhaltung der Fahrbarkeit des Fahrzeugs, die durch eine Nacheinspritzung erzielbaren Temperatu ren nicht immer ausreichend hoch sind, um einen vollständigen und schnellen Abbrand der akkumulierten Partikelmasse zu erzielen. In dem Fachaufsatz wird auf ein Computerprogramm hingewiesen, dass ausgehend von dem Abgasvolumenstrom- und dem Temperaturverlauf vor dem Filter eine Diagnose des Partikelfilters durchführt.

Ebenfalls in dem Artikel angesprochen wird ein allgemein verwendetes Verfahren zur Diagnose der Partikelfilter, bei dem der Druckverlust an dem Partikelfilter zwischen einer stromauf und stromab des Partikelfilters angeordneten Messstelle ausgewertet wird. Der Gesamtdruckabfall setzt sich dabei zusammen aus dem Druckverlust des Partikelfilters ohne Partikelbeladung und dem Druckverlust an der abgelagerten Partikelschicht. Das Verfahren ist jedoch sehr ungenau, da einerseits die Differenzdrücke von Druckpulsationen der Brennkraftmaschine überlagert werden und zum anderen der Druckabfall über den Partikelfilter vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängig ist. Eine exakte Diagnose der vollständigen Regenerierung des Partikelfilters ist nicht möglich.

Ein von der Firma Toyota als DPNR (Diesel Particulate-NOx Reduction) bezeichnetes System dient zur Verminderung von Partikeln und Stickoxiden. Es besteht die Vermutung, dass die Diagnose des Systems hierbei über einen Temperatursensor erfolgt, der in dem Partikelfilter angeordnet, bei der Oxidation der Partikel freigesetzte Wärme fühlt. Die Bilanzierung dieser Wärme liefert einen Hinweis auf die oxidierte Rußmenge. Jedoch ist die Bilanzierung der Wärme großen Unsicherheiten unterworfen aufgrund von Temperaturschwankung, Trägheit des Systems und dergleichen, so dass die Diagnose des Partikelfilters nur sehr ungenau möglich ist.

Eine alternativer Ansatz ist beispielsweise der von Rolf Brück et al. von der Firma EMITEC GmbH in dem Fachartikel „Metal Supported Flow-Through Particulate Trap; a Non- Blocking Solution" (Veröffentlichungs-Nr. 2001-01-1950) vorgestellte offene Metallträgerfilter, der als eine Kombination aus Tiefenfilter und Trägheitsabschneider konzipiert ist. Eine Diagnose dieses Filters ist jedoch nicht bekannt.

Des Weiteren wird in der EP 1 154 130 A1 ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden und Rußpartikeln aus dem mageren Abgas eines Verbrennungsmotors beschrieben, wobei das Abgas auch geringe Konzentrationen an Schwefeloxiden enthält.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom über einen Stickoxid-Speicherkatalysator und ein Partikelfilter geleitet wird, wobei Stickoxide und Schwefeloxide vom Speicherkatalysator unter mageren Abgasbedingungen adsorbiert und die Rußpartikel auf dem Partikelfilter abgeschieden werden und dass der Speicherkatalysator in einem ersten Zyklus periodisch durch Anfetten des Abgases denitriert wird. Die Regenration des Partikelfilters und die Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators werden in einem zweiten Zyklus vorgenommen, indem die Temperatur des mageren Abgases auf einen Wert erhöht wird, bei dem der Rußabbrand auf dem Partikelfilter gezündet und danach der Speicherkatalysator durch Anfetten des Abgases desulfatisiert werden können.

