WO2020057853A1 - VERFAHREN ZUR PARTIKELGRÖßEN-SELEKTIVEN ERFASSUNG VON PARTIKELZAHLEN IM ABGAS EINER VERBRENNUNGSVORRICHTUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUR PARTIKELGRÖßEN-SELEKTIVEN ERFASSUNG VON PARTIKELZAHLEN IM ABGAS EINER VERBRENNUNGSVORRICHTUNG Download PDF

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WO2020057853A1
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particles
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Andy Tiefenbach
Christopher Henrik SCHITTENHELM
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for checking the
  • Combustion device is arranged according to the preamble of claim 1 and a control device according to the preamble of the independent
  • the known method is based on measurement signals from a particle sensor that projects into the exhaust pipe.
  • the combustion device can be a
  • combustion device like a diesel engine or a gasoline engine.
  • the combustion device can also be an incinerator.
  • a particle sensor To determine the total mass of particles in the exhaust gas of diesel engines, a particle sensor is currently used in series, which works according to a resistive principle.
  • the sensor consists of a ceramic sensor element and a protective tube.
  • the ceramic sensor element has an electrode system which is used to measure the total mass of soot particles on the basis of an electrical conductivity of the soot. This collecting measurement method does not allow real-time measurement with sufficient accuracy.
  • These sensors, or their electrodes, are operated with a DC high voltage, which is typically in the kV range.
  • One of two electrodes of such a sensor is at a high electrical potential (several kV), and the second electrode is at a ground potential.
  • the sensor is also designed so that exhaust gas laden with soot flows past at least one of the electrodes and is deposited there. Due to the electric field existing between the two electrodes, a characteristic growth of soot dendrites occurs, which preferably form along the field lines. During growth, the dendrites protrude further and further into the flow profile of the exhaust gas flowing past, and as a result experience both a fluid dynamic force and an increasing electrical force of attraction that emanates from the counter electrode. If the sum of these forces reaches a critical value, this leads to the detachment of the dendrite.
  • the tearing length of the dendrite reached up to this point and thus the time elapsed from the beginning of the deposition to the tearing depend on a constant soot concentration and. a. on the electric field strength and the flow velocity of the exhaust gas at the electrodes. Due to the static charge of the soot particles, which passes from the electrode with potential to the soot particles when the soot particles are deposited, the charge discharged from the electrodes when the soot particles are torn off with the torn soot particles must be returned to the electrode in the form of an electrical current in order to maintain applied voltage. This current serves as a measurement signal.
  • the present invention differs from the above-mentioned prior art by the characterizing features of claim 1 and by the characterizing features of the independent
  • Control unit claim These provide that on the basis of in
  • Measurement signals for individual operating point-specific particle number values are formed, the actual particle number values being formed by assigning at least one measuring signal determined for an operating point individually for an operating point to an actual particle number value, which for this operating point, this measurement signal and for particles of a certain size are all in one initials
  • Good state of the particle filter has been predetermined that the actual particle number with a in a control unit of the combustion device
  • Combustion device is judged based on this comparison.
  • the characteristic features of the independent control device claim provide that the control device is set up to carry out these method features.
  • the invention is based on the knowledge that the size distribution of
  • Operating point to operating point varies. At one or more operating points, measured by an average particle size, more comparatively smaller than comparatively larger particles are emitted and in one or more other operating points the reverse is true.
  • the present invention enables an evaluation of the measurement signals as a function of the operating point and a suitable processing of the
  • Measurement signals an assessment of the state of a
  • Exhaust aftertreatment system of the combustion device in relation to its ability to filter out particles of certain sizes from an exhaust gas flow of the combustion device.
  • the invention thus allows the assessment of
  • the invention provides size information that can be used to assess the conformity of the particle filter with the legal requirements.
  • size information can be used to assess the conformity of the particle filter with the legal requirements.
  • other factors influencing the particle emission with regard to the number of particles and the particle size can also be determined, such as drift phenomena in
  • Fuel metering devices for combustion devices in particular in injectors of internal combustion engines that work with direct injection of fuel into combustion chambers.
  • the actual particle number actual values formed on the basis of measurement signals recorded at predetermined operating points of the combustion device are formed as a function of a predetermined relationship between the actual actual number of particles number and measurement signals of the particle sensor.
  • the predetermined relationship is defined by a characteristic curve stored in the control unit.
  • a size of particles stored for an operating point represents a size class of particles contained therein
  • the number of particles in the operating point is larger than other size classes of the same size (ranges of sizes).
  • a further preferred embodiment is characterized in that a plurality of measurement signals recorded at an operating point are assigned in an integrated form to an actual particle number.
  • a particle size-individual comparison value by adding an offset to one for the relevant operating point in one initial good condition of the combustion device predetermined particle size-individual particle number actual value is determined.
  • raw emission particle number values ascertained for predetermined operating points in an initial good state and stored in the control device are compared with actual particle number values ascertained for these operating points and on the basis of such comparisons
  • Particle size-dependent efficiencies are formed and used for particle size-specific on-board diagnosis of the particle filter.
  • control device it is preferred that it is set up to carry out a method in at least one of the aforementioned configurations of the method. In executing the method, the control of the sequence of the
  • Figure 1 shows a combustion device with a particle sensor as the technical environment of the invention
  • Figure 3 shows a particle size distribution for a second operating point of the
  • FIG. 4 shows an assignment between recorded measurement signals from a particle sensor and actual particle number values for an operating point
  • FIG. 5 shows a correlation between measurement point-specific measurement signals of a particle sensor and associated comparison values in an initial good state of the combustion device
  • FIG. 6 shows a bar diagram of actual particle number actual operating point values together with associated comparison values in an aged state of the combustion device
  • FIG. 7 shows a flow chart as an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a combustion device 10 with a sensor system 12, a fuel metering device 14, a
  • the control unit 18 has in particular one
  • Microprocessor 22 and a memory 24.
