DE102013206391B4 - Method for checking the functionality of a particulate filter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugmotors angeordneten Partikelfilters mit den folgenden Schritten: Messen der Partikelkonzentration (c_1) im Abgas stromab des Partikelfilters an einem ersten Betriebspunkt; Ermitteln des Filterwirkungsgrades (eff_1) aus der gemessenen Partikelkonzentration (c_1) und der modellierten Partikelkonzentration stromauf des Partikelfilters; Wechseln des Betriebspunktes des Motors auf einen zweiten Betriebspunkt, so dass die Partikelemissionen stromauf des Partikelfilters stark ansteigen; Messen der Partikelkonzentration (c_2) im Abgas stromab des Partikelfilters am zweiten Betriebspunkt; Ermitteln des Filterwirkungsgrades (eff_2) am zweiten Betriebspunkt analog zur Vorgehensweise am ersten Betriebspunkt; Ermitteln der absoluten Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden (eff_1 und eff_2); und Feststellen eines Offset-Fehlers, wenn die absolute Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden (eff_1 und eff_2) eine festgelegte Schwelle überschreitet.A method of verifying the operability of a particulate filter disposed in the exhaust line of an automotive engine comprising the steps of: measuring particulate concentration (c_1) in the exhaust gas downstream of the particulate filter at a first operating point; Determining the filter efficiency (eff_1) from the measured particle concentration (c_1) and the modeled particle concentration upstream of the particulate filter; Changing the operating point of the engine to a second operating point such that the particulate emissions upstream of the particulate filter greatly increase; Measuring the particle concentration (c_2) in the exhaust gas downstream of the particulate filter at the second operating point; Determining the filter efficiency (eff_2) at the second operating point analogous to the procedure at the first operating point; Determining the absolute difference between the filter efficiencies (eff_1 and eff_2); and determining an offset error when the absolute difference between filter efficiencies (eff_1 and eff_2) exceeds a predetermined threshold.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugmotors angeordneten Partikelfilters.The present invention relates to a method for checking the operability of a particle filter arranged in the exhaust system of an automobile engine.
Bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor entstehen ungewollt Partikel. Da diese Partikel gesundheitsschädlich sind, hat der Gesetzgeber Emissionsgrenzwerte festgelegt. Um diese Partikelgrenzwerte einhalten zu können, werden insbesondere im Abgasstrang von modernen PKW-Dieselmotoren Partikelfilter eingesetzt. Diese sind typischerweise als Wandstromfilter auf Basis von Keramikwerkstoffen ausgeführt. Der Gesetzgeber verlang zudem, dass die Funktionsfähigkeit des Filters überwacht wird, und zwar mithilfe einer sogenannten „On Board Diagnose”. Um diese Anforderungen an die Überwachung zu erfüllen, wird ein Sensor zur Überwachung der Filterfähigkeit des Wandstromfilters eingesetzt. Dieser Partikelsensor wird stromab des Partikelfilters angeordnet und misst die Konzentration an Partikeln im Abgas. Falls der Partikelfilter intakt ist, wird eine geringe Partikelkonzentration gemessen. Wenn der Filter geschädigt ist, wird eine abnorm hohe Konzentration festgestellt.The combustion of fuel in an internal combustion engine causes unwanted particles. Since these particles are harmful to health, the legislator has set emission limit values. In order to be able to comply with these particle limit values, particle filters are used in particular in the exhaust gas system of modern passenger car diesel engines. These are typically designed as wall-flow filters based on ceramic materials. The legislature also demands that the functionality of the filter is monitored, using an on-board diagnosis. To meet these monitoring requirements, a sensor is used to monitor the filtering capability of the wall-flow filter. This particle sensor is located downstream of the particulate filter and measures the concentration of particulate matter in the exhaust gas. If the particulate filter is intact, a low particle concentration is measured. If the filter is damaged, an abnormally high concentration is detected.
Bei einem derartigen Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters ist eine korrekte Messung des Partikelsensors entscheidend, da anderenfalls falsche Ergebnisse in Bezug auf die Partikelfilter-Diagnose erreicht werden. Die Problematik besteht nun darin, auf zuverlässige Weise zu erkennen, ob der Sensor korrekt misst.In such a method for checking the functionality of a particulate filter, a correct measurement of the particulate sensor is crucial, otherwise false results with respect to the particulate filter diagnosis are achieved. The problem now is to reliably detect if the sensor is measuring correctly.
