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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem
umfassend einen Partikelfilter und einen dem Abgas der Brennkraftmaschine
ausgesetzten ersten und zweiten Partikelsensor zur Erfassung einer
Abgas-Partikelbelastung sowie ein Verfahren zur Erfassung einer
Partikelbelastung eines Abgases einer Brennkraftmaschine, bei welchem
eine auf einem Partikelsensor abgelagerte Partikelmenge erfasst
wird.
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Aus
der
EP 0 525 566 A1 ist
ein Sensor bekannt, der dem Abgas einer Brennkraftmaschine ausgesetzt
ist und sich beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit den im Abgas
enthaltenen Partikeln beladen kann. Die Stärke der Partikelbeladung kann durch
Messung des elektrischen Widerstands zwischen zwei voneinander beabstandeten
Elektroden des Sensors gemessen werden. Wenn der Sensor mit einer
bestimmten Partikelmenge beladen ist, erfolgt eine Regeneration
des Sensors, indem ein Heizelement aktiviert und die überwiegend
aus Ruß bestehenden
abgelagerten Partikel abgebrannt werden, so dass der Sensor wieder
in einen Initialzustand gebracht wird. Ist eine vorgegebene Anzahl von
Regenerationen des Sensors erfolgt, so wird eine Regeneration des
Partikelfilters veranlasst. Auf diese Weise können eine Partikelbelastung
des Abgases bzw. eine Partikelbeladung eines stromab des Sensors
angeordneten Partikelfilters ermittelt werden. Während der Regenerationsphasen
des Sensors ist dieser jedoch nicht in der Lage die Partikelbelastung
des Abgases zu erfassen. Die Ermittlung der Beladung des Partikelfilters
ist daher mit Ungenauigkeiten behaftet und die Notwendigkeit für eine Partikelfilterregeneration
kann nicht mit einer gewünschten
Zuverlässigkeit
bestimmt werden. Die Partikelfilterregenerationen werden daher unter
Umständen verspätet vorgenommen,
was einen verschlechterten Brennkraftmaschinenbetrieb zur Folge
hat.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren
anzugeben, welche eine zuverlässigere
Erfassung der Abgaspartikelbelastung ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
7 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich gemäß Anspruch
1 dadurch aus, dass ein erster Partikelsensor und ein zweiter Partikelsensor
vorgesehen sind, wobei der erste und der zweite Partikelsensor unabhängig voneinander
in einen Referenzzustand bringbar sind. Als Folge dieser unabhängigen Betriebsweise
können
die Partikelsensoren zeitversetzt in ihren jeweiligen Referenzzustand
gebracht werden, wodurch gewährleistet
ist, dass wenigstens einer der Sensoren ständig einsatzbereit ist und
die Partikelbelastung des Abgases erfassen kann. Es entstehen daher
keine Messpausen, so dass der Beladungszustand des Partikelfilters
besonders zuverlässig
ermittelt werden kann. Ferner wird damit eine Redundanz bei der Überwachung
der Abgasqualität
erreicht, so dass beispielsweise bei einem Totalausfall eines der
beiden Sensoren die Erfassung der Abgaspartikelbelastung durch den anderen
weiterhin erfolgen kann. Auf diese Weise ist nach einem Totalausfall
eines der Sensoren ein schadstoffarmer Betrieb der Brennkraftmaschine
zumindest eine gewisse Zeit lang ermöglicht.
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Unter
einer Abgaspartikelbelastung wird in diesem Zusammenhang eine vorzugsweise
auf die Zeit oder die Abgasmenge bezogene Menge an partikelförmigen Abgasbestandteilen
verstanden, welche das Abgassystem am Einbauort des jeweiligen Sensors
passiert. Ein mit dieser Menge korrelierender Anteil lagert sich
auf den Partikelsensoren ab, wobei die Sensoren so ausgebildet sind,
dass sie ein Messsignal abgeben können, welches mit der abgelagerten
Partikelmenge korreliert. Aufgrund der zeitlich veränderlichen
Menge abgelagerter Partikel erzeugen die Partikelsensoren daher
jeweils ein entsprechendes, zeitlich veränderliches Signal. Es ist daher
vorgesehen, dass die Sensoren von Zeit zu Zeit in einen Referenzzustand
gebracht werden können.
Dieser Referenzzustand ist als Zustand des Partikelsensors zu verstehen,
bei welchem das Sensorsignal eindeutig einer bestimmten Menge an
abgelagerten Partikeln zugeordnet werden kann. Vorzugsweise handelt
es sich dabei um einen Zustand, bei welchem der Sensor im Wesentlichen
frei von beladenen Partikeln, insbesondere frei von beladenen Rußpartikeln
ist. Dementsprechend stellt das in diesem Zustand erhaltene Sensorsignal
ein Nullpunktssignal dar. Im Referenzzustand erfolgt somit vorzugsweise
eine Nullpunktskalibrierung des Partikelsensors.
