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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Beladungszustands
eines als Formkörper
ausgebildeten Partikelfilters einer Brennkraftmaschine mit einer
Messanordnung und zum anderen ein Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustands eines
Partikelfilters mittels einer dem Partikelfilter zugeordneten Messanordnung.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
100 33 160 A1 ist es bekannt, einen Partikelfilter zur
Verminderung der Partikelemission einer Brennkraftmaschine einzusetzen.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt eine zeitlich zunehmende
Beladung des Partikelfilters mit Ruß- und/oder Ascheteilchen.
Um ein Verstopfen des Partikelfilters zu verhindern, wird der angesammelte
Ruß von
Zeit zu Zeit durch Erhöhen der
Abgastemperatur über
die Rußabbrandtemperatur
hinaus abgebrannt. Zur Feststellung der Notwendigkeit einer Partikelfilterregeneration
wird die Beladung des Partikelfilters überwacht. Die Regeneration wird
ausgelöst,
wenn der durch die Rußbeladung
verursachte Gegendruck des Partikelfilters unzulässig angestiegen ist. Hierzu
wird das Signal eines Differenzdrucksensors ausgewertet. Bei Erreichen
eines oberen Grenzwertes für
die Beladung wird eine Regeneration des Partikelfilters gestartet,
bei welcher der auf oder in dem Partikelfilter angesammelte Ruß abgebrannt
wird.
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Die
Ermittlung der Partikelfilterbeladung auf der Basis eines Differenzdrucksensors
ist allerdings auf Grund schwankender Durchsatzverhältnisse
und Partikelfiltertemperaturen mit Ungenauigkeiten behaftet. Es
besteht daher die Möglichkeit,
dass die Regeneration des Partikelfilters verspätet gestartet wird, was zu
Störungen
des Fahrbetriebs und zu einer Schädigung des Partikelfilters
führen
kann. Dagegen führen
verfrühte
Regenerationen zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
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Aus
der Patentschrift
US 4,656,832 ist
es bekannt, zur Ermittlung der Rußbeladung eines Partikelfilters
eine Elektrodenanordnung auf einem flächigen nichtleitenden Substrat
aufzubringen und die Gesamtanordnung in den Abgasweg, gegebenenfalls
auch ins Innere eines Partikelfilters einzubringen. Auf dem Substrat
abgelagerte Rußpartikel
vermindern den zwischen den Elektroden messbaren elektrischen Widerstand,
woraus die Rußpartikelablagerung
auf dem Substrat ermittelt und daraus der Zeitpunkt für eine Partikelfilterregeneration
abgeleitet wird.
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Die
Erfassung der Rußbeladung
auf einem flächigen
Referenzbereich ermöglicht
es jedoch ebenfalls nicht, die Detektierung des Beladungszustandes
des Partikelfilters mit der gewünschten
Genauigkeit vorzunehmen und den Partikelfilter optimal zu betreiben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben,
welche eine zuverlässigere
Ermittlung des Beladungszustands eines Partikelfilters und damit
einen verbesserten Betrieb des Partikelfilters ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass für den Partikelfilter eine Messanordnung
vorgesehen ist, welche eine spulenförmige Leiterstruktur umfasst,
die zumindest einen Volumenteilbereich des Partikelfilters umgibt,
wobei von der Messanordnung eine Größe erfassbar ist, die mit der
Permeabilitätszahl
der im Volumenteilbereich vorhandenen Materie und/oder mit der Induktivität der spulenförmigen Leiterstruktur
korreliert. Hierbei ist unter der Permeabilitätszahl insbesondere die üblicherweise
mit μr bezeichnete relative magnetische Permeabilität zu verstehen.
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Vorzugsweise
ist die Leiterstruktur als zylindrische Drahtspule mit einer Vielzahl
von Windungen ausgeführt,
die zumindest um einen Teilabschnitt des Partikelfilters gewickelt
ist oder im Inneren des als Formkörper ausgebildeten Partikelfilters
angeordnet ist. Da die Permeabilitätszahl von der Art der Materie abhängt, die
in dem von der Leiterstruktur umgebenen Volumenbereich vorhandenen
ist, kann über eine
mit der Permeabilitätszahl
korrelierende Größe, welche
mittels der Leiterstruktur erfasst wird, der Beladungszustand, d.h.
die Beladung des Partikelfilters zuverlässig ermittelt werden. Dadurch
können
sowohl unnötige
als auch verspätete
Regenerationen sicher vermieden werden. Unter der Beladung des Partikelfilterkörpers wird
dabei die volumenbezogene Ablagerung fester Bestandteile wie Ruß oder Asche in
seinem Inneren verstanden. Vorzugsweise wird die Beladung in Gramm
je Liter Filtervolumen angegeben. Als Partikelfilter kommen hauptsächlich poröse Formkörper oder
mit Kanälen
mit porösen
Wänden durchzogene
monolithische Formkörper
in Betracht.
