DE102017205361A1

DE102017205361A1 - Verfahren und Computerprogrammprodukt zur Diagnose eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102017205361A1
Application number: DE102017205361.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumann; Yunjie Lian
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-10-04
Also published as: KR20190131103A; CN110462177A; KR102517259B1; US20210102487A1; CN110462177B; WO2018177897A1; US11098630B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Benzinmotors, wobei zur Überwachung des Partikelfilters ein Differenzdruck zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Partikelfilters gemessen und ausgewertet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems eine Korrelation des gemessenen Differenzdrucks über dem Partikelfilter zu einem erwarteten Differenzdruck für einem intakten Referenz-Partikelfilter oder eine Korrelation des zeitlichen Gradienten des gemessenen Differenzdruckes zu einem erwarteten zeitlichen Gradienten des erwarteten Differenzdruck für einen intakten Referenz-Partikelfilter bestimmt wird und dass bei einer hohen Korrelation auf einen vorhandenen und intakten Partikelfilter und bei einer niedrigen Korrelation auf einen ausgebauten oder defekten Partikelfilter geschlossen wird.Das Verfahren ermöglicht unter vielen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine auch bei sehr geringen absoluten Druckdifferenzen, wie dies insbesondere bei Benzin-Partikelfiltern der Fall ist, eine Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Benzinmotors, wobei zur Überwachung des Partikelfilters ein Differenzdruck Δp zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Partikelfilters gemessen und ausgewertet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Die Emissionsgesetzgebung, insbesondere in den USA und in Europa, setzt für den Betrieb von Brennkraftmaschinen Grenzwerte für die Emission von Partikelmasse und auch Partikelanzahl bzw. -konzentration fest. Neben den Emissionsgrenzwerten werden ebenfalls Diagnosegrenzwerte angegeben, bei deren Überschreitung ein Fehler angezeigt werden muss. In einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeug werden hierzu Diagnosefunktionen implementiert, welche die zur Emissionsreduktion verbauten Bauteile und Komponenten während des Fahrzeugbetriebs im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) überwachen und eine Fehlfunktion, welche zum Überschreiten der Diagnosegrenzwerte führen, zur Anzeige bringen.
Partikelfilter sind bei Benzinmotoren noch nicht im Serieneinsatz. Aufgrund der verschärften Emissionsgesetzgebung, insbesondere für Benzin-Direkteinspritzmotoren, werden sowohl innermotorische Maßnahmen als auch Maßnahmen der Abgasnachbehandlung diskutiert. So werden bei Benzinsystemen Abgaskonfigurationen mit einem Drei-Wege-Katalysator in motornaher Einbauposition und nachgeschaltetem, unbeschichtetem Benzinpartikelfilter als auch beschichtete Partikelfilter (sogenannte 4-Wege-Katalysatoren = 3-Wege-Katalysator + Partikelfilter) in motornaher Einbauposition auf ihre Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit hin untersucht. Hierbei ist es naheliegend, die bei Diesel-Systemen eingesetzten Verfahren zur Diagnose des Partikelfilters heranzuziehen, also die Messung der Druckerhöhung über dem Partikelfilter mittels Drucksensoren oder die Messung der Partikelmasse hinter dem Partikelfilter mittels eines Partikelsensors.
Die von einem Motor, insbesondere einem Dieselmotor, emittierten Rußpartikel können mittels eines Dieselpartikelfilters (DPF) effizient aus dem Abgas entfernt werden. Gegenwärtig ist ein so genannter Wall-Flow-Dieselpartikelfilter (DPF) der Stand der Technik. Durch seine einseitig verschlossenen Kanäle und seinem porösen Filtermaterial ist eine Rußabscheidung von bis zu 99 % möglich. Ein Nachteil ist, dass der Filter von Zeit zu Zeit thermisch regeneriert werden muss. Dabei wird mittels inner- oder außermotorischer Maßnahmen ein Temperaturhub vorgenommen und dadurch der angesammelte Ruß im Filter abgebrannt, da ansonsten der Abgasgegendruck zu stark ansteigen würde.
Aus der DE 10 2010 002 691 A1 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Partikelfilters als Bestandteil einer Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei zur Überwachung des Partikelfilters ein Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang des Partikelfilters gemessen und dieser in einer Diagnoseeinheit ausgewertet wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Differenzdruck über dem Partikelfilter aus zwei Differenzdruckmessungen oder zwei Absolutdruckmessungen bestimmt wird. Damit kann die On-Board-Diagnose verbessert und auch detektiert werden, ob der Partikelfilter manipuliert oder gar ausgebaut wurde.
Problematisch bei benzinbetriebenen Motoren ist, dass ein deutlich geringerer Differenzdruck am Partikelfilter abfällt, als dies bei Dieselfahrzeugen der Fall ist. Ursache sind der deutlich geringere Abgasmassenstrom beim Benzinmotor und die aufgrund der geringeren Rußrohmassenemissionen andere Auslegung des Partikelfilters.
