DE102010006708A1

DE102010006708A1 - Diagnoseverfahren eines Rußsensors

Info

Publication number: DE102010006708A1
Application number: DE102010006708A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. 93055 Ante; Rudolf Dr. 93055 Bierl; Markus 93051 Herrmann; Andreas 93128 Ott; Willibald 93155 Reitmeier; Denny 08223 Schädlich; Manfred 93161 Weigl; Andreas Dr. 93152 Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: EmiSense Technologies LLC
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: DE102010006708B4; WO2011095466A1; EP2531706A1; US20130090866A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren eines Rußsensors, der in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Zunächst wird eine erste Temperatur im Abgassystem erfasst und festgestellt, ob die erfasste erste Temperatur unter 100°C liegt. Ist dies der Fall, dann wird ein erster Messwert mit dem Rußsensor erfasst und mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen. Überschreitet der erste Messwert den vorgebbaren Grenzwert, wird festgestellt, dass der Rußsensor in Ordnung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren eines Rußsensors, der in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Moderne Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einem Dieselmotor, werden mit einem Partikelfilter ausgerüstet, um gesundheits- und umweltschädlichen Partikelausstoß zu vermeiden. Der Partikelfilter wird im Betrieb der Brennkraftmaschine vom Abgas durchströmt und filtert eine überwiegende Zahl von Partikeln aus dem Abgas. In Abhängigkeit von einer Betriebszeit der Brennkraftmaschine bzw. einer Fahrstrecke des Kraftfahrzeugs ist eine in dem Partikelfilter gesammelte Menge an Partikeln so groß, dass ein Verstopfen des Partikelfilters beginnt. Dieses Verstopfen wird von einer Überwachungsvorrichtung bestehend aus verschiedenen Sensoren, einer Steuereinrichtung sowie entsprechender Software erkannt. Bei den verschiedenen Sensoren handelt es sich insbesondere um Differenzdrucksensoren und Temperatursensoren. Zur Reinigung des Partikelfilters wählt die Steuereinrichtung einen Zeitpunkt aus und verändert die Einspritzbedingungen derart, dass eine Abgastemperatur erhöht wird. Auf diese Weise werden in dem Partikelfilter angelagerte Partikel verbrannt (sogenanntes Freibrennen des Partikelfilters). Nach Abschluss dieses Freibrennens ist der Partikelfilter regeneriert.
Ein korrekter Betrieb des Partikelfilters wird beispielsweise mit einem Partikel- oder Rußsensor überwacht. Der Rußsensor soll eine Fehlfunktion des Partikelfilters zweifelsfrei feststellen und eine festgestellte Fehlfunktion anschließend einem Benutzer des Kraftfahrzeugs anzeigen können. Neben elektrostatisch messenden Rußsensoren gibt es Rußsensoren, die eine elektrische Leitfähigkeit der Partikel über den Widerstand messen. Alternativ kann die Messung von partikelbedingten dielektrischen Verlusten in einem geeigneten Kondensator durchgeführt werden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Partikelkonzentration in einem Gasstrom ist beispielsweise in DE 10 2004 007 634 A1 beschrieben. Dieses Dokument schlägt einen Partikel sammelnden Sensor im Abgasstrom vor. Der Sensor ist als kapazitives Element in einen elektromagnetischen Resonanzkreis integriert.
Eine alternative Ausführungsform eines Rußsensors ist in DE 10 2005 029 219 A1 beschrieben. Der Rußsensor umfasst einen über Anschlusspads mit elektrischen Anschlüssen verbundenen Chip, wobei wenigstens eine elektrische Eigenschaft des Chips aus der Gruppe Widerstand, Kapazität und Impedanz durch Rußeinwirkung änderbar ist.
Die oben genannten Sensoren sammeln Rußpartikel auf einem kleinen keramischen Plättchen und messen die Veränderung der elektrischen Eigenschaften, beispielsweise fallender Widerstand oder steigende kapazitive Verluste. Eine eindeutige Zuordnung der elektrischen Messdaten des Sensors zur Rußmenge ist auf Grund anderer im Abgasstrang auftretender Stoffe schwer realisierbar.