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Parallel
oder alternativ ist von der Messanordnung die Induktivität der Leiterstruktur
oder eine mit der Induktivität
der Leiterstruktur korrelierende Größe erfassbar. Der von der Leiterstruktur
umgebene Volumenbereich wirkt als Spulenkern bezüglich der Leiterstruktur. Beim
Betrieb der Messanordnung ist Leiterstruktur von einem elektrischen
Strom durchflossen, der ein entsprechendes Magnetfeld erregt. Die
vom Magnetfeld verursachte Induktion ist über die Permeabilitätszahl der
vom Magnetfeld durchdrungenen Materie mit der Magnetfeldstärke verknüpft. Da
die Induktivität
der Leiterstruktur jedoch mit der Induktion verknüpft ist,
kann mit Erfassung der Induktivität der Leiterstruktur bzw. einer
mit dieser korrelierenden Größe auch
die Beladung in dem maßgebenden
Volumenbereich des Partikelfilters ermittelt werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiterstruktur wenigstens teilweise
im Inneren des Partikelfilters angeordnet. Da eine ausreichende
Empfindlichkeit der Messanordnung anzustreben ist, ist es aufgrund
des Messeffekts vorteilhaft, dass der Kern der spulenförmigen Leiterstruktur
möglichst
vollständig
vom Material des Partikelfilters ausgefüllt ist. Es ist deshalb günstig, die
Leiterstruktur völlig
im Inneren des Partikelfilters anzuordnen. Andererseits kann es
z.B. aus praktischen Gründen
vorteilhaft sein, wenn ein Teil der Leiterstruktur außerhalb
des Partikelfilterkörpers
angeordnet ist.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung die spulenförmige Leiterstruktur außerhalb
des Partikelfilters anzuordnen und den Partikelfilter z.B. abschnittsweise
mit der Leiterstruktur zu umwickeln.
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In
weiterer Ausgestalltung der Erfindung ist die spulenförmige Leiterstruktur
so angeordnet, dass ihre Längsachse
annähernd
parallel zu einer der Hauptachsen des zylinderförmigen Partikelfilters orientiert
ist. Vorteilhaft ist es, die spulenförmige Leiterstruktur so anzuordnen,
dass ihre Längsachse
parallel zur Längsachse
des Partikelfilters orientiert ist, wodurch sich ein einfacher Aufbau
ergibt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messanordnung eine
zweite Leiterstruktur, wobei die spulenförmige Leiterstruktur mit der
zweiten Leiterstruktur in einer Wirkungsverbindung steht und die
zweite Leiterstruktur eine vom Beladungszustand des Partikelfilters
beeinflussbare elektrische Kenngröße aufweist, die von der Messanordnung
erfassbar ist. Auf diese Weise können
zwei verschiedene Messsignale erhalten werden, was die Zuverlässigkeit
verbessert. Andererseits ist es vorteilhaft, die beiden Leiterstrukturen
so auszuführen,
dass sie in der Art einer Rückkopplung
miteinander wechselwirken, so dass die Empfindlichkeit der Messanordnung erhöht ist.
Die Wirkungsverbindung der beiden Leiterstrukturen kann dabei über eine
elektrisch leitende Verbindung oder über eine drahtlose Kopplung
erfolgen.
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Die
beiden Leiterstrukturen sind vorzugsweise an unterschiedlichen Stellen
angeordnet. Somit ist es möglich,
die Beladung des Partikelfilters mit Ruß und/oder Asche in wenigstens
zwei unterschiedlichen Volumenteilbereichen des Partikelfilters
und damit ortsaufgelöst
zu ermitteln. Dies ermöglicht
eine genaue Bewertung des Beladungszustandes und somit die Bestimmung
eines optimalen Zeitpunkts zur Auslösung einer Partikelfilterregeneration
beispielsweise durch Rußabbrand.
Dadurch können
sowohl unnötige
als auch verspätete
Regenerationen sicher vermieden werden.
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In
weiterer Ausgestaltung ist die von der Messanordnung erfassbare
elektrische Kenngröße der zweiten
Leiterstruktur eine kapazitive oder eine induktive elektrische Kenngröße. Vorteilhaft
ist es insbesondere, die spulenförmige
Leiterstruktur und die zweite Leiterstruktur so auszubilden, dass
zusammengenommen eine resonante Struktur erhalten wird, was die
Empfindlichkeit erhöht.
Vorzugsweise ist die zweite Leiterstruktur hierzu als Kondensator ausgebildet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Leiterstruktur
als zweite spulenförmige Leiterstruktur
ausgebildet und von der Messanordnung ist eine Größe erfassbar,
die mit der zwischen den Leiterstrukturen wirksamen Gegeninduktivität korreliert.
Besonders vorteilhaft ist es, die Leiterstrukturen als gekoppelte
Spulen auszuführen.