  • Exhaust gas aftertreatment system 16 has a particle filter 26 and a particle sensor 28 which projects into the exhaust gas downstream of the particle filter 26.
  • the particle sensor 28 is preferably a particle sensor operating on an electrostatic principle.
  • the combustion device 10 may be an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine.
  • the combustion device 10 may be an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine.
  • Combustion device 10 but also a furnace, for example the furnace of a heating system.
  • a furnace for example the furnace of a heating system.
  • FIG. 2 shows qualitatively a particle size distribution 30 for a first one
  • FIG. 3 shows qualitatively a particle size distribution 32 for a second operating point BP2 of the internal combustion engine.
  • FIG. 3 shows qualitatively a particle size distribution 32 for a second operating point BP2 of the internal combustion engine.
  • the abscissas and ordinates of FIGS. 2 and 3 should have the same scales, so that the particle size distributions 30, 32 are comparable with respect to the position of the respective maximum.
  • intervals shown on the abscissas each represent a size class of particles, the location, width and number of the intervals being used only as an example. On the ordinates are each
  • Size classes occur in the exhaust gas.
  • An integral of a particle number density n 'over one of the abscissing intervals thus corresponds to a number n of particles in the exhaust gas, the size of which lies in the size class defined by the interval.
  • the particle size distributions each relate to particles at the installation location of the particle sensor 28 in the exhaust gas aftertreatment system 16.
  • the first operating point BP1 is, for example, an operating point of one
  • the internal combustion engine in which it is operated at high load.
  • the internal combustion engine emits soot particles with a size distribution 30, which in the example shown has a maximum with rather small particle sizes.
  • the maximum lies in a size class with an average value of 20 nm.
  • the particles are retained in part by the particle filter 26, but in part also pass through the particle filter. This applies to particles of all sizes.
  • the solid curve 30 represents an initially good state of the particle filter, and the dashed curve 30 'running above the solid curve 30 corresponds to an aged state in which the
  • Raw emissions have a higher permeability especially for particles of the size class with an average diameter of 20 nm.
  • the second operating point BP2 is an operating point with a rather low load on the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine emits soot particles with a size distribution 32, which in the example shown has a maximum with rather large particle sizes.
  • the maximum is at the operating point BP2 adjusting size distribution 32 in a size class with an average particle size of 90 nm.
  • the number n of the particles emitted overall at an operating point is essentially determined by the number of particles from the size class in which the maximum of the
  • Size distributions 30, 32 lies.
  • a measurement signal detected at this operating point with the particle sensor 28 is regarded as a measurement signal representing the number of particles from this size class.
  • the measuring signal which is initially individual to the operating point, is thus called
  • FIG. 4 shows, for a single operating point BP (or a specific, contiguous range of operating points) of the internal combustion engine, an association between the measured signals MS that are plotted on the abscissa and actual particle number values n (or actual particle numbers per exhaust gas volume unit or exhaust gas mass unit), which are plotted on the ordinate.
  • An assignment of size distributions of the soot particles to operating points, which are defined for an initially good condition, is first carried out by adapting the control unit 18 to the internal combustion engine 10. This assignment is first made for a new internal combustion engine 10 on a test bench, representative of further pairs of identical control units 18 and internal combustion engines 10, which is also called an application or, if it is for approval purposes, a certification. Size distributions of particles at various engine operating points are determined using measuring devices that will not be available in later operation. If at an engine operating point a
  • Size class dominates numerically, this engine operating point is assigned this size class and the number of particles of the dominant particle size.
  • This assignment is adopted for identical combustion devices 10 in their control units 18.
  • the transfer takes place, for example, in that one for a specific operating point or operating point range Characteristic curve 34 is stored, which assigns the various measurement signals to the respective number of particles associated with this operating point.
  • This assignment allows the actual particle number values to be formed by assigning at least one measurement signal determined individually for an operating point to an actual particle number that predetermines this initial point, this measurement signal and particles of a certain size in an initial good state of the particle filter has been.
  • This particle number is representative of a size class.
  • the measurement signal-dependent number of particles is read out from the characteristic curve 34 in later operation and forms an actual measurement signal value which is compared with the comparison value likewise determined for this operating point.
  • FIG. 5 shows a correlation between the actual number of individual particle number values and the associated comparison values VW.
  • the actual particle number values n which are based on one and the same operating point and are based on measurements carried out while the internal combustion engine is operating, are also in the memory of the control unit
  • the operating points BP lie on a straight line with slope 1 through the origin of the coordinates.
  • FIG. 6 shows a bar chart of actual particle number actual values IWi together with associated comparison values VWi in an aged state of the internal combustion engine. On the abscissa there are again
  • a comparison value can be generated, for example, by adding an offset to a measurement signal that can be expected for a new condition and the relevant operating point (and thus the relevant size class).
  • the comparison value then corresponds, for example, to a permitted maximum number of particles of this size class.
  • the actual particle number values IWi shown in FIG. 6 are actual particle number values that are based on measured values that were recorded in an operating phase for an operating point with the same index by the particle sensor 26.
  • FIG. 6 shows a situation in which the particle filter 26 in the operating points BP1 and BP4 each one above the associated one
  • Comparison value VW1 and VW4 has actual particle number values IW1 and IW4, while the other actual particle number values IW2 and IW3 do not deviate significantly from their assigned comparison value VW1, VW2. This corresponds to a situation in which the particle filter 26 has an increased permeability for particles from the size classes GK1 and GK4 and still retains particles in the other size classes GK2 and GK3 sufficiently well.