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Zur
Erzielung des Referenzzustands ist vorzugsweise eine Konditionierung
derart vorgesehen, dass auf dem Partikelsensor abgelagerte Partikel wenigstens
teilweise entfernt werden. Besonders bevorzugt ist es, den Referenzzustand
durch Abbrennen von auf dem jeweiligen Sensor abgelagerten Partikeln
herbeizuführen.
Hierzu wird der Sensor für eine
vorgebbare Zeit auf eine erhöhte
Temperatur aufgeheizt, so dass die überwiegend aus Ruß bestehenden
Partikel abbrennen. Auf diese Weise erfolgt ein Zurücksetzen
des Sensorsignals.
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Es
ist vorgesehen, dass der erste Partikelsensor und der zweite Partikelsensor
unabhängig voneinander
betrieben werden und erfindungsgemäß unabhängig voneinander in ihren jeweiligen
Referenzzustand gebracht werden können. Dabei wird der hierfür vorzugsweise
vorgesehene Rußabbrandvorgang
eines Sensors derart durchgeführt,
dass der Messbetrieb des jeweils anderen Sensors nicht beeinträchtigt ist.
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In
Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Partikelsensor und der
zweite Partikelsensor benachbart zueinander im Abgassystem angeordnet. Beide
Sensoren erfassen somit die gleiche Partikelbelastung des Abgases.
Die Signale bzw. Messwerte der beiden Sensoren können daher wenigstens zeitweise
miteinander abgeglichen werden, wodurch eine besonders genaue Erfassung
der Abgaspartikelbelastung ermöglicht
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen der erste Partikelsensor
und der zweite Partikelsensor jeweils einen sensorischen Bereich
auf, wobei die sensorischen Bereiche auf einem gemeinsamen Substrat
angeordnet sind. Auf diese Weise ist wird der Platzbedarf für die Sensoren
und deren Anschlüsse
minimiert. Außerdem
ist gewährleistet,
dass die Sensoren von Abgas mit nahezu derselben Beschaffenheit
angeströmt
werden, so dass sie dieselbe Partikelbelastung erfassen. Auf diese
Weise können
ihre Signale miteinander abgeglichen werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Partikelsensor
und der zweite Partikelsensor stromauf des Partikelfilters im Abgassystem
angeordnet. Auf diese Weise ist die in den Partikelfilter einströmende Partikelmenge
ermittelbar. Bei bekanntem oder ermitteltem Abscheidegrad des Partikelfilters
kann somit dessen Beladung mit Partikeln laufend ermittelt werden
und ein optimaler Zeitpunkt für
eine Partikelfilterregeneration bestimmt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist stromab des Partikelfilters
ein dritter Partikelsensor im Abgassystem angeordnet. Dies ermöglicht eine Ermittlung
des Filterwirkungsgrads bzw. des Partikelabscheidegrads. Somit ist
eine Diagnose des Partikelfilters ermöglicht. Wird vom dritten Partikelsensor eine Überschreitung
einer vorgebbaren Abgaspartikelbelastung festgestellt, so wird ein
Filterdefekt diagnostiziert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens einer der Partikelsensoren
als impedometrischer Sensor ausgebildet. Vorzugsweise sind sowohl
der erste und der zweite als auch ein gegebenenfalls vorhandener
dritter Partikelsensor als impedometrische Sensoren ausgebildet
und die auf einem jeweiligen sensitiven Bereich abgelagerte Partikelmenge
kann über
die Impedanz einer auf einem Sensorträger angeordneten Elektrodenanordnung
erfasst werden. Dabei umfasst die Impedanz auch einen Gleichstromwiderstand.