Die Rohemission der Partikelmasse ist bei Dieselfahrzeugen um ein Vielfaches höher als bei Benzinmotoren. Die derzeit gültigen Emissionsgrenzwerte für die Partikelmasse werden von Benzinfahrzeugen in der Regel unterschritten und damit auch die gültigen Diagnosegrenzwerte. Die Grenzwerte für die Partikelanzahl für die neuen Abgasbestimmungen nach EU6c werden allerdings von einigen Fahrzeugtypen überschritten, wenn keine Zusatzmaßnahmen ergriffen werden. Da es für die Partikelanzahl nach der Abgasbestimmung nach EU6b (2014) und EU6c (2017) nur einen Emissionsgrenzwert, aber keinen Diagnosegrenzwert gibt, wird erwartet, dass der Gesetzgeber analog zu Dieselfahrzeugen als Minimalanforderung die Ausbau- bzw. Komplettausfallerkennung eines Partikelfilters bei Überschreitung der Partikelmassen- und Partikelanzahl-Emissionsgrenzwerte fordert.
Die DE 10 2014 209 840 A1 offenbart die Erkennung eines defekten oder ausgebauten Partikelfilters durch die Bildung jeweils eines zeitlichen Gradienten des gemessenen und eines erwarteten Differenzdruckes über dem Partikelfilter und der Bestimmung der Korrelation zwischen den beiden Gradienten. Dies kann über eine Kreuzkorrelation erfolgen. Bei einer hohen Korrelation zwischen dem gemessenen und dem erwarteten Gradienten wird auf einen intakten bzw. vorhandenen Partikelfilter geschlossen, während einer niedrigen Korrelation ein defekter oder demontierter Partikelfilter zugeordnet wird. Das Verfahren ist insbesondere für benzinbetriebene Brennkraftmaschinen ausgelegt. Es ermöglicht insbesondere die Überwachung von Partikelfiltern in Abgasnachbehandlungsanlagen von Benzinmotoren, über denen sich bei Betriebsphasen des Benzinmotors nur eine geringe Druckdifferenz aufbaut.
Nachteilig bei dem Verfahren ist, dass eine gewisse dynamische Anregung, welche letztendlich zu einer entsprechend schnellen Differenzdruckänderung über dem Partikelfilter führt, vorliegen muss, um auswertbare Gradienten des Differenzdrucks zu erhalten. Eine solche dynamische Anregung kann beispielsweise durch eine schnelle Drehzahländerung der Brennkraftmaschine hervorgerufen werden. In Abhängigkeit der Betriebsweise der Brennkraftmaschine, beispielsweise bedingt durch das Fahrverhalten eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, kann es vorkommen, dass Betriebsphasen mit ausreichend hoher dynamischer Anregung nicht oder nur sehr selten vorliegen. Damit kann eine durchgängige Überwachung des Partikelfilters nicht gewährleistet werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein defekter oder ein ausgebauter Partikelfilter unabhängig von der Betriebsweise der Brennkraftmaschine sicher nachgewiesen werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems eine Korrelation des gemessenen Differenzdrucks Δp über dem Partikelfilter zu einem erwarteten Differenzdruck Δp* für einem intakten Referenz-Partikelfilter oder eine Korrelation des zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes Δp zu einem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* für einen intakten Referenz-Partikelfilter bestimmt wird und dass bei einer hohen Korrelation auf einen vorhandenen und intakten Partikelfilter und bei einer niedrigen Korrelation auf einen ausgebauten oder defekten Partikelfilter geschlossen wird. Die Überwachung des Partikelfilters kann somit sowohl bei Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bzw. des Abgasnachbehandlungssystems erfolgen, welche einen sicher auswertbaren Differenzdruck Δp über dem Partikelfilter oder eine hohe dynamische Anregung und damit eine sichere auswertbare Änderung des Differenzdrucks Δp bewirken. Es stehen somit gegenüber einer reinen Auswertung des zeitlichen Gradienten d(Δp) des Differenzdrucks Δp* deutlich mehr Betriebspunkte der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlungssystems zur Verfügung, in denen eine Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters möglich ist. Beispielsweise kann bei langen Autobahnfahrten mit annähernd konstanter Geschwindigkeit die Korrelation des Differenzdrucks Δp mit einem erwarteten Differenzdruck Δp* direkt ausgewertet werden, während der zeitliche Gradient d(Δp) des Differenzdrucks Δp bei einer solchen Betriebsweise der Brennkraftmaschine aufgrund der geringen dynamischen Anregung für eine sichere Auswertung zu gering ist. Umgekehrt kann beispielsweise bei einer Stadtfahrt mit häufigen Geschwindigkeitsänderungen die Korrelation des gemessenen zeitlichen Gradienten d(Δp) zu dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) zu Erkennung eines defekten oder ausgebauten Partikelfilters verwendet werden, während die direkte Auswertung der Korrelation zwischen dem gemessenen Differenzdruck Δp und dem erwarteten Differenzdruck Δp* aufgrund der geringen, über dem Partikelfilter aufgebauten Druckdifferenz nicht möglich ist. Das Verfahren ermöglicht somit die Erkennung eines defekten oder ausgebauten Partikelfilters während vieler unterschiedlicher Betriebsbedingungen und damit unabhängig von der Betriebsweise der vorgeschalteten Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems.