  • a size class with index i is assigned to an operating point with the same index i.
  • the measurement signals MS (which are considered to be representative of a size class of the particles) recorded at an operating point BP (in which the internal combustion engine may be operated repeatedly) are directly or preferably in an integrated form with the comparison value VW predetermined for this operating point BP compared.
  • the operating point-dependent and thus also the size class-dependent are directly or preferably in an integrated form with the comparison value VW predetermined for this operating point BP compared.
  • Error indicator means 20 e.g. an error lamp or a display.
  • an actual particle number value is formed on the basis of measured values recorded in this operating point with the particle sensor and compared with the comparison value.
  • the comparison value is predetermined, for example, in such a way that it represents a sufficiently functional state of the overall system.
  • the entire system can be assessed as sufficiently functional for this size class as part of an on-board diagnosis.
  • This statement then extends not only to the particle filter, but can also include the fuel metering device, since, for example, injector drifts can also influence the particle size distributions.
  • the effect of the particle filter for particles of this size class can be assessed by comparing the number of particles determined from the measurement signal with the number of particles stored as raw emission for this operating point.
  • FIG. 7 shows a flow diagram as an exemplary embodiment of a
  • step 102 measurement signals of the particle sensor 28 are recorded from a main program 100 carried out by the control device 18 for controlling the internal combustion engine 10.
  • step 104 actual operating point-specific particle number values are formed on the basis of measurement signals detected in predetermined operating points of the internal combustion engine 10.
  • the operating points are characterized in that a size distribution of soot particles in each of these operating points has a maximum value for a specific size class of the particles, the size classes of predetermined operating points differing from one another
  • step 106 the actual particle number values are the same for each
  • step 108 the state of the exhaust gas aftertreatment system 16 of the internal combustion engine and / or the state of a fuel becomes that
  • the state of the exhaust gas aftertreatment system corresponds, for example, to the state of the particle filter.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters (26) in einer Abgasleitung einer Verbrennungsvorrichtung (10), auf der Basis von Messsignalen eines Partikelsensors (28). Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Basis von in vorbestimmten Betriebspunkten der Verbrennungsvorrichtung (10) erfassten Messsignalen betriebspunktindividuelle Partikelzahl-Istwerte gebildet werden, wobei die Bildung der Partikelzahl-Istwerte dadurch erfolgt, dass wenigstens ein für einen Betriebspunkt betriebspunktindividuell ermitteltes Messsignal einem Partikelzahl-Istwert zugeordnet wird, der für diesen Betriebspunkt,dieses Messsignal und für Partikel einer bestimmten Größe in einem initialen Gutzustand des Partikelfilters (26) vorbestimmt worden ist, dass der Partikelzahl-Istwert mit einem in einem Steuergerät (18) der Verbrennungsvorrichtung (10) gespeicherten, Partikelgrößen-individuellen Vergleichswert verglichen werden, und dass der Zustand eines Abgasnachbehandlungssystems (16) der Verbrennungsvorrichtung (10) auf der Basis dieses Vergleichs beurteilt wird. Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät(18).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Partikelgrößen-selektiven Erfassung von Partikelzahlen im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters, der in einer Abgasleitung einer
Verbrennungsvorrichtung angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs. Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät werden hier als per se bekannt vorausgesetzt.
Das bekannte Verfahren basiert auf Messsignalen eines Partikelsensors, der in die Abgasleitung hineinragt. Die Verbrennungsvorrichtung kann ein
Verbrennungsmotor wie ein Dieselmotor oder ein Ottomotor sein. Alternativ dazu kann die Verbrennungsvorrichtung auch ein Verbrennungsofen sein.
Zur Bestimmung der Gesamtmasse von Partikeln im Abgas von Dieselmotoren wird derzeit in Serie ein Partikelsensor verwendet, der nach einem resistiven Prinzip arbeitet. Der Sensor besteht aus einem keramischen Sensorelement und einem Schutzrohr. Das keramische Sensorelement weist ein Elektrodensystem auf, das zur Messung der Gesamtmasse von Rußpartikeln auf Basis einer elektrischen Leitfähigkeit des Rußes dient. Dieses sammelnde Messverfahren erlaubt keine Echtzeitmessung mit hinreichender Genauigkeit.
Des Weiteren sind elektrostatische Messprinzipien bekannt, die eine
Echtzeitmessung von Partikeln bzw. von deren elektrischer Ladung erlauben und die sich durch eine im Vergleich zum resistiven Prinzip erhöhte
Messempfindlichkeit auszeichnen. In der WO2012/089924, der US 2012/0312074 und der US 2013/0219990 werden solche Ansätze
beschrieben. Diese Sensoren, bzw. deren Elektroden, werden mit einer DC- Hochspannung betrieben, die typischerweise im kV-Bereich liegt. Das
Funktionsprinzip wird nachfolgend kurz beschrieben:
Eine von zwei Elektroden eines solchen Sensors liegt auf einem hohen elektrischen Potential (mehrere kV), und die zweite Elektrode liegt auf einem Massepotenzial. Der Sensor ist weiter so ausgelegt, dass mit Ruß beladenes Abgas an wenigstens einer der Elektroden vorbeifließt und sich dort anlagert. Auf Grund des zwischen beiden Elektroden bestehenden elektrischen Feldes entsteht ein charakteristisches Wachstum von Ruß-Dendriten, welche sich bevorzugt entlang den Feldlinien ausbilden. Die Dendriten ragen während des Wachstums immer weiter in das Strömungsprofil des vorbeiströmenden Abgases hinein und erfahren dadurch sowohl eine fluiddynamische Kraft als auch eine steigende elektrische Anziehungskraft, die von der Gegenelektrode ausgeht. Erreicht die Summe dieser Kräfte einen kritischen Wert, führt dies zum Ablösen des Dendriten.