Vorzugsweise wird der impedometrische Sensor jedoch mit einer Wechselspannung
betrieben. Auf diese Weise können
auch geringe Rußbeladungen
erfasst werden, welche noch nicht zur Ausbildung einer bezüglich Gleichstrom
leitfähigen
Brücke
zwischen zwei benachbarten Elektroden und somit zu einem beobachtbaren Änderung
des Gleichstromwiderstands führen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigsten einer Partikelsensoren
beheizbar ausgebildet. Vorzugsweise sind sowohl der erste und der zweite
als auch ein gegebenenfalls vorhandener dritter Partikelsensor beheizbar
ausgebildet. Somit kann ein Abbrennvorgang des jeweiligen Sensors
autark und unabhängig
von der Temperatur des Abgases durchgeführt werden. Der Sensor kann
somit zu beliebigen Zeitpunkten in seinen jeweiligen Referenzzustand
gebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist gemäß Anspruch
7 dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Partikelsensor und ein
zweiter Partikelsensor eingesetzt werden und für den ersten und den zweiten
Partikelsensor wiederkehrende Konditionierungsvorgänge durchgeführt werden,
so dass der jeweilige Partikelsensor in einen Referenzzustand gebracht
wird. Durch die Konditionierungsvorgänge werden die Sensoren von
Ablagerungen befreit und es wird auf diese Weise ein Referenzzustand
herbeigeführt,
bei welchem die Sensoren im wesentlichen frei von abgelagerten Partikeln
sind. Da typischerweise mit zunehmender Partikelbeladung eines Sensors
dessen Empfindlichkeit abnimmt, wird auf diese Weise in wiederkehrenden
Abständen
die maximale Empfindlichkeit der Sensoren wiederhergestellt. Vorzugsweise
handelt es sich bei den Konditionierungsvorgängen jeweils um einen Rußabbrand,
welcher durch Aktivieren eines im Sensor integrierten Heizelements mit
entsprechendem Aufheizen erfolgt. Der Zeitpunkt für einen
jeweiligen Konditionierungsvorgang ist dabei zweckmäßigerweise
von der Beladung des Sensors abhängig.
Die Häufigkeit
der Konditionierungsvorgänge
ergibt sich daher abhängig
von der Partikelbelastung des Abgases, dem der Sensor ausgesetzt
ist.
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In
Ausgestaltung des Verfahrens werden die Konditionierungsvorgänge für den ersten
und den zweiten Partikelsensor antizyklisch durchgeführt. Auf diese
Weise ist gewährleistet,
dass die Konditionierungsvorgänge
der beiden Sensoren niemals zeitlich zusammenfallen bzw. sich zeitlich überlappen.
Fol glich ist ständig
wenigstens einer der beiden Sensoren messbereit, so dass keinerlei
Messpausen entstehen.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden der erste und der zweite
Partikelsensor benachbart zueinander im Abgassystem angeordnet. Somit
erfassen die beiden Sensoren dieselbe Abgaspartikelbelastung und
es kann eine Plausibilitätsüberprüfung ihrer
Signale durchgeführt
werden. Ein Defekt oder ein Ausfall eines Sensors kann daher rasch
bemerkt werden. In diesem Fall kann die Abgaspartikelbelastung jedoch
weiterhin durch den intakten Sensor erfolgen. Auf diese Weise wird
die Zuverlässigkeit
der Messungen entscheidend verbessert.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist ein zur Ausfilterung von
Partikeln aus dem Abgas der Brennkraftmaschine geeigneter Partikelfilter
vorgesehen und der erste und der zweite Partikelsensor werden stromauf
des Partikelfilters im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnet.
Auf diese Weise erfolgt eine Reinigung des Abgases von Partikeln, wobei
laufend die Belastung des Partikelfilters überwacht werden kann. Es ist
daher möglich,
die Partikelbeladung des Partikelfilters zu überwachen und gegebenenfalls
rechtzeitig eine Partikelfilterregeneration einzuleiten. Dabei kann
auch eine Summenbelastung ermittelt werden, so dass zwischen einer Rußbeladung
und einer Aschebeladung des Filters unterschieden werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein dritter Partikelsensor
stromab des Partikelfiters eingesetzt. Mittels des dritten Partikelsensors kann,
insbesondere in Korrelation mit einem Messwert eines stromauf angeordneten
Partikelsensors, der Filterwirkungsgrad bzw. der Abscheidegrad des Partikelfilters
laufend überwacht
werden. Speziell kann durch den dritten Sensor ein zu einem Partikeldurchbruch
führender
Filterdefekt erkannt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Ausgangssignale
des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Partikelsensors
zur Steuerung von Regenerationsvorgängen für den Partikelfilter herangezogen.
Dabei kann sowohl die Häufigkeit
bzw. der Zeitpunkt der Regenerationsvorgänge als auch deren Dauer gesteuert
bzw. beeinflußt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Ausgangssignale
des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Partikelsensors
zur Ermittlung eines Zustands des Partikelfilters herangezogen.
Neben der Ermittlung des Beladungszustands kann auch der Abscheidegrad
und damit die Funktionsfähigkeit
des Partikelfilters ermittelt werden. Dabei ermöglicht insbesondere eine geeignete Auswertung
der Signale von vor und hinter dem Partikelfilter angeordneten Partikelsensoren
eine besonders zuverlässige
onboard-Diagnose des Partikelfilters.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden
nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und
nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehörigem Abgassystem,
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2 eine
schematisch als Explosionszeichnung dargestellte bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäß eingesetzten
Partikelsensors,
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3a den
Partikelsensor der 2 in einer schematischen Draufsicht,
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3b den
mit einer Partikelschicht beladenen Partikelsensor der 2 in
einer schematischen Querschnittsdarstellung,
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4a eine
stark vereinfachte Darstellung des in 1 dargestellten
Partikelsensors in Draufsicht,
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4b eine
stark vereinfachte Darstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäß eingesetzten
Partikelsensors in Draufsicht,
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5 ein
Diagramm zur Verdeutlichung eines typischen Sensor-Signalverlaufs
und
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6 ein
schematisches Zeitdiagramm einer zeitlichen Abfolge von Betriebszuständen für zwei Partikelsensoren.
