DE10319368B4 - Partikelfiltersystem für eine Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Partikelfiltersystem für eine Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Partikelfiltersystem für eine Abgasanlage (12) einer Dieselbrennkraftmaschine, mit zumindest einem in einem Abgasstrang (11) angeordneten Partikelfilter (14) und einem Sensorsystem (10) zur Ermittlung des Beladungszustandes des Partikelfilters (14), wobei das Sensorsystem (10) zumindest einen im Abgasstrang (11) im Bereich des Partikelfilters (14) und stromabwärts von diesem angeordneten akustischen Sensor (20a, 20b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer akustischer Sensor (20a) stromaufwärts des Partikelfilters (14) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Partikelfiltersystem für eine Abgasanlage einer Dieseibrennkraftmaschine, mit zumindest einem in einem Abgasstrang angeordneten Partikelfilter und einem Sensorsystem zur Ermittlung des Beladungszustandes des Partikelfilters, wobei das Sensorsystem zumindest einen im Abgasstrang im Bereich des Partikelfilters und stromabwärts von diesem angeordneten akustischen Sensor aufweist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, wobei die Schallfrequenz im Bereich des Partikelfilters für zumindest einen Motorbetriebszustand bei unbeladenem, beladenem und/oder fehlerhaftem Partikelfilter bestimmt und in einer Datenbank abgelegt wird und während des Motorbetriebes für den zumindest einen Motorbetriebszustand die Schallfrequenz im Bereich des Partikelfilters bestimmt und mit den abgelegten Werten verglichen und daraus der Zustand des Partikelfilters ermittelt wird.
  • Dieselbrennkraftmaschinen, wie sie in handelsüblichen Fahrzeugen eingesetzt werden, sind üblicherweise mit im Abgasstrang angeordneten Partikelfiltern ausgerüstet, um Partikel aus dem Abgas herauszufiltern. Dadurch können gesetzliche Abgasvorschriften eingehalten werden. Die Partikelfilter können durch Regenerationsvorgänge mehrmals nach ihrer Sättigung wiederverwendet werden, bevor ein neuer Partikelfilter schließlich installiert werden muss. Zur Bestimmung des Regenerationszeitpunktes des Partikelfilters für die Rußentfernung muss der Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt werden. Darüber hinaus besteht Bedarf, Fehler im Filtermaterial, wie beispielsweise Brüche oder Durchbrennen, frühzeitig feststellen zu können.
  • Es ist bekannt, den Beladungszustand eines Partikelfilters durch Messen des Druckgefälles zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Partikelfilters zu ermitteln. Das Druckgefälle entlang des Partikelfilters nimmt mit dem Beladungszustand zu. Bei einem vorbestimmten Druckgefälle wird der Regenerationszyklus eingeleitet. Diese Methode hat allerdings Nachteile. Das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Beladung hat Einfluss auf das Druckgefälle, so dass der aus dem Druckgefälle ermittelte Regenerationszeitpunkt früher oder später als notwendig sein kann. Weiters können Brüche oder Durchbrennen des Filtermateriales zu einem niedrigeren Druckgefälle durch auftretende Leckagen im Filtermaterial führen, was fälschlicherweise als unbeladener Filter interpretiert werden kann. In diesem Falle würde es zu beträchtlichen Leckageströmungen unter Verlust der Filterfähigkeit führen. Somit wären verlässlichere Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters wünschenswert.
  • Die JP 08-121150 A zeigt ein Partikelfiltersystem für eine Abgasanlage, wobei nur ein einziger akustischer Sensor, und zwar stromabwärts des Partikelfilters, vorgesehen ist. Es kann somit der Beladungszustand nur aufgrund des Signals des einen akustischen Sensors, nicht aber aus dem Unterschied von akustischen Signalen stromab- und aufwärts des Partikelfilters ermittelt werden.
  • Die DE 199 49 502 A1 beschreibt ein Verfahren zu Ermittlung des Beladungswertes eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, wobei stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters Temperatur- und Drucksensoren angeordnet sind, um Eingangsgrößen für die Berechnung eines Beladungswertes des Partikelfilters zu erhalten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst verlässliche und einfache Weise den Beladungszustand eines Partikelfilters zu ermitteln. Dabei sollen auch Fehler des Partikelfilters möglichst frühzeitig feststellbar sein.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein weiterer akustischer Sensor stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist.
  • Als Vorarbeit wird die Schallfrequenz im Bereich des Partikelfilters für zumindest einen Motorbetriebszustand für unbeladenen, beladenen und/oder fehlerhaften Partikelfilter bestimmt und in einer Datenbank abgelegt. Während des Motorbetriebes wird zumindest für diesen Motorbetriebszustand die Schallfrequenz im Bereich des Partikelfilters bestimmt und mit den abgelegten Werten verglichen, und weiters daraus der Zustand des Partikelfilters ermittelt.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schallfrequenz stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters gemessen wird und für die Ermittlung des Zustandes des Partikelfilters der Frequenzunterschied dieser gemessenen Werte verwendet wird.
