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DE102012214974A1 - Verfahren und Steuereinheit zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors - Google Patents

Verfahren und Steuereinheit zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors Download PDF

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DE102012214974A1
DE102012214974A1 DE201210214974 DE102012214974A DE102012214974A1 DE 102012214974 A1 DE102012214974 A1 DE 102012214974A1 DE 201210214974 DE201210214974 DE 201210214974 DE 102012214974 A DE102012214974 A DE 102012214974A DE 102012214974 A1 DE102012214974 A1 DE 102012214974A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor zumindest zwei Elektroden enthält, wobei während einer Messphase eine Impedanzänderung zwischen den Elektroden durch aus dem Abgas angelagerte Partikel zur Bestimmung des Partikelgehalts in dem Abgas ausgewertet wird und wobei der Partikelsensor zur Regeneration von einem Heizelement derart bis zu einer Regenerationstemperatur aufgeheizt wird, dass die angelagerten Partikel verbrennen. Dabei ist es vorgesehen, dass zusätzlich zur Regeneration eine Teilregeneration bei im Vergleich zur Regeneration verminderter Temperatur des Partikelsensors durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Steuereinheit ermöglichen eine schonende Regeneration und dadurch eine Verlängerung der Lebenserwartung des Partikelsensors.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor zumindest zwei Elektroden enthält, wobei während einer Messphase eine Impedanzänderung zwischen den Elektroden durch aus dem Abgas angelagerte Partikel zur Bestimmung des Partikelgehalts in dem Abgas ausgewertet wird und wobei der Partikelsensor zur Regeneration von einem Heizelement derart bis zu einer Regenerationstemperatur aufgeheizt wird, dass die angelagerten Partikel verbrennen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinheit zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor zumindest zwei Elektroden enthält, deren Impedanz sich bei Anlagerung von Partikeln ändert, wobei die Steuereinheit Messmittel zur Messung des Signals des Partikelsensors und einen Programmablauf zur Bestimmung des Partikelgehalts aus dem Signal des Partikelsensors enthält, wobei die Steuereinheit zur Ansteuerung eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelements mit dem Heizelement verbunden ist und wobei die Steuereinheit einen Programmablauf zur Durchführung einer Regeneration des Partikelsensors durch Ansteuerung des Heizelements und Einstellung einer vorgegebenen Temperatur des Partikelsensors während der Regeneration enthält.
  • Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On-Board-Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften einer interdigitalen Elektrodenstruktur auf Grund von Partikelanlagerungen auswerten. Ist der Partikelsensor voll beladen, werden die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt.
  • Ein solcher resistiver Partikelsensor ist in der DE 101 33 384 A1 beschrieben. Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden (Interdigital-elektroden) aufgebaut, die zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt sind. Lagern sich Partikel aus einem Gasstrom an dem Partikelsensor ab, so führt dies zu einer auswertbaren Änderung der Impedanz des Partikelsensors, aus der auf die Menge angelagerter Partikel und somit auf die Menge im Abgas mitgeführter Partikel geschlossen werden kann. Die Auswertung des Sensorsignals erfolgt beispielsweise durch einen Vergleich von einer Soll-Auslösezeit und einer tatsächlichen Sensorauslösezeit. Die Soll-Auslösezeit ist dabei aus einem Signalverhaltensmodell unter Einbeziehung eines Rohemissionsmodells der Brennkraftmaschine für Partikel ermittelt. Die tatsächliche Sensorauslösezeit entspricht dem Zeitraum von einer Regeneration des Partikelsensors bis zum Erreichen einer vorgegebenen Stromschwelle, wie sie bei einer entsprechenden Rußbeladung des Partikelsensors und einer zwischen den Elektroden anliegenden Spannung erreicht wird. Die vorgegebene Stromschwelle wird als Auslöseschwelle des Partikelsensors bezeichnet.
  • Die Anlagerung von Partikeln an einem nach einem Partikelfilter angeordneten Partikelsensor ist abhängig von der Filterwirkung und der Beladung des Partikelfilters. Im Abgas nach einem intakten Partikelfilter sind nahezu keine Partikel enthalten, so dass sich die Ablagerungsrate an dem Partikelsensor zumindest sehr gering ist.
