DE102007059523B4

DE102007059523B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102007059523B4
Application number: DE102007059523A
Authority: DE
Inventors: Dr. Zhang Hong
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: CN101896700A; US8459005B2; CN101896700B; WO2009074380A1; DE102007059523A1; US20100263355A1

Abstract

Diagnoseverfahren eines im Abgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelfilters (4), umfassend die Schritte: – Einleiten einer Regenerationsphase des Partikelfilters (4), – Durchführen mindestens einer Kraftstoffeinspritzung während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine (1) oder in der Ausschiebephase, zur Temperaturerhöhung des Partikelfilters (4) derart, dass ein Abbrand der im Partikelfilter angesammelten Partikel erreicht wird, und gleichzeitiges – Messen einer HC-Emission im Abgasstrang (2), während der Regenerationsphase, in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter (4), und – Diagnostizieren eines Defekts des Partikelfilters (4) auf Grundlage der gemessenen HC-Emission.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters. Auf dem Gebiet der Abgasnachbehandlungssysteme von Kraftfahrzeugen dienen Partikelfilter zur Filterung von Partikeln, wie Rußpartikeln, aus dem Abgas. Sie kommen beispielsweise in Dieselbrennkraftmaschinen oder Ottobrennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Dabei ist es wünschenswert, die Funktion des Partikelfilters zu überwachen, um gegebenenfalls bei einem Defekt des Filters entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen zu konnen. Die Funktion solcher Partikelfilter wurde bislang insbesondere über Differenzdrucksensoren überwacht, die eine Druckdifferenz vor und hinter dem Partikelfilter messen. Werden bei solchen Differenzdruckmessungen für die Funktion des Filters kritische Werte festgestellt, wird üblicherweise eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet. Eine solche differenzdruckbasierte Diagnose kann jedoch keine klare Aussage über den Wirkungsgrad des Partikelfilters liefern. Insbesondere lassen sich mit solchen Differenzdruckmessungen einige Defekte des Filters, wie kleine Löcher in dem Filter, nicht zuverlässig erkennen. Beispielsweise von dem California Air Resources Board (CARB) wird daher die Entwicklung eines Partikelsensors zur Messung und Überwachung der Funktion des Partikelfilters gefordert. Ein solcher Sensor ist jedoch aufwendig und daher kostenintensiv.
In DE 10 2006 000 283 A1 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung mit Dieselpartikelfilter beschrieben. Stromabwärts hinter dem Dieselpartikelfilter befindet sich ein Sauerstoffsensor.
Ausgehend von dem voran erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen in einfacher Weise eine zuverlässige Diagnose eines Partikelfilters möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1 und 6 gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und der Zeichnung.
Für ein Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters löst die Erfindung die Aufgabe durch die Schritte:

– Einleiten einer Regenerationsphase des Partikelfilters,
– Durchführen mindestens einer Kraftstoffeinspritzung während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine oder in der Ausschiebephase, zur Temperaturerhöhung des Partikelfilters derart, dass ein Abbrand der im Partikelfilter angesammelten Partikel erreicht wird, und gleichzeitiges
– Messen einer HC-Emission im Abgasstrang, während der Regenerationsphase, in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter, und
– Diagnostizieren eines Defekts des Partikelfilters auf Grundlage der gemessenen HC-Emission.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters, umfassend:

– eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
– einen im Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter angeordneten HC-Sensor, und
– eine Diagnoseeinrichtung, die während einer Regenerationsphase des Partikelfilters eine Kraftstoffeinspritzung während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine oder in der Ausschiebephase einleitet, derart, dass ein Abbrand der im Partikelfilter angesammelten Partikel erreicht wird, und mit der auf Grundlage einer bei der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch den HC-Sensor gemessenen HC-Emission ein Defekt des Partikelfilters diagnostizierbar ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Kohlenwasserstoffsensor (HC-Sensor) zur Überwachung des Wirkungsgrades und insbesondere zur Erkennung eines Defekts von Partikelfiltern eines Kraftfahrzeugs zu nutzen. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass die Kraftstoffeinspritzung eine Emission von Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgasstrang liefert. Zur Messung dieser zu der durchgeführten Kraftstoffeinspritzung gehörenden Kohlenwasserstoffemission ist ein Kohlenwasserstoffsensor in dem Abgasstrang hinter dem Partikelfilter angeordnet. Solche HC-Sensoren sind dem Fachmann an sich bekannt. Ein für den erfindungsgemäßen Einsatz möglicher HC-Sensor ist beispielsweise in DE 197 57 112 A1 beschrieben. Derartige Sensoren arbeiten üblicherweise auf der Grundlage einer Leitfähigkeitsänderung an einem Isolator durch die Kohlenwasserstoffe. Die Kohlenwasserstoffmenge bzw. die Kohlenwasserstoffkonzentration kann dann elektrisch gemessen werden, beispielsweise über eine geeignete Widerstandsmessung. Bekannt sind beispielsweise Zirkonoxid-Sensoren. Es sind auch elektrolytische Messverfahren zur Messung von Kohlenwasserstoffen bekannt.
Erfindungsgemäß wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich bei einem Defekt des Partikelfilters, beispielsweise einem Loch in dem Filter, die HC-Emission hinter dem Partikelfilter bei einer Kraftstoffeinspritzung deutlich erhöht, da der Filter die Kohlenwasserstoffe nicht mehr, wie vorher, vollständig oxidiert. Anhand einer solchen ungewöhnlichen Erhöhung der HC-Emission in Abgasströmungsrichtung hinter dem Filter bei einer Kraftstoffeinspritzung kann also der Wirkungsgrad des Filters ermittelt und auf einen Defekt des Filters geschlossen werden. Sofern der mit dem HC-Sensor zu der Kraftstoffeinspritzung gemessene Kohlenwasserstoffwert eine normale, geringe Höhe aufweist, wird dagegen kein Defekt diagnostiziert.
Die Diagnose wird in einer Regenerationsphase des Partikelfilters durchgeführt. In der Regenerationsphase wird die Temperatur des Filters auf etwa 650°C erhöht. Dadurch wird ein Abbrand der durch den Filter ausgefilterten und in diesem angesammelten Partikel erreicht. Die Temperaturerhöhung wird dabei üblicherweise durch entsprechende Kraftstoffeinspritzungen, beispielsweise Nacheinspritzungen, innermotorisch oder im Abgasstrang bewirkt. Da für die regelmäßig erfolgenden Regenerationsphasen somit ohnehin Kraftstoffeinspritzungen erfolgen, können diese Einspritzungen in besonders einfacher Weise auch für die Diagnose des Filters mitgenutzt werden.
Die zur Diagnose genutzte Kraftstoffeinspritzung erfolgt während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine oder in der Ausschiebephase. Dabei können auch mehrere Einspritzungen durchgeführt werden. Bei der Einspritzung handelt es sich um eine Einspritzung, die zu keiner oder zu einer Verbrennung mit einem schlechten Wirkungsgrad führt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Gegensatz zum Stand der Technik in geschlossenen Partikelfiltersystemen gerade Defekte wie kleine Löcher zuverlässig erkennbar.
Zur Diagnose kann das erfindungsgemäße Verfahren in regelmäßigen Abständen wiederholt werden. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um eine Dieselbrennkraftmaschine handeln. Die Brennkraftmaschine kann aber auch eine Ottobrennkraftmaschine sein. Der Partikelfilter ist dabei insbesondere ein Rußpartikelfilter. Die Kraftstoffeinspritzung kann beispielsweise von der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine (ECU) gesteuert werden. Die Diagnoseeinrichtung kann in die Steuereinrichtung integriert sein.
Die Kraftstoffeinspritzung kann innermotorisch erfolgen, also insbesondere durch die Zylindereinspritzventile. Sofern entsprechende Einspritzeinrichtungen, insbesondere Einspritzventile, im Abgasstrang vorgesehen sind, kann die Einspritzung jedoch in besonders einfacher Weise auch direkt in den Abgasstrang erfolgen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Einspritzung unabhängig von dem jeweiligen Fahrzustand der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Außerdem wird durch die Einspritzung in den Abgasstrang keinerlei Einfluss auf das Verhalten des Motors genommen.
Bei der Kraftstoffeinspritzung kann es sich um eine Nacheinspritzung handeln. Eine solche Einspritzung wird aufgrund der späten Lage dieser Einspritzung im Verbrennungsvorgang Nacheinspritzung genannt. Dabei wird beispielsweise bei der Expansion während des Verbrennungstaktes des Motors Kraftstoff eingespritzt. Da diese Einspritzung physikalisch bedingt einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad hat, steigt durch sie die Abgastemperatur.