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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschall-Detektion von
Defekten wie beispielsweise Rissen im Substrat eines Partikelfilters,
insbesondere Dieselpartikelfilters für Abgase eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs und ein entsprechendes Verfahren.
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Es
ist bekannt, Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren durch Partikelfilter
zu reduzieren. In einem Partikelfilter werden die im Abgas eines
Verbrennungsmotors enthaltenen Partikel gesammelt. Derzeit werden
Filter mit einem Substrat aus poröser Keramik bevorzugt. Das
Abgas passiert die poröse Keramik,
in der die im Abgas enthaltenen Partikel wie beispielsweise Ruß gesammelt
und zurückbehalten werden.
Von Zeit zu Zeit müssen
die im Filter gesammelten Partikel entfernt werden, um eine ausreichende
Durchlässigkeit
des Filters zu gewährleisten.
Dies erfolgt in der Regel durch Erhitzen des Filters auf 450 °Celsius bis
etwa 650 °Celsius
(je nach Art der Katalyse) oder durch Stickoxide im Abgas, wodurch
die im Filter gesammelten Partikel verbrannt werden. Durch die Verbrennungswärme werden
Partikelfilter dabei sogar auf Temperaturen von mehr als 1.000 °C erhitzt.
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Eine
Ursache für
eine Minderung der Filterleistung eins Partikelfilters sind Defekte
wie Risse, Löcher
oder geschmolzene Bereiche im Substrat des Filters. Derartige Defekte
können
durch mechanische oder thermische Belastungen im Betrieb oder während der
Produktion entstehen. Als mechanische Belastungen sind Vibrationen
und Belastungen aufgrund der Lagerung des Filters im Fahrzeug zu
nennen. Thermische Belastungen resultieren überwiegend aus den hohen Temperaturen
zum Verbrennen der gesammelten Partikel. Der Zustand eines Partikelfilters
muß daher
von Zeit zu Zeit geprüft
werden, beispielsweise bereits in der Entwicklung, um im Vorfeld
mögliche
Schwachpunkte des Filters hinsichtlich der erwähnten Belastungen zu entdecken,
oder später
im Betrieb, insbesondere nachdem er von unverbrannten Rückständen wie
Asche gereinigt wurde, was beispielsweise nach etwa 120.000 km oder 240.000
km Laufleistung eines Fahrzeugs erforderlich ist.
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Zum
Detektieren von Defekten im Substrat eines Partikelfilters werden
heutzutage als zerstörungsfreie
Methode die Röntgentomographie
und als zerstörende
Methode die nachträgliche
Untersuchung durch Zersägen
des Substrats angewandt. Beide Methoden haben Nachteile. Bei der
Röntgentomographie
muß in
der Regel der Substratblock des Filters aus dem Filtergehäuse entfernt
werden, um die maximale Auflösung
zu erreichen, was das Ausbauen des Filters aus einem Fahrzeug erfordert.
Zudem dauert eine Untersuchung ca. eine Stunde und erfordert aufwendige
und teure Meßinstrumente.
Das Zersägen
des Filters zerstört
den Filter und kann daher nur für
eine nachträgliche
Untersuchung auf Filterschwachstellen eingesetzt werden. Schließlich gibt
es noch die Möglichkeit
der Messung der Filtereffizienz, was eine indirekte Messung des
Filterzustands ist und ebenfalls apparativ sehr aufwendig ist. Alle
vorgenannten Methoden besitzen zudem den Nachteil, daß sie nicht
schnell, d. h. in kurzer Zeit Information über den Filterzustand bereitstellen.
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Aus
der WO99/16538 ist die Lokalisierung von defekten Elementen eines
Filters mittels der Detektion von Geräuschen, die durch einen oder
mehrere Defekte in einer Vielzahl von Filterelementen entstehen,
bekannt. Dieses Verfahren setzt voraus, daß im zu untersuchenden Filter
durch Defekte Geräusche
entstehen, die beispielsweise durch ein empfindliches Mikrofon erfaßt werden
können.
Für einen Einsatz
in einem Kraftfahrzeug dürfte
dieses Verfahren weniger geeignet sein, da im Kraftfahrzeug eine Geräuschkulisse
vorherrscht, welche die Detektion von Geräuschen in einem Partikelfilter
aufgrund von Defekten wie Rissen stark erschwert, wenn nicht gar unmöglich macht.