Ein Nachteil der obigen Sensoren ist, dass ein mit Ruß belegter Sensor bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb über eine bestimmte Zeitdauer oder während einer Partikelfilterregeneration sich wegen erhöhter Abgastemperatur von selbst reinigt. Dies bedeutet, dass der Ruß auf der Sensoroberfläche selbsttätig abbrennt. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei wiederkehrenden niedrigen Temperaturen, insbesondere bei vielen Kaltstarts und vergleichsweise nur kurzen Volllastphasen der Sensor so stark mit Ruß und anderen Stoffen belegt werden kann, dass keine sinnvollen Messwerte mit dem Rußsenor mehr erzielbar sind. In diesem Fall wird der Sensor durch eine eingebaute Heizung soweit erwärmt, dass der darauf abgelagerte Ruß verbrennt.
Eine Kontrolle der Funktionsfähigkeit des Rußsensors ist bisher nur schwer realisierbar, da bei intaktem Partikelfilter kaum oder nur wenige Rußpartikel an den Sensor gelangen. Dies ist dadurch begründet, dass der Rußsensor für eine on-board-Diagnose (OBD) des Partikelfilters hinter dem Partikelfilter angeordnet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Bereitstellung eines Diagnoseverfahrens eines Rußsensors, der in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Diagnoseverfahren eines Rußsensors gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.
Ein Diagnoseverfahren eines Rußsensors, der in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, umfasst die folgenden Schritte: Erfassen einer ersten Temperatur im Abgassystem, Feststellen, ob die erfasste erste Temperatur unter 100°C liegt, wenn ja: Erfassen eines ersten Messwerts mit dem Rußsensor, der in dem Abgassystem angeordnet ist, vergleichen des ersten Messwerts mit einem vorgebbaren Grenzwert und, wenn der erste Messwert den vorgebbaren Grenzwert überschreitet, Feststellen, dass der Sensor in Ordnung ist.
Ein Rußsensor ist in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Dieselmotor. Das Abgassystem weist insbesondere einen Partikelfilter auf. Der Rußsensor ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter angeordnet. Weiterhin weist das Abgassystem mindestens einen Temperatursensor auf. Der mindestens eine Temperatursensor ist vorzugsweise zwischen einem Katalysator im Abgassystem und dem Partikelfilter oder in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter angeordnet. Ebenso können an beiden Stellen Temperatursensoren vorhanden sein. Weiterhin kann das Abgassystem einen Differenzdrucksensor aufweisen, der eine Druckdifferenz zwischen einer Druckmessstelle in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter und einer Druckmessstelle in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter erfasst. Die verwendeten Sensoren sind mit einer Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit wertet die von den Sensoren übermittelten Signale aus und übermittelt entsprechende Steuersignale an die Brennkraftmaschine.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens des Rußsensors wird eine erste Temperatur im Abgassystem erfasst. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Temperatur benachbart zum Rußsensor im Abgassystem erfasst wird. Ist beispielsweise der Rußsensor hinter einem Partikelfilter angeordnet, so ist ein Temperatursensor ebenfalls hinter dem Partikelfilter angeordnet.
In einem zweiten Schritt wird festgestellt, ob die erfasste erste Temperatur unter 100°C liegt. Ist dies der Fall, dann wird mit dem Rußsensor ein erster Messwert erfasst. Dieser erfasste erste Messwert wird mit einem vorgebbaren Grenzwert, beispielsweise in einer Motorsteuerung, verglichen. Überschreitet der erste Messwert den vorgebbaren Grenzwert, dann wird festgestellt, dass der Sensor in Ordnung ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Querempfindlichkeiten des Rußsensors auf andere Stoffe zur Rußsensor-Eigendiagnose genutzt. Die zur Eigendiagnose verwendeten Stoffe müssen insbesondere den intakten Partikelfilter in einem normalen Betrieb passieren können. Hierzu eignet sich ein im Abgasstrom enthaltener Wasseranteil. Durch das Erfassen der ersten Temperatur und Feststellen, ob die erste Temperatur unter 100°C liegt, wird insbesondere auf einen Kaltstart der Brennkraftmaschine abgezielt. Auf diese Weise kann eine erste Überprüfung einer Funktionsfähigkeit des Rußsensors beim Starten der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Diagnoseverfahren die weiteren Schritte auf: Erfassen einer zweiten Temperatur im Abgassystem, Feststellen, ob die erfasste zweite Temperatur über 100°C liegt, wenn ja: Erfassen eines zweiten Messwerts mit dem Rußsensor, Vergleichen des zweiten Messwerts mit dem vorgebbaren Grenzwert und, wenn der zweite Messwert den vorgebbaren Grenzwert unterschreitet, Feststellen, dass der Sensor in Ordnung ist.