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Defekt des Partikelfilters diagnostiziert wird, wenn die gemessene HC-Emission einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet. Bei dieser Ausgestaltung wird der gemessene HC-Wert also mit einem Grenzwert verglichen. Dazu kann die Diagnoseeinrichtung eine entsprechende Vergleichseinrichtung aufweisen. Bei Überschreiten des Grenzwerts wird ein Defekt des Filters diagnostiziert. Der Grenzwert wird vorher festgelegt. Dabei können für unterschiedliche Diagnoseparameter unterschiedliche Grenzwerte abgelegt werden, die dann jeweils entsprechend den bei der Diagnose vorliegenden Betriebsparametern für den Vergleich herangezogen werden. So ist zu verschiedenen Betriebsparametern bei einwandfrei arbeitendem Partikelfilter jeweils eine bestimmte HC-Emission hinter dem Partikelfilter zu erwarten. Da die zu erwartende HC-Emission im Abgas von der Einspritzmenge, der Filtertemperatur und dem Abgasmassenstrom bei der Diagnose abhängt, kann der Schwellenwert für die HC-Emission hinter dem Filter, ab dem ein Filterdefekt ausgegeben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder der Temperatur des Partikelfilters und/oder des Abgasmassenstroms definiert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der Grenzwert etwa das 1,5-fache eines für die HC-Emission gesetzlich festgelegten Emissionsgrenzwerts betragen. Für die Emission von Kohlenwasserstoffen durch Kraftfahrzeuge werden gesetzliche Grenzwerte vorgeschrieben, die nicht überschritten werden dürfen. Als praxisgemäß für den Grenzwert hat sich erwiesen, wenn diese als das 1,5-fache des Grenzwerts für die HC-Emission definiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
In der Figur ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Dieselbrennkraftmaschine 1. Von der Brennkraftmaschine 1 geht ein Abgasstrang 2 aus, der an seinem Ende 3 in nicht näher dargestellter Weise die Abgase aus dem Kraftfahrzeug ableitet, wie durch den de Strömungsrichtung des Abgases angebenden Pfeil am Ende 3 des Abgasstrangs 2 veranschaulicht. In dem Abgasstrang 2 befindet sich ein Partikelfilter 4. Er filtert Partikel, insbesondere Russpartikel, aus dem von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgas und oxidiert Kohlenwasserstoffe.
In dem Abgasstrang 2 ist weiterhin ein HC-Sensor 5 angeordnet. Mit diesem kann die Menge an Kohlenwasserstoff in dem durch den Abgasstrang 2 geleiteten Abgas gemessen werden. Ein solcher Sensor 5 ist dem Fachmann an sich bekannt, so dass dieser nicht näher erläutert wird. Mit der Diagnoseeinrichtung 8 kann aus der gemessenen HC-Menge im Abgas die entsprechende HC-Konzentration bestimmt werden. Der HC-Sensor 5 ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter 4 angeordnet. Das aus der Brennkraftmaschine 1 austretende Abgas durchströmt also zuerst den Partikelfilter 4 und anschließend den HC-Sensor 5, bevor es am Ende 3 des Abgasstrangs 2 aus dem Kraftfahrzeug austritt.
Dem Abgasstrang 2 ist weiterhin eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 zugeordnet. Wie in der Figur durch die Verbindung 7 schematisch dargestellt, kann mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 Kraftstoff in den Abgasstrang 2 eingespritzt werden. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 weist dazu mindestens ein Einspritzventil auf.
In der Figur ist weiterhin eine Diagnoseeinrichtung 8 dargestellt, die in dem dargestellten Beispiel einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung (ECU) der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet ist. Die Diagnoseeinrichtung 8 ist über Leitungen 9 mit der Brennkraftmaschine 1 und der Einspritzeinrichtung 6 verbunden. Mit der Diagnoseeinrichtung 8 kann die Einspritzeinrichtung 6 über die Leitung 9 zur Einspritzung von Kraftstoff in den Abgasstrang 2 angesteuert werden. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 erfolgen, den die Diagnoseeinrichtung 8 ebenfalls über die Leitung 9 aus der Brennkraftmaschine 1 auslesen kann. Über eine weitere Leitung 10 ist die Diagnoseeinrichtung 8 mit dem HC-Sensor 5 verbunden. Über diese Leitung 10 kann die Diagnoseeinrichtung 8 den HC-Sensor 5 zur Messung der Kohlenwasserstoffmenge in dem Abgas ansteuern und das entsprechende Messergebnis des Sensors 5 auslesen. Selbstverständlich kann die Diagnoseeinrichtung 8 über eine weitere elektrische Leitung, die in der Figur nicht dargestellt ist, mit dem Partikelfilter 4 verbunden sein.
Im Betrieb leitet die Diagnoseeinrichtung 8 eine Kraftstoffeinspritzung durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 in den Abgasstrang 2 ein. Dies kann beispielsweise im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 1 erfolgen. Die in dem Abgasstrang 2 durchgeführte Kraftstoffeinspritzung führt zu einer Erhöhung der Abgastemperatur. Diese Erhöhung führt wiederum zu einer Erhöhung der Temperatur des Partikelfilters 4, die zur Regeneration des Filters 4 durch Abbrand der darin angesammelten, aus dem Abgas gefilterten Partikel dient. Gleichzeitig dient die von der Diagnoseeinrichtung 8 eingeleitete Kraftstoffeinspritzung in dem dargestellten Beispiel zur Diagnose des Partikelfilters 4. Dazu steuert die Diagnoseeinrichtung 8 über die Leitung 10 den HC-Sensor 5 zur Messung der zu der durchgeführten Kraftstoffeinspritzung gehörenden Kohlenwasserstoffmenge in dem Abgas an. Der Sensor 5 gibt entsprechend ein Messsignal für die HC-Emission hinter dem Partikelfilter 4 an die Diagnoseeinrichtung 8 aus.
Abhängig von der eingespritzten Kraftstoffmenge, der Temperatur des Filters 4 und dem Abgasmassenstrom bei der Diagnose wählt die Diagnoseeinrichtung 8 eine zuvor definierte HC-Grenzemission aus. Der von dem Sensor 5 ausgegebene Messwert wird dann von der Diagnoseeinrichtung 8 mit dem HC-Grenzwert verglichen. Überschreitet die gemessene Kohlenwasserstoffmenge den Grenzwert für die Kohlenwasserstoffmenge, so wird von der Diagnoseeinrichtung 8 ein Defekt des Partikelfilters 4 ausgegeben. Dieser Defekt kann beispielsweise einem Kraftfahrzeugführer mitgeteilt werden, oder er kann beim nächsten Werkstattbesuch angezeigt werden. Der Partikelfilter 4 kann dann entsprechend repariert bzw. ausgetauscht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in regelmäßigen Abständen wiederholt.