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In 1 ist
lediglich schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem
Abgassystem A dargestellt. Gemäß 1 erhält die Brennkraftmaschine 1 eines
nicht dargestellten Kraftfahrzeugs Verbrennungsluft über eine
Ansaugluftleitung 2. Die Verbrennungsabgase werden über eine
Abgasleitung 3 abgeführt.
In der Abgasleitung 3 sind ein Partikelfilter 4 sowie
weitere, nicht dargestellte reinigungsaktive Komponenten angeordnet.
Als Partikelfilter kann jedes filterwirksame Bauteil eingesetzt
werden, welches zur Ausfilterung von Partikeln aus Brennkraftmaschinenabgas
geeignet ist. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines katalytisch
beschichteten wanddurchströmten
Partikelfilters in Wabenkörperbauweise.
Die Brennkraftmaschine 1, nachfolgend kurz Motor genannt,
ist vorzugsweise als Dieselmotor ausgebildet.
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Zur
Erfassung der Abgaspartikelbelastung sind eingangsseitig des Partikelfilters 4 ein
erster Partikelsensor 5 und ein zweiter Partikelsensor 6 eng benachbart
in der Abgasleitung 3 angeordnet. Die Partikelsensoren 5, 6 können auf
einem gemeinsamen Träger
oder räumlich
getrennt voneinander auf jeweils einem separaten Träger angeordnet
sein. In beiden Fällen
kann es zweckmäßig sein,
für beide Sensoren
ein gemeinsames Gehäuse
vorzusehen. Ausgangsseitig des Partikelfilters 4 ist ein
weiterer, dritter Partikelsensor 7 vorgesehen. Die Signale
der Sensoren 5, 6, 7 werden über Signalleitungen 8 an ein
elektronisches Steuergerät 9 geleitet.
Das Steuergerät 9 verfügt neben
Mitteln zum Ansteuern der Sensoren 5, 6, 7 über eine
Recheneinheit zur Verarbeitung der empfangenen Daten und eine Speichereinheit
in welcher beispielsweise Kennfelder abgelegt sind und Daten abgespeichert
werden können, was
im Einzelnen nicht dargestellt ist. Das elektronische Steuergerät 9 ist
ferner in der Lage, in Abhängigkeit
der Signale den Betrieb des Motors 1 und des Abgassystems,
insbesondere des Partikelfilters 4 zu steuern. Stellvertretend
für die
hierfür
vorhandenen Steuerleitungen ist eine Motorsteuerleitung 10 zur Ansteuerung
und Erfassung des Motorbetriebs eingezeichnet.
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Bei
normalem Betrieb des Motors 1 erfolgt eine Reinigung der
Abgase durch Ausfilterung der Rußpartikel durch den Partikelfilter 4.
Dabei tritt im Allgemeinen eine allmählich zunehmende Rußbeladung
des Partikelfilters 4 ein, so dass dieser in zunehmenden
Maß verstopft
und von Zeit zu Zeit eine Partikelfilterregeneration, vorzugsweise
durch thermischen Rußabbrand
erforderlich wird. Der zeitliche Abstand, mit welchem diese Regenerationen
erforderlich werden, hängt
dabei maßgeblich
von der Partikelbelastung des Abgases ab. Obschon im Steuergerät 9 ein
Modell hinterlegt sein kann, mit welchem die Partikelbelastung des
Abgases aus dem jeweiligen Motorbe triebspunkt und damit der Beladungszustand
des Partikelfilters 4 abgeschätzt werden können, ist
dies jedoch meist nicht ausreichend genau. Erfindungsgemäß wird deshalb
die Partikelbelastung des Abgases von den Sensoren 5, 6, 7 ermittelt.
Zusätzlich
können
außerdem
nicht dargestellte Drucksensoren vor und hinter dem Partikelfilter 4 vorgesehen
sein, welchen den Druckabfall über
dem Partikelfilter 4 als Maß für dessen Partikelbeladung erfassen.
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Die
Partikelsensoren 5, 6, 7, deren bevorzugter
Aufbau im Zusammenhang mit den 2 bis 4b näher erläutert wird,
besteht im Wesentlichen aus einem plättchenförmigen Keramiksubstrat, auf dem
wenigstens zwei Messelektroden aufgebracht sind. Sie können beispielsweise
in Dickschichttechnik, durch Aufpinseln oder Aufsprühen oder
in Form einer Interdigitalelektrodenstruktur aufgebracht sein. Im
Abgas enthaltene Partikel setzen sich an der Oberfläche des
Keramiksubstrats ab und verändern dadurch
die elektrische Impedanz zwischen den Messelektroden. Die sich verändernde
Impedanz ist ein Maß für die Menge
der abgesetzten Rußpartikel. Auf
diese Weise kann die Partikelbelastung des Abgases ermittelt werden.