Zudem geht aus der DE 101 15 962 A1 ein Verfahren zur Entschwefelung eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators hervor, bei dem der NOx-Speicherkatalysator auf eine Mindest-Entschwefelungstemperatur aufgeheizt wird und während der Entschwefelung zumindest zeitweise mit einem fetten Abgas (λ<1) beaufschlagt wird. Zur Optimierung des Energie- und Reduktionsmittelbedarfs ist vorgesehen, dass in einer ersten Phase der Entschwefelung der NOx-Speicherkatalysator auf eine Katalysatortemperatur oberhalb der Mindest-Entschwefelungstemperatur aufgeheizt und ein nur leicht fettes Abgas im Bereich von λ=0,97 bis 0,999 vorgegeben wird. Des Weiteren wird eine Dauer der ersten Phase in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zeitraum und/oder einem vorgebbaren Sauerstoffspeicherwert und/oder eine Erkennung eines Reduktionsmitteldurchbruchs durch eine gassensitive Messeinrichtung stromab des NOx-Speicherkatalysators und/oder einen kumulierten Schwefelaustrag bestimmt. Sodann wird in einer nachgeschalteten zweiten Phase der Entschwefelung die Katalysatortemperatur auf in etwa die Mindest-Entschwefelungstemperatur abgesenkt und zumindest zeitweise ein fettes Abgas im Bereich von λ=0,85 bis 0,95 vorgegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose des Partikelfilters für diese Dieselpartikel im Abgastrakt bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln zuverlässig Befüllungsgrad und Betriebsfähigkeit des Partikelfilters diagnostiziert.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 wird stromabwärts von dem Partikelfilter ein Schwefeldioxid-Sensor vorgesehen, der die Schwefeldioxidkonzentration im Abgas fühlt. Bevorzugt wird abhängig von mindestens einer Kenngröße der Brennkraftmaschine die aktuell erzeugte Schwefeldioxidkonzentration stromabwärts von dem Partikelfilter berechnet. Allgemein reicht jedoch für das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Schwefeldioxidkonzentration stromaufwärts von dem Partikelfilter ermittelt wird, z.B. durch einen SO₂-Sensor. Aus der Abweichung der Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter und der gefühlten Schwefeldioxidkonzentration nach dem Partikelfilter wird ein Befüllungszustand für den Partikelfilter ermittelt. Dem Einsatz eines Schwefeldioxidsensors liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch einen Abbrand der Rußpartikel in dem Filter Schwefeldioxid freigesetzt wird. Kraftstoffe als fossile Energieträger enthalten Schwefel, der bei der motorischen Verbrennung zu Schwefeldioxid oxidiert wird. Liegen im Abgas Rußpartikel vor, so wird das Schwefeldioxid an den Rußpartikeln als Sulfat nahezu vollständig gespeichert. In der Folge wird Schwefeldioxid in der Gasphase nicht detektiert. Die Rußpartikel einschließlich des als Sulfat gebundenen Schwefels werden in dem Partikel filter abgeschieden. Die Aufnahmekapazität des Partikelfilters ist jedoch begrenzt, so dass je nach Bauart des Partikelfilters ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Rußabbrand erforderlich ist. Ziel des Rußabbrandes ist es, die Rußpartikel nachträglich zu verbrennen, dabei entstehen als Endprodukte CO₂ und H₂O sowie SO₂. Das freigesetzte SO₂ liegt nun gasförmig vor und ist einer Messung durch den stromabwärts vom Partikelfilter angeordneten Schwefeldioxidsensor zugänglich. Die Menge des detektierten gasförmigen Schwefeldioxid bezogen auf das eingebrachte Schwefeldioxid wird als Maß für den Rußabbrand verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit deutlich genauer und zuverlässiger als bisherige Verfahren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Diagnose eines diskontinuierlichen arbeitenden Partikelfilters, die Abweichung der Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter und die gefühlte Schwefeldioxidkonzentration nach dem Partikelfilter anschließend an eine erste Regenerationsphase ermittelt.

Bei einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens wird das Partikelfilter als funktionsfähig und vollständig regeneriert erkannt, wenn die Schwefeldioxidmenge vor dem Katalysator nicht um mindestens einen vorbestimmten ersten Schwellenwert größer als die Schwefeldioxidmenge nach dem Katalysator ist. Bei dieser Konstellation des diskontinuierlichen arbeitenden Partikelfilters steht fest, dass Schwefeldioxid in Form von Sulfat mit Rußpartikeln im Partikelfilter eingelagert wurde.

Eine zweite Regenerationsphase für den Partikelfilter wird ausgelöst, wenn die Schwefeldioxidmenge vor dem Katalysator nicht um den vorbestimmten ersten Schwellenwert größer als die Schwefeldioxidmenge nach dem Partikelfilter ist. In diesem Fall können im wesentlichen zwei Fehlerursachen vorliegen. Einerseits kann der Partikelfilter beschädigt sein und/oder die Regeneration ist nicht vollständig erfolgt. Zur eindeutigen Klärung ist eine zweite Regenerationsphase erforderlich, so genannte Totalregeneration oder vollständige Regeneration. Hierbei wird sichergestellt, dass die Regeneration über eine Mindestdauer erfolgt und nicht unterbrochen wird.

Nach der zweiten Regenerationsphase wird der Partikelfilter als funktionsfähig und vollständig regeneriert erkannt, wenn die Schwefeldioxidmenge vor dem Katalysator nicht um mindestens einen ersten Schwellenwert größer als die Schwefeldioxidmenge nach dem Katalysator ist.

In einer bevorzugten Weiterführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens wird für den Fall, dass die in der zweiten Regenerationsphase nach dem Partikelfilter abgegebene Schwefeldioxidmenge einen zweiten Schwellenwert nicht überschreitet, das Partikelfilter als nicht funktionsfähig erkannt. In diesem Fall können entsprechende Warnsignale an die Motorsteuerung weitergeleitet und von dieser entsprechende Schritte ausgelöst werden.

Bei einem kontinuierlich arbeitenden Partikelfilter wird für einen konstanten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein aktueller Regenerationsgrad (R) für das Partikelfilter bestimmt, der als Quotient aus Schwefeldioxidmassenstrom stromabwärts und stromaufwärts definiert ist. Ein Regenerationsgrad von 1 bedeutet somit, dass ein konstanter Schwefelmassenstrom durch das Partikelfilter tritt, weil abgeschiedene Rußpartikel unmittelbar regeneriert und deshalb nicht abgelagert werden.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein integrierter Regenerationsgrad aus der über die Zeit aufintegrierten Schwefeldioxidmasse stromabwärts und stromaufwärts des Partikelfilters bestimmt.