Es kann sowohl die Gegeninduktivität der ersten zur zweiten Leiterstruktur,
als auch die umgekehrt vorhandene Gegeninduktivität erfassbar
sein. Dabei kann die erste oder die zweite Leiterstruktur auch außerhalb
des Partikelfilters angeordnet sein, so dass von ihr kein Teil des
Partikelfilters umgeben ist. Die jeweils andere Leiterstruktur umgibt
dagegen wenigstens einen Teilvolumenbereich des Partikelfilters.
Das Magnetfeld der außerhalb
des Partikelfilters erregten vorzugsweise als Spule ausgeführten Leiterstruktur
ist somit von der Messanordnung festlegbar. Der Fluss der damit
verknüpften
Induktion durch das von der anderen Leiterstruktur umgebene Partikelfilterteilvolumen
ist jedoch von der dort vorhandenen Beladung abhängig. Somit kann über die
Erfassung der Gegeninduktivität
bzw. einer mit ihr korrelierenden Größe die Partikelfilterbeladung
zuverlässig
ermittelt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die spulenförmige Leiterstruktur
in Abgasströmungsrichtung
versetzt zur zweiten Leiterstruktur angeordnet. Dies ermöglicht eine
in axialer Richtung aufgelöste
Bestimmung der Rußbeladung
des Partikelfilters. Da die Beladung des Partikelfilters im wesentlichen
eine Abhängigkeit
von der Abgasströmungsrichtung
besitzt, d.h. einen axialen Gradienten aufweist, kann somit der
axiale Verlauf der Beladung im Partikelfilter ermittelt werden.
Dies ermöglicht
eine besonders genaue Ermittlung des Beladungszustands des Partikelfilters.
Der Volumenbereich, in welchem jeweils die Beladung erfasst wird,
ergibt sich durch die Geometrie der spulenförmigen Leiterstruktur, im Falle
einer kreiszylindrischen Spule insbesondere durch deren Durchmesser
und Länge. Durch
die Anzahl der Windungen bei einer spulenförmigen Leiterstruktur kann
die Induktivität
der spulenförmigen
Leiterstruktur wesentlich mitbestimmt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung des Beladungszustands eines als Formkörper ausgebildeten
Partikelfilters, welchem eine Messanordnung zugeordnet ist, ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine spulenförmige Leiterstruktur
umfasst, die zumindest einen Volumenteilbereich des Partikelfilters
umgibt, wobei von der Messanordnung eine Größe erfasst wird, die mit der
Permeabilitätszahl
der im Volumenteilbereich vorhandenen Materie und/oder mit der Induktivität der spulenförmigen Leiterstruktur
korreliert und aus der erfassten Größe die Beladung des Partikelfilters
ermittelt wird. Die Gestalt des von der Messanordnung erfassten Volumenbereichs
wird dabei im wesentlichen von der Geometrie der Leiterstruktur
bestimmt. Vorzugsweise ist diese Leiterstruktur als zylindrische
Spule ausgebildet, deren Induktivität von der Messanordnung erfasst
wird. Da die Induktivität
von der Art des als Spulenkern wirksamen Materials abhängt, kann über die
materialabhängige
Permeabilitätszahl
die Beladung im maßgebenden
Volumenbereich zuverlässig ermittelt
werden.
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In
Ausgestaltung des Verfahrens wird die Regeneration des Partikelfilters
ausgelöst,
wenn die ermittelte Rußbeladung
einen vorgebbaren oberen Grenzwert überschritten hat.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
ermöglicht
die Ermittlung der Partikelfilterbeladung in einem volumenmäßig ausgedehnten
Teilbereich des Partikelfilterkörpers
und somit einerseits eine differenzierte Bewertung des Beladungszustandes.
Andererseits kann ein maßgebender
Teil des Partikelfilters erfasst werden. Je nach Anordnung und Orientierung
kann die Beladung in einem nahezu beliebigen Bereich des Partikelfilters
ermittelt werden. Dies ermöglicht
die Bestimmung eines optimalen Zeitpunkts zur Auslösung einer
Partikelfilterregeneration beispielsweise durch Rußabbrand.
Dadurch können sowohl
unnötige
als auch verspätete
Regenerationen sicher vermieden werden. Der für die Auslösung der Regeneration maßgebende
Grenzwert für
die Rußbeladung
kann hierbei abhängig
vom Anbringungsort der Leiterstruktur, der vorhandenen Aschebeladung, von
der maximal tolerierbaren Wärmefreisetzung beim
Rußabbrand
während
der Regeneration oder abhängig
von anderen, gegebenenfalls motorischen Betriebsgrößen festlegbar
sein.
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Vorzugsweise
wird die Rußbeladung
des Partikelfilters durch zwei oder mehrere Leiterstrukturen ermittelt,
welche in Strömungsrichtung
versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch kann die Rußbeladung
von zwei oder mehreren, sich gegebenenfalls überlappenden Bereichen des
Partikelfilters ermittelt werden, und die Regeneration des Partikelfilters
wird ausgelöst,
wenn die Rußbeladung
in wenigstens einem der erfassten Volumenteilbereiche des Partikelfilters
den vorgebbaren oberen Grenzwert überschritten hat.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Dauer der Regeneration
an die vor der Auslösung
der Regeneration ermittelte Beladung des Partikelfilters angepasst.