Eine sichere Unterscheidung, wann die Korrelation der gemessenen und erwarteten Differenzdrücke Δp, Δp* und wann die Korrelation der gemessenen und erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp), d(Δp*) vorteilhaft auszuwerten ist kann dadurch erreicht werden, dass die Korrelation des gemessenen Differenzdrucks Δp über dem Partikelfilter zu dem erwarteten Differenzdruck Δp* zur Erkennung des ausgebauten oder defekten Partikelfilters ausgewertet wird, wenn der gemessene Differenzdruck Δp und/oder der erwartete Differenzdruck Δp* und/oder ein Abgasmassenstrom und/oder ein Abgasvolumenstrom und/oder eine Motordrehzahl und/oder eine weitere, mit dem Differenzdruck Δp, Δp* zusammenhängende Kenngröße eine jeweils vorgegebene erste Schwelle überschreitet und dass die Korrelation des zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes Δp zu dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* für einen intakten Referenz-Partikelfilter ausgewertet wird, wenn der Gradient des gemessenen Differenzdrucks Δp und/oder des erwartete Differenzdruck Δp* und/oder eines Abgasmassenstroms und/oder eines Abgasvolumenstroms und/oder einer Motordrehzahl und/oder einer weiteren, mit dem Differenzdruck Δp, Δp* zusammenhängenden Kenngröße eine jeweils vorgegebene zweite Schwelle überschreitet. Es können so eindeutig Betriebssituationen der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems ermittelt werden, welche eine sichere Auswertung der Korrelation der gemessenen und erwarteten Differenzdrücke Δp, Δp* oder der gemessenen und erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp), d(Δp*) der Differenzdrücke Δp, Δp* ermöglichen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der erwartete Differenzdruck Δp* des Referenz-Partikelfilters modellhaft in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems ermittelt wird. Der erwartete zeitliche Gradiente d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* kann unmittelbar aus dem erwarteten Differenzdruck Δp* ermittelt werden. Die Methoden zur Modellierung des erwarteten Differenzdrucks Δp* sind bekannt und können beispielsweise in einer übergeordneten Motorsteuerung erfolgen, in welcher der oder die erforderlichen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems vorliegen.
Dazu kann es vorgesehen sein, dass der erwartete Differenzdruck Δp* oder der erwartete zeitliche Gradient d(Δp*) des Differenzdrucks Δp* zumindest aus einem Abgasvolumenstrom und/ oder aus dem zeitlichen Gradienten des Abgasvolumenstroms und einem Strömungswiderstand des intakten Referenz-Partikelfilters berechnet wird und/oder dass bei der Berechnung des erwarteten Differenzdrucks Δp* oder des erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* ein quadratischer Anteil des Volumenstroms mit berücksichtigt wird, welcher die Verdichtung und Expansion des Abgases beim Einströmen des Abgases in den Partikelfilter und beim Ausströmen des Abgases aus dem Partikelfilter berücksichtigt.. Der Strömungswiderstand kann dabei in der Diagnoseeinheit als fester Wert gespeichert oder in einer Kennfeldspeichereinheit von einem oder mehreren Parametern abhängig hinterlegt sein.