  • Ist der Partikelfilter voll beladen oder ist die Filterwirkung eingeschränkt, können bei der Verbrennung entstandene Partikel den Partikelfilter passieren und lagern sich an dem Partikelsensor ab, was durch die beschriebenen Auswertung des Ausgangssignals des Partikelsensors nachgewiesen wird. Bei der Regeneration des Partikelsensors, wie sie ab einem bestimmten Beladungszustand des Partikelsensors notwendig ist, wird dieser durch das integrierte Heizelement so weit aufgeheizt, dass die angelagerten Rußpartikel verbrennen. Bei den dabei herrschenden, hohen Oberflächentemperaturen des Partikelsensors kann es zum Abdampfen der üblicherweise aus Platin gefertigten, ineinander greifenden Interdigital-Elektroden kommen. Dadurch verringert sich die Empfindlichkeit des Partikelsensors und seine Lebenserwartung wird herabgesetzt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Regeneration von Partikelsensoren bei reduzierter Degradation der Elektroden ermöglicht.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zusätzlich zur Regeneration eine Teilregeneration bei im Vergleich zur Regeneration verminderter Temperatur des Partikelsensors durchgeführt wird.
  • Die die Steuereinheit betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit einen Programmablauf zur Durchführung einer Teilregeneration des Partikelsensors bei im Vergleich zur Regeneration verminderter Temperatur des Partikelsensors aufweist.
  • Durch die verminderte Temperatur bei der Teilregeneration kann das Verdampfen der Elektroden des Partikelsensors sicher vermieden werden. Dadurch wird die Lebenserwartung des Partikelsensors deutlich erhöht. Die Empfindlichkeit des Partikelsensors bleibt zumindest länger erhalten. Die Teilregeneration wird durchgeführt, wenn auf Grund der Belegung des Partikelsensors keine Regeneration bei hohen Temperaturen erforderlich ist.
  • Durch eine Teilregeneration lassen sich angelagerte Rußpartikel zumindest nicht vollständig verbrennen, da die dazu notwendige Temperatur nicht erreicht wird. Daher kann es vorgesehen sein, dass eine Regeneration vorgesehen wird, wenn am Ende einer Messphase durch das gemessene Sensorsignal eine Belegung des Partikelsensors mit Partikeln signalisiert wird und dass eine Teilregeneration durchgeführt wird, wenn der Partikelsensor keine Belegung mit Partikeln signalisiert oder wenn die Belegung unter der Nachweisgrenze des Partikelsensors liegt. Ist der Partikelsensor im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine hinter einem intakten Partikelfilter angeordnet, so sind der Partikelgehalt im Abgas und damit die an dem Partikelsensor angelagerte Partikelmenge so gering, dass keine Regeneration des Partikelsensors erfolgen muss. In vorgegebenen zeitlichen Abständen oder unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine kann jedoch eine Teilregeneration notwendig sein, um beispielsweise Verunreinigungen an den Elektroden zu entfernen.
  • Durch angelagerte Partikel sinkt der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden. Entsprechend einer bekannten Auswertemethode wird die Zeit bestimmt, bis ein bei konstant anliegender Spannung zwischen den Elektroden fließender Strom eine vorgegebene Auslöseschwelle erreicht hat. Nach Erreichen der Auslöseschwelle gilt der Partikelsensor als beladen. Die Zeit bis zum Erreichen der Auslöseschwelle dient als Maß für den Partikelgehalt in dem Abgas. Bei einem solchen System kann es vorgesehen sein, dass eine Regeneration durchgeführt wird, wenn das Sensorsignal eine Auslöseschwelle erreicht hat und dass eine Teilregeneration durchgeführt wird, wenn das Sensorsignal unter der Auslöseschwelle liegt. Liegt das Sensorsignal unter der Auslöseschwelle ist davon auszugehen, dass der Partikelsensor nicht beladen ist. Eine Teilregeneration, beispielsweise zur Entfernung von Verunreinigungen, ist dann ausreichend.