Ergibt sich nun für das kontinuierlich arbeitende Partikelfilter, dass der integrierte Regenerationsgrad größer als ein vorbestimmter dritter Schwellenwert ist, wird das Partikelfilter als funktionsfähig eingestuft.

Wenn der integrierte Regenerationsgrad jedoch nicht größer als der vorbestimmte dritte Schwellenwert ist der aktuelle Regenerationsgrad kleiner oder gleich einen vierten Schwellenwert ist, werden Regenerationsprobleme für das Partikelfilter erkannt, ansonsten beginnt das Verfahren wieder mit der Berechnung des integrierten Regenerationsgrades.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt sowohl in der Variante für kontinuierlich als auch für diskontinuierlich arbeitende Partikelfilter voraus, dass die Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter bekannt ist. Neben dem Ansatz, dass auch vor der Partikelfilter ein Schwefel-Sensor vorgesehen ist, kann die Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter auch berechnet werden. Hierzu ist es erforderlich, dass der Schwefelgehalt des getankten Kraftstoffs ermittelt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der aktuelle Regenerationsgrad des Partikelfilters vor und nach einem Betanken mit Kraftstoff ermittelt und ein Wert für den Schwefelgehalt in dem getankten Kraftstoff aufgrund der geänderten Regenerationsgrade adaptiert. Diesem Verfahren liegt die Annahme zugrunde, dass sich der Befüllungszustand des Partikelfilters vor und nach dem Betanken nur unwesentlich ändert, so dass bei vergleichbaren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, die aktuellen Befüllungsgrade vor und nach dem Tanken einander entsprechen müssen und aus deren Abweichung der Schwefelgehalt des Kraftstoffs ermittelt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen Dieselmotor mit einem Partikelfilter im Abgastrakt in einer schematischen Ansicht,
2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl für einen kontinuierlich als auch für einen diskontinuierlich arbeitenden Partikelfilter,
3 die SO₂-Bilanz nach Regeneration eines Partikelfilters bei diskontinuierlichem Betrieb,
4 die SO₂-Bildung bei kontinuierlicher Regeneration des Partikelfilters,
5 das Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren bei einem diskontinuierlich arbeitenden Partikelfilter,
6 die Schwefeldioxidbilanz über der Zeit nach einer diskontinuierlichen Regeneration,
7 das Ablaufverfahren zur Steuerung der diskontinuierlichen Regeneration,
8 verdeutlicht die Berechnung eines Beladungsgrades während der Regeneration, um das Ende der Regenerationsphase zu bestimmen,
9 das Flussdiagramm für die Beendigung der Regenerationsphase,
10 das Ablaufdiagramm für das Diagnoseverfahren bei einem kontinuierlich arbeitenden Partikelfilter und
11 das Verfahren zur Adaption an die Schwefeldioxidkonzentration eines Kraftstoffs.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Dieselmotors mit einem Dieseltank 10 aus dem über eine Kraftstoffleitung 12 Dieselkraftstoff gefördert wird. Der Dieselkraftstoff wird in die Brennkraftmaschine 14 eingebracht und dort verbrannt. Von der Brennkraftmaschine 14 sind lediglich beispielhaft vier Zylinder dargestellt. Die bei der Verbrennung erzeugten Abgase werden über die Abgasleitung 16 von der Brennkraftmaschine 14 fortgeführt. In der Abgasleitung 16 kann zusätzlich auch die Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen sein.
In der Abgasleitung 16 befindet sich ein Diesel-Partikelfilter (DPF) 18. Stromabwärts von dem Diesel-Partikelfilter ist ein Sensor 20 vorgesehen, der den Schwefeldioxidgehalt in dem Abgas stromabwärts von dem Diesel-Partikelfilter fühlt. Die Messwerte des Sensors 20 werden an eine Motorsteuerung 22 weitergeleitet. Die Motorsteuerung 22 regelt und steuert die Brennkraftmaschine 14. Hierfür gibt die Motorsteuerung Steuersignale 24 für den Betrieb der Brennkraftmaschine vor und erhält Istwerte 26 zurück.
