具有过滤功能的用于废气清洁的装置和该装置的诊断方法与流程

本发明涉及一种具有过滤功能的用于废气清洁的装置、优选微尘滤清器和用于该装置的诊断方法。

背景技术：

用于废气系统的过滤器特别是作为用于柴油发动机的微尘滤清器已知。微尘滤清器此外也用在汽油发动机中。涉及废气清洁的构件必须按照法律规定在车辆运行中借助车载诊断系统(obd)进行监视并且其失灵或者减少的工作能力必须被识别和告知。特别对于柴油发动机已知的现有技术而言，借助压力传感器进行对过滤功能的诊断并且由过滤器上的压差获得诊断信息。在汽油发动机的废气系统中使用过滤器时，这样的诊断非常困难，这是因为明显较小允许的废气反压力不能实现对过滤器上的缺口的可靠识别。因此特别对具有小的废气反压力的系统有益的是不基于压力的诊断方法。

由德国专利申请de19606652a1已知的是：为了确定催化器的老化程度，借助两个λ探头确定其氧气存储能力。在催化器的运行中由在催化器之前和之后的λ探头的信号鉴别的该催化器的氧气填充模型的参数在其曲线方面得到观察并且由该曲线构成关于所述老化程度的诊断信息。在此不进行在过滤功能方面的诊断。

由de102009000410a1描述了一种用于诊断具有催化器功能和过滤器功能的废气后处理装置的方法和设备。由关于催化有效性的诊断信息推断出过滤装置的功能性。为了诊断，使用λ探头的信号以确定氧气存储能力。为此用具有催化作用的材料涂覆催化器或者其多孔的基底。出发点在于：通道壁的毁坏导致减小的催化作用并且由此可以诊断减小的过滤作用。然而所述方法具有小的选择性，因为一方面催化作用会在不存在过滤功能减小的情况下降低并且此外即使在微粒能够未经过滤地经过的情况下也在毁坏情况下在封闭通道的端侧塞子区域中此外获得良好的催化作用，这是因为直到离开过滤器为止已经在通道壁上发生催化反应。塞子区域中的缺口由于构件中的热负荷被视为最可能的情况并且因此应该被尽可能可靠地识别。

de102011106933a1描述了一种用于诊断四元催化器的方法，其中，确定催化装置的氧气存储能力。借助过滤器后的λ探头信号来将所述存储能力确定为对丰富-稀少/稀少-丰富突变的反应。由减弱的存储能力来诊断过滤器的损伤。

由de202009018901u1已知一种催化活化的微尘滤清器，该微尘滤清器沿着其通流方向在多孔的基底中具有通道，这些通道交替地在流入侧或者流出侧封闭。废气流由此仅通过过滤基底到达流出侧。为了实现对存储材料的最佳利用，将含有存储材料的涂层不均匀地安设到基底上或者基底中，使得存储材料浓度在流入侧最高。不仅对流入侧的涂层、而且对流出侧的涂层以及在基底的孔隙中的涂层进行描述。相对于存储材料的总量，涂层的主要部分相应地处于流入侧上和基底的孔隙中。此外在一种实施例(图8)中对通道端部区域进行了描述，该通道端部区域仅在其外侧涂覆有小部分的存储材料。涂层在表面上的不均匀性或者在孔隙中以主要部分处于流入侧的不均匀性选择为，使得所述不均匀性能够实现优化的氧气存储效果。安设在其上或者安设在其中的材料设置为，其以其与流入的废气的相互作用为功能正常的过滤器保障尽可能高的存储作用。

技术实现要素：

本发明的目的是：实现一种具有过滤功能的用于废气清洁的装置、特别是一种具有良好的诊断性能的微尘滤清器并且提供一种用于诊断这种装置的方法，该方法能够实现对过滤能力干扰的尽可能精确的识别。