Entsprechend eines einfachen Modells kann der erwartete Differenzdruck Δp aus dem Strömungswiderstand A und dem Abgasvolumenstrom dVol berechnet werden: $Δ p = A * dVol$
Um eine höhere Modellgenauigkeit zu erreichen ist es vorteilhaft, einen quadratischen Anteil b*dVol² zu berücksichtigen. Dieser Teildifferenzdruck wird von der Verdichtung und Expansion des Abgases verursacht, wenn das Abgas in den Partikelfilter einströmt oder aus dem Partikelfilter ausströmt. $Δ p = A * {d Vol+b*dVol}^{2}$
Störungsbedingte Signalschwankungen können dadurch unterdrückt werden, dass der gemessene Differenzdruck Δp über dem Partikelfilter und/oder der erwartete Differenzdruck Δp* über dem Referenz-Partikelfilter und/oder der Volumenstrom zur Bestimmung des erwarteten Differenzdruckes Δp* tiefpassgefiltert werden. Die Aussagegüte der Diagnose kann so erhöht werden.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zur Bestimmung der jeweiligen Korrelation aus dem gemessenen Differenzdruck Δp und dem erwarteten Differenzdruck Δp* mittels einer Kreuzkorrelation ein erster Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁ gebildet wird und/oder dass aus dem zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes d(Δp) über dem Partikelfilter und dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdruckes Δp* über dem Referenz-Partikelfilter mittels einer Kreuzkorrelation ein zweiter Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂ gebildet wird. Die so gewonnenen, normierten Kreuzkorrelationsfaktoren KKF₁, KKF₂ sind unabhängig von den Absolutwerten der ausgewerteten gemessenen und erwarteten Druckdifferenzen Δp, Δp* oder der gemessenen und erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp), d(Δp*). Sie nehmen niedrige Werte für eine unzureichende Korrelation und hohe Werte für eine gute Korrelation ein und sind damit einfach auszuwerten.
Zur Auswertung kann es vorgesehen sein, dass der erste Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁ und/oder der zweite Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂ jeweils mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und bei Unterschreitung des jeweiligen Schwellwertes ein fehlerhafter oder nicht vorhandener Partikelfilter detektiert und bei Erreichen oder Überschreiten des jeweiligen Schwellwertes ein eingebauter und intakter Partikelfilter diagnostiziert wird. Bei einer durchgeführten normierten Kreuzkorrelation sowohl für die Auswertung der gemessenen und ermittelten Differenzdrücke Δp, Δp* als auch der gemessenen und ermittelten zeitlichen Gradienten d(Δp), d(Δp*) der Differenzdrücke Δp, Δp* kann vorteilhaft für beide Auswertungen der gleiche Schwellwert vorgesehen werden.
Eine sichere Bestimmung des gemessenen Differenzdrucks Δp und/oder des zeitlichen Gradienten d(Δp*) des gemessenen Differenzdrucks Δp kann dadurch erfolgen, dass der Differenzdruck Δp und/oder der zeitliche Gradient d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes Δp aus dem Signal eines über dem Partikelfilter angeordneten Differenzdrucksensors oder aus den Signalen zweier Differenzdrucksensoren oder zweier Absolutdrucksensoren, welche stromauf- und stromabwärts des Partikelfilters im Abgasstrang angeordnet sind, oder aus der Differenz zwischen einem gemessenen Absolutdruck am Eingang des Partikelfilters und einem modellierten Absolutdruck am Ausgang des Partikelfilters oder aus der Differenz zwischen einem gemessenen Relativdruck am Eingang des Partikelfilters gegenüber der Umgebung und einem modellierten Relativdruck am Ausgang des Partikelfilters gegenüber der Umgebung bestimmt werden. Das Verfahren basiert somit auf der Verwendung ohnehin in modernen Abgasnachbehandlungsystemen bereits vorgesehener Bauteile und kann entsprechend kostengünstig umgesetzt werden.
Das Verfahren lässt sich bevorzugt bei einer benzinbetriebenen Brennkraftmaschine, bei der die Abgasanlage mindestens einen separaten Katalysator und einen Partikelfilter oder eine Katalysator-Partikelfilter-Kombination oder einen katalytisch beschichteten Partikelfilter aufweist, anwenden.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft. Der digitale Computer ist vorzugsweise Teil einer Steuereinheit, insbesondere einer übergeordneten Motorsteuerung, welche zumindest einen Prozessor, ein computerlesbares Speichermedium und Ein- und Ausgabeeinheiten umfasst. Das Computerprogrammprodukt ist durch ein entsprechendes Computerprogramm gebildet, welches auf dem computerlesbaren Speichermedium gespeichert ist und von dem Computer ausgeführt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

1 beispielhaft ein technisches Umfeld in dem die Erfindung eingesetzt werden kann,
2 in einem ersten Verlaufsdiagramm schematisch die Differenzdruckverläufe für einen gemessenen und einen modellhaft bestimmten Referenz-Differenzdruck für einen intakten Partikelfilter,
3 in einem zweiten Verlaufsdiagramm schematisch die Differenzdruckverläufe für den gemessenen und den modellhaft bestimmten Referenz-Differenzdruck für einen ausgebauten oder defekten Partikelfilter und
4 in einem dritten Verlaufsdiagramm schematisch die Gradienten der Differenzdruckverläufe für den gemessenen und den modellhaft bestimmten Referenz-Differenzdruck für einen ausgebauten oder defekten Partikelfilter.