Aufgrund der hohen Abscheiderate für Festpartikel jeder Art belegen sich Filter rasch. Die Belegung mit brennbaren Bestandteilen (Ruß) erfolgt innerhalb von wenigen Stunden. Dies variiert, je nach Rohemission des Motors, Betriebsweise, Schmierölverbrauch, Brennstoff und Schmieröl-Eigenschaften und Filter-Charakteristik. In allen Fällen aber muss der brennbare Rückstand, aus elementarem Kohlenstoff und organischem Kohlenwasserstoff, relativ häufig durch Verbrennung entfernt werden. Dieser Vorgang wird als Regeneration bezeichnet. Die Regeneration sollte, um rückstandsfrei zu sein, möglichst so erfolgen, dass nur CO₂ und Wasser entstehen. Dieser Idealfall wird häufig nicht ganz erreicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Diagnose des Partikelfilters ausgenutzt, dass bei der Verbrennung von Ruß an diesem anhaftender Schwefel wieder frei wird. Das bei der Verbrennung entstehende Schwefeldioxid wird an den Rußpartikeln als Sulfat abgelagert. Die Ablagerung erfolgt nahezu vollständig, so dass Schwefeldioxid in der Gasphase nicht länger vorhanden ist. Erfolgt in dem Partikelfilter der Rußabbrand, so wird der in Form von Sulfat abgelagerte Schwefel wieder als Schwefeldioxid freigesetzt. Die Menge an freigesetztem Schwefeldioxid beim Rußabbrand ist ein Maß für die Menge an eingelagerten Rußpartikeln und somit ein Indikator für den Beladungsgrad des Diesel-Partikelfilters. Gleichzeitig dient der vollständig abgebrannte Ruß als Indikator dafür, dass das Partikelfilter einwandfrei funktioniert.
2 zeigt in einem Blockdiagramm, die unterschiedliche Arbeitsweise eines Schwefeleinlagerungsmodells. Zur Bilanzierung des Kraftstoffschwefels stromaufwärts des Partikelfilters sei angenommen, dass x_S der Anteil des Schwefels im Kraftstoff sei und m_Kr der Massenstrom an Kraftstoff, der in der Brennkraftmaschine verbraucht wird, und m_Ab der Massenstrom an Abgas sowie A der Abscheidegrad.
Der Massenstrom an Schwefel, der über den Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeführt und über das Abgas ausgetragen wird, ergibt sich zu:
Die in einer Zeitspanne 0 bis t vom Motor emittierte Schwefelmasse ergibt sich als Integral über den Massenstrom, wobei der Anteil des Schwefels im Kraftstoff bei einer Tankfüllung als zeitlich konstant angenommen werden kann. Die vom Partikelfilter gespeicherte Schwefelmasse ergibt sich als: S-Speicher = mS – A.
Für sogenannte Tiefenfilter ist der Abscheidegrad A ungefähr gleich 1.
Stromab des Partikelfilters wird die Schwefeldioxidkonzentration gemessen, beispielsweise in ppm. Über die Molmasse und das molare Volumen wird diese Konzentration in eine Dichte [mg/m³] umgerechnet.
Die Berechnung des Massenstroms aus der gemessenen Konzentration an Schwefeldioxid erfolgt über den Volumenstrom des Abgases. Der Volumenstrom ergibt sich zu:
wobei zu berücksichtigen ist, dass die Dichte ρ_Abgas eine Funktion von Temperatur und Druck ist. Der Massenstrom an Schwefel ergibt sich aus oben genannter Gleichung. Die Masse an Schwefel, die aus dem Partikelfilter ausgetragen wird, ist das zeitliche Integral über den Massenstrom.
Das in 2 dargestellte Blockschaltbild besitzt ein Schwefeleinlagerungsmodell 28, an dem die Werte für die Schwefelrohemission 30 stromaufwärts des Partikelfilters und die gemessenen Werte 32 stromabwärts des Partikelfilters anliegen. Die Bestimmungen der Schwefeldioxidkonzentration stromaufwärts des Partikelfilters erfolgt entweder über den Kraftstoffschwefelgehalt 34 oder über einen Kraftstoffschwefelsensor 36. Auch eine Kombination beider Größen zur Bestimmung des Schwefelgehalts stromaufwärts des Partikelfilters ist möglich.
Zusätzlich liegen an dem Schwefeleinlagerungsmodell 28 noch als Eingangsgröße die Werte eines Partikelbeladungsmodells 38 an. Das Partikelbeladungsmodell kann beispielsweise einfach konstruiert sein, indem beispielsweise der Befüllungsgrad A auf den Wert 1 gesetzt wird.
Je nach Art des Partikelfilters ist nachfolgend bei der Diagnose des Filters zu unterscheiden, ob dieser kontinuierlich oder diskontinuierlich den Ruß abbrennt. Grundsätzlich sind auch Kombinationen beider Verfahren denkbar, beispielsweise bei einem kontinuierlichen Verfahren, bei dem durch besondere Maßnahmen neben dem kontinuierlichen Abbrand ein zusätzlicher Abbrand durchgeführt wird.
Bei dem diskontinuierlichen Verfahren erfolgt über das Schwefeleinlagerungsmodell eine Ansteuerung der Regenerationspha sen 40. Ebenfalls löst das Schwefeleinlagerungsmodell eine Partikelfilterdiagnose 42 aus.
Beim kontinuierlichen Verfahren wird über das Schwefeleinlagerungsmodell 28 der Regenerationsgrad 44 des Partikelfilters bestimmt. Aus dem Regenerationsgrad wird eine Partikelfilterdiagnose 46 durchgeführt.