所述目的的解决方案

所述目的通过根据权利要求1的用于废气后处理的装置和根据权利要求9和11至13的诊断方法得以实现。另外的有益的设计方案由从属权利要求和说明书获得。

本发明的优点

具有过滤功能的用于废气清洁的装置包括透气的基底，该基底构成壁流式过滤器，该壁流式过滤器具有用于穿流废气的、至少在端侧封闭的通道。废气通过所述通道的端侧封闭被强制通过由所述基底构成的透气的通道壁，其中，所述基底在其表面设有存储氧气的涂层。所述存储氧气的涂层在此优选是氧化铈。根据本发明有益的是：存储氧气的材料的主要部分在所述装置的流出侧涂覆在所述基底的表面上。在此也可以涉及的是由排出侧进行的在基底壁中的孔隙的涂覆，其特别是对实现小的废气反压力是有益的。关于存储氧气的材料质量，涂覆在基底的流出侧表面上的份额高于涂覆在基底的流入侧上的份额。在此可以涉及所述表面的不同的层厚度或涂覆区域。在此对本发明来说重要的是：为了良好的可诊断性，功能正常和有故障的装置的存储能力的差别尽可能高。这通过不均匀的涂层得以实现。在所述装置的缺口、即在塞子区域或壁区域中的漏洞的情况中，废气流的至少一部分未经过滤地经过所述装置。流入侧的存储氧气的涂层由此保持有效并且减小降低的存储能力的可测效果，该可测效果由过滤装置的机械故障造成。在可诊断性方面优化的涂层因此在流出侧上具有主要部分的存储氧气的材料。这只有在气体通过壁的基底转移时才完全有效。

因此根据本发明有益的是：存储氧气的材料质量不均匀地分布在废气穿过所述装置的流动路径上，使得存储氧气的材料的量向着流出侧增大。在一种优选的实施方式中，存储氧气的材料涂覆在基底的流出侧表面上的量是所述装置的存储氧气的材料的总质量的50％以上。

在一种特别优选的实施方式中，基底在进入侧上不具有存储氧气的涂层，使得仅所述装置的排出侧在该装置的流出侧表面上涂覆有存储氧气的材料。在排出侧的塞子区域中具有缺口的情况下，废气几乎完全流经存储氧气的涂层。

在一种优选的实施方式中，所述装置是微尘滤清器，该微尘滤清器作为存储氧气的材料具有氧化铈和/或包含氧化铈的混合物，该混合物涂覆在陶瓷基底例如堇青石的表面上。根据本发明有益的是：所述涂层的平均孔径小于所述基底的孔径，其中，所述基底优选具有小于30μm、特别优选在10至20μm之间的孔径。

在一种有益的改进方案中，壁流式过滤器的进入通道的直径相对排出通道的比大于1。由此相对排出通道，进入通道的直径较大并且进入通道的流动阻力由此较小。如果在进入通道的塞子区域中具有缺口，那么废气由此由于进入通道的减小的流动阻力而优选几乎无妨碍地被引导通过该进入通道，因而涂覆在排出侧上的存储氧气的材料对废气流不起作用。可能情况下存在的进入侧的涂层同样以较小的作用被流过，这是因为由于较高的流动速度而与存储氧气的材料发生较小的相互作用。由此在缺口的情况下可测量明显的减小存储氧气能力的效果，从而可以完成改进的诊断。

根据本发明有益的是：具有过滤功能的用于废气清洁的装置优选是微尘滤清器，该微尘滤清器在汽油发动机的废气的流动路径中设置在三元催化器之后。改进的可诊断性在此是特别有益的，因为废气反压力的增大是不期望的并且因此必须将过滤功能设计成使得升高的压力降经过过滤器变(ausfaellt)小。

根据本发明的用于对具有过滤功能的用于废气清洁的装置进行诊断的方法对壁流式过滤器进行诊断，该壁流式过滤器包括透气的基底，该基底具有交替地在流入侧和流出侧封闭的通道。废气流在此通过通道壁引导。构成通道壁的基底在此具有存储氧气的涂层，该涂层以不同的份额涂覆在基底的流入侧表面和流出侧表面上，其中，涂层的存储氧气的材料在壁流式过滤器的流出侧上的量大于在流入侧上的量，并且为了对所述装置的过滤能力进行诊断，确定氧气存储能力并且利用用于可运转的装置的氧气存储能力的参考值来确定该氧气存储能力并且基于比较进行在所述装置的过滤功能方面的诊断。

根据本发明有益的是：在存储能力降低时量化损伤程度，其中，基于在试验中测定的比较数据来量化地确定降低的存储能力对分离度的影响，并且当低于分离度的限定的阈值时，在过滤功能方面将所述装置诊断为有故障。