Die bis zu diesem Zeitpunkt erreichte Abrisslänge des Dendriten und damit die vom Beginn der Anlagerung bis zum Abreißen verstrichene Zeit hängen bei konstanter Rußkonzentration u. a. von der elektrischen Feldstärke und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an den Elektroden ab. Auf Grund der statischen Ladung der Rußpartikel, welche beim Anlagern der Rußpartikel von der potenzialbehafteten Elektrode auf die Rußpartikel Übertritt, muss die beim Abreißen der Rußpartikel mit den abgerissenen Rußpartikeln von den Elektroden abgeführte Ladung in Form eines elektrischen Stroms auf die Elektrode zurückgeführt werden, um die angelegte Spannung aufrecht zu erhalten. Dieser Strom dient als Messsignal.
Auf Grund der sehr kleinen Stromstärken werden empfindliche Geräte wie zum Beispiel ein Elektrometer zum Erfassen dieser als Messsignal dienenden Stromstärken verwendet. Auch aus diesem Messsignal lässt sich nur eine Aussage über die aktuell im Abgas enthaltene Gesamtmasse der Partikel ableiten. Auf die Anzahl der Partikel und auf deren Größenverteilung bezogene Aussagen lassen sich dagegen zumindest nicht mit hinreichender Genauigkeit ableiten. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem eingangs genannten Stand der Technik durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen
Steuergeräteanspruchs. Diese sehen vor, dass auf der Basis von in
vorbestimmten Betriebspunkten der Verbrennungsvorrichtung erfassten
Messsignalen betriebspunktindividuelle Partikelzahl-Istwerte gebildet werden, wobei die Bildung der Partikelzahl-Istwerte dadurch erfolgt, dass wenigstens ein für einen Betriebspunkt betriebspunktindividuell ermitteltes Messsignal einem Parti kelzahl-lstwert zugeordnet wird, der für diesen Betriebspunkt, dieses Messsignal und für Partikel einer bestimmten Größe in einem initialen
Gutzustand des Partikelfilters vorbestimmt worden ist, dass der Partikelzahl- Istwert mit einem in einem Steuergerät der Verbrennungsvorrichtung
gespeicherten, Partikelgrößen-individuellen Vergleichswert verglichen wird, und dass der Zustand eines Abgasnachbehandlungssystems der
Verbrennungsvorrichtung auf der Basis dieses Vergleichs beurteilt wird. Die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Steuergeräteanspruchs sehen vor, dass das Steuergerät zur Durchführung dieser Verfahrensmerkmale eingerichtet ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Größenverteilung von
Partikeln in den Rohemissionen von Verbrennungsvorrichtungen von
Betriebspunkt zu Betriebspunkt variiert. In einem oder mehreren Betriebspunkten werden, gemessen an einer mittleren Partikelgröße, mehr vergleichsweise kleinere als vergleichsweise größere Partikel emittiert und in einem oder mehreren anderen Betriebspunkten ist es gerade umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch eine betriebspunktabhängige Bewertung der Messsignale und durch eine geeignete Verarbeitung der
Messsignale eine Beurteilung des Zustandes eines
Abgasnachbehandlungssystems der Verbrennungsvorrichtung in Bezug auf dessen Fähigkeit, Partikel bestimmter Größen aus einem Abgasstrom der Verbrennungsvorrichtung herauszufiltern. Die Erfindung erlaubt damit eine Eingrenzung der Beurteilung von
Transmissionseigenschaften eines Partikelfilters auf bestimmte Partikel- Größenklassen, und, als Folge daraus, eine Korrelation der
Transmissionseigenschaften hinsichtlich der Partikel-Größenklassen mit definierten Fehlerbildern einer Partikelfilterbeschädigung. Die Erfindung stellt eine Größenanzahlinformation bereit, die zur Bewertung der Konformität des Partikelfilters mit den gesetzlichen Vorgaben herangezogen werden kann. Außer Beschädigungen eines Partikelfilters können auch andere die Partikelemission in Bezug auf die Partikelanzahl und die Partikelgröße beeinflussende Faktoren festgestellt werden, wie zum Beispiel Drifterscheinungen in
Kraftstoffdosiervorrichtungen von Verbrennungsvorrichtungen, insbesondere in Injektoren von mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume arbeitenden Verbrennungsmotoren.
Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die auf der Basis von in vorbestimmten Betriebspunkten der Verbrennungsvorrichtung erfassten Messsignalen betriebspunktindividuell gebildeten Partikelzahl-Istwerte in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zusammenhang zwischen den betriebspunktindividuell gebildeten Partikelzahl-Istwerten und Messsignalen des Partikelsensors gebildet werden.
Bevorzugt ist auch, dass der vorbestimmte Zusammenhang durch eine im Steuergerät gespeicherte Kennlinie definiert ist.
Weiter ist bevorzugt, dass eine für einen Betriebspunkt gespeicherte Größe von Partikeln eine Größenklasse von Partikeln repräsentiert, die in diesem
Betriebspunkt partikelzahlmäßig stärker besetzt ist als gleichgroße andere Größenklassen (Bereiche von Größen).
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mehrzahl von in einem Betriebspunkt erfassten Messsignalen in integrierter Form einem Partikelzahl-Istwert zugeordnet wird.
Bevorzugt ist auch, dass ein Partikelgrößen-individueller Vergleichswert durch Addieren eines Offsets zu einem für den betreffenden Betriebspunkt in einem initialen Gutzustand der Verbrennungsvorrichtung vorbestimmten Partikelgrößen- individuellen Partikelzahl-Istwert bestimmt wird.