Der verbrauchsintensive Regenerationsbetrieb wird auf diese Weise
nur so lange wie nötig
aufrechterhalten, was eine besonders kraftstoffverbrauchssparende
Partikelfilterregeneration ermöglicht.
Bei mehreren erfassten Volumenteilbereichen ist es insbesondere
vorteilhaft, die Dauer der Partikelfilterregeneration an die höchste in
einem der jeweiligen Bereiche ermittelte Beladung anzupassen, wodurch
eine vollständige
Partikelfilterregeneration ermöglicht
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Rußbeladung
des Partikelfilters nach erfolgter Regeneration ermittelt und mit
einem vorgebbaren Sollwert verglichen und die Dauer einer nachfolgenden
Regeneration wird in Abhängigkeit
vom Ergebnis des Vergleichs festgelegt. Auf diese Weise kann die
Regenerationsdauer optimiert werden. Vorteilhaft ist es auch, die
Rußbeladung
unmittelbar vor und unmittelbar nach der Regeneration zu ermitteln. Aus
der Differenz der Rußbela dungen
kann auf diese Weise die Güte
der Regeneration ermittelt werden und die Regenerationsdauer nachfolgender
Regenerationen im Sinne einer möglichst
vollständigen
Regeneration festgelegt werden. Vorteilhaft ist es, den Erfolg von
mehreren Regenerationen auf die beschriebene Weise zu ermitteln,
um einen statistisch besser abgesicherten Mittelwert für die festzulegende
Regenerationsdauer zu erhalten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Rußbeladung des Partikelfilters
während
der Regeneration des Partikelfilters ermittelt und die Regeneration
beendet, wenn die Beladung einen vorgebbaren unteren Grenzwert unterschreitet.
Insbesondere bei einer an mehreren Stellen vorgenommenen Rußbeladungsermittlung
kann somit der Fortschritt der Regeneration besonders genau verfolgt
und das Ende der Regeneration zuverlässig festgelegt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Ermittlung der
Partikelfilterbeladung ein Rußbeladungsanteil
und ein Aschebeladungsanteil ermittelt. Da die Permeabilitätszahlen
von Ruß und
von gegebenenfalls eisenhaltiger Asche unterschiedlich sind, kann
mit dem erfindungsgemäßen verfahren zur
Ermittlung des Beladungszustands des Partikelfilters hinsichtlich
der Rußbeladung
und der Aschebeladung unterschieden werden. Dies ermöglicht eine
weiter verbesserte Genauigkeit bei der Ermittlung eines geeigneten
Zeitpunkts für
die Regeneration des Partikelfilters, da auf Asche zurückgehende Beladungsanteile
nicht fälschlicherweise
als Rußbeladung
interpretiert werden.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Abgasdruck stromauf
des Partikelfilters erfasst und aus dem erfassten Abgasdruck eine
mit der Beladung des Partikelfilters korrelierende Größe ermittelt
und zur Korrektur oder Überprüfung der
von der Messanordnung ermittelten Rußbeladung herangezogen. Durch
einen vorzugsweise eingangsseitig des Partikelfilters im Abgasstrang
angeordneten Druck- oder Differenzdrucksensor kann die Zuverlässigkeit
des von der Messanordnung ermittelten Beladungszustands des Partikelfilters
verbessert werden. Weiterhin ist es möglich, eine Plausibilitätsprüfung der
ermittelten Beladungen bzw. eine Diagnose oder Kalibrierung der
Messanordnung durchzuführen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
erste schematische Darstellung eines Partikelfilters mit zugehöriger Messanordnung zur
Ermittlung der Partikelfilterbeladung,
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2 eine
zweite schematische Darstellung eines Partikelfilters mit zugehöriger Messanordnung zur
Ermittlung der Partikelfilterbeladung und
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3 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen Partikelfilterbeladung und
einer damit korrelierenden messtechnisch erfassten Größe.
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Nachfolgend
werden vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung anhand von Beispielen beschrieben. Dabei wird beispielhaft
ein Kraftfahrzeug mit einem Dieselmotor und einer Abgasreinigungsanlage,
welche einen Partikelfilter umfasst, betrachtet. Es versteht sich,
dass neben dem Partikelfilter weitere Abgasreinigungseinheiten,
wie beispielsweise ein dem Partikelfilter vorgeschalteter Oxidationskatalysator
in der Abgasreinigungsanlage vorhanden sein können. Als Partikelfilter kommt
jeder geeignete Filtertyp in Betracht, nachfolgend wird jedoch ein
sogenanntes "Wall-Flow-Filter" mit wechselseitig
durch Stopfen verschlossenen, parallel verlaufenden Filterkanälen betrachtet.
Das Filter ist vorzugsweise aus einem keramischen Material wie Siliziumkarbid
oder Cordierit gebildet und besitzt eine zylindrische Gestalt.
