Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems eines Dieselmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems eines Dieselmotors, in dem ein Abgasmassenstromsensor und ein Abgasrückführventil in einem Abgasrückführkanal angeordnet sind, wobei ein Aufheizverhalten des Abgasmassenstromsensors aufgezeichnet wird und aus dem Aufheizverhalten auf die Menge an Partikeln auf dem Abgasmassenstromsensor geschlossen wird.

Abgasmassenstromsensoren werden in Dieselmotoren eingesetzt, um einen Gesamtabgasmassenstrom oder eine zurückgeführte Abgasmenge zu bestimmen. Es sind verschiedene Bauformen solcher Abgasmassenstromsensoren bekannt, wobei insbesondere die als Hitzdrahtanemometer ausgeführten Abgassensoren, die seit Jahren aus dem Bereich der Luftmassenmessung bekannt sind, sehr genaue Messwerte liefern und zuverlässig arbeiten.

Als problematisch hat sich jedoch herausgestellt, wenn sich Ruß oder andere Partikel auf dem Trägerkörper und somit auf den Sensoren absetzen. Um daraus resultierende Messfehler zu vermeiden, werden die Abgasmassenstromsensoren in regelmäßigen zeitlichen Abständen auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die Partikel verascht werden, also auf etwa 650°C. dies kann beispielsweise mittels des Temperatursensors des Abgasmassenstromsensors erfolgen. Als schwierig hat es sich hierbei jedoch herausgestellt, die zeitlichen Abstände sinnvoll zu wählen, da einerseits rechtzeitig vor dem Auftreten von Messfehlern abgebrannt werden muss und andererseits der Sensor über einen möglichst langen Zeitraum ohne Unterbrechungen Messwerte liefern soll. Des Weiteren soll kein unnötiger Energieverbrauch für unnötige Aufheizvorgänge benötigt werden. Daher wird in der DE 10 2005 061 548 AI ein Abgasmassenstromsensor vorgeschlagen, der in Abhängigkeit seiner Aufheizzeit auf Betriebstemperatur beispielsweise nach dem Start von einem Normalbetriebsmodus in einen Reinigungsmodus umgeschaltet werden kann, um seine Oberfläche durch Erhöhen der Temperatur von Ablagerungen frei zu brennen.

Des Weiteren sind Dieselmotoren mit Partikelfiltern bekannt. In regelmäßigen Abständen oder in Abhängigkeit eines gemessenen Druckverlustes über den Partikelfilter werden Regenerationsphasen eingeleitet, in denen bei einer Temperatur von über 500°C der Ruß im Filter abgebrannt wird. Hierzu wird beispielsweise zusätzlich Kraftstoff in den Abgasstrang eingespritzt, so dass eine die Temperatur erhöhende Nachverbrennung stattfindet. Diese Nacheinspritzungen erhöhen jedoch den Kraftstoffverbrauch deutlich. Da die Intervalle, in denen eine Regeneration notwendig ist, jedoch insbesondere bei Fahrzeugen, die hauptsächlich im Stadtverkehr gefahren werden, recht kurz sind, ist es wichtig die Regenerationsphase nicht rein zeitabhängig, sondern in Abhängigkeit von der tatsächlichen Rußbelastung des Partikelfilters durchzuführen.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, vor und hinter dem Partikelfilter jeweils einen Drucksensor anzuordnen, so dass bei Überschreiten eines Druckdifferenzgrenzwertes die Regenerationsphase durchgeführt wird. Ein derartig aufgebautes Abgassystem ist beispielsweise aus der DE 103 26 784 AI bekannt. Über diese Druckdifferenz wird in einer Ablagerungsberechnungseinheit über verschiedene Algorithmen auf eine Schwebstoffablagerungsmenge geschlossen und hierüber der Zeitpunkt der Regenerationsphase festgelegt. Alternativ ist es aus der DE 10 2009 007 126 AI bekannt, zur Messung der Rußbeladung hinter dem Partikelfilter ein Partikelsensorelement vorzusehen, mit welchem die Rußbeladung des Abgases hinter dem Filter gemessen wird, woraus auf die Funktionsfähigkeit des Partikelfilters geschlossen wird.