3 zeigt beispielhaft den Verlauf der Schwefeldioxidkonzentration nach einer Regenerationsphase für das Partikelfilter, die im Zeitpunkt t₀ beginnt. Mit einer zeitlichen Verzögerung steigt die Schwefeldioxidkonzentration stromabwärts des Partikelfilters an. Die Dauer der erhöhten Schwefeldioxidkonzentration kann ein bis zehn Minuten betragen. Die über die Zeit aufintegrierte Schwefeldioxidkonzentration ergibt – bis auf Umrechnungsfaktoren – die Schwefeldioxidmenge.
4 zeigt die SO₂-Bildung bei kontinuierlicher Regeneration des Partikelfilters. Das kontinuierliche Verfahren beruht beispielsweise auf der Oxidation der Rußpartikel durch NO₂, da NO₂ gegenüber O₂ das stärkere Oxidationsmittel ist. Die Durchführbarkeit des Verfahrens ist jedoch an die Bildung von NO₂ aus NO gebunden. Der Bildungsbereich für NO₂ liegt im Temperaturbereich von 250-450°C. Außerhalb dieses Temperaturbereiches ist eine NO₂-Regeneration kaum möglich, die Rußpartikel werden somit nicht oxidiert und verbleiben im Partikelfilter.
In dem Zeitabschnitt A liegt ein stationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine vor, bei dem Last, Drehzahl, Gastemperatur und Abgasmenge konstant sind. Stromauf des Partikelfilters liegt eine konstante Schwefeldioxidkonzentration bzw. ein konstanter Schwefeldioxidmassenstrom vor (gestrichelt eingezeichnet). Durch die kontinuierliche Regeneration mit NO₂ wird Schwefeldioxid frei (durchgezogene Linie) und wird stromabwärts des Katalysators detektiert. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Regenerationsgrad R definiert, der das Verhältnis aus aktueller Emission (Konzentration oder Massenstrom) oder integraler Emission stromabwärts zu stromaufwärts des Partikelfilters darstellt:
In dem Zeitabschnitt A liegt der Regenerationsgrad bei ungefähr 50%, dass heißt, zu einem Zeitpunkt t werden ca. 50% der Partikel regeneriert, während der Rest im Partikelfilter verbleibt. Im weiteren zeitlichen Verlauf in 4 ist zu erkennen, dass stromab und stromauf des Partikelfilters Änderungen in der Schwefeldioxidkonzentration auftreten.
Die aktuelle Schwefeldioxidemission stromabwärts des Partikelfilters kann, wie beispielsweise im Abschnitt B, die Schwefeldioxidemission stromaufwärts des Partikelfilters überschreiten. Dies ist dann der Fall, wenn zusätzlich noch gespeicherte Partikel regeneriert werden. Der aktuelle Regenerationsgrad kann, wie beispielsweise in Abschnitt B dargestellt, größer als 1 werden.
Wird der Bereich für die kontinuierliche Regeneration verlassen, kann die Schwefeldioxidemission stromabwärts auf 0 sinken, wie im Zeitabschnitt C dargestellt. Im Abschnitt C beträgt der Wert des aktuellen Regenerationsgrads ebenfalls 0.
Im Gegensatz zum aktuellen Regenerationsgrad, der auf die zu einem Zeitpunkt erfolgte Regeneration abstellt, spiegelt der integrale Regenerationsgrad den Regenerationszustand des Partikelfilters wieder. Bei einem integralen Regenerationsgrad von 1 ist der Partikelfilter vollständig regeneriert, bei einem Wert von 0 erfolgt keine Regeneration.
Ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren bei einem diskontinuierlich arbeitenden Partikelfilter ist in 5 dargestellt. Zur Bewertung des Filterzustandes bzw. des Ab scheidegrades wird eine Differenzgröße D1 gebildet, welche die Abweichung zwischen Schwefeldioxidmenge vor dem Partikelfilter (S_Speicher) von der Schwefeldioxidmenge (S_Emission) nach dem Partikelfilter darstellt. Es sei: D1 = S_Speicher – S_Emission.
In einem ersten Schritt wird D1 mit einem Schwellenwert SW1 verglichen, wobei der Schwellenwert SW1 die Verluste an Schwefel berücksichtigt, die nicht in die Bilanzierung eingehen. Ergibt der Vergleich 48, dass die Differenz kleiner als der Schwellenwert SW1 ist, wird in Schritt 50 festgestellt, dass die Filterregeneration vollständig erfolgt und das Partikelfilter unbeschädigt ist.
Ist die Differenz größer als der Schwellenwert SW1, sind folgende Fehlerursachen möglich:
Das Partikelfilter kann beschädigt sein oder die Regeneration wurde nicht vollständig abgeschlossen. Es können auch beide Fehler vorliegen. Zur eindeutigen Klärung der Frage wird eine zweite, vollständige Regeneration 52 durchgeführt. Bei der zweiten Regeneration 52 wird sichergestellt, dass die Regeneration über eine Mindestdauer t_min erfolgt.