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In 1 ist
ein solches Partikelfilter 1 schematisch mit Blick auf
eine Querschnittsfläche
parallel zur Abgasströmungsrichtung
dargestellt. Der Partikelfilter 1 weist an der hier nicht
dargestellten Eintrittsseite offene und an der Gasaustrittsseite
verschlossene Gaseintrittskanäle 2,
sowie an der Eintrittsseite verschlossene, jedoch an der Gasaustrittsseite
offene Gasaustrittskanäle 2' auf. Die Kanäle 2, 2' sind durch
poröse
Kanalwände 3 voneinander
getrennt, so dass der Abgasstrom durch die Kanalwände 3 gezwungen
wird, wobei mit dem Abgasstrom mitgetragene Partikel ausgefiltert
werden und sich auf den Kanalwänden 3 als
Beladung 6 ablagern. Dabei tritt eine allmählich zunehmende
Beladung 6 des Partikelfilters 1 mit den ausgefilterten
Rußpartikeln bzw.
Aschepartikeln ein.
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Erfindungsgemäß ist für den Partikelfilter 1 eine
Messanordnung mit einer Leiterstruktur vorgesehen, mit welcher die
Beladung des Partikelfilters 1 ermittelt werden kann. Dabei
ist die Leiterstruktur hier als eine Spule 4 ausgebildet,
deren Wicklungen einen Abschnitt des Partikelfilters 1 umgeben.
Vorzugsweise liegen die Wicklungen der Spule 4 an der Oberfläche des
Partikelfilters 1 an oder weisen einen geringen Abstand
zu ihr auf.
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Die
Messanordnung umfasst weiter einen Generator 8, der über Zuleitungen 9 an
die Spule 4 angeschlossen ist. Über den Generator 8 wird
die Spule 4 mit einer vorzugsweise als Wechselspannung
ausgebildeten Messspannung versorgt. Der von der Spule 4 umgebene
Abschnitt des Partikelfilters 1 bildet den Kern der Spule,
weshalb deren Induktivität
L wesentlich von der als Spulenkern wirksamen Materie bzw. deren
Permeabilitätszahl μr bestimmt
wird. Auf Grund der unterschiedlichen Permeabilitätszahlen μr von
Ruß und
den mineralartigen Aschen kann anhand der erfassten Induktivität L dabei
zwischen der Rußbeladung
und der Aschebeladung unterschieden werden. Dabei ist die erfasste
Induktivität
mit der komplexen elektrischen Impedanz der Leiterstruktur 4 verknüpft und
es ist vorgesehen, diese hinsichtlich ihres Imaginärteils und/oder
ihres Realteils bzw. nach Betrag und Phase auszuwerten. Neben der
Induktivität
L können
auch die elektrischen Verluste, wie ohmsche Verluste oder Wirbelstromverluste
erfasst und ausgewertet werden. Nachfolgend wird mit Bezug auf die
genannten Messgrößen vereinfachend
von einem Messsignal gesprochen. Es ist vorgesehen, den Generator 8 neben
der Spannungs- bzw. Stromversorgung auch zur Auswertung des Messsignals
einzusetzen. Die Auswertung des Messsignals kann jedoch auch von
einer separaten, hier nicht dargestellten Messeinrichtung vorgenommen
werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die Messfrequenz bei der
Ermittlung der Induktivität im
Sinne eines möglichst
großen
Messsignals und einer möglichst
zuverlässigen
Aussage über
die Beladung geeignet zu wählen
oder gegebenenfalls zu variieren. Vorteilhafterweise wird die Frequenz
der Messspannung im Bereich zwischen 1 kHz und etwa 30 MHz eingestellt.
Bevorzugt ist ein Frequenzbereich von etwa 100 kHz bis etwa 10 MHz,
besonders bevorzugt beträgt
die Messfrequenz etwa 1 MHz. Die Amplitude der vom Generator 8 an
die Spule 4 angelegten Versorgungsspannung wird vorzugsweise
in einem Bereich zwischen 1 V und 1000 V gewählt. Da die Induktivität L der
Spule 4 auch von ihrer Geometrie bzw. Windungszahl abhängig ist,
kann über
die Anpassung dieser Größen die
Empfindlichkeit ebenfalls geeignet angepasst werden.
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Vorteilhaft
ist es in diesem Zusammenhang auch, gleichzeitig die Temperatur
in dem maßgebenden
Partikelfilterbereich oder im Bereich der Leiterstruktur 4 zu
erfassen, um Temperaturabhängigkeiten
des Induktivitätsmesswertes
bzw. Impedanzmesswertes korrigieren zu können.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, wenigstens zwei spulenförmige Leiterstrukturen an unterschiedlichen
Stellen anzubringen, wodurch eine ortsaufgelöste Ermittlung der Bela dung
im Partikelfilter 1 ermöglicht
wird. In 2 ist eine Anordnung mit einer
ersten Spule 4 und einer demgegenüber axial in Bezug auf den
Partikelfilter versetzt angeordneten zweiten Spule 4' schematisch
dargestellt. Dabei sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
der Generator und die Zuleitungen zu den Spulen 4, 4' nicht mit dargestellt.