All diese verschiedenen Abgassysteme weisen den Nachteil auf, dass die verwendeten Bauteile, seien es Abgassensoren oder Drucksensoren, keine zusätzliche Funktion erfüllen und entsprechend Kosten ohne zusätzlichen Nutzen verursachen. Daher werden häufig sehr kostengünstige Sensoren verwendet, die jedoch nicht ausreichend robust aufgebaut sind, um eine ausreichend lange Lebensdauer sicher zu stellen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Abgassystems zur Verfügung zu stellen, mit dem einerseits eine Regenerationsphase des Abgasmassenstromsensors ohne Ausfallzeiten bei der Messung der rückgeführten Abgasmenge durchgeführt werden kann und andererseits eine Regenerationsphase eines Partikelfilters erst eingeleitet wird, wenn eine zu hohe Belastung des Partikelfilters mit Partikeln tatsächlich besteht, so dass keine unnötige Verbrauchserhöhung erfolgt. Hierfür sollen keine zusätzlichen Bauteile verwendet werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass das Abgasrückführventil geschlossen wird und anschließend der Abgasmassenstromsensor auf seine Partikelabbrenntemperatur aufgeheizt wird, wobei das Aufheizverhalten bis zum Erreichen der Partikelabbrenntemperatur ausgewertet wird und als Maß für die Partikelbeladung des Abgasmassenstroms dient, wird es möglich ohne zusätzlichen Sensor auf eine Partikelmenge im Abgas zu schließen, ohne dass auf einen Abgasmassenstrom wert, der zur kurzfristigen Regelung notwendig wäre, verzichtet werden muss, da von einem Abgasmassenstrom von Null bei geschlossenem Abgasrückführventil ausgegangen werden kann.

Vorzugsweise wird das Aufheizverhalten durch die Funktion der zeitabhängigen Temperaturänderung definiert, welche auf einfache Weise erfasst werden kann. Aus dieser Funktion kann auf bestimmte Partikelmengen und gegebenenfalls Zusammensetzungen in Abhängigkeit der Steigung und der Zeitspanne bis zum Erreichen der Abbrenntemperatur geschlossen werden.

In einer besonders einfachen Alternative wird das Aufheizverhalten dadurch definiert, dass aus einer benötigten Stromleistung zum Abbrennen der Partikelablagerungen auf eine angelagerte Partikelmenge geschlossen wird aus der dann wiederum auf die Beladung des Abgasmassenstroms geschlossen werden kann. In einer weiterführenden Ausführung des Verfahrens wird das Aufheizverhalten des Abgasmassenstromsensors bei geschlossenem Abgasrückführventil genutzt, um aus der berechneten Partikelbeladung des Abgasmassenstroms auf eine Partikelbeladung eines Partikelfilters im Abgasstrang zu schließen und bei Überschreiten eines Grenzwertes der Partikelfilterbeladung das Abgassystem in einen Regenerationsmodus für den Partikelfilter zu schalten. Entsprechend muss am Partikelfilter kein zusätzlicher Sensor verwendet werden, um die Regenerationsphase einzuleiten. Diesem Verfahren liegt die Kenntnis zu Grunde, dass der Abgasmassenstromsensor im Abgasrückführkanal im Wesentlichen mit einer gleichen Menge Partikeln pro Abgasmasseneinheit am Sensor beaufschlagt wird, wie der Partikelfilter in Zeiten mit Abgasrückführung. In den Zeiten ohne Abgasrückführung also in Zeiten hoher Luftverhältnisse ist mit einer vernachlässigbar geringen Partikelbelastung des Abgases zu rechnen, so dass aus der Partikelbelastung des Abgasmassenstromsensors auch auf eine Partikelbelastung des Partikelfilters geschlossen werden kann.

Entsprechend wird vorzugsweise die Zusammensetzung des Abgasmassenstroms am Abgasmassenstromsensor im Wesentlichen der Zusammensetzung des Abgasmassenstroms am Partikelfilter gleichgesetzt, wodurch mit geringem Aufwand auf eine Beladung des Partikelfilters geschlossen werden kann.