  • Im Rahmen der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass das Sensorsystem zumindest einen im Abgasstrang im Bereich des Partikelfilters angeordneten Drucksensor aufweist, wobei vorzugsweise der Drucksensor stromaufwärts und/oder stromabwärts des Partikelfilters angeordnet sein kann. Mittels der Drucksensoren kann üblicherweise ein Frequenzbereich bis zu 10 Hz erfasst werden. Durch die akustischen Sensoren können Frequenzen bei viel höherem Niveau, beispielsweise im hörbaren Bereich von 100 Hz bis zu 1000 Hz oder mehr ermittelt werden.
  • Um die Temperatur des Partikelfilters für die Einleitung des Regenerationszyklus zu bestimmen, ist in weiterer Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass das Sensorsystem zumindest einen Temperatursensor im Bereich des Partikelfilters aufweist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein erfindungsgemäßes Partikelfiltersystem in einer schematischen Ansicht,
  • 2a ein schematisches Amplituden-Frequenz-Schaubild des unbeladenen Partikelfilters,
  • 2b ein Amplituden-Frequenz-Schaubild des beladenen Partikelfilters,
  • 2c ein Amplituden-Frequenz-Schaubild eines fehlerhaften Partikelfilters und
  • 3 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Beladungszustandes.
  • 1 zeigt ein akustisches Sensorsystem 10 für einen im Abgasstrang 11 in einer Abgasanlage 12 angeordneten Partikelfilter 14. Die Einlassseite des Partikelfilters 14 ist mit Bezugszeichen 2, die Auslassseite mit Bezugszeichen 3 bezeichnet. Die Pfeile P deuten die Strömungsrichtung an. Beidseits des Partikelfilters 14, also auf der Einlassseite 2 und auf der Auslassseite 3, sind Drucksensoren 16a, 16b angeordnet, um ein Druckgefälle in an sich bekannter Weise entlang des Partikelfilters 14 zu bestimmen. Drucksensoren 16a, 16b reagieren typischerweise auf sehr niedrige Frequenzen, typischerweise etwa bis zu 10 Hz. Ein Temperatursensor 18 wird verwendet, um die Temperatur des Partikelfilters 14 für den Start des Regenerationszyklus zu bestimmen. Das vorliegende Sensorsystem 10 verwendet weiters akustische Sensoren 20a und 20b, welche vorteilhafter Weise an jeder Seite des Partikelfilters 14 also sowohl auf der Einlassseite 2 als auch auf der Auslassseite 3, angeordnet sind, um den Schall innerhalb des Abgassystems 16 zu erfassen. Zum Unterschied zu den Drucksensoren 16a und 16b können die Akustiksensoren 20a und 20b Frequenzen auf viel höheren Niveau messen, zum Beispiel im hörbaren Schallbereich zwischen 100 Hz bis 1000 Hz oder mehr. Die angegebenen Bereiche sind allerdings nur exemplarisch zu betrachten. Obwohl in der 1 zwei Akustiksensoren 20a, 20b dargestellt sind, können – abhängig vom jeweiligen System – auch mehrere Akustiksensoren oder auch nur ein einziger Akustiksensor verwendet werden.
  • In Abhängigkeit des Zustandes des Partikelfilters 14 kann eine unterschiedliche Schallfrequenz den Partikelfilter 14 passieren. Die Akustiksensoren 20a, 20b ermitteln die Schallfrequenz unter Berücksichtigung anderer Motorbetriebsparameter und bestimmen den Zustand des Partikelfilters 14. Während des Betriebes wird das akustische Frequenzsignal in Abhängigkeit der Gasdurchflussrate überwacht um den Beladungszustand des Partikelfilters 14 zu bestimmen. Der Zustand des Partikelfilters 14 wird durch mehrere Kategorien beschrieben. Einige dieser sind: unbeladener Zustand, teilweise beladener Zustand, vollständig beladener Zustand (Regeneration ist notwendig), Filtermaterial ist fehlerhaft, usw.
  • Ein Modell (Beziehung) zwischen dem akustischen Frequenzsignal, der Gasdurchflussrate und dem Partikelfilterzustand wird sowohl durch physikalische Beziehungen, als auch durch empirische Messungen gewonnen. In 3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Beziehung zwischen der akustischen Frequenzantwort, der Gasdurchflussrate und dem Partikelfilterzustand wird gemäß dem Block 30 beschrieben. Die Gasdurchflussrate 32 kann durch Berechnen des Volumenstromdurchsatzes der Brennkraftmaschine unter Verwendung von Massendurchflusssensoren, sowie Motordrehzahl, Kraftstoffmengen und anderer Motorbetriebscharakteristiken berechnet werden. Die Frequenzantwort 34 durch den Partikelfilter 14 ist jene Frequenz, weiche der Partikelfilter 14 durchlässt. Die Frequenzantwort hängt von der Gasdurchflussrate 32 und dem Zustand des Partikelfilters 14 ab.