In Bezug auf 1 sind funktionsgleiche Bestandteile
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Durch die versetzte Anordnung
der Spulen 4, 4' kann die
Beladung des Partikelfilters 1 lokal ermittelt werden.
Je nach Größe des Partikelfilters 1 und
nach der angestrebten Ortsauflösung
können
drei, vier, oder mehr Leiterstrukturen, vorzugsweise in Abgasströmungsrichtung
versetzt zueinander angeordnet sein. Da insbesondere der ausströmseitige
Endbereich des Partikelfilters 1 verstopfungsanfällig ist,
ist es vorteilhaft, zumindest eine Leiterstruktur am Ausströmbereich
des Partikelfilters 1 anzuordnen.
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Neben
der direkten Umwicklung des Partikelfilterkörpers mit der spulenförmigen Leiterstruktur 4 sind
weitere, sich durch einfache Abwandlungen ergebende und daher nicht
näher dargestellte
Anordnungen möglich.
Beispielsweise kann die Leiterstruktur spulenförmig an der Innenfläche eines
Gehäuses, welches
den Partikelfilter umgibt, angebracht sein. Weiter kann es vorteilhaft
sein, eine spulenförmige Leiterstruktur
vollkommen im Inneren des Partikelfilters parallel oder auch quer
zur Abgasströmungsrichtung
anzuordnen. Durch Überlappung
von Spulen unterschiedlichen Durchmessers kann eine gekoppelte Spulenanordnung
mit vorgebbarer Kopplung geschaffen werden.
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Auf
diese Weise werden Rußansammlungen ortsaufgelöst erfasst
und es kann eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet werden,
wenn die Rußbeladung
in wenigstens einem der erfassten Volumenteilbereiche einen vorgebbaren
Grenzwert überschreitet.
Dadurch wird vermieden, dass der Partikelfilter lokal über ein
zulässiges
Mindestmaß hinaus
mit Ruß beladen
wird und dadurch bei einer Regeneration durch Rußabbrand durch übermäßige Wärmefreisetzung
an dieser Stelle zerstört
wird. Es versteht sich, dass eine Regeneration auch ausgelöst wird, wenn
festgestellt wird, dass die integrale Gesamtbeladung des Partikelfilters
einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
Ferner ist es vorteilhaft, den die Regeneration auslösenden Grenzwert
gegebenenfalls anzupassen, um beispielsweise auf sich ändernde
Regenerationsbedingungen zu reagieren. Auf diese Weise wird ein
unzulässiges
Ansteigen des durch die Partikelfilterbeladung verursachten Gegendrucks
vermieden. Durch das bedarfsgerechte, an die tatsächliche
Rußbeladung
angepasste Auslösen der
Partikelfilterregeneration wird die Anzahl der Regenerationen auf
ein Mindestmaß beschränkt und damit
auch die thermische Belastung des Partikelfilters und gegebenenfalls
vorhandener weiterer Abgasreinigungseinheiten gering gehalten.
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Die
für die
Auslösung
einer Regeneration maßgebenden
Grenzwerte für
die lokale Beladung bzw. die integrale Beladung werden zweckmäßigerweise
in einem Steuergerät
hinterlegt. Vorzugsweise wird von diesem Steuergerät der Betrieb
des Dieselmotors gesteuert und für
eine Regeneration des Partikelfilters umgestellt. Hierfür geeignete
Betriebsweisen sind dem Fachmann geläufig und bedürfen daher hier
keiner weiteren Erläuterung.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Regenerationszeit des Partikelfilters in Abhängigkeit
von der vor der Auslösung
der Regeneration festgestellten lokalen und/oder integralen Beladung
z.B. durch eine kennfeldbasierte Regenerationszeitvorgabe festgelegt wird.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die Temperatur im Partikelfilter
zu erfassen und die Regenerationszeit in Abhängigkeit von vorab gespeicherten
Rußabbrandgeschwindigkeiten
für die
jeweilige Temperatur festzulegen. Der Erfolg der Regeneration wird
zweckmäßig nach
Abschluss der Regeneration durch eine erneute Ermittlung der Beladung überprüft. Die
Regenerationszeitvorgabe kann ent sprechend korrigiert werden, indem
ein Vergleich zwischen der festgestellten Beladung vor und nach der
Regeneration ausgewertet wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass
der für
die Regeneration erforderliche Betriebszustand länger als notwendig aufrechterhalten
bleibt; der Energieaufwand bzw. Kraftstoffmehrverbrauch für die Regeneration
wird dadurch klein gehalten. Für
eine zuverlässige
Festlegung der Regenerationsdauer ist es dabei zweckmäßig, eine
Mittelung aus den entsprechenden Werten vor und nach mehreren Regenerationen
vorzunehmen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die Beladung des Partikelfilters auch während der
Regeneration zu überwachen.