Mit Hilfe dieser weiteren Verfahrensschritte kann das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren verbessert werden. Hierbei wird insbesondere darauf abgestellt, dass ein durch einen Wasseranteil im Abgas hervorgerufenes Messsignal bei einer Temperatur im Abgassystem über 100°C nicht mehr auftreten darf.
Insgesamt bedeutet dies, dass nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Rußsensor ein Signal ausgibt, das beispielsweise im oberen Drittel eines Messwertbereichs des Rußsensors liegt. In Abhängigkeit von einer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine steigt die Temperatur im Abgassystem an und überschreitet nach einer bestimmten Zeit eine Temperatur von 100°C. Ein durch einen Wasseranteil im Abgas hervorgerufenes Signal des Rußsensors darf nach Überschreiten der 100°C Marke nicht mehr auftreten.
Weiterhin bevorzugt sind die Schritte: Erfassen einer dritten Temperatur, Feststellen, ob die erfasste dritte Temperatur über 100°C liegt, wenn ja: Feststellen eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine, Erfassen eines dritten Messwerts mit dem Rußsensor, Vergleich des dritten Messwerts mit dem vorgebbaren Grenzwert und, bei Unterschreiten des vorgebbaren Grenzwerts, Feststellen, dass ein Partikelfilter im Abgassystem in Ordnung ist, oder, bei Überschreiten des vorgebbaren Grenzwerts, Feststellen, dass ein Partikelfilter im Abgassystem defekt ist.
Auf diese Weise kann die Eigendiagnose des Rußsensors zusätzlich zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines im Abgassystem angeordneten Partikelfilters verwendet werden. Ist der Betriebszustand der Brennkraftmaschine beispielsweise Volllast, darf der Rußsensor bei intaktem Partikelfilter und einer Temperatur über 100°C annähernd kein Signal abgeben. Nimmt das Signal des Rußsensors jedoch zu oder überschreitet einen vorgebbaren Grenzwert, dann tritt Ruß aus dem Partikelfilter aus. Der Partikelfilter ist defekt.
Weiterhin bevorzugt sind die Schritte: Feststellen eines Freibrennvorgangs des Partikelfilters im Abgassystem, anschließend Erfassen eines vierten Messwerts mit dem Rußsensor, Vergleichen des vierten Messwerts mit dem vorgebbaren Grenzwert und, wenn der vierte Messwert den vorgebbaren Grenzwert überschreitet, Feststellen, dass der Rußsensor in Ordnung ist.
Mit diesen Verfahrensschritten kann eine Eigendiagnose des Rußsensors während eines Betriebs der Brennkraftmaschine, insbesondere während eines länger anhaltenden Betriebs überprüft werden. Der hohe Messwert des Rußsensors direkt nach einem Freibrennen des Partikelfilters beruht insbesondere darauf, dass direkt nach dem Freibrennen besonders viele kleine Partikel den Partikelfilter passieren können. Dies hat einen Signalanstieg im Rußsensor zur Folge hat.
Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann beispielsweise nach einer vorgebbaren Zeit nach dem Freibrennen des Partikelfilters ein fünfter Messwert mit dem Rußsensor erfasst werden. Der fünfte Messwert muss dann erneut unter dem vorgebbaren Grenzwert liegen, damit der Sensor als in Ordnung erkannt wird.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Diagnoseverfahren des Rußsensors in einer Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs mit Brennkraftmaschine durchgeführt wird, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit Dieselmotor. In diesem Fall kann dann, wenn der Sensor nicht als in Ordnung erkannt wird, beispielsweise entweder ein entsprechender Merker in der Steuereinheit gesetzt werden oder ein Signal an einen Nutzer des Kraftfahrzeugs ausgegeben werden. Bei dem Signal handelt es sich insbesondere um ein optisches und/oder akustisches Signal.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine und
2 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens eines Rußsensors.