Bei derartigen Partikelsensoren (Rußsensoren), welche nach dem resistiven Prinzip arbeiten, wird zwischen zwei Elektroden eine Spannung angelegt. Befindet sich ein solcher Rußsensor in einer rußhaltigen Umgebung, lagert sich zwischen den Elektroden Ruß an. Da Ruß im Wesentlichen aus C-Atomen besteht und Kohlenstoff ein elektrischer Leiter ist, kann zwischen den Elektroden ein Strom fließen. Im normalen Betriebsmodus lagert sich kontinuierlich Ruß auf der Oberfläche des Sensorelementes an. Dies führt dazu, dass der Strom ebenfalls kontinuierlich ansteigt. Überschreitet der Strom eine Schwelle, wird in einen Regenerationsmodus gewechselt. Dabei wird der Sensor mittels einer elektrischen Heizung stark erhitzt, so dass der angelagerte Ruß abbrennt und der Strom auf ein niedrigeres Niveau zurückfällt. Danach beginnt der Rußsammlungsprozess von vorne.In such particle sensors (soot sensors), which operate on the resistive principle, a voltage is applied between two electrodes. If such a soot sensor is in a soot-containing environment, soot builds up between the electrodes. Since soot consists essentially of carbon atoms and carbon is an electrical conductor, a current can flow between the electrodes. In the normal operating mode, soot accumulates continuously on the surface of the sensor element. This means that the current also increases continuously. If the current exceeds a threshold, it is changed to a regeneration mode. In this case, the sensor is strongly heated by means of an electric heater, so that the accumulated soot burns and the current falls back to a lower level. Then the soot collection process starts from scratch.
Die Stärke des Stromes zwischen den Elektroden ist von der Partikelbeladung abhängig. Bei keiner oder niedriger Beladung ist der Strom nahe Null und nimmt mit steigender Beladung zu. Um eine Aussage über den Partikelmassenstrom, der am Sensor vorbeifließt, treffen zu können, muss die Änderung des Stromsignals ausgewertet werden. Anhand der Änderungsrate des Stromsignals kann eine Korrelation zum Partikelmassenstrom gefunden werden. Die Auswertung der Stromänderung ermöglicht die Bewertung des Partikelmassenstromes in einem beschränkten Zeitraum.The strength of the current between the electrodes depends on the particle load. At no or low load, the current is near zero and increases as the load increases. In order to be able to make a statement about the particle mass flow flowing past the sensor, the change in the current signal must be evaluated. Based on the rate of change of the current signal, a correlation to the particle mass flow can be found. The evaluation of the current change allows the evaluation of the particle mass flow in a limited period of time.
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Ein intakter Partikelfilter hat einen Filterwirkungsgrad von über 99%. Durch eine Rissbildung in der Keramik kann ein Teil der Gasströmung den Partikelfilter ungehindert durchqueren, so dass der Filterwirkungsgrad sinkt. Dabei ist der Filterwirkungsgrad unabhängig von der Partikelkonzentration stromauf des Partikelfilters.An intact particulate filter has a filter efficiency of over 99%. By cracking in the ceramic, a part of the gas flow can pass through the particle filter unhindered, so that the filter efficiency decreases. The filter efficiency is independent of the particle concentration upstream of the particulate filter.
Ein Partikelfilter gilt als fehlerhaft, sobald die mittleren Partikelemissionen am Ausgang der Abgasanlage über ein definiertes Fahrprofil (z. B. NEDC) eine definierte Schwelle (OBD-Grenzwert) überschreiten. Dieser Partikelfilter muss auch zuverlässig im Feld detektiert werden. Dazu wird anhand einer modellierten Partikelkonzentration (Rußkonzentration) stromauf des Filters und der gemessenen Partikelkonzentration stromab des Filters (über den Partikelsensor) der Filterwirkungsgrad ermittelt. Der auf diese Weise bestimmte Filterwirkungsgrad wird dann mit dem Filterwirkungsgrad der Abgasanlage verglichen, bei dem der OBD-Grenzwert im definierten Fahrprofil gerade überschritten wird. Ist der gemessene Wirkungsgrad niedriger, liegt ein defekter Filter vor.A particulate filter is considered to be defective as soon as the mean particulate emissions at the exhaust system exit via a defined driving profile (eg NEDC) exceed a defined threshold (OBD limit). This particulate filter must also be reliably detected in the field. For this purpose, the filter efficiency is determined on the basis of a modeled particle concentration (soot concentration) upstream of the filter and the measured particle concentration downstream of the filter (via the particle sensor). The filter efficiency determined in this way is then compared with the filter efficiency of the exhaust system, in which the OBD limit is just exceeded in the defined driving profile. If the measured efficiency is lower, there is a defective filter.