  • Ist es vorgesehen, dass eine Teilregeneration bei Erreichen des Taupunktendes an dem Partikelsensor nach einem Start der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, so können Verunreinigungen des Partikelsensors entfernt werden, ohne dass signifikant Elektrodenmaterial verdampft. Die ansonsten nach dem Start der Brennkraftmaschine vorgesehene vollständige Regeneration zur Entfernung von Verunreinigungen kann entfallen.
  • Die Entfernung von Verunreinigungen an den Elektroden des Partikelsensors unter Vermeidung des Abdampfens des Elektrodenmaterial und die Regeneration des Partikelsensors bei angelagerten Partikeln kann dadurch erfolgen, dass die Teilregeneration in einem Temperaturbereich zwischen 400°C und 600°C, insbesondere bei 500°C, und die Regeneration in einem Temperaturbereich zwischen 700°C und 800°C, insbesondere bei 750°C, durchgeführt wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch einen Partikelsensor in einer Explosionsdarstellung,
  • 2 schematisch einen Schnitt durch den Partikelsensor mit einem ausgebildeten Russpfad,
  • 3 ein Diagramm zum zeitlichen Ablauf von Teilregenerationen und Regenerationen des Partikelsensors.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 10 in einer Explosionsdarstellung.
  • Auf Isolationsträgerschichten 11, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 13 aufgebracht. Die Elektroden 12, 13 sind in Form zweier ineinander greifender, interdigitaler Kammelektroden ausgeführt.
  • In dem gezeigten Beispiel ist zwischen den Isolationsträgerschichten 11 ein Heizelement 14 integriert.
  • Wird ein solcher Partikelsensor 10 in einem Partikel führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors, betrieben, so lagern sich Partikel aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 10 ab. Im Falle des Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln um Rußpartikel 15 mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Diese bilden bei ausreichender Beladung des Partikelsensors 10 leitfähige Brücken zwischen den Elektroden 12, 13 aus. Die Ablagerungsrate der Partikel an den Partikelsensor 10 hängt von der Partikelkonzentration in dem Abgas ab. Durch Messung des zeitlichen Verlaufs des Stromes beziehungsweise durch Messung der Zeit von dem Beginn eines Messzyklus bis zum Erreichen eines als Auslöseschwelle bezeichneten Stromes zwischen den beiden Elektroden 12, 13 bei einer anliegenden, konstanten Spannung kann auf die Partikelablagerung und somit auf die Partikelkonzentration in dem Abgas geschlossen werden. Dies ermöglicht beispielsweise die Überwachung der Funktion eines dem Partikelsensor 10 vorgeschalteten Partikelfilters.
  • Nach Abschluss eines Messzyklus werden die an dem Partikelsensor 10 angelagerten Partikel im Rahmen einer Regeneration des Partikelsensors 10 verbrannt. Dazu wird die Temperatur des Partikelsensors 10 mit Hilfe des Heizelements 14 auf ca. 750°C erhöht.
  • 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Partikelsensor 10 mit einem ausgebildeten Rußpfad 16. Dabei sind die gleichen Bezeichner wie in 1 eingeführt verwendet.
  • Die zwischen den Elektroden angelagerten, leitfähigen Rußpartikel 15 bilden einen leitfähige Rußpfade 16 zwischen den Elektroden 12, 13, worüber ein auswertbarer elektrischer Strom fließt. Ausgewertet wird die Zeit, die vergeht, bis der Strom durch die Rußpfade 16 eine vorgegebene Auslöseschwelle erreicht. Sind, wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel, die Rußpfade 16 zwischen den Elektroden 12, 13 so weit ausgebildet, dass die Auslöseschwelle erreicht ist, so wird ein Messzyklus beendet. In einer nachfolgenden Regenerationsphase wird der Partikelsensor 10 mit Hilfe des Heizelements 14 so weit aufgeheizt, bis die Rußpartikel 15 verbrennen. Dies geschieht üblicherweise bei Temperaturen um 750°C. Bei diesen Temperaturen besteht die Gefahr, dass die aus Platin gefertigten Elektroden 12, 13 abdampfen, wodurch die Empfindlichkeit und die Lebenserwartung des Partikelsensors 10 herabgesetzt werden.