Weiter ist bevorzugt, dass für vorbestimmte Betriebspunkte in einem initialen Gutzustand ermittelte und im Steuergerät gespeicherte Rohemissions- Partikelzahlwerte mit für diese Betriebspunkte ermittelten Partikelzahl-Istwerten verglichen werden und dass auf der Basis solcher Vergleiche
Partikelgrößenabhängige Wirkungsgrade gebildet und zur Partikelgrößen- individuellen On Board-Diagnose des Partikelfilters verwendet werden.
Mit Blick auf Ausgestaltungen des Steuergeräts ist bevorzugt, dass dieses dazu eingerichtet ist, ein Verfahren in wenigsten einer der genannten Ausgestaltungen des Verfahrens auszuführen. Unter einer Ausführung des Verfahrens wird in der vorliegenden Anmeldung insbesondere die Steuerung des Ablaufs des
Verfahrens verstanden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 eine Verbrennungsvorrichtung mit einem Partikelsensor als technisches Umfeld der Erfindung;
Figur 2 Partikelgrößenverteilungen für einen ersten Betriebspunkt der
Verbrennungsvorrichtung;
Figur 3 eine Partikelgrößenverteilung für einen zweiten Betriebspunkt der
Verbrennungsvorrichtung; Figur 4 eine Zuordnung zwischen erfassten Messsignalen eines Partikelsensors und Partikelzahl-Istwerten für einen Betriebspunkt;
Figur 5 eine Korrelation zwischen betriebspunktindividuellen Messsignalen eines Partikelsensors und zugehörigen Vergleichswerten in einem initialen Gutzustand der Verbrennungsvorrichtung;
Figur 6 ein Balkendiagramm betriebspunktindividueller Partikelzahl-Istwerte zusammen mit zugehörigen Vergleichswerten in einem gealterten Zustand der Verbrennungsvorrichtung; und
Figur 7 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Einzelnen zeigt die Figur 1 eine Verbrennungsvorrichtung 10 mit einer Sensorik 12, einer Kraftstoffdosiervorrichtung 14, einem
Abgasnachbehandlungssystem 16, einem Steuergerät 18 und einem
Fehleranzeigemittel 20. Das Steuergerät weist 18 insbesondere einen
Mikroprozessor 22 und einen Speicher 24 auf. Das
Abgasnachbehandlungssystem 16 weist einen Partikelfilter 26 und einen im Abgasstrom stromabwärts von dem Partikelfilter 26 in das Abgas hineinragenden Partikelsensor 28 auf. Der Partikelsensor 28 ist bevorzugt ein nach einem elektrostatischen Prinzip arbeitender Partikelsensor.
Die Verbrennungsvorrichtung 10 kann zum Beispiel ein Verbrennungsmotor wie ein Ottomotor oder ein Dieselmotor sein. Alternativ kann die
Verbrennungsvorrichtung 10 aber auch ein Ofen, zum Beispiel der Ofen einer Heizanlage sein. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf ein
Ausführungsbeispiel, in dem die Verbrennungsvorrichtung 10 ein
Verbrennungsmotor ist. Sie gelten aber sinngemäß auch für andere
Ausführungsbeispiele von Verbrennungsvorrichtungen 10.
Figur 2 zeigt qualitativ eine Partikelgrößenverteilung 30 für einen ersten
Betriebspunkt BP1 eines Verbrennungsmotors, und die Figur 3 zeigt qualitativ eine Partikelgrößenverteilung 32 für einen zweiten Betriebspunkt BP2 des Verbrennungsmotors. Auf der Abscisse sind in beiden Figuren 2, 3 jeweils Größen von Partikeln im Abgas des Verbrennungsmotors aufgetragen. Die Abscissen und Ordinaten der Figuren 2 und 3 sollen gleiche Skalen aufweisen, so dass die Partikelgrößenverteilungen 30, 32 in Bezug auf die Lage des jeweiligen Maximums vergleichbar sind.
Die auf den Abscissen dargestellten Intervalle repräsentieren jeweils eine Größenklasse von Partikeln, wobei die Lage, Breite und Zahl der Intervalle lediglich als Beispiel dienen soll. Auf den Ordinaten sind jeweils
Partikelzahldichten n' aufgetragen (Zahl pro Größeneinheit), die in den
Größenklassen im Abgas auftreten. Ein Integral einer Partikelzahldichte n' über einem der Abscissenintervalle entspricht damit einer Zahl n von Partikeln im Abgas, deren Größe in der durch das Intervall definierten Größenklasse liegt. Die Partikelgrößenverteilungen beziehen sich jeweils auf Partikel am Einbauort des Partikelsensors 28 im Abgasnachbehandlungssystem 16.
Der erste Betriebspunkt BP1 ist zum Beispiel ein Betriebspunkt eines
Verbrennungsmotors, bei dem dieser mit hoher Last betrieben wird. In diesem Fall emittiert der Verbrennungsmotor Rußpartikel mit einer Größenverteilung 30, die im dargestellten Beispiel ein Maximum bei eher kleinen Partikelgrößen aufweist. Im dargestellten Beispiel liegt das Maximum in einer Größenklasse mit einem bei 20 nm liegenden Mittelwert. Die Partikel werden zwar zum Teil durch den Partikelfilter 26 zurückgehalten, gelangen aber zum Teil auch durch den Partikelfilter hindurch. Dies gilt für Partikel sämtlicher Größenklassen.
