Verfahren zur überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters, sowie entsprechendes Abgassystem

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur überwachung der Funktionsfähigkeit eines von Abgas durchströmten Partikelfilters, sowie ein entsprechendes Abgassystem. Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise in Abgassystemen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Die Erfindung bezieht sich auf die sogenannte "On board" Diagnose (OBD) von EIe- menten im Abgassystem von Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Automobilen.

Weltweit werden in vielen Ländern Abgasgrenzwerte gesetzlich vorgegeben, die vom Abgas von Verbrennungskraftmaschinen eingehalten werden müssen. Viele gesetzlichen Vorschriften verlangen auch die überwachung der Funktionsfähigkeit der eingesetzten Systeme zur Abgasaufbereitung, die sogenannte "On board" Diagnose (OBD).

Zur Reduktion des Anteils an Partikeln im Abgas werden Partikelfilter eingesetzt, die beispielsweise aus Wabenkörpern mit wechselweise verschlossenen Kanälen bestehen. Bei Partikelfiltern wird die On Board Diagnose üblicherweise über den Druckabfall über den Partikelfilter bestimmt. Bei zu großem Druckabfall wird auf eine Fehlfunktion des Partikelfilters geschlossen. Für die Bestimmung des Druckabfalls müssen zwei Druckwerte vorliegen, die erfasst werden müssen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur überwachung eines Partikelfilters und ein entsprechendes Abgassystem vorzuschlagen, bei dem eine einfachere Erfassung und Auswertung von Messwerten erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur überwachung der Funktionsfähigkeit eines von Abgas durchströmten Partikelfilters, beruht darauf, dass die Temperatur des Abgases nach Durchströmen des Partikelfilters erfasst wird und dann, wenn die Temperatur größer oder gleich einer vorgebbaren Grenztemperatur ist, ein Fehlersignal bereitgestellt wird.

Unter der Bereitstellung eines Fehlersignals wird insbesondere verstanden, dass dieses für den Benutzer oder überwacher der Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgassystem der Partikelfilter ausgebildet ist, erkennbar ist, beispielsweise in Form eines optischen und/oder akustischen Signals. Unter einem Partikelfilter wird ein geschlossener Filter verstanden, welcher wechselweise verschlossene Kanäle aufweist, die den Abgasstrom durch die Wände zwischen Kanälen zwingen, aber insbesondere auch ein so genannter Nebenstromfilter (auch offener Filter genannt), bei dem nicht der gesamte Abgasstrom durch die Wände gezwungen wird, sondern vielmehr nur ein Nebenstrom des Abgases durch die Wände strömen kann. Die Grundlagen solcher Filter sind beispielsweise aus der WO-A- 01/80978, der WO-A-02/00326 und der WO-A-2004/015251 bekannt, auf die in Bezug auf die Ausbildung und Gestaltung des Filters vollinhaltlich Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt in so weit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Weiterhin ist die Ausbildung des Partikelfilters als keramischer Monolith möglich und erfindungsgemäß.

Unter der Erfassung der Temperatur des Abgases nach Durchströmen des Partikelfilters wird insbesondere auch eine Messung verstanden. Es kann jedoch die Temperatur nicht nur stromabwärts des Partikelfilters, sondern auch innerhalb des Partikelfilters gemessen und dann entsprechend auf die Temperatur des Abgases nach Durchströmen des Partikelfilters geschlossen werden.

Die Erfassung der Temperatur stellt insbesondere eine Messung, bevorzugt mit mindestens einem der folgenden Sensoren dar: a) ein Bauteil, insbesondere ein Heiß- oder Kaltleiter, dessen elektrischer Wi- derstand sich abhängig von der Temperatur ändert; b) ein Halbleiter-Temperatursensoren; c) ein Wärmefühler mit Schwingquarz als Messelement, dessen Resonanzfrequenz sich abhängig von der Temperatur ändert; d) ein Thermoelement; e) ein pyroelektrisches Messelement; f) ein Bimetallstreifen; g) ein Curie-Effekt-Temperatursensor; und h) ein Temperatursensor, der auf dem Raman-Effekt basiert, beispielsweise verteilte faseroptische Temperatursensoren.

Die Messung erfolgt im hinteren Bereich des Partikelfilters, bevorzugt in den letzten 15%, besonders bevorzugt in den letzten 10%, oder auch den letzten 5% der Länge des Partikelfilters oder kurz hinter diesem, beispielsweise weniger als 5 cm (Zentimeter) hinter dem Partikelfilter, besonders bevorzugt weniger als 3 cm hin- ter diesem. Die Grenztemperatur beträgt bevorzugt 900 ⁰ C (Celsius), 1000 ⁰ C, 1100 ⁰ C oder sogar 1200 ⁰ C. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Grenztemperatur von 900 ⁰ C. Die Grenztemperatur ist eine Gastemperatur, die oftmals unterhalb der Materialtemperatur des Partikelfilters liegt. Somit kann bereits bei Gastemperaturen von 900 ⁰ C eine Schädigung des Partikelfilters erfolgen, wenn hier die Tempe- raturen höher liegen.