Diese Vorteile sind mit einem Abgassystem nutzbar, bei dem über ein Kennfeld die Partikelbeladung des Partikelfilters aus der Partikelbeladung des Abgasmassenstroms, des rückgeführten Abgasmassenstroms, des Gesamtabgasmassenstroms und/oder der Luftverhältnisse ermittelt wird. So kann aus den genannten Messwerten mit Hilfe des Kennfeldes ein Zeitpunkt zum Einleiten der Regenerationsphase des Partikelfilters festgelegt werden.

In einer alternativen Ausführung ist im Kennfeld eine Partikelbeladung des Partikelfilters in Abhängigkeit einer Aufheizzeit des Abgasmassenstromsensors und eines errechneten

Gesamtabgasmassenstroms zwischen zwei Aufheizvorgängen hinterlegt, woraus ein optimaler Zeitpunkt zum Freibrennen des Partikelfilters bestimmt werden kann. Vorzugsweise wird als Abgasmassenstromsensor ein nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitender Sensor verwendet, der einen Strömungssensor und einen Temperatursensor aufweist, wobei der Strömungssensor und der Temperatursensor einen Heizer zum Aufheizen auf die Partikelabbrenntemperatur aufweisen. Dies bedeutet, dass der Strömungssensor Heizwiderstände aufweist, die erhitzt werden, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieser Heizwiderstände auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung des Heizwiderstandes oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizwiderstandstemperatur sind ein Maß für den vorhandenen Massenstrom. Diese Sensoren arbeiten sehr zuverlässig. Es sind lediglich Ablagerungen an den Oberflächen zu vermeiden, so dass beim Einsatz im Abgassystem der Strömungssensor zum Abbrennen der Ablagerungen auf höhere Temperaturen von etwa 650°C erwärmt wird.

Es wird somit ein Verfahren zur Steuerung eines Abgassystems geschaffen, bei dem der Abgasmassenstromsensor regeneriert wird, wenn kein Abgasmassenstrom gemessen werden muss und der Partikelfilter zu einem optimalen Zeitpunkt, das heißt nur bei tatsächlich vorliegender zu hoher Partikelbelastung regeneriert wird, ohne zusätzliche Sensoren verwenden zu müssen. So werden Kosten reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels eines in der Figur als Prinzipskizze dargestellten Abgassystems beschrieben.

Die Figur zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Abgassystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das dargestellte Abgassystem besteht aus einem Motorblock 2, in dem in bekannter Weise eine Verbrennung eines Kraftstoff- Luftgemisch es mit zurückgeführtem Abgas stattfindet. Vom Motorblock 2 führt ein Abgasstrang 4 zunächst in Form eines Abgaskrümmers zu einer Turbine 6

5 eines Turboladers 8 Diese Turbine 6 kann über einen Bypasskanal 10 umgangen werden, in dem zur Regelung der an der Turbine 6 vorbeigeführten Abgasmenge ein Waste-Gate-Ventil 12 angeordnet ist. Stromabwärts der Mündung des Bypasskanals 10 ist im Abgasstrang 4 eine Abgasklappe 14 angeordnet, hinter der zur Aufbereitung des o Abgases ein Dieselpartikelfilter 16 sowie ein SCR-System 18 zur selektiven katalytischen Reduktion der im Abgas vorhandenen Stickoxide angeordnet ist. Stromabwärts des SCR-Katalysators befindet sich der Abgasauslass 20. Ein Ansaugkanal 22 führt über einen Luftfilter 24 zu einem Verdichter 26 des Turboladers 8, hinter dem ein Ladeluftkühler 28, in dem das verdichtete Luft-Abgasgemisch zur Verbesserung der Verbrennung abgekühlt wird, im Ansaugkanal 22 angeordnet ist. Von hier aus führt der Ansaugkanal 22 zum Motorbiock 2, wobei in diesem Bereich des Ansaugkanals 22 eine Abzweigung 30 angeordnet ist, an der ein Abgasrückführkanal 32 in den Ansaugkanal 22 mündet, der vom Abgasstrang 4 stromaufwärts der Turbine 6 abzweigt.