Mittels der Partikelsensoren 5, 6, 7 kann
jedoch nicht nur die Qualität
des Abgases, sondern auch der Zustand des Partikelfilters 4 festgestellt
werden, beispielsweise auch ein Durchbruch durch den Partikelfilter 4.
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Insbesondere
wird die Notwendigkeit einer Partikelfilterregeneration durch thermischen
Rußabbrand
mittels der Partikelsensoren 5, 6, 7 festgestellt. Durch
Auswertung der entsprechenden Signale wird vom Steuergerät 9 der
Beladungszustand des Partikelfilters 4 laufend ermittelt.
Wird eine kritische Beladung festgestellt, so wird, sobald ein hierfür geeigneter
und vom Steuergerät 9 als
zulässig
erkannter Motorbetriebszustand vorliegt, die Regeneration des Partikelfilters 4 durch
thermischen Rußabbrand
eingeleitet. Hierzu wird vom Steuergerät 9 der Motorbetrieb
derart umgestellt, dass sich eine erhöhte Temperatur des in den Partikelfilter 4 einströmenden Abgases
ergibt. Vorzugsweise wird eine Abgastemperatur von etwa 650 °C eingangsseitig
des Partikelfilters 4 eingestellt. Hierzu können an
sich bekannte Maßnahmen
wie Ansaugluftdrosselung, späte
Kraftstoffnacheinspritzung und dergleichen ergriffen werden.
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Bei
der Regeneration werden die angesammelten Partikel, die zu einem
großen
Teil aus Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffverbindungen bestehen, verbrannt.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
des gemäß der Erfindung
eingesetzten, in Planartechnik ausgeführten Partikelsensors anhand der 2 erläutert. Der
Partikelsensor ist auf einem ersten, vorzugsweise aus Aluminiumoxidkeramik
gebildeten Substrat 12 aufgebaut.
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Auf
der Unterseite des ersten Substrats 12 ist eine Heizerstruktur 11 mit
zwei zugehörigen
Anschlüssen 13, 14 zum
Anschluss einer Heizspannung aufgebracht. Vorzugsweise sind die
Heizerstruktur 11 und die Anschlüsse 13, 14 in
Dickschichttechnik, alternativ auch in Dünnschichttechnik gefertigt.
Dabei sind die Heizerstruktur 11 und ihre betreffende Versorgungsspannung
so ausgelegt, dass wenigstens 600 °C, bevorzugt mehr als 700 °C auf der Oberseite
des Partikelsensors erreicht werden können. Dadurch ist es möglich, auf
der Oberseite abgelagerte Rußpartikel
abzubrennen.
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Auf
dem ersten Substrat 12 ist ein ebenfalls vorzugsweise aus
Aluminiumoxidkeramik gebildetes zweites Substrat 17 angeordnet,
wobei es vorteilhaft ist, zwischen dem ersten Substrat 12 und
dem zweiten Substrat 17 eine vorzugsweise geschlossene Trennschicht 20 aus
einem elektrisch leitfähigen
Material vorzusehen. Dabei kann ein nicht dargestellter Anschluss
zum Anlegen einer Betriebsspannung an die Trennschicht 20 vorgesehen
sein.
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Auf
dem zweiten Substrat 17 ist ein, vorzugsweise ebenfalls
schichtartig ausgeführter
Temperaturfühler 16 mit
zwei Anschlüssen 18, 19 aufgebracht.
Dabei ist es vorteilhaft, diesen beispielsweise als planares Widerstandsthermometer
ausgebildeten Temperaturfühler 16 über der
Heizerstruktur 11 anzuordnen.
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Eine
Isolierschicht 15 deckt den Temperaturfühler 16 und die Anschlüsse 18, 19 ab.
Auf der Isolierschicht 15 ist, vorzugsweise ebenfalls mittels
einer Schichttechnologie, eine bevorzugt als Interdigitalstruktur
mit kammartig ineinandergreifenden Leiterbahnen ausgeführte Elektrodenstruktur 21 (IDK-Struktur) mit einem
ersten Anschluss 22 und einem zweiten Anschluss 23 aufgebracht.
Typischerweise liegt die Breite der Leiterbahnen der IDK-Struktur
und deren Abstand im Bereich zwischen 1 μm und 1000 μm. Besonders bevorzugt ist ein
Abstand von einigen hundert μm.