1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann. Dargestellt ist beispielhaft eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgasnachbehandlungssystem 16. Die Brennkraftmaschine 10 ist als Benzinmotor ausgeführt. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 ist über einen Abgasstrang 11 abgeführt. Entlang des Abgasstrangs 11 ist das Abgasnachbehandlungssystem 16 angeordnet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrstufig ausgeführt ist. In Strömungsrichtung des Abgases (Abgasstrom 14) ist zunächst ein Katalysator 12 vorgesehen, der vorliegend als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt ist. Dem Katalysator 12 ist ein Partikelfilter 13 nachschaltet. Das Abgasnachbehandlungssystem 16 weist weitere, in der gewählten Prinzipdarstellung nicht gezeigte Komponenten, wie Abgassonden und weitere Sensoren, auf, deren Signale einer Motorsteuerung (Electronic Control Unit ECU) zugeführt werden.
Zur Diagnose des Partikelfilters 13 ist ein Differenzdrucksensor 15 vorgesehen, mit dem der Druckunterschied (Differenzdruck 19) zwischen einem Filtereingang und einem Filterausgang des Partikelfilters 13 bestimmt werden kann. Das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 15 ist einer Diagnoseeinheit 18 zugeführt, in der im Rahmen einer On-Bord-Diagnose (OBD) eine Diagnose hinsichtlich eines möglicherweise gebrochenen, entfernten oder verstopften Partikelfilters 13 durchgeführt werden kann. Diese Diagnoseeinheit 18 kann Bestandteil der übergeordneten Motorsteuerung (ECU) sein.
Der Katalysator 12 und der Partikelfilter 13 können auch in Form eines Four-Way-Catalysts (FWC), also eines katalytisch beschichteten Partikelfilters 13, zusammengeschaltet sein. Ebenfalls denkbar ist es, den Differenzdruck 19 mittels zweier Absolutdrucksensoren, welche vor und nach dem Partikelfilter 13 angeordnet sind, zu bestimmen. Möglich ist es auch, jeweils vor und nach dem Partikelfilter 13 ein Differenzdrucksensor vorzusehen, welche jeweils den Druck im Abgasstrang 11 gegenüber dem Umgebungsdruck messen. Der Differenzdruck kann auch aus der Differenz zwischen einem gemessenen Absolutdruck am Eingang des Partikelfilters 13 und einem modellierten Absolutdruck am Ausgang des Partikelfilters 13 bestimmt werden. Ebenfalls denkbar ist es, den Differenzdruck aus der Differenz zwischen einem gemessenen Relativdruck am Eingang des Partikelfilters 13 gegenüber der Umgebung und einem modellierten Relativdruck am Ausgang des Partikelfilters 13 gegenüber der Umgebung zu bilden.
In 2 und in 3 sind jeweils in einem Verlaufsdiagramm 20 schematisch die Differenzdrucksignale 21 für Differenzdruckverläufe 22, 23 für einen gemessenen Differenzdruck Δp (gemessener Differenzdruckverlauf 23) und einen modellhaft bestimmten, erwarteten Differenzdruck Δp* (erwarteter Differenzdruckverlauf 22) in Abhängigkeit von der Zeit 24 dargestellt. Der gemessene Differenzdruck Δp und damit der gemessene Differenzdruckverlauf 23 sind mit Hilfe des in 1 gezeigten Differenzdrucksensors 15 gemessen. Der erwartete Differenzdruck Δp* und dessen zeitlicher Verlauf sind aus dem Abgasvolumenstrom und dem Strömungswiderstand eines intakten Referenz-Partikelfilters berechnet.
2 zeigt beispielhaft die Differenzdruckverläufe 22, 23 für einen intakten und eingebauten Partikelfilter 13. Kennzeichnend hierbei ist, dass zwischen modelliertem Differenzdruckverlauf 22 und gemessenem Differenzdruckverlauf 23 lediglich geringe Signalhöhenunterschiede und Phasenunterschiede auftreten. Es besteht somit eine hohe Korrelation zwischen den beiden Differenzdruckverläufen 22, 23. Dies betrifft sowohl die absoluten Werte des gemessenen und erwarteten Differenzdrucks Δp, Δp* 19 als auch deren zeitliche Ableitungen.
Im Gegensatz zu 2 zeigt 3 in dem weiteren Verlaufsdiagramm 20 die Differenzdruckverläufe 22, 23 für den gemessenen Differenzdruck Δp 19 und den erwarteten Differenzdruck Δp* bei einem ausgebauten oder defekten Partikelfilter 13. Zwischen den Differenzdruckverläufen 22, 23 treten deutliche Abweichungen bei der Signalhöhe und/ oder bei der Phase auf. Es liegt somit eine geringe Korrelation zwischen den beiden Differenzdruckverläufen 22, 23 vor. Davon sind sowohl die absoluten Werte des gemessenen und erwarteten Differenzdrucks Δp, Δp* 19 als auch deren zeitliche Ableitungen betroffen.