In diesem Abgasrückführkanal 32 ist in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet hinter einem Abgaskühler 34 ein Abgasrückführventil 36 zur Regelung des Abgasmassenstroms angeordnet. Stromabwärts des Abgasrückführventils 36 ist ein Abgasmassenstromsensor 38 im Abgasrückführkanal 32 angeordnet, der nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet. Dieser weist üblicherweise einen Strömungssensor 40 auf, der stromabwärts eines Temperatursensors 42 angeordnet ist. Während der Temperatursensor 42 lediglich die Temperatur des vorbeiströmenden Abgases misst, wird der Strömungssensor 40 auf eine Übertemperatur aufgeheizt. Aus der Leistungsaufnahme des Strömungssensors 40, die notwendig ist, um diese Übertemperatur zu erhalten, wird der Abgasmassenstrom abgeleitet. Beide Sensoren 40, 42 sind mit einem Heizdraht 43 ausgestattet, der dazu verwendet wird, die Trägersubstrate des Abgasmassenstromsensors 38 auf etwa 650°C aufzuheizen, um die Sensoren von Partikelablagerungen frei zu brennen. An dieser Position hinter dem Abgasrückführventtl 36 im Abgasrückführkanal 32 liegt eine nicht mehr so hohe Abgastemperatur wie am Eintritt des Abgasrückführkanals 32 vor. Dies ermöglicht eine genauere Messung, da die Sensoren nicht für die kontinuierlich hohen Abgastemperaturen ausgelegt und kalibriert sind.

Neben der Bestimmung des Abgasmassenstroms wird erfindungsgemäß die Partikelbeladung des Abgasmassenstroms bestimmt, indem bei geschlossenem Abgasrückführventil 36 das Aufheizverhalten des Abgasmassenstromsensors 38 detektiert und ausgewertet wird. Auch wenn zu diesem Zeitpunkt kein Massenstrom vorliegt, werden sich der Temperaturgradient und die benötigte Gesamtaufheizdauer in Abhängigkeit der Dicke und der Art des Belages ändern. So ist davon auszugehen, dass mit wachsendem Rußbelag auf der Sensoroberfläche die Aufheizzeit bis zum Erreichen der Endtemperatur ebenfalls wächst und der Temperaturgradient, also die Steigung der Aufheizkurve, flacher ist. Allerdings kann die Kurve auch je nach Belag beispielsweise bei gleicher Aufheizzeit einen abweichenden Temperaturgradienten über die Zeit haben. Dies könnte vor allem bei unterschiedlichen Schichten auf dem Sensor der Fall sein. Dies bedeutet, dass Unterschiede in Abhängigkeit der Belagart auftreten können, also wenn sich andere Beläge als Rußpartikel auf dem Sensor absetzen. Sind beide Sensoren 40, 42 mit Heizdrähten 43 ausgestattet, ist es auch möglich, das unterschiedliche Aufheizverhalten zu r Identifikation des Belages heranzuziehen, da über die gesamte Lebensdauer die thermische Belastung der beiden Sensoren unterschiedlich ist. Aus dem s Aufheizverhalten und dem Abgasmassenstrom zwischen den Abbrennvorgängen lässt sich dann über ein mittels Versuchen ermitteltes Kennfeld eine Partikelbeladung des Gesamtabgasstromes bestimmen. Zur Verbesserung dieses Kennfeldes kann dieses gegebenenfalls zusätzlich in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine oder der Einspritzmenge des Kraftstoffs hinterlegt werden. Des Weiteren sind Korrekturen über die ermittelten Motortemperaturen oder Lambda-Werte möglich.