1 zeigt ein Abgassystem 1 einer Brennkraftmaschine 3. Die Brennkraftmaschine 3 ist beispielsweise ein Dieselmotor. Das Abgassystem 1 ist insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). Die Strömungsrichtung des Abgases aus der Brennkraftmaschine 3 ist mit Hilfe des Pfeils 22 dargestellt. An der Brennkraftmaschine 3 ist eine Abgasleitung 24 angeordnet. In der Abgasleitung 24 befinden sich in Strömungsrichtung des Abgases (Pfeil 22) nach der Brennkraftmaschine 3 ein Katalysator 5 sowie ein Partikelfilter 7. Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 3 ist weiterhin eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die mittels Signalleitungen 12 mit der Brennkraftmaschine 3 verbunden ist.
Weiterhin sind in dem Abgassystem 1 mehrere Temperatursensoren 14, ein Differenzdrucksensor 16 sowie ein Rußsensor 18 in der Abgasleitung 24 angeordnet. Die Sensoren sind jeweils mittels Signalleitungen 20 mit der Steuereinheit 10 verbunden. Die Steuereinheit wertet die von den Sensoren 14, 16 und 18 übermittelten Signale aus und gibt entsprechende Steuersignale über die Steuersignalleitungen 12 an die Brennkraftmaschine 3 aus.
Die Temperatursensoren 14 sind in der Abgasleitung hinter dem Katalysator 5, vor dem Partikelfilter 7 und hinter dem Partikelfilter 7 angeordnet. Der Differenzdrucksensor 16 weist eine Messstelle vor dem Partikelfilter 7 sowie eine Messstelle hinter dem Partikelfilter 7 auf. Der Rußsensor 18 ist in Strömungsrichtung des Abgases (Pfeil 22) hinter dem Partikelfilter 7 angeordnet.
Nun Bezug nehmend auf 2 wird der erfindungsgemäße Verfahrensablauf des Diagnoseverfahrens des Rußsensors 18 beschrieben. Zunächst erfasst ein Temperatursensor 14 in einem Schritt A eine erste Temperatur im Abgassystem 1. Insbesondere handelt es sich hierbei um den Temperatursensor 14 der benachbart zu dem Rußsensor 18 in der Abgasleitung 24 angeordnet ist.
Die Steuereinheit 10 stellt in Schritt B fest, ob die von dem Temperatursensor 14 erfasste erste Temperatur unter 100°C liegt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Kaltstart der Brennkraftmaschine 3 erkannt werden. Liegt die erfasste Temperatur unter 100°C, erfasst der Rußsensor 18 in einem Schritt C einen ersten Messwert. Die Steuereinheit 10 vergleicht den ersten Messwert in einem Schritt D mit einem vorgebbaren Grenzwert. Der vorgebbare Grenzwert liegt beispielsweise in der Mitte des Messbereichs des Rußsensors oder bei zwei Drittel oder Dreiviertel des Messbereichs des Rußsensors. Überschreitet der erste Messwert den vorgebbaren Grenzwert, dann stellt die Steuereinheit 10 in Schritt E fest, dass der Rußsensor in Ordnung ist.
In einem Schritt F wird eine zweite Temperatur im Abgassystem erfasst. Dies geschieht vorzugsweise durch denselben Temperatursensor 14, mit dem auch die erste Temperatur erfasst wurde. In Schritt G stellt die Steuereinheit 10 fest, ob die erfasste zweite Temperatur über 100°C liegt. Ist dies der Fall, dann wird in Schritt H ein zweiter Messwert mit dem Rußsensor 18 erfasst. Die Steuereinheit 10 vergleicht in Schritt I den erfassten zweiten Messwert mit dem vorgebbaren Grenzwert und stellt in Schritt J fest, dass der Rußsensor in Ordnung ist, wenn der zweite Messwert den vorgebbaren Grenzwert unterschreitet. Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 3 und wenn der Rußsensor 18 in Schritt E als in Ordnung erkannt wurde, werden die Schritte F und G so lange wiederholt, bis die Temperatur im Abgassystem über 100°C liegt.