Bei diesem bekannten Verfahren kann eine Offset-Toleranz in der gemessenen Partikelkonzentration (Rußkonzentration) das Ergebnis der Filterwirkungsgradbestimmung verfälschen. Ein Offset in die positive Richtung führt dazu, dass der Filterwirkungsgrad zu niedrig bestimmt und ein intakter Filter als defekt eingestuft wird. Umgekehrt kann ein negativer Offset dazu führen, dass ein defekter Filter nicht als solcher erkannt wird.In this known method, an offset tolerance in the measured particle concentration (soot concentration) can falsify the result of the filter efficiency determination. An offset in the positive direction causes the filter efficiency to be set too low and an intact filter to be classified as defective. Conversely, a negative offset can result in a defective filter not being recognized as such.
Bisher sind keine Verfahren bekannt, um einen systematischen Offset-Fehler eines Partikelsensors (Rußsensors) zu erkennen.So far, no methods are known to detect a systematic offset error of a particle sensor (soot sensor).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das hinsichtlich der Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters besonders exakte Ergebnisse liefert. Insbesondere soll hiermit ein systematischer Offset-Fehler (eine bleibende Abweichung) eines Partikelfilters bzw. eines für ein derartiges Verfahren verwendeten Partikelsensors erkannt werden.The present invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which provides particularly accurate results in terms of checking the functionality of a particulate filter. In particular, a systematic offset error (a permanent deviation) of a particle filter or of a particle sensor used for such a method should be detected.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:
Messen der Partikelkonzentration im Abgas stromab des Partikelfilters an einem ersten Betriebspunkt;
Ermitteln des Filterwirkungsgrades aus der gemessenen Partikelkonzentration und der modellierten Partikelkonzentration stromauf des Partikelfilters;
Wechseln des Betriebspunktes des Motors auf einen zweiten Betriebspunkt, so dass die Partikelemissionen stromauf des Partikelfilters stark ansteigen;
Messen der Partikelkonzentration im Abgas stromab des Partikelfilters am zweiten Betriebspunkt;
Ermitteln des Filterwirkungsgrades am zweiten Betriebspunkt analog zur Vorgehensweise am ersten Betriebspunkt;
Ermitteln der absoluten Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden; und
Feststellen eines Offset-Fehlers,
wenn die absolute Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden eine festgelegte Schwelle überschreitet.This object is achieved in a method of the type indicated by the following steps:
Measuring particulate concentration in the exhaust gas downstream of the particulate filter at a first operating point;
Determining the filter efficiency from the measured particle concentration and the modeled particle concentration upstream of the particulate filter;
Changing the operating point of the engine to a second operating point such that the particulate emissions upstream of the particulate filter greatly increase;
Measuring particulate concentration in the exhaust gas downstream of the particulate filter at the second operating point;
Determining the filter efficiency at the second operating point analogous to the procedure at the first operating point;
Determining the absolute difference between the filter efficiencies; and
Detecting an offset error,
when the absolute difference between the filter efficiencies exceeds a predetermined threshold.
