DE10211456B4

DE10211456B4 - Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte bei einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10211456B4
Application number: DE10211456A
Authority: DE
Inventors: Patrick Attard; Rüdiger Dr.-Ing. Herweg; Michael Dipl.-Ing. Keßler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: DE10211456A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte bei einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, wobei das Ionenstromsignal einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde über ein jeweiliges Arbeitsspiel zeitaufgelöst erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Ionenstromsignal mit positiver und negativer Sondenspannung gemessen wird und aus dem Verhältnis der positiven und der negativen Sondenspannung durch Vergleich mit einem Referenzwert die Partikelgrösse bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte bei einem Verbrennungsmotor nach den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemässes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 199 12 895 A1 bekannt, wobei ein Ionenstromsignal gemessen wird, das zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems verwendet wird. Es wird das Ionenstromsignal einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde über ein jeweiliges Arbeitsspiel zeitaufgelöst erfasst und daraus ein Istwert einer restgassensitiven Messgröße abgeleitet und der Istwert mit wenigstens einem von mehreren, zu verschiedenen Restgasmengen gehörig abgespeicherten Referenzwerten verglichen. Aus dem Vergleich wird dann auf die tatsächlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine rückgeführte Abgasmenge geschlossen. Für eine solche Diagnose weist die verfahrensdurchführende Ionenstrom-Auswerteeinheit, wie erwähnt, einen Speicher auf, in dem in Abhängigkeit von der Stellung des Abgasrückführungsventils, vom Lamda-Wert und von Motorbetriebsparametern theoretisch erwartete Ionenstromsignalkurven als Funktion des Kurbelwellenwinkels als Referenzwert-Kennfeld abgelegt sind. Vorzugsweise mittelt die Ionenstrom-Auswerteeinheit die erfassten Ionenstromkurven zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses über mehrere Arbeitsspiele und legt die gemittelte Kurve der weiteren Auslegung zugrunde.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass keine Aussage über die Grösse der beim Verbrennungsvorgang entstehenden Partikel, insbesondere Russpartikel getroffen werden kann. Es erfolgt keine Überwachung der Partikelgroesse.
Die Aufgabe der Erfindung ist für einen Verbrennungsmotor einen Sensor zur Grössenbestimmung der entstehenden Partikel bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, dass die Überwachung der Partikelgroesse mit einer Ionenstromsensorik erfolgt, die auch für die allgemeine Verbrennungsdiagnostik bereits vorgesehen ist. So kann auf einfache Art und Weise die Grösse der entstehenden Russpartikel bei einem Dieselmotor angegeben und/oder überwacht werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt.
1 ein Schaubild mit einem Ionenstromverlauf über Kurbelwinkel bei negativer und positiver Sondenspannung und zugehöriges Massenverhältnis,
2 ein Schaubild mit einem Ionenstromverlauf über Kurbelwinkel bei negativer und positiver Sondenspannung und mittlere Masse,
3 zeigt einen Verfahrensablauf zur Überwachung der Partikelemission.
Zur Durchführung der nachfolgend im einzelnen beschriebenen Vorgehensweisen zur Überwachung der Russpartikelemission ist jede herkömmliche Ionenstrommesseinrichtung geeignet, welche die zeitaufgelöste Messung des Ionenstromverlaufs über ein jeweiliges Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine hinweg er laubt. Bei Dieselmotoren, bei welchen gewöhnlich die Russpartikelemission überwacht werden soll, werden hierzu für die Ionenstrommessung modifizierte Glühkerzen verwendet. Es ist lediglich eine für das vorliegende Verfahren geeignete Ionenstrom-Auswerteeinheit zu verwenden, deren Realisierung sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung der von ihr vorzunehmenden Auswertefunktionalitäten ohne weiteres ergibt. Insbesondere weist die Ionenstrom-Auswerteeinheit einen Speicher auf, in welchem vorab für unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine beispielsweise empirisch ermittelte Ionenstromverläufe oder eine daraus abgeleitete Messgrösse, wie z.B. Lage und/oder Amplitude eines Kurvenmaximums, als entsprechendes mehrdimensionales Referenzwert-Kennfeld in Abhängigkeit von Parametern abgelegt sind, welche die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine charakterisieren und den Ionenstromverlauf beeinflussen.