Der Regenerationsbetrieb wird dann vorzugsweise solange aufrechterhalten,
bis die Beladung in jedem von einer jeweiligen Leiterstruktur umgebenen
Volumenteilbereich einen vorgebbaren unteren Grenzwert unterschritten
hat. Auf diese Weise werden unvollständige Partikelfilterregenerationen vermieden
und die Aufnahmekapazität
des Partikelfilters für
den nachfolgenden Normalbetrieb des Dieselmotors wird maximiert.
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Die
Ermittlung der Partikelfilterbeladung in zwei oder mehreren Volumenteilbereichen
des Partikelfilters wird vorteilhafterweise auch zur Differenzierung
zwischen einem Rußbeladungsanteil
und einem Aschebeladungsanteil genutzt. Hierzu wird ausgenützt, dass
sich das Messsignal einer jeweiligen Leiterstruktur additiv aus
einem durch die Rußbeladung und
einem durch die Aschebeladung verursachten Anteil zusammensetzt
und die Aschebeladung kontinuierlich anwächst. Obschon der Beitrag der
Aschebeladung am gesamten Messsignal gering sein kann, kann der
Aschebeladungsanteil gegebenenfalls ermittelt werden, wenn der zeitliche
Verlauf des Messsignals erfasst wird und ein im Verlauf der Einsatzdauer
des Partikelfilters stetig anwachsender Signalanteil ermittelt und
berücksichtigt
wird. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch eine Variation
der Messfrequenz, da die Permeabilitätszahl materialabhängig ist.
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Insbesondere
bei einem sehr geringen Anteil der Aschebeladung am Messsignal ist
es vorteilhaft, die Aschebeladung indirekt zu ermitteln, indem das Messsignal
hinsichtlich seines zeitlichen und örtlichen Verlaufs ausgewertet
wird. Insbesondere ist es möglich,
auf Grund des gegebenenfalls unterschiedlichen Verlauf des Messsignals
festzustellen, inwieweit ein Teil des Partikelfilters stärker verrußt als ein anderer,
bzw. ob auf Grund einer sehr starken Ascheablagerung in einem Volumenteilbereich
nur noch eine geringe oder keine Verrußung mehr stattfindet.
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Da
mit steigender Aschebeladung die Aufnahmekapazität für Rußpartikel absinkt, ist es vorteilhaft
die Regenerationsdauer und/oder die Zeitintervalle zwischen zwei
Regenerationen in Abhängigkeit von
der ermittelten Aschebeladung anzupassen bzw. festzulegen.
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Speziell
kann eine totale Verstopfung durch Ascheablagerung festgestellt
werden, wenn in einem der erfassten Volumenteilbereiche des Partikelfilters eine
Akkumulation von Ruß nicht
mehr stattfindet, also ein zumindest annähernd stabiles Messsignal vorliegt.
Insbesondere bei der Erfassung der Beladung in einer Mehrzahl von
Bereichen des Partikelfilters kann somit ein Ascheverfüllgrad in
bezug auf das Gesamtvolumen des Partikelfilters ermittelt werden. Somit
kann ein Unbrauchbarwerden des Partikelfilters infolge einer überhöhten Aschebeladung
rechtzeitig festgestellt werden und eine dementsprechende Warnmeldung
ausgegeben werden. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine
vorausschauende Berechnung über
den weiteren Verlauf der Ascheablagerung vorzunehmen und eine Warnmeldung auszugeben,
wenn eine vorgebbare verbleibende Restlaufzeit bis zum Unbrauchbarwerden
des Partikelfilters unterschritten wird.
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Im
Falle eines Wall-Flow-Filters kann ein Unbrauchbarwerden auch infolge
eines Stopfendurchbruchs auftreten. Damit ist in dem betreffenden
Bereich keine Filterwirkung mehr vorhanden. Dieser Schadensfall
kann daher erkannt werden, wenn über eine
vorgebbare Zeitdauer kein nennenswerter Anstieg der Beladung in
einem jeweiligen Bereich mehr erfolgt. Es ist vorgesehen, auch für diesen
Schadensfall eine Fehlermeldung auszugeben.
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Bei
mehreren, insbesondere versetzt zueinander angeordneten Spulen ist
es auch vorteilhaft, eine mit der Gegeninduktivität einer
Spule korrelierende Größe, beispielsweise
die Gegeninduktivität einer
Spule gegenüber
einer anderen Spule zu erfassen und hinsichtlich der Partikelfilterbeladung
auszuwerten. Bei einer nicht dargestellten besonders vorteilhaften
Ausführung
sind drei Spulen in Abgasströmungsrichtung
hintereinander angeordnet und beispielsweise um den Partikelfilterkörper gewickelt oder
umgeben hintereinanderliegende Volumenbereiche des Partikelfilterkörpers. Die
mittlere Spule kann als Sender betrieben werden, während die
beiden anderen Spulen jeweils als Empfänger für das von der mittleren Spule
in ihnen induzierte magnetische Feld betrieben werden. Bei einer
solchen Anordnung können
vorteilhaft Unsymmetrien hinsicht-lich der axialen Verteilung der
Partikelfilterbeladung erfasst werden. Auf diese Weise kann eine meist
von der Ausströmseite
des Partikelfilters ausgehende Aschebeladung bzw. Filterverstopfung
erkannt und bewertet werden.