Wie vorstehend erwähnt, ist der reale Filterwirkungsgrad unabhängig von der Partikelkonzentration stromauf des Partikelfilters. Das bedeutet, dass der aus der gemessenen Konzentration ermittelte Filterwirkungsgrad in einem toleranzfreien System bei niedrigen und hohen Konzentrationen stromauf identisch ist. Diese Eigenschaft macht sich die Erfindung zunutze, um eine Konzentrations-Offset-Erkennung zu ermöglichen. Die Auswirkungen des Offsets sind naturgemäß bei kleinen Konzentrationen am größten und nehmen mit zunehmender Konzentration ab. Bei sehr hohen Konzentrationen ist eine Offset-Abweichung nahezu vernachlässigbar. Das bedeutet, dass der ermittelte Filterwirkungsgrad asymptotisch auf den wahren Wert zuläuft. Daher deutet ein über die Konzentration variabler Wirkungsgrad auf einen Offset-Fehler hin.As mentioned above, the real filter efficiency is independent of the particle concentration upstream of the particulate filter. This means that the filter efficiency determined from the measured concentration in a tolerance-free system is identical upstream at low and high concentrations. This feature takes advantage of the invention to enable concentration offset detection. The effects of offset are naturally greatest at low concentrations and decrease with increasing concentration. At very high concentrations, offset deviation is almost negligible. This means that the determined filter efficiency approaches asymptotically to the true value. Therefore, a concentration variable efficiency indicates an offset error.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Bewertung der Änderungen des Filterwirkungsgrades während einer starken Änderung der Rohemissionen. Auf diese Weise ist eine Erkennung eines Offset-Fehlers in der Konzentrationsmessung möglich. Hierdurch können Fehldiagnosen in der Partikelfilterüberwachung bzw. Partikelfilterüberprüfung reduziert oder ausgeschlossen werden.The method according to the invention evaluates the changes in filter efficiency during a large change in the raw emissions. In this way it is possible to detect an offset error in the concentration measurement. This can reduce or eliminate misdiagnosis in particulate filter monitoring or particulate filter inspection.
Für das Feststellen eines Offset-Fehlers finden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei Kriterien Verwendung, nämlich die Größe der absoluten Differenz zwischen den ermittelten Filterwirkungsgraden und der Unterschied zwischen den gemessenen Partikelkonzentrationen. Überschreitet die absolute Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden eine festgelegte Schwelle, wird von einem Offset-Fehler ausgegangen, weil hier ein über die Konzentration variabler Wirkungsgrad vorliegt.For the determination of an offset error, two criteria are used in the method according to the invention, namely the size of the absolute difference between the determined filter efficiencies and the difference between the measured particle concentrations. If the absolute difference between the filter efficiencies exceeds a predetermined threshold, it is assumed that an offset error, because there is a variable over the concentration efficiency.
Vorzugsweise ist der erste Betriebspunkt ein solcher mit niedrigen Partikelemissionen.Preferably, the first operating point is one with low particulate emissions.
Vor der Messung der Partikelkonzentrationen wird zweckmäßigerweise erfindungsgemäß eine Stabilisierungsphase vorgesehen.Before the measurement of the particle concentrations, a stabilization phase is expediently provided according to the invention.
Wenn ein Offset-Fehler aus der Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden abgeleitet wird (Überschreiten einer Schwelle), kann abhängig vom Vorzeichen der Differenz zwischen den Filterwirkungsgraden bestimmt werden, ob ein positiver oder negativer Offset anliegt.If an offset error is derived from the difference between the filter efficiencies (crossing a threshold), it can be determined whether there is a positive or negative offset depending on the sign of the difference between the filter efficiencies.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Ermittlung des Offsets eines zum Messen der Partikelkonzentration verwendeten Partikelsensors eingesetzt.The method according to the invention is preferably used for determining the offset of a particle sensor used for measuring the particle concentration.
Das Verfahren wird insbesondere zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Rußfilters durchgeführt.The method is carried out in particular for checking the functionality of a soot filter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters.The invention will be explained below with reference to an embodiment in conjunction with the drawings in detail. The single FIGURE shows a schematic flow chart of a method for checking the functionality of a particulate filter.
Das Verfahren wird als On Board Diagnose an einem im Abgasstrang eines Dieselmotors angeordneten Rußfilter durchgeführt. Stromab des Rußfilters befindet sich ein Rußsensor zum Messen der Rußkonzentration im Abgas.The method is carried out as on-board diagnosis on a soot filter arranged in the exhaust gas line of a diesel engine. Downstream of the soot filter is a soot sensor for measuring the soot concentration in the exhaust gas.
Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Rußfilters wird in einem ersten Schritt (Schritt
In Schritt
Zwischen den beiden Filterwirkungsgraden wird nunmehr die absolute Differenz ermittelt (Schritt
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