Die durchgezogene Kurve 30 repräsentiert einen initial guten Zustand des Partikelfilters, und die oberhalb der durchgezogenen Kurve 30 verlaufende gestrichelte Kurve 30' entspricht einem gealtertem Zustand, in dem der
Partikelfilter 26 im Betriebspunkt BP1 bei nicht wesentlich veränderten
Rohemissionen eine höhere Durchlässigkeit insbesondere für Partikel aus der Größenklasse mit mittlerem Durchmesser von 20 nm aufweist.
Der zweite Betriebspunkt BP2 ist in dem gewählten Beispiel ein Betriebspunkt mit einer eher geringen Last des Verbrennungsmotors. In diesem Fall emittiert der Verbrennungsmotor Rußpartikel mit einer Größenverteilung 32, die im dargestellten Beispiel ein Maximum bei eher großen Partikelgrößen aufweist. Im dargestellten Beispiel liegt das Maximum der sich im Betriebspunkt BP2 einstellenden Größenverteilung 32 in einer Größenklasse mit einer mittleren Partikelgröße von 90 nm.
Wie aus den Figuren 2 und 3 qualitativ entnehmbar ist, wird die Zahl n der in einem Betriebspunkt insgesamt emittierten Partikel im Wesentlichen von der Zahl der Partikel aus der Größenklasse bestimmt, in der das Maximum der
Größenverteilungen 30, 32 liegt. Als Näherung wird ein in diesem Betriebspunkt mit dem Partikelsensor 28 erfasstes Messsignal als ein die Zahl von Partikeln aus dieser Größenklasse repräsentierendes Messsignal betrachtet. Das zunächst betriebspunktindividuelle Messsignal wird damit als
Partikelgrößenindividuelles Messsignal betrachtet.
Figur 4 zeigt für einen einzelnen Betriebspunkt BP (oder einen bestimmten, zusammenhängenden Bereich von Betriebspunkten) des Verbrennungsmotors eine Zuordnung zwischen erfassten Messsignalen MS, die auf der Abscisse aufgetragen sind, und Partikelzahl-Istwerten n (oder Istwerten von Partikelzahlen pro Abgasvolumeneinheit oder Abgasmasseneinheit), die auf der Ordinate aufgetragen sind.
Eine für einen initial guten Zustand gültige Zuordnung von betriebspunktabhängig definierten Größenverteilungen der Rußpartikel zu Betriebspunkten erfolgt zunächst in einer Anpassung des Steuergeräts 18 an den Verbrennungsmotor 10. Diese Zuordnung erfolgt zunächst für einen neuwertigen Verbrennungsmotor 10 auf einem Prüfstand stellvertretend für weitere Paarungen baugleicher Steuergeräte 18 und Verbrennungsmotoren 10, was auch als Applikation oder, wenn es zu Zulassungszwecken erfolgt, als Zertifizierung bezeichnet wird. Dabei werden unter Verwendung von Messvorrichtungen, die im späteren Betrieb nicht zur Verfügung stehen, Größenverteilungen von Partikeln in verschiedenen Motorbetriebspunkten ermittelt. Wenn in einem Motorbetriebspunkt eine
Größenklasse zahlenmäßig dominiert, werden diesem Motorbetriebspunkt diese Größenklasse und die Zahl der Partikel der dominierenden Partikelgröße zugeordnet.
Diese Zuordnung wird für baugleiche Verbrennungsvorrichtungen 10 in deren Steuergeräte 18 übernommen. Die Übernahme erfolgt zum Beispiel dadurch, dass für einen bestimmten Betriebspunkt oder Betriebspunktbereich eine Kennlinie 34 gespeichert wird, die verschiedenen Messsignalen die in diesem Betriebspunkt jeweils zugehörigen Partikelzahlen zuordnet.
Diese Zuordnung erlaubt eine Bildung der Partikelzahl-Istwerte, die dadurch erfolgt, dass wenigstens ein für einen Betriebspunkt betriebspunktindividuell ermitteltes Messsignal einem Partikelzahl-Istwert zugeordnet wird, der für diesen Betriebspunkt, dieses Messsignal und für Partikel einer bestimmten Größe in einem initialen Gutzustand des Partikelfilters vorbestimmt worden ist. Diese Partikelzahl ist für eine Größenklasse repräsentativ. Die Messsignal-abhängige Zahl der Partikel wird im späteren Betrieb aus der Kennlinie 34 ausgelesen und bildet einen Messsignal-Istwert, der mit dem ebenfalls für diesen Betriebspunkt ermittelten Vergleichswert verglichen wird.
Eine solche Zuordnung jeweils einer Kennlinie 34 zu jeweils einem Betriebspunkt erfolgt für verschiedene Betriebspunkte BP des Verbrennungsmotors. Damit kann in späteren Betriebsphasen für verschiedene Größenklassen von Partikeln beurteilt werden, ob die stromabwärts von einem Partikelfilter 26 des
Verbrennungsmotors auftretenden Partikelzahlen noch zulässig sind oder nicht.
Figur 5 zeigt eine Korrelation zwischen betriebspunktindividuellen Partikelzahl- Istwerten n und zugehörigen Vergleichswerten VW. In einem initialen Gutzustand des Verbrennungsmotors sind die jeweils auf ein und denselben Betriebspunkt bezogenen Partikelzahl-Istwerte n, die auf im Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgenden Messungen basieren, mit im Speicher des Steuergeräts
gespeicherten Vergleichswerten VW identisch. Die Betriebspunkte BP liegen in diesem Fall auf einer Geraden mit Steigung 1 durch den Koordinatenursprung.