Die erfindungsgemäße Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters 13, insbesondere Benzin-Partikelfilters, basiert auf der Bestimmung der Korrelation des gemessenen Differenzdrucks Δp 19 oder des zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdrucks Δp 19 über den Partikelfilter 13 zu dem erwarteten Differenzdruck Δp oder dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp über einen intakten Partikelfilter 13. Der erwartete Differenzdruck Δp* und der erwartete zeitliche Gradient d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* werden dabei aus einem Modell in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 und/oder des Abgasnachbehandlungssystems 16 ermittelt.
Ist der Partikelfilter 13 ordnungsgemäß im Abgasstrang 11 verbaut, so ergibt sich entweder eine gute Korrelation zwischen dem in einer aktuellen Messung gemessenen Differenzdruck Δp und dem erwarteten Differenzdruck Δp* oder es ergibt sich bei dynamische Anregung eine gute Korrelation zwischen dem gemessenen zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdrucks Δp 19 aus der aktuellen Messung und dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp*. Ist der Partikelfilter 13 hingegen ausgebaut oder defekt, so liegt jeweils eine sehr schwache Korrelation vor. Ein Ausbau oder defekt des Partikelfilters 13 kann somit eindeutig detektiert werden.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass es einerseits im Vergleich zu bekannten differenzdruckbasierten Verfahren nicht nur die absolute Druckdifferenz über den Partikelfilter 13, sondern auch deren zeitliche Änderung auswertet. Damit wird auch bei sehr geringen absoluten Druckdifferenzen 19 die Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters 13 möglich. Das Diagnoseverfahren ist dabei robust gegen Offset-Toleranzen des Differenzdrucksensors 15. Diese Offset-Toleranzen erschweren alle Diagnoseverfahren, die lediglich auf dem absoluten Differenzdruck basieren. Bei ausreichend großen gemessenen und erwarteten Differenzdrücken Δp, Δp* 19, bei denen die Offset-Toleranzen des vorgesehenen Differenzdrucksensors 15 vernachlässigbar sind, kann der Ausbau oder der Defekt des Partikelfilters 13 durch Auswertung der Korrelation zwischen dem gemessenen Differenzdruck Δp 19 und dem über einem intakten Partikelfilter 13 erwarteten Differenzdruck Δp* vergleichsweise schneller und stabiler detektiert werden.
Das gemessene Differenzdrucksignal Δp_(k) wird zunächst tiefpassgefiltert, um das Rauchen zu unterdrücken. Anschließend wird der zeitliche Gradient d(Δp_(k))/dk des gefilterten Differenzdrucksignal Δp_(k) ermittelt, wobei k die k-te Messung bedeutet. Parallel dazu werden entsprechende Referenzwerte für das erwartete Differenzdrucksignal Δp*_(k) und/oder den erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*_(k))/dk des erwarteten Differenzdrucksignals Δp*_(k) ermittelt. Dazu wird aus einem Abgasvolumenstrom bzw. aus dessen zeitlichem Gradienten und dem Strömungswiderstand des intakten Partikelfilters 13, dem Referenzfilter, ein zeitlicher Verlauf des erwarteten Differenzdrucksignal Δp*_(k) bzw. der zeitliche Verlauf des erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*_(k))/dk des erwarteten Differenzdrucksignals Δp*_(k) über einen intakten und eingebauten Partikelfilter 13 berechnet. Die Erwartungswerte bzw. der bei der Bestimmung der Erwartungswerte eingehende Volumenstrom können optional ebenfalls tiefpassgefiltert werden.