  • Regenerationszyklen sind auch vorgesehen, um beispielsweise Verunreinigungen an dem Partikelsensor 10 nach dem Start der Brennkraftmaschine zu entfernen. Auch hier besteht die Gefahr, dass die Elektroden 12, 13 abdampfen und dadurch zerstört werden. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, für solche Fälle eine Teilregeneration bei im Vergleich zur regulären Regeneration verminderten Temperaturen durchzuführen. Die Temperatur des Partikelsensors 10 kann während einer Teilregeneration beispielsweise auf 500°C beschränkt sein. Bei diesen Temperaturen kann der Partikelsensor 10 gereinigt werden, ohne dass die Elektroden 12, 13 beschädigt werden. Entsprechend wird die Lebenserwartung des Partikelsensors 10 verlängert.
  • Zur Verbrennung von angelagerten Rußpartikeln 15 wird weiterhin eine Regeneration bei hohen Temperaturen benötigt und durchgeführt. Ob eine Regeneration oder eine Teilregeneration notwendig ist, kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem Messsignal des Partikelsensors 10 entschieden werden. Signalisiert der Partikelsensor 10 durch eine entsprechende Leitfähigkeit angelagerte Rußpartikel 15, wird eine Regeneration bei entsprechend hohen Temperaturen durchgeführt. Kann der Partikelsensor 10 keine angelagerten Rußpartikel 15 nachweisen, wird bei Bedarf lediglich eine Teilregeneration durchgeführt.
  • 3 zeigt ein Diagramm zum zeitlichen Ablauf von Teilregenerationen und Regenerationen des Partikelsensors 10. Dabei ist die y-Achse zweigeteilt in eine oben angeordnete Temperaturachse 20 und eine unten angeordnete Stromachse 21 aufgeteilt. Eine Temperaturkurve 24 ist der Temperaturachse 20 und eine Stromkurve 25 der Stromachse 21 zugeordnet. Die Temperaturkurve 24 und die Stromkurve 25 sind gegenüber einer gemeinsamen Zeitachse 22 aufgetragen.
  • Das Diagramm ist in eine erste Phase 30, eine zweite Phase 31, eine dritte Phase 32, eine vierte Phase 33, eine fünfte Phase 34 und eine sechste Phase 35 gegliedert.
  • Die Temperaturkurve 24 stellt den zeitlichen Verlauf der Temperatur des in 1 und 2 gezeigten Partikelsensors 10 dar, wie sie durch das Heizelement 14 und eine zugehörige, nicht dargestellte Steuereinheit eingestellt wird. Die Stromkurve 25 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stroms zwischen den beiden Elektroden 13, 14 des in 1 und 2 dargestellten Partikelsensors 10 bei unterschiedlichen angelagerten Partikelmengen.
  • Nach einem Start der Brennkraftmaschine, in deren Abgas der Partikelsensor 10 angeordnet ist, steigt die Temperatur des Partikelsensors 10 während der ersten Phase 30 auf Grund der Aufwärmung durch das heiße Abgas an. Der Partikelsensor 10 zeigt in der ersten Phase 30 noch keinen nachweisbaren Stromfluss. Wird das Taupunktende 23 erreicht, wird eine Teilregeneration des Partikelsensors 10 durchgeführt. Dazu wird die Temperatur des Partikelsensors 10 mit Hilfe des integrierten Heizelements 14 auf ein erstes Temperaturniveau von ca. 500°C angehoben. Bei dieser Temperatur werden etwaige Verunreinigungen von den Elektroden 12, 13 des Partikelsensors 10 entfernt; eventuell anlagernde Rußpartikel 15 können bei dieser Temperatur jedoch nicht vollständig verbrannt werden.
  • Während der zweiten Phase 31 wird der Stromfluss zwischen den Elektroden 12, 13 überwacht. Durch in dem Abgas mitgeführte und an dem Partikelsensor 10 angelagerte Rußpartikel 15 steigt der Strom an. Erreicht die Stromkurve 25 eine Schwelle 26, beispielsweise von 5µA, wird in der dritten Phase 32 eine Regeneration des Partikelsensors 10 eingeleitet. Dazu wird die Temperatur des Partikelsensors 10 auf ein zweites Temperaturniveau von ca. 750°C angehoben. Bei dieser Temperatur verbrennen die an dem Partikelsensor 10 angelagerten Rußpartikel 15. Der Partikelsensor 10 ist jetzt für die Durchführung einer Messung zur Bestimmung des Partikelgehalts in dem Abgas bereit.