根据本发明的用于对具有过滤功能的用于废气清洁的装置进行诊断的方法由对所述装置的氧气存储能力的测定来确定在过滤能力方面的诊断信息。所述装置在此是根据权利要求1至9的壁流式过滤器，其中，相对存储氧气的材料的总质量，大于50％的份额的存储氧气的材料涂覆在基底的流出侧表面上，并且经由λ探头确定氧气存储能力。在这种情况下，至少一个λ探头在流动路径中处于所述装置之前并且另外的λ探头直接在流动路径中处于所述装置之后。在废气中的氧气含量突变式变化时，通过识别废气质量流由对所述装置之前和之后的λ探头的信号的比较来确定存储能力。在此在已知的方法中由富含-稀少突变通过以下方式测定存储能力，即，测定废气质量流的份额，该份额对用氧气填充存储层是必要的。所述份额在时间延迟处可识别，该时间延迟在设置在所述装置之前和之后的λ探头的信号之间存在。通过关注流动时间来测定废气量，该废气量在含氧少的运行中为了填充氧气存储器是必要的。在填充氧气存储器之后，设置在所述装置之后的λ探头的信号跟随设置在所述装置之前的探头的信号。由时间延迟、废气量和在装置前的λ值可以评判氧气存储能力。相应的方法也可以用于稀少(含氧少)-富含突变。在这种情况下对氧气的转存进行评价。在此也对富含(含氧多)区域中的λ大于1的λ突变至较小的λ值的时间延迟进行观察。氧气的释放延迟了所述装置之后的λ探头上的富含区域中的信号突变，从而在此也可以由废气质量、λ值和时间延迟确定氧气存储能力。一种可能的实施方式在此是确定在壁流式过滤器之前的λ值与该壁流式过滤器之后的λ值之间围成的面。较大的面积表征高的氧气存储能力。

附图说明

下文借助示例性实施例来描述本发明。

在此：

图1示出具有过滤功能的用于废气后处理的装置的示意图，该装置构造成壁流式过滤器；

图2示意性示出用于未损伤的壁流式过滤器的λ测量值及其导数的曲线；

图3示意性示出用于在塞子区域中受到损伤的壁流式过滤器的λ测量值及其导数的曲线；

图4示意性示出用于在壁区域中受到损伤的壁流式过滤器的λ测量值及其导数的曲线。

具体实施方式

图1示出壁流式过滤器的示意图。用箭头1象征性示出的源自内燃机的废气流经由通常的未示出的废气设备的废气管道引导向壁流式过滤器。该壁流式过滤器包括壳体5和设置在其中的透气的基底，在该基底中构造有通道，这些通道交替地在流入侧和流出侧上由塞子2、3封闭，使得废气流1受通道的壁强迫。所述基底优选由陶瓷构成并且在通常的设计中具有在10至20μm范围中的孔径。壁流式过滤器在基底的流出侧表面上具有涂层4，该涂层至少由存储氧气的材料例如二氧化铈cero2构成或者其由氧化铈和另外的也是催化活性的材料的混合物构成。在流入侧表面上没有涂层。该涂层同样也可以存在，然而根据本发明在基底的流入侧表面上的涂层量小于流出侧上的涂层量。下文应借助附图对所述装置的可能故障和其分析处理进行描述。基于所述装置的温度分布和伴随而来的不均匀的热负荷，在流出侧封闭通道的塞子3处的通道缺口或通道不密封性是最常出现的故障情况。在这种情况下，废气最大程度不受阻碍地流动通过现在在其沿流动方向观察的端部处敞开的通道。在这种情况下，现在不进行或只进行最小程度的废气流过滤，因而所述装置在其过滤功能方面相应地必须被诊断为有故障。因为氧气存储能力与主要或仅在流出侧表面存在的涂层相关并且现在几乎不穿流通道壁，所以在塞子在流出侧区域具有缺口的情况下氧气存储能力显著下降。涂层的氧气存储作用与穿过壁到达流出侧的废气流相关。因为流动穿过壁的废气份额也被过滤，所以实现氧气存储能力与过滤能力的好的关联性。由于材料缺失或其它机械损伤形成漏洞、在流入侧封闭通道的塞子的缺口或壁区域中的缺口，因此这同样能被识别。改变的流动条件在此也造成可测量的减小的氧气存储能力。

特别在排出侧的塞子3的区域中还对较小损伤的识别是可能的，这是因为由于存储氧气的涂层的不均匀分布(主要部分在流出侧)特别是在流出侧塞子的区域中的故障特别强烈地影响测量结果。