In Schritt K wird eine dritte Temperatur erfasst. Die Steuereinheit 10 stellt in Schritt L fest, ob die erfasste dritte Temperatur über 100°C liegt und stellt anschließend in Schritt N einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine fest, wenn die Temperatur über 100°C liegt. Insbesondere wenn der in Schritt N festgestellte Betriebszustand der Brennkraftmaschine 3 Volllast ist oder im oberen Drittel eines Drehzahlenbereichs der Brennkraftmaschine liegt, erfolgt in Schritt N das Erfassen eines dritten Messwerts mit dem Rußsensor 18. Der dritte Messwert wird mit dem vorgebbaren Grenzwert in Schritt O verglichen. In Abhängigkeit davon, ob der vorgebbare Grenzwert unterschritten (O1) oder überschritten (O2) wird, stellt die Steuereinheit fest, dass ein Partikelfilter im Abgassystem in Ordnung (O1) oder defekt ist (O2).
Um das Verfahren weiter zu verbessern und auch während eines länger anhaltenden Betriebs der Brennkraftmaschine 3 eine Diagnose des Rußsensors 18 durchzuführen, wird in Schritt P ein Freibrennvorgang des Partikelfilters 7 im Abgassystem 1 festgestellt. Anschließend wird in Schritt Q ein vierter Messwert mit dem Rußsensor 18 erfasst und in Schritt R mit dem vorgebbaren Grenzwert verglichen. Überschreitet der vierte Messwert den vorgebbaren Grenzwert, dann wird in Schritt S festgestellt, dass der Rußsensor 18 in Ordnung ist.
Bezugszeichenliste

1: Abgassystem
3: Brennkraftmaschine
5: Katalysator
7: Partikelfilter
10: Steuereinheit
12: Steuersignalleitungen
14: Temperatursensor
16: Differenzdrucksensor
18: Rußsensor
20: Signalleitung
22: Pfeil
24: Abgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004007634 A1 [0004]
DE 102005029219 A1 [0005]

Claims

Diagnoseverfahren eines Rußsensors, der in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erfassen (A) einer ersten Temperatur im Abgassystem, b) Feststellen (B), ob die erfasste erste Temperatur unter 100°C liegt, wenn ja: c) Erfassen (C) eines ersten Messwerts mit dem Rußsensor, der in dem Abgassystem angeordnet ist, d) Vergleichen (D) des ersten Messwerts mit einem vorgebbaren Grenzwert und, e) wenn der erste Messwert den vorgebbaren Grenzwert überschreitet, Feststellen (E), dass der Rußsensor in Ordnung ist.
Diagnoseverfahren eines Rußsensors gemäß Anspruch 1, das die weiteren Schritte aufweist: f) Erfassen (F) einer zweiten Temperatur im Abgassystem, g) Feststellen (G), ob die erfasste zweite Temperatur über 100°C liegt, wenn ja: h) Erfassen (H) eines zweiten Messwerts mit dem Rußsensor, i) Vergleichen (F) des zweiten Messwerts mit dem vorgebbaren Grenzwert und, j) wenn der zweite Messwert den vorgebbaren Grenzwert unterschreitet, Feststellen (J), dass der Rußsensor in Ordnung ist.
Diagnoseverfahren eines Rußsensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das die weiteren Schritte aufweist: k) Erfassen (K) einer dritten Temperatur, l) Feststellen (L), ob die erfasste dritte Temperatur über 100°C liegt, wenn ja: m) Feststellen (11) eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine, n) Erfassen (N) eines dritten Messwerts mit dem Rußsensor, o) Vergleichen (O) des dritten Messwerts mit dem vorgebbaren Grenzwert und, o1) bei Unterschreiten des vorgebbaren Grenzwerts, Feststellen (O1), dass ein Partikelfilter im Abgassystem in Ordnung ist, oder, o2) bei Überschreiten des vorgebbaren Grenzwerts, Feststellen (O2), dass ein Partikelfilter im Abgassystem defekt ist.
Diagnoseverfahren eines Rußsensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das die weiteren Schritte aufweist: p) Feststellen (P) eines Freibrennvorgangs des Partikelfilters im Abgassystem, anschließend q) Erfassen (Q) eines vierten Messwerts mit dem Rußsensor, r) Vergleichen (R) des vierten Messwerts mit dem vorgebbaren Grenzwert und, s) wenn der vierte Messwert den vorgebbaren Grenzwert überschreitet, Feststellen (S), dass der Rußsensor in Ordnung ist.
Diagnoseverfahren eines Rußsensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das in einer Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit Dieselmotor.