  • Während einer vierten Phase 33 erfolgt eine Messung des Partikelgehalts des Abgases. Die Stromkurve 25 steigt dabei an, bis eine Auslöseschwelle 27 von hier 10µA erreicht wird. Aus der Zeit bis zum Erreichen der Auslöseschwelle 27 kann auf den Partikelgehalt in dem Abgas geschlossen werden. Nach Erreichen der Auslöseschwelle 27 und somit nach dem Messzyklus wird der Partikelsensor 10 in der fünften Phase 34 erneut regeneriert. Auch hier wird die Temperatur auf 750°C angehoben. Nach der Regeneration erfolgt in dem sechsten Abschnitt 35 eine weitere Messung des Partikelgehalts des Abgases mit einem entsprechenden Anstieg der Stromkurve 25 bis zur Erreichung der Auslöseschwelle 27.
  • Der Partikelsensor 10 wird somit in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und den Sensorsignalen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen teilregeneriert oder bei hohen Temperaturen vollständig regeneriert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10133384 A1 [0004]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors 10 zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor 10 zumindest zwei Elektroden 12, 13 enthält, wobei während einer Messphase eine Impedanzänderung zwischen den Elektroden 12, 13 durch aus dem Abgas angelagerte Partikel zur Bestimmung des Partikelgehalts in dem Abgas ausgewertet wird und wobei der Partikelsensor 10 zur Regeneration von einem Heizelement 14 derart bis zu einer Regenerationstemperatur aufgeheizt wird, dass die angelagerten Partikel verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Regeneration eine Teilregeneration bei im Vergleich zur Regeneration verminderter Temperatur des Partikelsensors 10 durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeneration vorgesehen wird, wenn am Ende einer Messphase durch das gemessene Sensorsignal eine Belegung des Partikelsensors 10 mit Partikeln signalisiert wird und dass eine Teilregeneration durchgeführt wird, wenn der Partikelsensor 10 keine Belegung mit Partikeln signalisiert oder wenn die Belegung unter der Nachweisgrenze des Partikelsensors 10 liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeneration durchgeführt wird, wenn das Sensorsignal eine Auslöseschwelle 27 erreicht hat und dass eine Teilregeneration durchgeführt wird, wenn das Sensorsignal unter der Auslöseschwelle 27 liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilregeneration bei Erreichen des Taupunktendes 23 an dem Partikelsensor nach einem Start der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilregeneration in einem Temperaturbereich zwischen 400°C und 600°C, insbesondere bei 500°C, und die Regeneration in einem Temperaturbereich zwischen 700°C und 800°C, insbesondere bei 750°C, durchgeführt wird.
  6. Steuereinheit zum Betrieb eines sammelnden Partikelsensors 10 zur Bestimmung des Partikelgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor 10 zumindest zwei Elektroden 12, 13 enthält, deren Impedanz sich bei Anlagerung von Partikeln ändert, wobei die Steuereinheit Messmittel zur Messung des Signals des Partikelsensors 10 und einen Programmablauf zur Bestimmung des Partikelgehalts aus dem Signal des Partikelsensors 10 enthält, wobei die Steuereinheit zur Ansteuerung eines in dem Partikelsensor 10 integrierten Heizelements 14 mit dem Heizelement 14 verbunden ist und wobei die Steuereinheit einen Programmablauf zur Durchführung einer Regeneration des Partikelsensors 10 durch Ansteuerung des Heizelements 14 und Einstellung einer vorgegebenen Temperatur des Partikelsensors 10 während der Regeneration enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Programmablauf zur Durchführung einer Teilregeneration des Partikelsensors 10 bei im Vergleich zur Regeneration verminderter Temperatur des Partikelsensors 10 aufweist.
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