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Die
IDK-Struktur 21 bildet den eigentlichen, hinsichtlich einer
Partikelablagerung sensorischen Bereich 24 des Partikelsensors.
Durch die Ausbildung der Elektrodenstruktur 21 als IDK-Struktur
mit einer Vielzahl ineinandergreifender Elektrodenstreifen kann
eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Genauigkeit des Partikelsensors
bei der Erfassung von zwischen den Elektroden oder auf ihnen abgelagerten
Partikeln erreicht werden. Vorzugsweise ist der sensorische Bereich 24 direkt über dem
Temperaturfühler 16 angeordnet.
Auf diese Weise kann die Temperatur des sensorischen Bereichs 24 besonders
genau erfasst und durch Bestromung der Heizer struktur 11 eingeregelt
werden, so dass ein temperaturkonstanter Messbetrieb und ein kontrollierter Abbrand
von auf dem sensorischen Bereich 24 abgelagerten Rußpartikeln
erzielt werden können.
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Eine
erste Versorgungsleitung 25 und eine zweite Versorgungsleitung 26 sind
zu einer nicht dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit geführt, welche
die für
den Betrieb des Partikelsensors notwendigen Betriebsspannungen an
die dafür
vorgesehenen Anschlüsse
liefert und die Auswertung der zwischen dem ersten Anschluss 22 und
dem zweiten Anschluss 23 der Elektrodenstruktur 24 vorliegende elektrischen
Messgröße übernimmt.
Dabei kann die Steuer- und Auswerteeinheit auch durch das Steuergerät 9 der 1 gebildet
sein.
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Die 3a und 3b zeigen
die in Zusammenhang mit der 2 erläuterten
bevorzugten Ausführungsform
des Partikelsensors nochmals schematisch, wobei sich entsprechende
Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei ist
in 3a eine Draufsicht auf den, den sensorischen Bereich 24 tragenden
Teil des Partikelsensors dargestellt, während in 3b eine
schematische Querschnittsansicht dargestellt ist. In 3b ist
die IDK-Struktur 21 mit einer Partikelschicht 28 bedeckt, welche
sich im Laufe der Betriebszeit dort gebildet hat. Durch diese Partikelschicht 28 wird
das zwischen den Elektroden wirksame elektrische Feld beeinflusst,
was sich in einer Änderung
der zwischen den Elektroden wirksamen elektrischen Impedanz äußert und
durch die angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit 29 erfasst
wird. Dabei sind lediglich schematisch Feldlinien 27 eines
hier durch eine Gleichspannung verursachten elektrischen Felds zwischen
den Elektroden zur Verdeutlichung des Sachverhalts eingezeichnet.
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4a zeigt
nochmals stark vereinfacht den Partikelsensor der 2 in
Draufsicht. Der Sensor ist vorzugsweise schlank mit einer Breite
im Zentimeterbereich ausgeführt.
Vorzugsweise liegt die Breite im Bereich zwischen 0,2 cm und 1,5
cm. Erfindungsgemäß werden,
wie in 1 dargestellt, zwei unabhängig von einander arbeitende
Sensoren stromauf des Partikelfilters 4 eingesetzt. Vorteilhaft
ist es in diesem Zusammenhang, die beiden Partikelsensoren auf einem
einzigen Substrat 12 anzuordnen, wie stark vereinfacht
in 4b dargestellt. Das Substrat 12 trägt somit
zwei sensorische Bereiche 24, 24' und es werden somit zwei getrennt
betreibbare Partikelsensoren gebildet, die den in 1 dargestellten
Partikelsensoren 5, 6 entsprechen. Es ist jedoch
ebenfalls möglich,
die beiden Partikelsensoren auf verschiedenen Substraten aufzubauen,
wobei die Sensoren vorzugsweise eng benachbart in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
sind. In jedem Fall ist vorgesehen, die Partikelsensoren jeweils
separat zu betreiben.
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Nachfolgend
werden das Funktionsprinzip und der normale Betrieb eines Partikelsensors
erläutert.
Dabei wird davon ausgegangen, dass der Sensor dem Abgas des Motors 1 ausgesetzt
ist.
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Zum
Betrieb des Partikelsensors wird dieser zunächst aufgeheizt. Hierzu wird
von der Steuer- und Auswerteeinheit eine Heizspannung an die Anschlüsse 13, 14 gelegt.
Dabei erfolgt eine Einregelung auf eine vorgebbare Betriebstemperatur
von etwa 300° C
bis 500° C
mit Hilfe des ebenfalls an die Steuer- und Auswerteeinheit angeschlossenen
Temperaturfühlers 16.
Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird dann eine Betriebsspannung
an die Anschlüsse 22, 23 der
IDK-Struktur 21 angelegt. Diese Betriebsspannung kann eine
Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer vorgegebenen
Frequenz, die typi scherweise im Bereich zwischen 102 Hz
bis 106 Hz liegt, sein. Als Messgröße dient
vorzugsweise die komplexe Impedanz des sensorischen Bereichs 24,
die von der Steuer- und Auswerteeinheit 29 nach Realteil
und/oder Imaginärteil
ausgewertet wird. Im vorliegenden Fall stellt die Elektrodenstruktur 21 einen
kapazitiven Widerstand dar. Durch Ablagerung von Partikeln auf der
IDK-Struktur 21 tritt eine Änderung des Imaginärteils und/oder
des Realteils der komplexen Impedanz auf, die hauptsächlich von der
Menge der abgelagerten Partikel abhängt. Durch Auswertung dieser
Messgröße kann
von der Steuer- und Auswerteeinheit 29 daher die Menge
der abgelagerten Partikel ermittelt werden.
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Das
in 5 dargestellte Diagramm verdeutlicht diesen Sachverhalt.
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In
dem in 5 dargestellten Diagramm ist beispielhaft der
Widerstand oder der Realteil R der komplexen Impedanz eines Partikelsensors
gemäß 2 bis 4b in
Abhängigkeit
von der Betriebsdauer t aufgetragen. Dabei wurde der Partikelsensor dem
Abgas eines Dieselmotors mit zeitlich annähernd konstanter Partikelbelastung
ausgesetzt. Die sich im Laufe der Zeit auf dem sensorischen Bereich ansammelnden, überwiegend
aus Ruß oder
rußähnlichen
Substanzen bestehenden Partikel führen zu einer stetigen Abnahme
des hier beispielhaft betrachteten Widerstands R zwischen den Elektroden der
IDK-Struktur. Der sich ergebende Verlauf ist durch die im Diagramm
der 5 dargestellte Kurve wiedergegeben. Da die sich
je Zeiteinheit ablagernde Partikelmenge mit der Partikelbelastung
des Abgases korreliert, kann vom Partikelsensor die Partikelbelastung
des Abgases erfasst werden.
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Je
nach Höhe
der Partikelbelastung des Abgases sammeln sich Partikel jedoch mehr
oder weniger rasch auf dem Sensor an, so dass die in 5 dargestellte
Kurve mehr oder weniger steil abfallen kann. In jedem Fall kann
durch entsprechende Auswertung des Sensorsignals sowohl eine aktuell
vorhandene Partikelbelastung des Abgases, als auch eine Partikel-Summenemission über einen
vorgebbaren Zeitraum ermittelt werden. Somit ist es möglich, eine
von einem nachgeschalteten Partikelfilter aufgenommene Partikelmenge
zu erfassen. Dadurch kann die Partikelbeladung des Partikelfilters
laufend ermittelt und bei vorgegebenen Beladungswerten eine Partikelfilterregeneration
eingeleitet werden, um den Partikelfilter durch Rußabbrand
von abgelagerten Rußpartikeln
zu befreien und seinen durch die Partikelbeladung angestiegenen
Strömungswiderstand
wieder abzusenken.
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Wie
aus dem Kurvenverlauf der 5 ersichtlich,
nimmt im Laufe der Zeit, d.h. mit zunehmender Partikelbeladung die
Steilheit der Kurve und somit die Empfindlichkeit des Partikelsensors
ab. Es ist daher vorgesehen, den Partikelsensor von Zeit zu Zeit
zu konditionieren bzw. zu regenerieren, um die Ausgangsempfindlichkeit
wiederherzustellen und den Sensor wieder in einen Referenzzustand
zu bringen. Der Zeitpunkt für
eine solche Regeneration wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit
von der Größe des Sensorsignals
festgelegt. Zur Konditionierung bzw. Regenerierung wird der Heizer 11 des
jeweiligen Sensors derart aktiviert, dass im zugeordneten sensorischen
Bereich 24 eine Temperatur von etwa 700 °C erreicht
wird, wobei die abgelagerten Rußpartikel
abbrennen. Die erhöhte
Temperatur wird dabei solange aufrechterhalten, bis der Sensor frei
von abgelagerten Rußpartikeln
ist. Dies kann entweder durch Vorgabe einer fest gewählten Regenerationszeit
oder durch Auswertung des Sensorsignals während der Regeneration sichergestellt
werden.
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Hauptaufgabe
der Partikelsensoren 5, 6, 7 ist die
Bewertung des Partikelfilters 4 hinsichtlich seiner Partikelbeladung
bzw. seines Abscheidegrads. Während
eines Konditionierungsvorgangs ist jedoch der normale Messbetrieb
unterbrochen, so dass in dieser Zeit die Partikelbelastung des Abgases
von dem jeweiligen Partikelsensor nicht erfasst werden kann. Was
den hinter dem Partikelfilter 4 angeordneten Partikelsensor 7 betrifft,
so erreicht diesen von Partikeln gereinigtes Abgas, so dass sich
auf ihm Partikel mit einer vergleichsweise niedrigen Rate ablagern. Demgemäß sind Konditionierungsvorgänge für diesen
Partikelsensor 7 weniger häufig erforderlich. Eine Unterbrechung
der Messbereitschaft bedeutet für
die Überwachung
des Partikelfilters 4 keinen einschneidenden Funktionalitätsverlust.