1 zeigt mittels einer Kurve einen typischen Ionenstromverlauf als Funktion eines Kurbenwellenwinkels. Es zeigt ein Schaubild des gemessenen Ionenstroms über Kurbelwinkel gemessen einmal mit negativer und einmal mit positiver Sondenspannung. Die strichpunktierte Kurve zeigt dann das Massenverhältnis zwischen dem gemessenen Ionenstrom mit positiver und negativer Sondenspannung. Negative Ladungsträger haben sehr geringe Massen, während Russpartikel vorwiegend positiv geladen sind. Ein grosses Verhältnis zwischen positiver und negativer Sondenspannung lässt daher auf eine grosse Menge an Rußpartikeln schliessen, während ein kleines Verhältnis auf eine kleine Menge an Russpartikeln und eine grosse Menge an leichten Ladungsträgern schliessen lässt.
Dieses so ermittelte Massenverhältnis wird nun mit einem vorgegebenen Grenzwert, dem sogenannten Partikelemissions-Grenzwert verglichen. Überschreitet nun das Massenverhältnis diesen Partikelemissions-Grenzwert kann auf eine zu grosse Russpartikelemission geschlossen werden. Es sind dann weitere Massnahmen nötig, um die Russmenge zu reduzieren, beispiels weise durch Russpartikelfilter, eine andere Gemischzusammensetzung oder eine andere Motorsteuerung. Bei Unterschreiten dieses Partikelemissions-Grenzwerts werden im Brennraum nur wenige Russpartikel erzeugt und es müssen keine weiteren Massnahmen zur Senkung des Russpartikelanteils unternommen werden. Durch die Ionenstrommessung werden die Russpartikel über einen vorgegebenen Zeitraum bestimmt, so dass eine Optimierung der Verbrennung gezielt beeinflusst werden kann.
Die Ionenstrommesseinrichtung kann sowohl im Verbrennungsraum, in den Ruslasskanälen als auch im Abgasstrang erfolgen. Insbesondere die Messung im Abgasstrang liefert eine Aussage darüber wieviele Russpartikel in die Aussenluft gelangen, so dass dieser Wert sicher zur Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften herangezogen wird. Ebenso kann ein Vergleich der im Brennraum gemessenen Menge mit der im Abgasstrang gemessenen Menge erfolgen, um die Entstehung und die Weiterleitung besser zu analysieren, um damit eine noch bessere Motorsteuerung zu erhalten oder aber auch andere verbrennungsbestimmende Massnahmen einzuleiten.
2 zeigt auch ein Schaubild mit einem Ionenstromverlauf über Kurbelwinkel bei negativer und positiver Sondenspannung und die mittlere Masse. Die negative Masse wird hier als konstant angenommen und nur die mittlere positive Masse betrachtet. Während eines Arbeitsspiel steigt die mittlere positive Masse bis zu einem konstanten Wert an. Diese Menge an Partikeln wird in den Abgasstrang abgegeben. Die Ionenstromsonde kann auch im Abgasstrang oder es kann auch zusätzlich noch eine Ionenstromsonde im Abgasstrang angeordnet sein. Das Abklingen des Signals nach dem Maximum des Massenverhältnissses bei 210°KW kommt durch die Verlagerung der Verbrennung aus dem Sondeneinzugsbereich zustande. Aufgrund der abnehmenden Sauerstoffkonzentration und Temperaturverhältnisse und der damit schwächeren Russoxidation bleiben die bis zum Zeitpunkt von 210°KW entstandenen Russpartikel erhalten und werden mit dem Abgas ausgestossen.
3 zeigt einen Verfahrensablauf zur Überwachung der Partikelemission. Es wird in 10 während eines Arbeitsspiels abwechselnd der Ionenstrom mit positiver und mit negativer Sondenspannung bestimmt. Dann wird in 20 das Verhältnis zwischen dem Ionenstrom gemessen mit positiver Sondenspannung und dem Ionenstrom gemessen mit negativer Sondenspannung bestimmt. Dieses Verhältnis entspricht nun dem Massenverhältnis zwischen grossen und kleinen Partikeln oder einem hierzu proportionalen Wert. Dieses Verhältnis M+/M- wird nun in 30 mit dem sogenannten Partikelemissionsgrenzwert G verglichen. Übersteigt dieser Wert M+/M- diesen Partikelemissionsgrenzwert G kann auf eine zu grosse Russbildung 40 geschlossen werden. Unterschreitet dieser Wert M+/M- den Partikelemissionsgrenzwert G kann auf eine kleine Russbildung 50 geschlossen werden.