Das bedeutet, dass die Anzahl n der stromabwärts von dem Partikelfilter 26 mit dem Abgasstrom transportierten Partikel in diesen Betriebspunkten BP dem initialen Gut-Zustand entspricht. Da jeder Betriebspunkt BP Partikeln aus einer Größenklasse von Partikeln zugeordnet ist, die in diesem Betriebspunkt besonders häufig Vorkommen, bedeutet die genannte Übereinstimmung, dass der Partikelfilter 26 für Partikel aus diesen Größenklassen eine gute Filterwirkung besitzt. Figur 6 zeigt ein Balkendiagramm betriebspunktindividueller Partikelzahl-Istwerte IWi zusammen mit zugehörigen Vergleichswerten VWi in einem gealterten Zustand des Verbrennungsmotors. Auf der Abscisse sind wieder die
Größenklassen, bzw. Betriebspunkte, aufgetragen, und auf der Ordinate sind Partikelzahlen n aufgetragen. Die Vergleichswerte VW sind dabei
betriebspunktindividuelle Partikelzahlen, die einen initialen Gutzustand repräsentieren, wobei der Vergleichswert VWi mit i = 1 bis 4 zum Betriebspunkt BPi gehört. Analog nummeriert der Index i auch die Partikelzahl-Istwerte IWi.
Ein Vergleichswert kann zum Beispiel durch Addieren eines Offsets zu einem für einen Neuzustand und den betreffenden Betriebspunkt (und damit die betreffende Größenklasse) erwartbaren Messsignal erzeugt werden. Der Vergleichswert entspricht dann zum Beispiel einer erlaubten Maximalzahl von Partikeln dieser Größenklasse.
Die in der Figur 6 als Balken dargestellten Partikelzahl-Istwerte IWi sind jeweils Partikelzahl-Istwerte, die auf Messwerten basieren, die in einer Betriebsphase jeweils für einen Betriebspunkt mit gleichem Index vom Partikelsensor 26 erfasst worden sind. Die Figur 6 zeigt eine Situation, in der der Partikelfilter 26 in den Betriebspunkten BP1 und BP4 jeweils einen oberhalb des zugehörigen
Vergleichswerts VW1 und VW4 liegenden Partikelzahl-Istwert IW1 und IW4 aufweist, während die übrigen Partikelzahl-Istwerte IW2 und IW3 nicht nennenswert von ihrem zugeordneten Vergleichswert VW1 , VW2 abweichen. Dies entspricht einer Situation, in welcher der Partikelfilter 26 eine erhöhte Durchlässigkeit für Partikel aus den Größenklasse GK1 und GK4 aufweist und Partikel in den übrigen Größenklassen GK2 und GK3 noch ausreichend gut zurückhält. Eine Größenklasse mit Index i ist dabei einem Betriebspunkt mit gleichem Index i zugeordnet.
In einer Betriebsphase werden die in einem Betriebspunkt BP (in dem der Verbrennungsmotor ggf. wiederholt betrieben wird) erfassten Messsignale MS (die als repräsentativ für eine Größenklasse der Partikel betrachtet werden) direkt oder bevorzugt in integrierter Form mit dem für diesen Betriebspunkt BP vorbestimmten Vergleichswert VW verglichen. In der Betriebsphase werden die betriebspunktabhängigen und damit auch größenklassenabhängigen
Vergleichsergebnisse dokumentiert (zum Beispiel durch Speichern), bis in den einzelnen Größenklassen ausreichend Information vorhanden ist, um eine größenklassenabhängige Unterscheidung eines ausreichend funktionsfähigen von einem nicht mehr ausreichend funktionsfähigen Partikelfilter 26 zu erlauben. Darauf aufbauend kann dann eine On Board Diagnose-Entscheidung getroffen werden, die zum Beispiel eine zu hohe Emission kleiner Partikel in Verbindung mit einer noch erlaubten Emission für große Partikel als Ergebnis hat. Ein solches Ergebnis wird zum Auslesen gespeichert und/oder durch das
Fehleranzeigemittel 20, das z.B. eine Fehlerlampe oder eine Display sein kann, angezeigt.
Eine Integration/Aufsummierung der Messwerte MS je Größenklasse GK verbessert dabei die Genauigkeit des Systems. Da aufgrund des dynamischen Fährbetriebs über einen nur kurzen Zeitraum nicht sichergestellt ist, dass alle in der Zertifizierung gemessen Größenklassen auch durch den Fahrer angefahren werden ist, kann durch eine Verlängerung und Abspeicherung der Messwerte über einen längeren Zeitraum eine Erweiterung des bewertbaren
Größenverteilungen erfolgen.
Damit ist es möglich einen größenklassenabhängigen Wirkungsgrad des Abgasnachbehandlungssystems zu messen und Abweichungen zum Zustand der Zertifizierung festzustellen.
Für einen Betriebspunkt, dem eine Größenklasse zugeordnet ist, wird ein Parti kelzahl-lstwert auf der Basis von in diesem Betriebspunkten mit dem Partikelsensor erfassten Messwerten gebildet und mit dem Vergleichswert verglichen. Der Vergleichswert ist dabei zum Beispiel so vorbestimmt, dass er einen ausreichend funktionsfähigen Zustand des Gesamtsystems repräsentiert.
Wenn der Partikelzahl-Istwert dann dem Vergleichswert bis auf erlaubte
Abweichungen entspricht, kann damit das Gesamtsystem im Rahmen einer On Board Diagnose für diese Größenklasse als ausreichend funktionsfähig beurteilt werden. Diese Aussage erstreckt sich dann nicht nur auf den Partikelfilter, sondern kann auch die Kraftstoffdosiervorrichtung mit einschließen, da zum Beispiel Injektordriften ebenfalls die Partikelgrößenverteilungen beeinflussen können. Setzt man voraus, dass die Partikel-Rohemissionen des Verbrennungsmotors gespeichert sind, kann man durch einen Vergleich der aus dem Messsignal ermittelten Partikelzahl mit der für diesen Betriebspunkt als Rohemission gespeicherten Partikelzahl die Wirkung des Partikelfilters für Partikel dieser Größenklasse bewerten.