Nach der vollständigen Regeneration wird eine Differenzgröße D2 berechnet, bei der von der ersten Differenzgröße D1 die Schwefelmasse vor dem Speicher bei der zweiten Regeneration subtrahiert wird.: D2 = D1 – S-Speicher-2.
Ist die Differenzgröße D2 kleiner oder gleich dem ersten Schwellenwert SW1, so wird in Schritt 56 weitergeleitet, dass das Partikelfilter betriebsfähig ist und die Regeneration vollständig erfolgte. Mit anderen Worten, die zweite Regenerationsphase war erforderlich geworden, da die erste Regene ration nicht vollständig abgeschlossen war. Mögliche Ursachen für eine solche unvollständige Regeneration sind:

– Ein Abbruch der Regeneration, da die Gültigkeitsbedingungen verletzt worden sind,
– eine zu geringe Aufheizung des Partikelfilters. Üblicherweise erfolgt die Aufheizung des Partikelfilters durch eine Wirkungsgradverschlechterung des Motors und durch zusätzliches Einspritzen von Kraftstoff, wodurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird. Es wird deshalb versucht, mit minimalem Kraftstoffmehraufwand die erforderliche Aufheizung zu erreichen. Daher besteht stets die Gefahr, einer zu geringen Aufheizung des Partikelfilters.
– Eine sehr hohe Partikelbeladung, die durch eine einmalige Regeneration nicht nachverbrannt werden kann.

Ist die Differenzgröße D2 größer als der erste Schwellenwert SW1, so wird die während der zweiten Regeneration aus dem Partikelfilter abgebrannte Schwefeldioxidmasse mit einem zweiten Schwellenwert in Schritt 58 verglichen. Ist die Masse des abgebrannten Schwefeldioxids kleiner als der zweite Schwellenwert, wird in Schritt 60 festgestellt, dass das Partikelfilter nicht ordnungsgemäß arbeitet und eine vollständige Regeneration bereits nach der ersten Regenerationsphase erfolgt ist.
Ist die Schwefelmasse nach dem Partikelfilter in der zweiten Regeneration nicht kleiner als der zweite Schwellenwert, so wird in Schritt 62 festgestellt, dass das Partikelfilter nicht ordnungsgemäß funktioniert und nach einer zweiten Regenerationsphase vollständig regeneriert ist.
Im Zusammenhang mit den 6 und 7 wird die Regenerationssteuerung bei einem diskontinuierlich arbeitenden Partikelfilter dargestellt. Die Regenerationsphase wird in Schritt 64 zum Zeitpunkt t=0 gestartet. Liegt die Schwefeldioxidkonzentration unterhalb eines Schwellenwerts SW3, wird abgewartet. Beim Abwarten wird ein Zeitzähler hoch gezählt (Schritt 68), der anzeigt, welche Zeit bis zum Überschreiten des Schwellenwertes SW3 verstrichen ist. Ist der Schwellenwert SW3 überschritten, wird in dem nachfolgenden Schritt 70 verglichen, ob die Zeitdauer bis zum Erreichen des Schwellenwerts SW3 länger als ein Schwellenwert SW5 dauerte. Wenn die bis zum Erreichen des Schwellenwertes SW3 verstrichene Zeit größer als der Schwellenwert SW5 ist, wird eine Regenerationsbeschleunigung 72 ausgelöst.
Ist die Zeit t kürzer als Schwellenwert SW5, so wird nachfolgend verglichen, ob die Zeit kürzer als ein Schwellenwert SW4 ist. In dem Fall wird die Regenerationsgeschwindigkeit in Verfahrensschritt 76 abgebremst. Beschleunigung und Verlangsamung beziehen sich auf die Abbrandrate.
Liegt die bis zum Erreichen des Schwellenwerts SW3 verstrichene Zeit zwischen SW4 und SW5, wird die Regeneration mit der richtigen Regenerationsgeschwindigkeit durchgeführt.
In 6 sind die Schwellenwerte SW3 bis SW5 eingezeichnet. Ist die Zeitdauer bis zum Erreichen des Schwellenwertes SW3 für die Schwefeldioxidkonzentration kleiner oder größer als das vorgegebene Zeitfenster, so wird die Regeneration entweder beschleunigt oder verlangsamt.
8 und 9 zeigen die Berechnung eines Beladungsgrades B an, der anzeigt, wann die Regeneration zu stoppen ist.
Zu Beginn der Regenerationsphase 80 wird der Beladungsgrad B als Quotient aus Differenz der in das Partikelfilter eingebrachten Schwefelmasse (S_Speicher) minus der aus dem Partikelfilter ausgetretenen Schwefelmasse (S_Emission) zu der in den Speicher eingebrachten Schwefelmasse (S_Speicher) berechnet. Der Beladungsgrad B nimmt den Wert 0 an, wenn keine Be ladung des Speichers erfolgt. Wird dagegen kein Schwefeldioxid aus dem Speicher emittiert, so nimmt der Beladungsgrad B den Wert 1 an.