Im vorliegenden Fall kann davon ausgegangen werden, dass der Abgasmassenstromsensor 38 mit der gleichen Partikelbeladung pro Abgasmasseneinheit des Abgases beaufschlagt wird wie der Partikelfilter 16 in Phasen mit geöffnetem Abgasrückführventil. Entsprechend kann aus der Partikelbeladung des Abgasmassenstromsensors 38 auch auf eine Partikelbeladung des Partikelfilters 16 geschlossen werden und damit ein Zeitpunkt zum Durchführen der Regeneration des Partikelfilters 16 festgelegt werden, wenn neben dem zurückgeführten Abgasmassenstrom auch der Gesamtabgasmassenstrom beziehungsweise die Luftverhältnisse berücksichtigt werden. Auch wenn bei geschlossenem Abgasrückführventil 36 keine Abgasmasse zum Sensor 38 jedoch zum Partikelfilter 16 strömt, kann in einem vereinfachten Verfahren davon ausgegangen werden, dass das Abgas in diesem Zustand weitestgehend partikelfrei ist, da lediglich bei hohen Luftverhältnissen, aiso in Phasen mit kleiner Partikelbelastung, keine Abgasrückführung stattfindet. Alternativ wäre es möglich, für diese Zeiten ohne Abgasrückführung ein Vorhaltefaktor bei der Bestimmung der Beladung des Partikelfilters 16 während dieser Zeiten vorzusehen. Entsprechend kann über ein in einer Steuereinheit 44 hinterlegtes Kennfeld aus der Partikelbeladung des Abgasmassenstromsensors 38 sowie dem Verhältnis aus rückgeführtem Abgasmassenstorm zum ; Gesamtabgasmassenstrom auf eine Partikelbeladung des Partikelfilters 16 geschlossen werden. Ist diese zu hoch, wird eine Regenerationsphase des Partikelfilters 16 eingeleitet, indem zusätzlicher Kraftstoff über das Einspritzventil 46 in den Abgasstrang 4 eingespritzt wird, wodurch eine Nachverbrennung entsteht, durch die die Temperatur so weit erhöht wird, dass der Partikelfilter 16 freigebrannt wird. Selbstverständlich werden über die Steuereinheit 44 auch die weiteren Aggregate zur Durchführung der Regenerationsphase in bekannter Weise angesteuert.

Zur weiteren Verbesserung kann vor dem Partikelfilter 16 ein Temperatursensor 48 angeordnet werden, der ebenfalls mit der Steuereinheit 44 verbunden ist und dessen Werte ebenfalls im Kennfeld berücksichtigt werden können. Insbesondere eignet sich dieser Temperatursensor 48, um festzustellen, ob im Betrieb Temperaturen entstehen, die gegebenenfalls eine Regeneration unnötig machen.

Es wird somit ohne zusätzliche Messmittel möglich, die Regeneration des Abgasmassenstromsensors nur in Zeiten durchzuführen, in denen dieser keine nutzbaren Messwerte aufgrund des geschlossenen Abgasrückführventils liefert und andererseits die Partikelbeladung des Abgasmassenstromsensors und daraus die des Partikelfilters zu ermitteln und somit zum optimalen Zeitpunkt eine Regenerationsphase des Partikelfilters einzuleiten. Durch das Einsparen weiterer Messmittel entstehen im Vergleich zu bekannten Ausführungen geringere Kosten. Im Vergleich zu Ausführungen, bei denen die Regeneration in festgelegten Intervallen stattfindet, wird Kraftstoff eingespart. Selbstverständlich muss die Regeneration nicht mittels Einspritzung über das dargestellte Einspritzventil stattfinden. Dies kann auch über eine Nacheinspritzung in die Zylinder erfolgen oder in bekannter Weise durch Ansteuerung verschiedener Regelklappen zur Erhöhung der Temperatur zur Einleitung der Regeneration.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So können unterschiedlich arbeitende Abgasmassenstromsensoren eingesetzt werden. Das Kennfeld oder die Kennfelder können entweder in einer separaten Steuereinheit oder im Motorsteuergerät hinterlegt werden. Gegebenenfalls kann statt eines Kennfeldes auch ein entsprechender Algorithmus hinterlegt werden, um die Abhängigkeit der verschiedenen Motorenwerte wiederzugeben. Die Kennfelder sind für die Motoren jeweils vorab durch Versuche zu ermitteln. Dabei ist die notwendige Komplexität des hinterlegten Kennfeldes abhängig von der geforderten Genauigkeit der Daten und dem verwendeten Verbrennungsmotor.