Insbesondere kann die Bereitstellung des Fehlersignals auch abhängig von der

Länge der Zeit erfolgen, in der die Temperatur über der Grenztemperatur liegt.

Hier ist eine Gewichtung mit der Temperaturdifferenz zwischen Temperatur und Grenztemperatur vorteilhaft, bei der ein Fehlersignal in Abhängigkeit von dem

Integral des Temperaturverlaufs oberhalb der Grenztemperatur erfolgt. So wird ein Fehlersignal bei kleinen Temperaturdifferenzen (also einer geringen überschreitung der Grenztemperatur) nach einer ersten Zeit und bei großen Temperaturdifferenzen nach einer zweiten Zeit bereitgestellt, wobei die erste Zeit länger als die zweite Zeit ist.

Das erfmdungsgemäße Verfahren erlaubt in vorteilhaft einfacher Weise, die Funk- tionsfähigkeit eines Partikelfilters basierend auf einem einzigen Messwert zu ü- berwachen. Insbesondere bei Partikelfiltern, die kontinuierlich durch Stickstoffdi- oxid (NO2) regeneriert werden, die also nach dem so genannten CRT (continu- ously regenerating trap)-Verfahren betrieben werden, hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese Partikelfilter üblicherweise in einem bestimmten Temperaturfenster, nämlich 200 bis 500 ⁰ C (Celsius), insbesondere 300 bis 400 ⁰ C betrieben werden und jegliche deutliche Ab- weichung nach oben einen Hinweis auf einen gestörten oder fehlerhaften Betriebszustand gibt.

Ein andere Möglichkeit liegt in der Regeneration über Sauerstoff, bei dem ein Russabbrand der Russ enthaltenden Partikel im Partikelfilter über eine Oxidation mit Sauerstoff erfolgt. Hierbei liegt die durchschnittliche Betriebstemperatur bei 430 bis 600 ⁰ C im Falle einer entsprechenden katalytisch aktiven Beschichtung des Partikelfilters oder bei 600 bis 700 ⁰ C ohne eine solche Beschichtung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verfahrens ist der Partikelfilter zumindest teilweise aus Metall aufgebaut.

Beispielsweise kann der Partikelfilter aus mindestens einer metallischen Lage oder mindestens einer zumindest teilweise strukturierten und einer im wesentlichen glatten Lage aufgebaut sein. Bevorzugt sind die metallischen Lagen mitein-

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ander verbunden, insbesondere stoffschlüssig wie beispielsweise durch Löten („brazing").

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem die Grenztemperatur mindestens 200 ⁰ C oberhalb einer durchschnittlichen Betriebstemperatur des Partikelfilters liegt.

Insbesondere bei im CRT -Verfahren betriebenen Partikelfiltern hat sich ein so deutlicher Anstieg der Betriebstemperatur als Signal für einen fehlerhaften Be- triebszustand des Partikelfilters erwiesen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verfahrens entspricht die Grenztemperatur einer Desintegrationstemperatur des Parti- kelfϊlters.

Unter der Desintegrationstemperatur wird insbesondere eine Temperatur verstanden, bei der eine irreversible Schädigung des Partikelfilters erfolgt. Bevorzugt ist dies bei verlöteten Partikelfiltern im Wesentlichen die Löttemperatur. Somit kann bei erreichen der Grenztemperatur von einer ernsthaften Schädigung des Partikel- fϊlters, insbesondere der zumindest teilweisen Zerstörung des Partikelfilters ausgegangen werden. Hier ermöglicht ein entsprechendes Fehlersignal einen schnellen Austausch eines beschädigten Partikelfilters.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Ver- fahrens wird die Temperatur mit einem ein Messsignal abgebenden elektromagnetischen Temperatursensor erfasst.

Unter einem solchen Temperatursensor wird insbesondere Thermoelement, ein

Thermo widerstand, ein Heißleiter, ein Kaltleiter, ein Halbleiter-Thermosensor, ein Thermofühler mit Schwingquarz, ein pyroelektrisches Messelement und/oder Cu-

rie-Effekt-Temperatursensor verstanden. Bevorzugt ist der Einbau eines Thermo- widerstandes, eines Thermoelementes und/oder eines PTC-Materials (positive temperature coeffϊcient, positiver Temperaturkoeffϊzient). Bevorzugt wird unter einem Messsignal eine elektrische Spannung verstanden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fehlersignal bereitgestellt, wenn das Messsignal ausbleibt.

Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Temperatursensor kein Mess- signal abgibt, einen unendlichen elektrischen Widerstand aufweist oder ähnliches. Dies ist ein Indiz davor, dass auch der Temperatursensor irreversibel geschädigt, beispielsweise zerstört wurde.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird zumindest das Auftreten eines Fehlersignals auslesbar abgespeichert.

Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise bei einer späteren Wartung das Auslesen der abgegebenen Fehlersignale, bevorzugt mit Datum und Uhrzeit, sowie Länge des Auftretens des Fehlersignals. Weitere Daten zum Auftreten des Fehlersignals sind abspeicherbar.

Zusätzlich wird ein Abgassystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, das zumindest einen Partikelfilter und einen stromabwärts des Partikelfilters ausgebildeten Temperatursensor zur überwachung der Tempe- ratur des Partikelfilters umfasst.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich in gleicher Weise auf das erfindungsgemäße Abgassystem anwenden und übertragen und umgekehrt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beige-

fügten Zeichnung näher erläutert, ohne auf die dort gezeigten Details und Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Abgassys- terns;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Abgassystems; und

Fig. 3 beispielhaft einen Temperaturverlauf der Temperatur des Abgases stromabwärts des Partikelfilters.

Fig. 1 zeigt einen Partikelfilter 1 in einem Abgassystem 2. Im Betrieb werden Abgassystem 2 und Partikelfilter 1 von Abgas 3 einer Verbrennungskraftmaschine durchströmt. Hinter dem Partikelfilter 1 ist ein Temperatursensor 4 zur überwachung der Temperatur des Partikelfilters 1 ausgebildet. Der Temperatursensor 4 erfasst die Temperatur des Abgases 3 nach Durchströmen des Partikelfilters 1. Die Messwerte des Temperatursensors 4 werden über eine erste Signalleitung 5 an eine Steuerung 6 übertragen. In der Steuerung 6 erfolgt eine Auswertung der Messwerte. Erfindungsgemäß wird die gemessene Temperatur des Abgases nach Durchströmen des Partikelfilters 1 mit einer vorgebbaren Grenztemperatur verglichen und dann, wenn die Temperatur größer oder gleich der Grenztemperatur ist, ein Fehlersignal bereitgestellt. Dies erfolgt beispielsweise durch übertragung eines entsprechenden Fehlersignals über eine zweite Signalleitung 7 an eine Schnittstelle 8. über die Schnittstelle 8 kann die Benachrichtigung eines Benutzers oder von überwachungspersonal erfolgen, beispielsweise durch Anzeigen eines optischen und/oder Ausgabe eines akustischen Warnsignals.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Abgassys- tems 2. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier der Temperatursen-

sor 4 innerhalb des Partikelfilters 1 ausgebildet, insbesondere innerhalb der letzten 10% der Länge des Partikelfilters 1 in Strömungsrichtung des Abgases 3, bevorzugt innerhalb der letzten 5% der Länge.

Fig. 3 zeigt schematisch einen durch den Temperatursensor 4 erfassten Temperaturverlauf 9. Gezeigt ist die Temperatur (T) gegen die Zeit (t), jeweils in willkürlichen Einheiten. In einer ersten 10, einer zweiten 11 und einer dritten Temperaturspitze 12 liegt der Temperaturverlauf 9 oberhalb einer vorgebbaren Grenztemperatur 13. In diesen Zeitbereichen wird ein entsprechendes Fehlersignal bereitge- stellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es vorteilhaft einfacher Weise die ü- berwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters 1. Die Grenztemperatur 13 ist insbesondere so gewählt, dass bei ihrem vorliegen mit hoher Wahrschein- lichkeit eine Fehlfunktion oder ein Versagen des Partikelfilters vorliegt. Bevorzugt wird die Grenztemperatur 13 deutlich höher, beispielsweise um etwa 200 ⁰ C (Celsius), als eine Betriebstemperatur des Partikelfilters 1, insbesondere während einer kontinuierlichen Regeneration gewählt. Alternativ kann die Grenztemperatur 13 auch im Bereich einer Desintegrationstemperatur, bei der es zu irreversiblen Schädigungen des Partikelfilters 1 bis zur Zerstörung kommt, gewählt werden.

Bezugszeichenliste

1 Partikelfilter

2 Abgassystem

3 Abgas

4 Temperatursensor

5 erste Signalleitung

6 Steuerung

7 zweite Signalleitung

8 Schnittstelle

9 Temperaturverlauf

10 erste Temperaturspitze

11 zweite Temperaturspitze

12 dritte Temperaturspitze

13 Grenztemperatur