Der in Schritt 82 aktuell ermittelte Beladungsgrad wird in Schritt 84 mit einem sechsten Schwellenwert SW6 verglichen. Ist der aktuelle Beladungsgrad größer oder gleich dem Schwellenwert SW6, wird die Regeneration in Schritt 86 fortgesetzt und in Schritt 88 ein Zeitzähler hoch gezählt.
Ist zu einem späteren Zeitpunkt der Beladungsgrad kleiner. als der sechste Schwellenwert SW6, wird überprüft, ob die bis dahin verstrichene Zeitdauer kleiner als ein siebter Schwellenwert SW7 ist (Schritt 88). Hat die Zeitdauer bis zum Erreichen des Schwellenwerts SW6 länger betragen, als durch den Schwellenwert SW7 vorgegeben, so wird in Schritt 90 die Regeneration gestoppt, da ein etwaiger Fehler vorliegt. Nachfolgend kann die bereits zuvor beschriebene Diagnose für das Partikelfilter durchgeführt werden. Wurde der Schwellenwert SW6 schneller unterschritten, so wird in Verfahrensschritt 92 Beendigung der Regenerationsphase angefordert. Dies kann beispielsweise durch ein stufenweises herunterfahren von Heizmaßnahmen erfolgen. Ist nachfolgend Schwefeldioxidmenge kleiner als ein achter Schwellenwert SW8, Verfahrensschritt 94, wird in Schritt 96 eine Diagnose gestartet.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 10 ein Diagnoseverfahren für einen kontinuierlich arbeitenden Partikelfilter näher beschrieben.
Das Diagnoseverfahren beginnt mit Schritt 98 zum Zeitpunkt t₀, beispielsweise dem Start des Fahrzyklus. In einem nachfolgenden Schritt wird sowohl der integrale als auch der aktuelle Regenerationsgrad berechnet, Verfahrensschritt 100. Der integrale Regenerationsgrad R_I ergibt sich als Quotient der Schwefelmasse stromabwärts dividiert durch die Schwefelmasse stromaufwärts:
Der aktuelle Regenerationsgrad R_a ergibt sich als Quotient aus den Schwefelmassenströmen stromab- und stromaufwärts:
In Schritt 102 wird verglichen, ob der integrale Regenerationsgrad R_I größer als ein Schwellenwert ist. Ist der integrale Regenerationsgrad größer als der Schwellenwert, so ist keine Regeneration erforderlich, Schritt 104 und das Verfahren kehrt mit 106 zu dem Anfang zurück. Wird der Fahrzyklus abgeschlossen, werden in Schritt 108 der letzte Wert des aktuellen Regenerationsgrades R₈ sowie die Schwefelmasse stromauf- und stromabwärts des Partikelfilters gespeichert. Dies dient zur Adaption des Schwefeldioxidgehalts nach einem Betanken.
Ist der integrale Regenerationsgrad R_I nicht größer als der Schwellenwert, so wird in einem nachfolgenden Schritt 110 ein Zählerwert hoch gezählt und in 112 überprüft, ob der aktuelle Regenerationsgrad größer 1 ist. Falls der aktuelle Regenerationsgrad R_a größer als 1 ist, werden zusätzlich zum aktuellen Angebot an Partikeln die bereits früher abgelagerten Partikel regeneriert. Die Regeneration ist „aktuell" in Ordnung, allerdings integral noch nicht, deshalb erfolgt ein Rücksprung vor Schritt 100. Ist der aktuelle Regenerationsgrad nicht größer als 1, so wird nachfolgend verglichen, ob der Zähler bereits einen Schwellenwert überschritten hat, Schritt 114. Hat der Zähler den Schwellenwert überschritten, so liegen Regenerationsprobleme 116 vor. Hat der Zähler nicht den Schwellenwert überschritten, kehrt das Verfahren über 118 in den Anfangszustand zurück.
11 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung zur Adaption der Größe x_S für den Anteil des Schwefels im Kraftstoff. Bei der Adaption wird in einem ersten Schritt 120 der aktuelle Regenerationsgrad R_a ermittelt. In einem nachfolgenden Schritt 122 wird der aktuelle Regenerationsgrad charakteristischen Betriebsgrößen wie beispielsweise Last, Drehzahl, Temperatur und dergleichen zugeordnet: Ra_VOR = f(Last, Drehzahl, Temperatur, ...).
Nachfolgend erfolgt die Betankung in Schritt 124. Für den neu getankten Kraftstoff wird nachfolgend erneut in Schritt 126 der aktuelle Regenerationsgrad ermittelt. Der aktuelle Regenerationsgrad nach dem Betanken wird wieder charakteristischen Betriebsgrößen zugeordnet: Ra_NACH = f(Last, Drehzahl, Temperatur, ...).
Im nachfolgenden Schritt 130 wird der Quotient aus aktuellem Regenerationsgrad nach und vor dem Betanken gebildet:
In Schritt 132 wird überprüft, ob der so ermittelte Quotient innerhalb eines bestimmten Fensters liegt, das durch zwei Schwellenwerte bestimmt wird. Liegt der Quotient innerhalb des Fensters, so hat sich der Regenerationsgrad vor und nach dem Betanken nicht stark geändert und somit auch der Schwefelgehalt des Kraftstoffs. In Schritt 134 erfolgt somit keine Adaptation der Größe x_S.