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Zur
Verdeutlichung des mittels einer Messanordnung gemäß 1 erfassten
Messeffekts ist in einem in 3 dargestellten
Diagramm die erfasste Induktivität
L einer Spule 4 in Abhängigkeit
von der volumenbezogenen Rußbeladung
m/V des Partikelfilters dargestellt. Der Partikelfilter 1 wurde
unter realitätsnahen
Bedingungen mit dem rußpartikelfilterhaltigen
Abgas eines nicht dargestellten Dieselmotors beaufschlagt und die
Messanordnung gemäß 1 kontinuierlich
betrieben. Dabei wurden Induktivitätswerte L im Bereich einiger
Mikro-Henry bei
Rußbeladungen
m/V im Bereich von einigen Gramm Ruß je Liter Filtervolumen gemessen.
Wie aus dem in 3 dargestellten Diagramm ersichtlich,
ist die Abhängigkeit
der als Messsignal ausgewerteten Induktivität L von der Rußbeladung
m/V annähernd
linear, so dass der Beladungszustand des Partikelfilters 1 zuverlässig ermittelt
werden kann. Die aufgrund der Filterbeladung auftretenden Induktivitätsänderungen
können beispielsweise über die
Veränderung
der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises ermittelt werden, die von
der Induktivität
der Leiterstruktur 4 bestimmt ist.
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Bei
einer weiteren nicht dargestellten, vorteilhaften Ausführungsform
ist zusätzlich
zu einer spulenförmigen
Leiterstruktur, die im Partikelfilter angeordnet oder auch abschnittsweise
um den Partikelfilter herumgewickelt sein kann, eine zweite elektrische Leiterstruktur
in oder am Partikelfilterkörper
oder auch beabstandet außerhalb
des Partikelfilters vorgesehen, so dass eine Wirkungsverbindung
der spulenförmigen
Leiterstruktur mit dieser zweiten Leiterstruktur gegeben ist. Die
elektrische Kenngröße der zweiten
Leiterstruktur, die ebenfalls induktiv aber auch kapazitiv sein
kann, wird von der Messanordnung erfasst und ausgewertet. Dabei
kann die zweite Leiterstruktur ebenfalls sensitiv in Bezug auf Ruß und/oder
Asche sein. Es ist jedoch auch vorteilhaft, beispielsweise mittels
einer als kapazitives Bauelement ausgeführten zweiten Leiterstruktur
und der induktiven spulenförmigen
Leiterstruktur eine resonante Anordnung zu bilden. Auf diese Weise
kann eine erhöhte
Empfindlichkeit gegenüber
abgelagertem Ruß erhalten
werden.
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Die
spulenförmige
erste Leiterstruktur und die zweite Leiterstruktur können jedoch
auch wechselwirkungsfrei ausgebildet bzw. angeordnet sein, so dass
zwei unterschiedliche, voneinander unabhängige Signale erfasst und ausgewertet
werden können, was
die Zuverlässigkeit
verbessert und die Störanfälligkeit
vermindert.
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Eine
weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit
bei der Ermittlung des Beladungszustands und beim Betrieb des Partikelfilters
wird erreicht, wenn zusätzlich
zur erfindungsgemäßen Messanordnung ein
Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor zur Erfassung des Staudrucks
stromauf des Partikelfilters eingesetzt wird. Auf der Basis des
enstrechenden Drucksignals wird ebenfalls die Beladung des Partikelfilters
charakterisiert. Hierfür
können
dem Fachmann geläufige
Drucksensoren und Signalauswerteverfahren eingesetzt werden, weshalb
auf weitere Ausführungen
hierzu verzichtet werden kann.
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Durch
den Drucksensor kann die Zuverlässigkeit
und Effizienz des Partikelfilterbetriebs weiter verbessert werden.
Vorteilhaft ist es hierfür
beispielsweise, die mittels der Messanordnung ermittelte Partikelfilterbeladung
einer Überprüfung, Plausibilitätskontrolle
oder Korrektur anhand des Drucksignals zu unterziehen. Vorteilhaft
ist es etwa, durch eine Wechselbeziehung in der Art einer Kreuzkorrelation
die aus den Messsignalen der Messanordnung erhaltenen Werte für die Rußbeladung
oder die für
den Ablauf der Partikelfilterregeneration maßgebenden Beladungsgrenzwerte
gegebenenfalls mit den Drucksignalwerten abzugleichen oder zu korrigieren.
Anhand des zusätzlichen
Drucksensors ist es ferner möglich,
eine Diagnose der Messanordnung durchzuführen um Störungen oder Defekte festzustellen und
gegebenenfalls anzuzeigen.