Der erwartete Differenzdruck Δp kann aus dem Strömungswiderstand A des Partikelfilters 13 und dem Abgasvolumenstrom dVol berechnet werden: $Δ p = A * dVol$
Um eine höhere Modellgenauigkeit zu erreichen ist es vorteilhaft, einen quadratischen Anteil b*dVol² zu berücksichtigen. Dieser Teildifferenzdruck wird von der Verdichtung und Expansion des Abgases verursacht, wenn das Abgas in den Partikelfilter einströmt oder aus dem Partikelfilter ausströmt. $Δ p = A * dVol + b * {dVol}^{2}$
In einem nächsten Schritt wird jeweils über eine normierte Kreuzkorrelation bestimmt, inwieweit der Verlauf des gemessenen Differenzdrucksignals Δp_(k) mit dem des erwarteten Differenzdrucksignals Δp*_(k) übereinstimmt und inwieweit der Verlauf des gemessenen zeitlichen Gradienten d(Δp_(k)) mit dem Verlauf des erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*(_k)) übereinstimmt. Dazu wird jeweils ein Kreuzkorrelationsfaktor KKF nach folgender Beziehung gebildet: ${KKF}_{1} = \sum (Δ p_{(k)} * Δ p *_{(k)}) / \sum (Δ p_{(k)} * Δ p *_{(k)})$
${KKF}_{2} = \sum (d (Δ p_{(k)}) * d (Δ p *_{(k)})) / \sum (d (Δ {p*}_{(k)}) * d (Δ p *_{(k)}))$
Dabei bedeuten

Δp_(k):: Messwerte des gemessenen Differenzdrucks Δp 19
Δp*_(k):: Berechnete Werte des erwarteten Differenzdrucks Δp*
d(Δp_(k)):: Messwerte des gemessenen Gradienten d(Δp) des gemessene Differenzdrucks Δp 19
d(Δp*_(k)):: Berechnete Werte des erwarteten Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp*

Zur Beurteilung, ob der Partikelfilter 13 ordnungsgemäß vorhanden bzw. verbaut ist bzw. ordnungsgemäß funktioniert, wird der jeweilige Ausgangswert der normierten Kreuzkorrelation, der erste Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁ bzw. der zweite Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂, mit einem zuvor festgelegten und im Steuergerät bzw. in der Diagnoseeinheit 18 hinterlegten Schwellwert verglichen. Liegt das Ergebnis unterhalb des Schwellwertes, was einer nur geringen bis gar nicht vorhandenen Korrelation entspricht, ist der Partikelfilter 13 ausgebaut oder defekt. Liegt das Ergebnis oberhalb des Schwellwertes, was einer guten Korrelation entspricht, ist der Partikelfilter 13 vorhanden und intakt.
4 zeigt in einem dritten Verlaufsdiagramm 20 schematisch die Differenzdruckgradientensignale 25 in Abhängigkeit von der Zeit 24. Dazu sind die Differenzdruckgradientenverläufe 26, 27 für den gemessenen und den modellhaft bestimmten, erwarteten Differenzdruck Δp, Δp* 19 aufgetragen. Der gemessene Differenzdruckgradientenverlauf 27, der aus dem gemessene Differenzdruck Δp 19 gebildet ist, weicht deutlich von dem erwarteten Differenzdruckgradientenverlauf 26, wie er für einen intakten Partikelfilter 13 ermittelt wurde, ab. Dabei liegt eine hohe dynamische Anregung vor, was sich in Form der hohen Signalausschläge des erwarteten Differenzdruckgradientenverlaufs 26 zeigt. Der zweite Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂ wird entsprechend kleine Werte ergeben, die unterhalb des vorgegebenen Schwellwertes liegen. Daher kann bei Signalverläufen gemäß 4 von einem defekten oder ausgebauten Partikelfilter 13 ausgegangen werden.
Die Auswertung über die absoluten gemessenen und erwarteten Differenzdrücke Δp, Δp* 19, also über den ersten Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁, erfolgt zuverlässig, wenn der absolute erwartete Differenzdruck Δp* über den intakten Partikelfilter 13 eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Die Auswertung über die gemessenen und erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp), d(Δp*) erfolgt zuverlässig, wenn eine gewisse dynamische Anregung vorhanden ist, d.h. wenn die Differenzdruckgradienten 26, 27 ein bestimmtes Maß überschreiten. Daher erfolgt eine Auswertung über den zweiten Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂ nur dann, wenn bestimmte Dynamikkriterien erfüllt sind. Infrage kommen dafür die Gradienten vom Abgasmassenstrom, vom Abgasvolumenstrom, von der Drehzahl oder von daraus abgeleiteten Größen. Idealerweise wird auch direkt der Gradient des Differenzdruck-Referenzwertes verwendet. Die Auswertung über den ersten Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁ erfolgt dann, wenn ausreichend große gemessene Differenzdrücke Δp und/oder erwartete Differenzdrücke Δp* über dem Partikelfilter 13 vorliegen. Somit kann sowohl bei hohen dynamischen Fahrsituationen als auch in Betriebssituationen, welche hohe Abgasmassenströme und damit hohe Differenzdrücke Δp über dem Partikelfilter 13 verursachen, ein defekter oder ausgebauter Partikelfilter 13 sicher erkannt werden.