Liegt der Quotient K außerhalb des vorbestimmten Fensters, so erfolgt eine Adaption des Schwefelgehalts. Die Adaption erfolgt hierbei direkt mit Hilfe des Quotienten, indem der alte Wert für den Schwefelgehalt mit dem Quotienten multipliziert wird: xS_neu = K·xS_alt.
In jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine kann sich ein anderer aktueller Regenerationsgrad ergeben. Das bedeutet, dass der aktuelle Regenerationsgrad Ra eindeutig nur für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gilt, für den er bestimmt wurde.
Für die Schwefeladaption vor und nach dem Betanken ist deshalb der Vergleich von R_a immer am gleichen Betriebspunkt erforderlich. Da dies nur schwer durchzuführen ist, wird der Vergleich vor und nach Betanken nicht zwingend am gleichen Betriebspunkt durchgeführt:
Vor dem Betanken wird ein Kennfeld (aufgespannt über aktuelle Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine) mit den zugehörigen R_a-Werten beschrieben. Nach dem Betanken werden die ersten berechneten R_a-Werte mit den abgespeicherten R_a-Werten am jeweiligen Betriebspunkt verglichen und daraus der K-Faktor berechnet. Nach erfolgter Schwefeladaption wird das Kennfeld wieder neu beschrieben.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Partikelfilters für Dieselpartikel im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, die mit Kraftstoff mit bekanntem oder zu ermittelndem Schwefelgehalt betankt wird, mit folgenden Verfahrensschritten: – Stromabwärts von dem Partikelfilter (18) ist ein Schwefeldioxid-Sensor (20) vorgesehen, der die Schwefeldioxidkonzentration im Abgas fühlt, – die aktuelle Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter wird ermittelt und – aus der Abweichung der Schwefeldioxidkonzentrationen vor und nach dem Partikelfilter wird ein Befüllungszustand für den Partikelfilter ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von mindestens einer Kenngröße der Brennkraftmaschine die aktuell erzeugte Schwefeldioxidkonzentration vor dem Partikelfilter berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen diskontinuierlich arbeitenden Partikelfilter, die Abweichung der Schwefeldioxidkonzentrationen nach einer ersten Regenerationsphase ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter als funktionsfähig und vollständig regeneriert erkannt wird, wenn die in den Partikelfiltern eingebrachte Schwefelmenge nicht um mindestens einen vorbestimmten ersten Schwellenwert (SW1) größer als die ausgestoßene Schwefeldioxidmenge nach dem Partikelfilter ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Regenerationsphase für den Partikelfilter ausgelöst wird, wenn die Schwefelmenge vor dem Partikel filter um den vorbestimmten ersten Schwellenwert größer als die ausgestoßene Schwefeldioxidmenge nach dem Partikelfilter ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter als funktionsfähig und vollständig regeneriert erkannt wird, wenn nach der zweiten Regenerationsphase die Schwefelmenge vor dem Partikelfilter nicht um mindestens den ersten Schwellenwert größer als die ausgestoßene Schwefeldioxidmenge nach dem Partikelfilter ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass wenn die in der zweiten Regenerationsphase von dem Partikelfilter abgegebene Schwefeldioxidmenge einen zweiten Schwellenwert nicht überschreitet, der Partikelfilter als nicht-funktionsfähig erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen kontinuierlich arbeitenden Partikelfilter, bei einem konstanten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein aktueller Regenerationsgrad (R) für den Partikelfilter bestimmt wird, als Quotient aus Schwefeldioxidmenge stromabwärts und stromaufwärts.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter Regenerationsgrad (R) aus den über der Zeit aufintegrierten Schwefeldioxidmassenströmen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der integrierte Regenerationsgrad größer als ein vorbestimmter dritter Schwellenwert ist, der Partikelfilter als funktionsfähig erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der integrierte Regenerationsgrad nicht größer als der vorbestimmte dritte Schwellenwert und der aktuelle Regenerationsgrad kleiner oder gleich einem vierten Schwellenwert ist, werden für den Partikelfilter Regenerationsprobleme erkannt, ansonsten beginnt das Verfahren wieder mit der Berechnung des integrierten Regenerationsgrades.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Regenerationsgrad des Partikelfilters vor und nach einem Betanken mit Kraftstoff ermittelt und ein Wert für den Schwefelgehalt in dem betankten Kraftstoff adaptiert wird, die aktuellen Regenerationsgrade um mehr als einen vorbestimmten Wert voneinander abweichen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaption des Schwefelgehalts mit Hilfe eines Quotienten aus dem aktuellen Regenerationsgrad nach und vor dem Betanken durchgeführt wird, indem der alte Wert für den Schwefelgehalt mit dem Quotienten multipliziert wird.