  • In 2a wird beispielsweise die Frequenzantwort f und die Amplitude A für einen unbeladenen Partikelfilter 14 gezeigt. Wenn der Partikelfilter 14 beladen wird, können durch den Akustiksensor 20a, 20b höhere Frequenzen f gemessen werden, wie in 2b angedeutet ist. Ein fehlerhafter Partikelfilter 14, welcher gebrochenes oder durchgebranntes Filtermaterial aufweist, lässt einen größeren Frequenzbereich durch den Partikelfilter 14 durch, wie etwa in 2c dargestellt ist. Die Kurven in den 2a bis 2c sind rein schematisch zu verstehen, die tatsächlichen Frequenzantworten und Amplituden für einen bestimmten Partikelfilter 14 können von den dargestellten Kurven abweichen. Wenn einmal die Beziehung zwischen den oben genannten Größen hergestellt ist, kann der Zustand des Partikelfilters 14 mittels der Akustiksensoren 20a und 20b überwacht werden, wie durch den Block 38 in 3 angedeutet ist. Die gemessenen Werte werden mit in einem Motor- oder Abgassteuergerät abgelegten Daten verglichen, um die Funktion oder den Zustand des Partikelfilters 14 zu bestimmen, wie durch Bezugszeichen 40 angedeutet ist.
  • Wenn der Partikelfilter 14 fast vollständig beladen ist, kann die Motor- oder Abgassteuereinheit einen Regenerationszyklus einleiten. Falls ein Fehler im Filtermaterial des Partikelfilters 14 festgestellt wird, kann die Motor- und Abgassteuereinheit dem Fahrer signalisieren, dass ein Service notwendig ist.
  • Mit dem akustischen Sensorsystem 10 lässt sich sowohl der Beladungszustand, als auch das Auftreten von Fehlern im Filtermaterial des Partikelfilters 14 einfach und zuverlässig überwachen. Zur Überwachung des physischen Zustandes des Partikelfilters 14 können verschiedene Kombinationen von Drucksensoren 16a, 16b, Temperatursensoren 18 und akustischen Sensoren 20a, 20b, sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Partikelfilters 14 eingesetzt werden. Zusätzliche Informationen der Motor- oder Abgassteuereinheit können verwendet werden, um die Abgasmenge durch den Partikelfilter 14 zu quantifizieren.
  • Die beispielhaft dargestellte Erfindung kann selbstverständlich in verschiedenen Ausführungen verwendet werden.

Claims (6)

  1. Partikelfiltersystem für eine Abgasanlage (12) einer Dieselbrennkraftmaschine, mit zumindest einem in einem Abgasstrang (11) angeordneten Partikelfilter (14) und einem Sensorsystem (10) zur Ermittlung des Beladungszustandes des Partikelfilters (14), wobei das Sensorsystem (10) zumindest einen im Abgasstrang (11) im Bereich des Partikelfilters (14) und stromabwärts von diesem angeordneten akustischen Sensor (20a, 20b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer akustischer Sensor (20a) stromaufwärts des Partikelfilters (14) angeordnet ist.
  2. Partikelfiltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (10) zumindest einen im Abgasstrang (11) im Bereich des Partikelfilters (14) angeordneten Drucksensor (16a, 16b) aufweist.
  3. Partikelfiltersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drucksensor (16a) stromaufwärts des Partikelfilters (14) angeordnet ist.
  4. Partikelfiltersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drucksensor (16b) stromabwärts des Partikelfilters (14) angeordnet ist.
  5. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (10) zumindest einen Temperatursensor (18) im Bereich des Partikelfilters (14) aufweist.
  6. Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines Partikelfilters (14) einer Brennkraftmaschine, wobei die Schallfrequenz im Bereich des Partikelfilters (14) für zumindest einen Motorbetriebszustand bei unbeladenem, beladenem und/oder fehlerhaftem Partikelfilter (14) bestimmt und in einer Datenbank abgelegt wird und während des Motorbetriebes für den zumindest einen Motorbetriebszustand die Schallfrequenz im Bereich des Partikelfilters (14) bestimmt und mit den abgelegten Werten verglichen und daraus der Zustand des Partikelfilters (14) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallfrequenz stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (14) gemessen wird und für die Ermittlung des Zustandes des Partikelfilters (14) der Frequenzunterschied dieser gemessenen Werte verwendet wird.
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