图2示出用于未损伤的壁流式过滤器的λ测量值(上侧)和其一阶导数(下侧)的曲线图表，该壁流式过滤器按照图1所描述的本发明在基底的流出侧表面上具有涂层，该涂层由存储氧气的材料构成。在本示例中，过滤器在流入侧不具有存储氧气的涂层。测量信号对应于λ值，该λ值以所谓的宽带探头测绘，其中，宽带探头的测量电池的泵送电流映射在在此示出的λ值上。在图2的上侧图表中，虚线示出的线显示λ额定值，该λ额定值如在此示例性示出的那样在λ等于0.95与1.05之间的额定值之间以突变式的变化摇摆。在时刻t1进行λ额定值的富含-稀少突变，该富含-稀少突变经由对内燃机的燃料测量的相应操控来转换。壁流式过滤器之前的λ测量值(实线)和壁流式过滤器之后的λ测量值(点虚线)在时间上延迟地跟随这个曲线。在此处示出的未损伤的壁流式过滤器的示例中，通过氧气的气体运行时间和贮存效果可以识别在壁流式过滤器之前和之后的λ值之间的时间延迟。在时刻t2进行富含-稀少突变并且在壁流式过滤器之前和之后的λ值曲线又时间延迟地跟随新的额定值。在该图表中通过在壁流式过滤器之前和之后的λ值之间的时间延迟获得在这些曲线之间围成的面f，该面是用于涂层的氧气存储能力的标准。在图2的下侧图表中分别示出壁流式过滤器之前的λ值的一阶导数(实线)和壁流式过滤器之后的λ测量值(点虚线)。可以看出的是：相应地在时刻t1和t2之后由于λ信号的变化造成可显示的梯度变化。在此特别是在额定值的相应的突变式变化之间的区域对迟些时候描述的分析处理来说是有趣的。在此测定的梯度曲线在未损伤的壁流式过滤器的情况中分别示出直接在时刻t1和t2的极值s，该极值通过突变式的额定值变化激发。在梯度曲线中在这些极值s之间分别出现另一极值、峰值a。这既以梯度曲线(峰值)a在壁流式过滤器之前的λ值的梯度曲线又在壁流式过滤器之后的λ值的梯度曲线中显示。梯度极值的符号在此取决于额定突变的方向。

图3以与图2相同的示出方式示出用于损伤的壁流式过滤器的描述的λ测量值及其一阶导数的曲线。该壁流式过滤器在流出侧的塞子区域中具有缺口。可以看出的是：壁流式过滤器之后的λ信号的点虚线示出的曲线与图2相比示出改变的曲线。在为根据图2的未损伤的壁流式过滤器示出的在壁流式过滤器之前的λ值(实线)与壁流式过滤器之后的λ测量值(点虚线)之间的最大时间延迟的区域中对于图3所示的情况构成壁流式过滤器之后的λ值相对壁流式过滤器之前的λ值的时间上更接近的追随。壁流式过滤器之后的λ信号在信号的第一次追随之后在所述区域中显示出小的平台p。壁流式过滤器之后的λ曲线变化在梯度的下侧图表中相应地绘制。壁流式过滤器之后的λ值的一阶导数曲线具有跟随峰值a的第二峰值b，该第二峰值对于未损伤的壁流式过滤器来说无需关注。此外可以看出的是：在过滤器之前和之后的λ值曲线之间围成的面f小于在图2中在相同位置可以看出的面f。此外分别可以在λ额定值的突变式变化的时刻t1和t2看出梯度曲线的峰值s的极值。

图4示意性示出用于在壁区域中损伤的壁流式过滤器的λ测量值及其一阶导数的曲线。曲线以与图2和3所描述的示出方式相同的示出方式示出。可以看出的是：定性地获得与之前对图3的描述类似的λ值及其一阶导数的曲线。在不同的参数特性(groessenauspraegung)中不仅可以看到平台p而且可以看到峰值a和在过滤器之后的λ值梯度曲线中出现的峰值b。曲线的不同量化特性表示相应的损伤状态的特征。

下文借助氧气存储能力对上文描述的诊断设计进一步进行补充和替代地描述可用的诊断设计，借助这些诊断设计可以识别根据本发明的壁流式过滤器的过滤能力的损伤。在废气质量流中，通过λ调节和其在额定值信号中的调节行程，关联在发动机中燃烧的燃料空气混合物的伴随的改变，所述改变作为在λ值中的循环的突变式变化的影响在发动机排出口自此可被测量。利用λ调节的调节行程覆盖需注射的燃料质量的额定值。所述调节行程终究作为对λ值的周期性变化的影响从内燃机的排出口起可被测量。借助λ探头可以测量所述信号，其中，在突变探头(sprungsonde)中的探头电压或者可选地宽带探头的测量电池的泵送电流得到测量并且被换算成λ值。至少在壁流式过滤器之前的至少一个λ探头的和壁流式过滤器之后的λ探头的信号用于根据本发明的方法。这些值对于下文描述的方法是输入值。在第一实施方式中对氧气存储能力的确定进行了描述。在下文在另一实施方式中对一种方法进行描述，该方法使用壁流式过滤器之前和之后的λ值的差。在λ额定值的富含-稀少突变之后等待在壁流式过滤器之后的λ值超过值1的时刻。在时间上紧接着对壁流式过滤器之后的λ值的梯度进行评价。测定出现的第一局部极值(峰值a)以及在时间上在梯度曲线的极值之后构成壁流式过滤器之前和之后的λ值的差。同样的方法可以用于稀少-富含突变。在此当壁流式过滤器后的λ值低于值1时进行有差异的(abweichend)测定。附加地可以使用可应用的与通流的气体质量相关的延迟时间。在此确定如下的时刻，在该时刻从壁流式过滤器之后的λ值的梯度的极值(峰值a)出发进行(abgelaufen)可应用的延迟时间。在该时刻使用壁流式过滤器之前和之后的λ值来构成这些λ值的差。如果所述差超过可限定的阈值，那么以损伤的壁流式过滤器为出发点。对于损伤的壁流式过滤器，在平台p的区域中对λ差进行分析处理。如果将所描述的方法用在未损伤的壁流式过滤器上，那获得一个测量时刻，在该测量时刻，壁流式过滤器之后的λ值已经又接近壁流式过滤器之前的λ值。因此在未损伤的壁流式过滤器中λ差的值比较小。关于损伤的量化报告基于所描述的λ差是可能的。所述阈值和必要情况下可应用的延迟时间例如可以借助试验台上的实验过程测定。所描述的λ差的方法可以与上文描述的对氧气存储能力的分析处理的方法相结合，以便改进损伤识别的选择性。

下文对另一种实施方式进行描述。在此可能的是：在壁流式过滤器之后的λ信号曲线上根据本发明识别损伤的壁流式过滤器。为此对曲线本身和/或其梯度进行评价。壁流式过滤器之后的λ值曲线在直接在稀少-富含或富含-稀少突变之后的区域中跟随λ额定值。在此构成第一突变峰值s。在未损伤的壁流式过滤器中紧随所述第一突变峰值之后可以看到壁流式过滤器之前和之后的λ值的曲线的接近s形的轮廓。在未损伤的壁流式过滤器中，在壁流式过滤器之前和之后的λ值的梯度中分别构成一个峰值a。现在进行如下的分析处理，在出现峰值a之后是否能够看到壁流式过滤器之后的λ值的平台形的曲线。这可以借助壁流式过滤器之后的λ值的在一个时间段上保持不变的值进行，或者观察在λ额定值的重新的额定值突变之前是否在梯度曲线中显示另外的极值(峰值b)。第二极值(峰值b)的出现以及跟随峰值a的平台形表征损伤的壁流式过滤器。

所述用于计算氧气存储能力的方法原则上可以用于宽带探头和突变探头，而所描述的用于在壁流式过滤器之后的λ值曲线中识别峰值b或者平台p的方法仅可以用于借助壁流式过滤器之前的宽带探头和壁流式过滤器之后的宽带探头进行测量。两点式探头在此基于陡峭的探头信号仅提供一个峰值(a)并且不能对平台的构成进行评价。然而所描述的λ差的方法也可用在壁流式过滤器之前和之后的突变探头的应用中。在此同样如上所述使用壁流式过滤器之后的λ值梯度的峰值a之后的时刻，其中，在这个时刻对壁流式过滤器之前和之后的λ探头的探头电压差进行分析处理。

附图标记列表

1废气流

2流入侧塞子

3流出侧塞子

4涂层

5壳体

s壁流式过滤器之前或者之后的λ值的梯度曲线的峰值/极值，该峰值/极值直接跟随富含-稀少突变或稀少-富含突变。

a壁流式过滤器之前或者之后的λ值的梯度曲线的峰值/极值(峰值s之后的可测定的第一极值)

b壁流式过滤器之前或者之后的λ值的梯度曲线的峰值/极值(峰值a之后的可能情况下可测定的第二极值)

f面，该面在图表中在壁流式过滤器之前或者之后的λ值的时间分布的曲线之间围成

t1λ探头信号的额定值的富含-稀少突变的时刻

t2λ探头信号的额定值的稀少-富含突变的时刻

p壁流式过滤器之后的λ值曲线的平台