Claims

Diagnoseverfahren eines im Abgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelfilters (4), umfassend die Schritte: – Einleiten einer Regenerationsphase des Partikelfilters (4), – Durchführen mindestens einer Kraftstoffeinspritzung während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine (1) oder in der Ausschiebephase, zur Temperaturerhöhung des Partikelfilters (4) derart, dass ein Abbrand der im Partikelfilter angesammelten Partikel erreicht wird, und gleichzeitiges – Messen einer HC-Emission im Abgasstrang (2), während der Regenerationsphase, in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter (4), und – Diagnostizieren eines Defekts des Partikelfilters (4) auf Grundlage der gemessenen HC-Emission.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrang (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung eine Nacheinspritzung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt des Partikelfilters (4) diagnostiziert wird, wenn die gemessene HC-Emission einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert in Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder der Temperatur des Partikelfilters (4) und/oder des Abgasmassenstroms definiert wird.
Vorrichtung zur Diagnose eines im Abgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelfilters (4), umfassend: – eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (6), – einen im Abgasstrang (2) in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter (4) angeordneten HC-Sensor (5), und – eine Diagnoseeinrichtung (8), die während einer Regenerationsphase des Partikelfilters (4) eine Kraftstoffeinspritzung während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine oder in der Ausschiebephase einleitet, derart, dass ein Abbrand der im Partikelfilter angesammelten Partikel erreicht wird, und mit der auf Grundlage einer bei der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (6) durch den HC-Sensor (5) gemessenen HC-Emission ein Defekt des Partikelfilters (4) diagnostizierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (6) eine Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrang (2) durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (6) eine Nacheinspritzung durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Diagnoseeinrichtung (8) ein Defekt des Partikelfilters (4) diagnostizierbar ist, wenn die gemessene HC-Emission einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert durch die Diagnoseeinrichtung (8) in Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder der Temperatur des Partikelfilters (4) und/oder des Abgasmassenstroms definierbar ist.