Das Diagnoseverfahren ist in vorteilhafter Ausgestaltung als Software in der Diagnoseeinheit 18 hinterlegt und kann insbesondere bei Benzinmotoren mit zukünftigen Benzin-Partikelfiltern, aber grundsätzlich auch bei Dieselmotoren mit Diesel-Partikelfiltern, eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010002691 A1 [0006]
DE 102014209840 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines ausgebauten oder defekten Partikelfilters (13) in einem Abgasnachbehandlungssystem (16) einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Benzinmotors, wobei zur Überwachung des Partikelfilters (13) ein Differenzdruck Δp (19) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Partikelfilters (13) gemessen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (10) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems (16) eine Korrelation des gemessenen Differenzdrucks Δp (19) über dem Partikelfilter (13) zu einem erwarteten Differenzdruck Δp* für einem intakten Referenz-Partikelfilter oder eine Korrelation des zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes Δp (19) zu einem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdruck Δp* für einen intakten Referenz-Partikelfilter bestimmt wird und dass bei einer hohen Korrelation auf einen vorhandenen und intakten Partikelfilter (13) und bei einer niedrigen Korrelation auf einen ausgebauten oder defekten Partikelfilter (13) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation des gemessenen Differenzdrucks Δp (19) über dem Partikelfilter (13) zu dem erwarteten Differenzdruck Δp* zur Erkennung des ausgebauten oder defekten Partikelfilters (13) ausgewertet wird, wenn der gemessene Differenzdruck Δp (19) und/oder der erwartete Differenzdruck Δp* und/oder ein Abgasmassenstrom und/oder ein Abgasvolumenstrom und/oder eine Motordrehzahl und/oder eine weitere, mit dem Differenzdruck Δp, Δp* (19) zusammenhängende Kenngröße eine jeweils vorgegebene erste Schwelle überschreitet und dass die Korrelation des zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes Δp (19) zu dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* für einen intakten Referenz-Partikelfilter ausgewertet wird, wenn der Gradient des gemessenen Differenzdrucks Δp (19) und/oder des erwartete Differenzdruck Δp* und/oder eines Abgasmassenstroms und/oder eines Abgasvolumenstroms und/oder einer Motordrehzahl und/oder einer weiteren, mit dem Differenzdruck Δp, Δp* (19) zusammenhängenden Kenngröße eine jeweils vorgegebene zweite Schwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Differenzdruck Δp* des Referenz-Partikelfilters modellhaft in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (10) und/oder des Abgasnachbehandlungssystems (16) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Differenzdruck Δp* oder der erwartete zeitliche Gradient d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* zumindest aus einem Abgasvolumenstrom und/ oder aus dem zeitlichen Gradienten des Abgasvolumenstroms und einem Strömungswiderstand des intakten Referenz-Partikelfilters berechnet wird und/oder dass bei der Berechnung des erwarteten Differenzdrucks Δp* oder des erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdrucks Δp* ein quadratischer Anteil des Volumenstroms mit berücksichtigt wird, welcher die Verdichtung und Expansion des Abgases beim Einströmen des Abgases in den Partikelfilter (13) und beim Ausströmen des Abgases aus dem Partikelfilter (13) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Differenzdruck Δp (19) über dem Partikelfilter (13) und/ oder der erwartete Differenzdruck Δp* über dem Referenz-Partikelfilter und/ oder der Volumenstrom zur Bestimmung des erwarteten Differenzdruckes Δp* tiefpassgefiltert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der jeweiligen Korrelation aus dem gemessenen Differenzdruck Δp (19) und dem erwarteten Differenzdruck Δp* mittels einer Kreuzkorrelation ein erster Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁ gebildet wird und/oder dass aus dem zeitlichen Gradienten d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes d(Δp) (19) über dem Partikelfilter (13) und dem erwarteten zeitlichen Gradienten d(Δp*) des erwarteten Differenzdruckes Δp* über dem Referenz-Partikelfilter mittels einer Kreuzkorrelation ein zweiter Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂ gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreuzkorrelationsfaktor KKF₁ und/oder der zweite Kreuzkorrelationsfaktor KKF₂ jeweils mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und bei Unterschreitung des jeweiligen Schwellwertes ein fehlerhafter oder nicht vorhandener Partikelfilter (13) detektiert und bei Erreichen oder Überschreiten des jeweiligen Schwellwertes ein eingebauter und intakter Partikelfilter (13) diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck Δp (19) und/oder der zeitliche Gradient d(Δp) des gemessenen Differenzdruckes Δp (19) aus dem Signal eines über dem Partikelfilter (13) angeordneten Differenzdrucksensors (15) oder aus den Signalen zweier Differenzdrucksensoren oder zweier Absolutdrucksensoren, welche stromauf- und stromabwärts des Partikelfilters (13) im Abgasstrang (11) angeordnet sind, oder aus der Differenz zwischen einem gemessenen Absolutdruck am Eingang des Partikelfilters (13) und einem modellierten Absolutdruck am Ausgang des Partikelfilters (13) oder aus der Differenz zwischen einem gemessenen Relativdruck am Eingang des Partikelfilters (13) gegenüber der Umgebung und einem modellierten Relativdruck am Ausgang des Partikelfilters (13) gegenüber der Umgebung bestimmt werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei einer benzinbetriebenen Brennkraftmaschine (10), bei der die Abgasanlage mindestens einen separaten Katalysator (12) und einen Partikelfilter (13) oder eine Katalysator-Partikelfilter-Kombination oder einen katalytisch beschichteten Partikelfilter (13) aufweist.
Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft.