DE10160944A1 - Verfahren und Messanordnung zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters, insbesondere bei einem Dieselmotor - Google Patents

Abstract

Verfahren und Messanordnung zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters (1), insbesondere bei einem Dieselmotor, in dem einlassseitig ein partikelbeladenes Abgas (5) einströmt, dessen Filterung über mindestens einen porösen Wandabschnitt (3) erfolgt, wodurch sich einlassseitig am porösen Wandabschnitt (3) eine Partikelschicht (6) absetzt, so dass das gereinigte Abgas (7) auslassseitig den Partikelfilter (1) entströmt, wobei mindestens ein Ultraschallsender (8, 8a) Ultraschallwellen durch den Partikelfilter (1) hindurch sendet, und mindestens ein korrespondierender Ultraschallempfänger (9, 9a) die Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung der gesendeten Ultraschallwellen misst, wonach eine Auswerteeinheit (10) den Messwert mit mindestens einem vordefinierten Wert vergleicht, um über so ermittelte Differenz zwischen dem vordefinierten Wert und dem Messwert den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters (1) zu bestimmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters dem einlassseitig ein partikelbeladenes Abgas zugeführt wird, das anschließend unter Bildung einer sich einlassseitig absetzenden Partikelschicht an mindestens einem porösen Wandabschnitt gefiltert wird, wodurch auslassseitig das gereinigte Abgas entströmt.
• Ein Partikelfilter dieser Art wird vornehmlich im Abgasstrang eines dieselmotorisch betriebenen Fahrzeuges eingesetzt, um zur Erfüllung bestehender Umweltvorschriften eine Ausfilterung von Rußpartikeln aus dem Abgas vorzunehmen. Die Anwendung eines Partikelfilters der hier beschriebenen Art ist jedoch nicht allein auf den Bereich vom dieselmotorisch betriebenen Fahrzeugen beschränkt. Es ist beispielsweise auch denkbar, einen solchen Partikelfilter zur Abgasfilterung im Rahmen von direkteinspritzenden Otto-Motoren oder gar Heizungsanlagen oder dergleichen einzusetzen.
• Ein gattungsgemäßer Partikelfilter geht aus der US 6,101,793 hervor. Der Partikelfilter ist in den Abgasstrang eines Dieselmotors eingeschaltet und wird einlassseitig mit einem vom Dieselmotor durch den Verbrennungsprozess erzeugten partikelbeladenen Abgas angeströmt. Dieses Abgas gelangt zunächst in topfförmig ausgebildete Einlasskanäle des Partikelfilters, deren Wandbereiche zu benachbarten und umgekehrt topfförmig ausgebildeten Auslasskanälen angrenzen. In Folge der Filterung setzt sich an dem porösen Wandabschnitt einlassseitig eine Partikelschicht aus Ruß ab. Das gereinigte Abgas gelangt auslassseitig aus dem Partikelfilter und wird anschließend an die Atmosphäre abgeführt.
• Da mit steigender Beladung des Partikelfilters, das heißt mit Anwachsen der Partikelschicht, kontinuierlich der Abgasgegendruck und damit der Kraftstoffverbrauch des Motors ansteigt, ist es erforderlich, die Partikelschicht durch Abbrennen von Zeit zu Zeit zu beseitigen, um den Partikelfilter insoweit wieder zu regenerieren. Eine derartige Regeneration des Partikelfilters erfolgt hier durch am Partikelfilter angeordnete Heizelemente, welche nach einer vorbestimmten Betriebsdauer des Dieselmotors in hierdurch definierten Zeitabständen eingeschalten werden. Ein nachgeschaltetes Gebläse transportiert die durch das Heizelement erhitzte Luft in den Partikelfilter hinein, so dass die Partikelschicht abbrennt und der Partikelfilter danach wieder frei von Rußpartikeln ist.
• Ein Nachteil dieser Verfahrensweise ist, dass der Partikelfilter in kontinuierlichen Zeitabständen regeneriert wird, ohne dass hierbei der Beladungszustand des Partikelfilters beachtet wird. So kann es vorkommen, dass eine Regeneration durch Einschalten des Heizelements öfter als erforderlich geschieht, was zum einen das Bordnetz des Fahrzeuges unnötig belastet und zum anderen zu einem vorzeitigen Verschleiß des Heizungselementes führen kann.
• Andererseits kann die maximale Rußmenge bereits überschritten sein, ehe die in periodischen Zeitabständen einsetzende Filterregeneration einsetzt. Dieses kann dadurch geschehen, dass ungünstige Fahrbedingungen und Eigenschaften des Filtersubstrats zu einer vorzeitigen Rußbeladung des Partikelfilters führen. Der Zeitpunkt zum Einleiten der Regerationsmaßnahme muss daher unabhängig von den Fahrgewohnheiten sicher bestimmt werden können. Eine fehleingeleitete Regeneration kostet zusätzlich Kraftstoff und kann im Extremfall zur Filterzerstörung führen.
• Es ist bereits versucht worden, den aktuellen Rußbeladungsgrad des Partikelfilters durch Messungen zu ermitteln. In allgemein bekannter Weise wird hierbei der über den Partikelfilter abfallende Druck bestimmt. Hierfür wird ein Drucksensor in die Abgasleitung vor dem Partikelfilter und ein weiterer Drucksensor in die Abgasleitung nach dem Partikelfilter eingeschalten. Der hierüber ermittelbare Differenzdruck stellt ein Maß für den vom Partikelfilter erzeugten Abgasgegendruck dar. Daraus lässt sich der Rußbeladungsgrad des Partikelfilters abschätzen. Allerdings können über diese Messmethode keine sehr zuverlässigen Aussagen über den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters gewonnen werden, da systembedingt - wegen der Druckmessung - nur ein indirekter Rückschluss möglich ist und zudem Messfehler durch Risse oder Löcher in der Rußschicht auftreten können, die zu Fehleinschätzungen der Filterbeladung führen.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Rußbeladungsgrad eines Partikelfilters zur Bestimmung des Zeitpunktes einer erforderlichen Regenerationsmaßnahme über eine zuverlässige Messung zu ermitteln.
• Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Bezüglich einer entsprechenden Messanordnung wird die Aufgabe durch den Anspruch 6 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
• Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass mindestens ein Ultraschallsensor durch den Partikelfilter hindurch Ultraschallwellen sendet, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung über mindestens einen korrespondierenden Ultraschallempfänger gemessen werden, wonach eine Auswerteeinheit den Messwert mit mindestens einem vordefinierten Wert vergleicht, um über die so ermittelte Differenz zwischen dem vordefinierten Wert und dem Messwert den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters zu bestimmen.
• Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der Genauigkeit der so gewonnenen Information über den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters. Dieses bildet die Vorraussetzung dafür, eine Regenerierungsmaßnahme durch Abbrennen der Partikelschicht bedarfsgerecht einzuleiten. Dadurch können unnötige und kraftstoffverbrauchende Regenerierungsversuche vermieden werden. Die Gefahr einer thermischen Filterzerstörung durch Überschreiten der maximal zulässigen Rußmenge wird so ebenfalls vermieden. Das erfindungsgemäße Messprinzip beruht auf der Überlegung, dass über die Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen (welche sich über deren Amplitude und Phasenwinkel berechnen lassen) die sogenannte optische Dichte in einem Partikelfilter ermittelt werden kann, die in Abhängigkeit von der Beladungsmenge mit Ruß steht.
• Zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades des Partikelfilters kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung von denjenigen Ultraschallwellen gemessen werden, die den Partikelfilter entlang seiner Längsachse oder quer zu seiner Längsachse passieren. Über die den Partikelfilter längs passierenden Ultraschallwellen kann vorzugsweise ein Rückschluss auf die Rußbeladungsmenge erfolgen; über die den Partikelfilter quer passierenden Ultraschallwelle lässt sich insbesondere ein Rückschluss auf die Rußverteilung im Partikelfilter ziehen. Es ist auch denkbar, mehrere korrespondierende Ultraschallsensoren und Ultraschallempfänger in verschiedenen Positionierungen bezüglich der Längsachse des Partikelfilters anzuordnen, um die Qualität des Messergebnisses durch eine überlagerte Auswertung der Rußbeladungsmenge und der Rußverteilung im Partikelfilter zu erhöhen.
• Vorzugsweise sind die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger außen an dem Partikelfilter angebracht. Es ist auch denkbar, die Ultraschallsensorik entfernt vom Partikelfilter anzubringen oder direkt in den Partikelfilter zwischen den internen Einlasskanälen und Auslasskanälen in geeigneter Weise zu integrieren.
• Da die durch Ultraschallmessung gewonnene Messgröße empfindlich auf Veränderungen der Temperatur des Partikelfilters reagieren kann, wird vorzugsweise eine Temperaturkalibrierung des Ultraschallkennfeldes eines unbeladenen Partikelfilters zu Vergleichszwecken vorgenommen.
• Der Rußbeladungsgrad des Partikelfilters kann dann durch Vergleich des abgespeicherten Ultraschallkennfeldes des unbeladenen Partikelfilters mit dem aktuellen Messwert bestimmt werden.
• Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters mit längs angeordneter Ultraschallsensorik, und
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters mit quer angeordneter Ultraschallsensorik.
• Gemäß Fig. 1 besteht ein Partikelfilter 1 aus topfförmig ausgebildeten Einlasskanälen 2, deren Wandabschnitte 3 an benachbarten, umgekehrt topfförmig ausgebildeten Auslasskanälen 4 angrenzt. Der Partikelfilter 1 besteht aus einem porösen Filtermaterial, dessen Zelligkeit so gewählt ist, dass über die Wandabschnitte 3 eine Filterung eines partikelbeladenen Abgases 5 erfolgen kann. Im Querschnitt sind die Einlasskanäle 2 und die Auslasskanäle 4 quadratisch ausgebildet. Das partikelbeladene Abgas 5 strömt einlassseitig in den Partikelfilter 1 ein. Hierdurch bildet sich an dem porösen Wandabschnitt 3 eine Partikelschicht 6. Auslassseitig verlässt das gereinigte Abgas 7 über die Auslasskanäle 4 den Partikelfilter 1. Der Partikelfilter 1 ist mit - hier nicht weiter dargestellten - elektrischen Heizmitteln zum Abbrennen der Partikelschicht im Zuge einer Regeneration des Partikelfilters 1 ausgerüstet.
• In Folge der Filterung des partikelbeladenen Abgases 5 bildet sich eine anwachsende Partikelschicht 6 seitens der Einlasskanäle 2, welche über eine ultraschallsensorische Messanordnung, bestehend aus einem hier einlassseitig angeordneten Ultraschallsensor 8, der mit einem auslassseitig angeordneten Ultraschallempfänger 9 in Wirkverbindung steht. Der Ultraschallsensor 8 emittiert Ultraschallwellen längs in Strömungsrichtung des Abgases 5, 7 durch den Partikelfilter 1 in Richtung des Ultraschallempfängers 9. Über den Ultraschallempfänger 9 ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Ausbreitungsrichtung der gesendeten Ultraschallwellen feststellbar. Hierzu dient eine dem Ultraschallempfänger 9 nachgeordnete Auswerteeinheit 10. Die Auswerteeinheit 10 vergleicht den vom Ultraschallempfänger 9 kommenden Messwert mit einem vordefiniertem Wert, um über die so ermittelte Differenz zwischen dem vordefinierten Wert und dem Messwert den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters 1 zu bestimmen.
• Steigt der Rußbeladungsgrad des Partikelfilters 1 über einen bestimmten Grenzwert, so wird eine Regeneration des Partikelfilters 1 in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelöst.
• Gemäß Fig. 2 ist die Ultraschallsensorik im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel quer zur Längsachse des Partikelfilters 1 angeordnet. An der Oberseite des Partikelfilters 1 befindet sich der Ultraschallsensor 8a, wogegen an der Unterseite des Partikelfilters 1 der Ultraschallempfänger 9a angeordnet ist. Mit dem damit zwischen dem Ultraschallsensor 8a und dem Ultraschallempfänger 9a gebildeten quer zur Längsachse des Partikelfilters 1 verlaufenden Messfeld lässt sich die Rußverteilung innerhalb des Partikelfilters 1 bestimmen. So ist hier im Durchmesserbereich d1 des Einlasskanals 2 eine Partikelschicht 6 mit geringerer Dicke vorhanden, wogegen im Durchmesserbereich d2 bereits der gesamte Einlasskanal mit Rußpartikeln belegt ist. Diese Unterschiede lassen sich im Messfeld durch die Ultraschallsensorik entsprechend auswerten.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, die vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche Gebrauch machen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, die Ultraschallsensorik parallel oder quer zur Längsachse des Partikelfilters anzuordnen. Es ist auch denkbar Ultraschallsensoren sowohl parallel als auch quer anzuordnen. Ebenfalls ist es möglich, mehrere Ultraschallempfänger und Ultraschallsender in verschiedenen Positionierungen vorzusehen, um die Qualität des Messergebnisses zu steigern. Bezugszeichenliste 1 Partikelfilter
  2 Einlasskanal
  3 Wandabschnitte
  4 Auslasskanal
  5 Abgas, partikelbeladen
  6 Partikelschicht
  7 Abgas, gereinigt
  8 Ultraschallsensor
  9 Ultraschallempfänger
  10 Auswerteeinheit
  

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters (1), insbesondere bei einem Dieselmotor, dem einlassseitig ein partikelbeladenes Abgas (5) zugeführt wird, das anschließend unter Bildung einer sich einlassseitig absetzenden Partikelschicht (6) an mindestens einem porösen Wandabschnitt (3) gefiltert wird, wodurch auslassseitig das gereinigte Abgas (7) entströmt, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwellen durch den Partikelfilter (1) hindurch gesendet werden, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung gemessen wird, wonach der Messwert mit mindestens einem vordefinierten Wert verglichen wird, um über so ermittelte Differenz zwischen dem vordefinierten Wert und dem aktuellen Messwert den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters (1) zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung von den Partikelfilter (1) längs passierenden Ultraschallwellen gemessen wird, um die Rußbeladungsmenge zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung von den Partikelfilter (1) quer passierenden Ultraschallwellen gemessen wird, um die Rußverteilung zu bestimmen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierung in Abhängigkeit zur Filtertemperatur das Ultraschallkennfeld eines unbeladenen Partikelfilters (1) bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußbeladungsgrad des Partikelfilters (1) durch Vergleich des gespeicherten Ultraschallkennfeldes des unbeladenen Partikelfilters (1) mit dem aktuellen Messwert bestimmt wird.

6. Messanordnung zur Ermittlung des Rußbeladungsgrades eines Partikelfilters (1), insbesondere bei einem Dieselmotor, in dem einlassseitig ein partikelbeladenes Abgas (5) einströmt, dessen Filterung über mindestens einen porösen Wandabschnitt (3) erfolgt, wodurch sich einlassseitig am porösen Wandabschnitt (3) eine Partikelschicht (6) absetzt, so dass das gereinigte Abgas (7) auslassseitig den Partikelfilter (1) entströmt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallsender (8, 8a) Ultraschallwellen durch den Partikelfilter (1) hindurch sendet, und mindestens ein korrespondierender Ultraschallempfänger (9, 9a) die Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Ausbreitungsrichtung der gesendeten Ultraschallwellen misst, wonach eine Auswerteeinheit (10) den Messwert mit mindestens einem vordefinierten Wert vergleicht, um über so ermittelte Differenz zwischen dem vordefinierten Wert und dem Messwert den Rußbeladungsgrad des Partikelfilters (1) zu bestimmen.

7. Messanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Ultraschallsender (8) und dem Ultraschallempfänger (9) gebildete Messfeld parallel zur Längsachse des Partikelfilters (1) angeordnet ist, um die Rußbeladungsmenge zu bestimmen.

8. Messanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Ultraschallsender (8a) und dem Ultraschallempfänger (9a) gebildete Messfeld quer zur Längsachse des Partikelfilters (1) angeordnet ist, um die Rußverteilung zu bestimmen.

9. Messanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (8, 8a) und der Ultraschallempfänger (9, 9a) an dem Partikelfilter (1) angebracht sind.

10. Messanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere korrespondierende Ultraschallsender (8, 8a) und Ultraschallempfänger (9, 9a) in verschiedenen Positionierungen bezüglich des Partikelfilters (1) vorgesehen sind, um die Qualität des Messergebnisses zu steigern.