Figur 7 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens, das im späteren Betrieb des
Verbrennungsmotors vom Steuergerät 18 durch geführt wird. .
Aus einem vom Steuergerät 18 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 durch geführten Hauptprogramm 100 heraus werden im Schritt 102 Messsignale des Partikelsensors 28 erfasst.
Im Schritt 104 werden auf der Basis von in vorbestimmten Betriebspunkten des Verbrennungsmotors 10 erfassten Messsignalen betriebspunktindividuelle Parti kelzahl-lstwerte gebildet. Die Betriebspunkte zeichnen sich dadurch aus, dass eine Größenverteilung von Rußpartikeln in jedem dieser Betriebspunkte einen maximalen Wert für eine bestimmte Größenklasse der Partikel aufweist, wobei sich die Größenklassen vorbestimmter Betriebspunkte voneinander unterscheiden
Im Schritt 106 werden die Partikelzahl-Istwerte mit für jeweils denselben
Betriebspunkt des Verbrennungsmotors betriebspunktindividuell vorbestimmten und in dem Steuergerät gespeicherten Vergleichswerten verglichen.
Im Schritt 108 wird der Zustand des Abgasnachbehandlungssystems 16 des Verbrennungsmotors und/oder der Zustand einer Kraftstoff zu dem
Verbrennungsmotor dosierenden Kraftstoffdosiervorrichtung auf der Basis dieser Vergleiche beurteilt. Der Zustand des Abgasnachbehandlungssystems entspricht zum Beispiel dem Zustand des Partikelfilters.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters (26), der in einer Abgasleitung einer Verbrennungsvorrichtung (10) angeordnet ist, auf der Basis von Messsignalen eines Partikelsensors (28), der in die Abgasleitung hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis von in vorbestimmten Betriebspunkten der Verbrennungsvorrichtung (10) erfassten Messsignalen betriebspunktindividuelle Partikelzahl-Istwerte gebildet werden, wobei die Bildung der Partikelzahl-Istwerte dadurch erfolgt, dass wenigstens ein für einen Betriebspunkt betriebspunktindividuell ermitteltes Messsignal einem Partikelzahl-Istwert zugeordnet wird, der für diesen Betriebspunkt, dieses Messsignal und für Partikel einer bestimmten Größe in einem initialen Gutzustand des Partikelfilters (26) vorbestimmt worden ist, dass der Partikelzahl-Istwert mit einem in einem Steuergerät (18) der Verbrennungsvorrichtung (10) gespeicherten, Partikelgrößen-individuellen Vergleichswert verglichen wird, und dass der Zustand eines
Abgasnachbehandlungssystems (16) der Verbrennungsvorrichtung (10) auf der Basis dieses Vergleichs beurteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Basis von in vorbestimmten Betriebspunkten der Verbrennungsvorrichtung (10) erfassten Messsignalen betriebspunktindividuell gebildeten Partikelzahl- Istwerte in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zusammenhang zwischen den betriebspunktindividuell gebildeten Partikelzahl-Istwerten und Messsignalen des Partikelsensors (28) gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
vorbestimmte Zusammenhang durch eine im Steuergerät (18) gespeicherte Kennlinie (34) definiert ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine für einen Betriebspunkt gespeicherte Größe von Partikeln eine Größenklasse von Partikeln repräsentiert, die in diesem Betriebspunkt partikelzahlmäßig stärker besetzt ist als gleichgroße andere Größenklassen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von in einem Betriebspunkt erfassten Messsignalen in integrierter Form einem Partikelzahl-Istwert zugeordnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Partikelgrößen-individueller Vergleichswert durch Addieren eines Offsets zu einem für den betreffenden Betriebspunkt in einem initialen Gutzustand der Verbrennungsvorrichtung vorbestimmten Partikelgrößen-individuellen Partikelzahl-Istwert bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass für vorbestimmte Betriebspunkte in einem initialen Gutzustand ermittelte und im Steuergerät (18) gespeicherte Rohemissions- Partikelzahlwerte mit für diese Betriebspunkte ermittelten Partikelzahl- istwerten verglichen werden und dass auf der Basie solcher Vergleiche Partikelgrößenabhängige Wirkungsgrade gebildet und zur Partikelgrößen- individuellen On Board-Diagnose des Partikelfilters verwendet werden.
8. Steuergerät (18), das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters (26) durchzuführen, der in einer Abgasleitung einer Verbrennungsvorrichtung (10) angeordnet ist, auf der Basis von Messsignalen eines Partikelsensors (28), der in die Abgasleitung hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, auf der Basis von in vorbestimmten Betriebspunkten der Verbrennungsvorrichtung (10) erfassten Messsignalen
betriebspunktindividuelle Partikelzahl-Istwerte zu bilden, wobei die Bildung der Partikelzahlwerte dadurch erfolgt, dass das Steuergerät (18) wenigstens ein für einen Betriebspunkt betriebspunktindividuell ermitteltes Messsignal einem Partikelzahl-Istwert zuordnet, der für diesen Betriebspunkt, dieses Messsignal und Partikel einer bestimmten Größe in einem initialen
Gutzustand des Partikelfilters (28) vorbestimmt worden ist, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, den Partikelzahl-Istwert mit einem in dem Steuergerät (18) gespeicherten, Partikelgrößen-individuellen
Vergleichswert zu vergleichen und den Zustand des Partikelfilters (26) auf der Basis dieses Vergleich zu beurteilen.
9. Steuergerät (18) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7 auszuführen.
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