In der DE 199 01 066 C1 ist ein Verfahren zur Erkennung von durchlassverringernden Veränderungen in einem Abgaskatalysatorkörper einer Abgasreinigungsanlage während des Betriebs eines zugehörigen Verbrennungsmotors mit wenigstens einem Motorzylinder, dessen Abgas den Abgaskatalysatorkörper beaufschlagt und dem eine Ionenstrommesssonde zugeordnet ist, offenbart. Das Ionenstromsignal der Ionenstrommesssonde wird daraufhin überwacht, ob seine sich für ein jeweiliges Arbeitsspiel des zugehörigen Motorzylinders ergebende Signalstärke bleibend eine motorbetriebszustandsabhängig vorgebbare Mindeststärke unterschreitet, und in diesem Fall eine auf eine durchlassverringernde Katalysatorkörperveränderung hindeutende Warninformation erzeugt wird. Als überwachte Signalstärke wird eine Spitzenwertamplitude oder das Zeitintegral des Ionenstromsignals für das jeweilige Arbeitsspiel herangezogen und auf eine bleibende Unterschreitung der Mindeststärke geschlossen, wenn der über mehrere Arbeitsspiele gemittelte oder geglättete Spitzenamplituden- bzw. Zeitintegralwert des Ionenstromsignals unter einem motorbetriebszustandsabhängig vorgegebenen Spitzenwertamplituden- bzw. Zeitintegral-Mindestwert liegt.
In der DE 42 07 506 A1 ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine offenbart, bei welcher in einem Dichtelement im Abgasstrang der Brennkraftmaschine ein Sensor integriert ist, der physikalische oder chemische Eigenschaften der Verbrennungsabgase detektiert, welche bei Verbrennungsaussetzern Änderungen erfahren. Der integrierte Sensor kann dabei eine Ionenstromsonde sein. Auch in der WO 02/14660 A2 ist ein Gassensor, insbesondere eine Lamdasonde, beschrieben, die zur Überwachung und guten Funktion eines Katalysators vorgesehen sind, der schädliche Abgase in unschädliche Abgase umsetzen soll. Für eine gute Funktion der Katalysatoren ist es notwendig, dass dem Motor Luft und Kraftstoff in einem vorgegebenen Verhältnis zugeführt wird. Die dafür vorgesehenen Motorsteuerungen sind auf ihrer Eingangsseite mit einer sogenannten Lamda-Sonde verbunden, deren Signale die Zusammensetzung der Abgase wiedergeben und damit der Motorsteuerung ermöglichen, das Verhältnis von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einer für den Katalysator optimalen Weise einzuregeln.
In der DE 32 49 614 C2 ist ein Regelsystem zur Verbrennungsablaufverstellung und zur Beeinflussung der Zusammensetzung der in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu verbrennenden Ladungen beschrieben. Es wird der Zündzeitpunkt so geregelt, dass ein eingangs definierter X-Wert, der Kurbelwinkel oder eine andere, mit der Stellung eines Kolbens der Brennkraftmaschine in dessen Zylinder zusammenhängende Grösse, nachfolgend X-Wert genannt, jeweils fortlaufend auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, so weiterzubilden, dass eine automatische Anpassung an Betriebsvariable wie unterschiedliche Kraftstoffarten, Innentemperatur des Brennraums, Luftdruck, Ablagerungen im Brennraum erfolgt.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte bei einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, wobei das Ionenstromsignal einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde über ein jeweiliges Arbeitsspiel zeitaufgelöst erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Ionenstromsignal mit positiver und negativer Sondenspannung gemessen wird und aus dem Verhältnis der positiven und der negativen Sondenspannung durch Vergleich mit einem Referenzwert die Partikelgrösse bestimmt wird.
Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte bei einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenstrommessung im Brennraum und/oder in den Auslasskanälen und/oder im Abgasstrang erfolgt.
Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte nach den Anspüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem grossen Massenverhältnis auf eine grosse Menge an Russpartikeln geschlossen wird.
Verfahren zur Überwachung der Partikelemissions-Grenzwerte nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Massenverhältnis oder ein zu ihm proportionaler Wert mit einem Grenzwert verglichen wird und bei Übersteigen dieses Grenzwertes ein Überschreiten der Partikelemission bestimmt wird.