Die durch einen Konditionierungsvorgang eintretende Messpause ist für eine onboard-Diagnose
des Partikelfilters 4 somit hinnehmbar.
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Die
Partikelbelastung des Abgases ist vor dem Partikelfilter 4 demgegenüber deutlich
höher. Folglich
werden für
einen vor dem Partikelfilter 4 angeordneten Partikelsensor
vergleichsweise häufig Konditionierungsvorgänge erforderlich
und die Messbereitschaft des Sensors ist entsprechend häufig unterbrochen.
Wird lediglich das Signal eines einzigen Partikelsensors vor dem
Partikelfilter 4 ausgewertet, so resultiert aus den Messpausen
eine unerwünschte Ungenauigkeit
bei der Ermittlung des Zustands des Partikelfilters 4.
Erfindungsgemäß wird diese
Ungenauigkeit durch den Einsatz zweier unabhängig voneinander betreibbaren
Partikelsensoren 5, 6 vor dem Partikelfilter 4 vermieden.
Erfindungsgemäß sind für diese
Partikelsensoren 5, 6 antizyklische Konditionierungsvorgänge vorgesehen,
so dass diese nicht zusammenfallen bzw. sich zeitlich nicht überlappen.
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Die
bevorzugte Vorgehensweise wird nachfolgend anhand der 6 näher erläutert. In 6 ist
die zeitliche Abfolge von Betriebsphasen der Partikelsensoren 5, 6 der 1 in
zwei korrespondierenden Balken 29, 30 über einem
Zeitstrahl dargestellt. Bereiche 31 kennzeichnen jeweils
Messbetriebsphasen, in denen der jeweilige Sensor 5, 6 normal
betrieben wird und die Partikelbelastung des Abgases erfasst. Die
Phasen 31 wechseln sich mit demgegenüber vergleichsweise kurzen
Konditionierungsphasen mit Rußabbrand
ab, was durch die schwarz markierten Bereiche 32 gekennzeichnet
ist. Die Partikelsensoren 5, 6 werden erfindungsgemäß so betrieben,
dass Konditionierungsphasen 32 eines der Sensoren 5, 6 in
Messbetriebsphasen 31 des jeweils anderen Sensors fallen.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
ist gewährleistet,
dass die Partikelbelastung ohne Unterbrechung erfasst werden kann,
da laufend wenigstens einer der Sensoren 5, 6 messbereit
ist. Da die Konditionierungsphasen 32 gegenüber den Messbetriebsphasen 31 kürzer ausfallen,
stehen darüber
hinaus für
den größeren Teil
der Zeit beide Sensoren gleichzeitig zur Erfassung der Partikelbelastung
des Abgases zur Verfügung.
Es ist daher vorgesehen, dass die Signale der Partikelsensoren 5, 6 in den
Phasen gemeinsamer Messbereitschaft abgeglichen und zu einem gemeinsamen
Messwert für
die Partikelbelastung verknüpft
werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Ermittlung der
Abgaspartikelbelastung und der Partikelfilterbeladung deutlich verbessert
werden. Darüber
hinaus ist vorgesehen, dass eine Plausibilitätsüberprüfung derart durchgeführt wird,
dass das Signal eines Sensors 5, 6 mit dem Signal
des jeweils anderen Sensors verglichen und auf Plausibilität überprüft wird.
Weichen die von den Sensoren 5, 6 ermittelten
Werte zu stark voneinander ab, so kann auf einen Defekt eines der
Sensoren geschlossen werden, was zweckmäßigerweise durch entsprechendes
Warnsignal angezeigt wird. Ist ein Defekt bei einem der Sensoren 5, 6 aufgetreten, so
steht der andere jedoch weiterhin zur Ermittlung der Abgaspartikelbelastung
und damit zur Ermittlung der Partikelfilterzustands zur Verfügung. Eine
Steuerung von Partikelfilterregenerationen ist, wenn auch mit einer
Einbuße
an Genauigkeit, nach wie vor möglich.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass bei einem Defekt eines
der Partikelsensoren 5, 6 der Partikelfilter weiterhin
zumindest annähernd
ordnungsgemäß betrieben
werden kann. Auf diese Weise können
Störungen
des Fahrzeugbetriebs oder eine Beschädigung bzw. ein Ausfall des
Partikelfilters vermieden werden und somit die Zuverlässigkeit
des Kraftfahrzeugbetriebs verbessert werden.