Zudem entstehen durch manche Defekte wie Mikrorisse im Filter oftmals
keine detektierbaren Geräusche.
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Aus
der WO2004/026434A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Bestimmen des Zustands, insbesondere der Durchlässigkeit eines Partikelfilters
mittels eines Schallsignals bekannt. Das von einer Schallquelle
erzeugte Schallsignal kann im Ultraschallbereich liegen, um eine
besonders hohe Auflösung
einer Messung zu erhalten. Der Vorteil besteht darin, daß dieses
Verfahren auch direkt im Fahrzeug angewandt werden kann. Danach
wird an den Partikelfilter ein beispielsweise sinusförmiges Schallsignal
ausgesandt und das durch den Filter veränderte Schallsignal durch eine
Auswerteeinheit nach dem Zustand des Filters ausgewertet. Insbesondere
werden Amplitude und Phase des ausgesandten und des veränderten
Schallsignals miteinander verglichen. Aus einer Amplitudendämpfung und einer
Phasenverschiebung kann dann auf den Füllstand des Filters mit Partikeln
schlossen werden. Eine Erkennung von Defekten soll damit angeblich auch
möglich
sein, ist aber in der WO2004/026434A1 nicht genauer beschrieben.
Die Erkennung von Defekten, insbesondere Rissen, dürfte jedenfalls
kaum möglich
sein, da solche Defekte des Filters im veränderten Schallsignal aufgrund
der im Filter gesammelten Partikel wie Ruß kaum detektierbar sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, die aus der WO2004/026434A1
bekannte Vorrichtung und das daraus bekannte Verfahren derart weiter
zu bilden, daß auch
Defekte im Substrat eines Partikelfilters, insbesondere Dieselpartikelfilters
mittels Ultraschall detektiert werden können.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß zur
Detektion von Defekten im Substrat eines Partikelfilters wie beispielsweise
eines Dieselpartikelfilters Ultraschall verwendet wird, der über einen
mit dem Substrat in Kontakt stehenden Ultraschallsender in das Substrat
eingekoppelt und über einen
ebenfalls mit dem Substrat in Kontakt stehenden Ultraschallempfänger nach
Durchlaufen des Substrats erfaßt
wird. Dadurch, daß Ultraschallsender
und -empfänger
mit dem Substrat in Kontakt stehen, wird Ultraschall sehr effizient
in das Substrat eingekoppelt und in diesem übertragen. Im Unterschied zur
WO2004/026434A1 beeinflussen dadurch Defekte wie Risse im Substrat
die Laufzeit des durch das Substrat laufenden Ultraschalls, woraus
eine entsprechende Geschwindigkeit errechnet werden kann. Durch
Auswertung des durch das Substrat gelaufenen Ultraschallsignals
kann somit eine recht genaue Aussage über Defekte des Substrats des
Partikelfilters getroffen werden. Um eine vollautomatische Anwendung
zu ermöglichen,
kann zur Handhabung von Ultraschallsender und -empfänger eine
Steuervorrichtung vorgesehen sein.
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Die
Erfindung betrifft gemäß einer
Ausführungsform
eine Vorrichtung zur Ultraschall-Detektion von
Defekten im Substrat eines Partikelfilters für Abgase eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs. Hierzu sind eine Ultraschallquelle zum Aussenden
eines Ultraschallsignals, ein Ultraschallempfänger zum Empfangen des ausgesandten
Ultraschallsignals und eine mit dem Ultraschallempfänger kommunikationsmäßig gekoppelte
Auswerteeinheit zum Auswerten des vom Ultraschallempfänger empfangenen
Ultraschallsignals vorgesehen. Der Ultraschallsender ist an einer
Seite des Partikelfilters und der Ultraschallempfänger an
einer dieser einen Seite gegenüber
liegenden Seite des Partikelfilters derart angeordnet, daß das ausgesandte
Ultraschallsignal ähnlich
wie die Abgase durch das Substrat läuft. Beispielsweise können der
Ultraschallsender und -empfänger
derart angeordnet sein, daß der
Weg des Ultraschallsignals durch das Substrat möglichst kurz ist. In Sonderfällen kann
auch eine versetzte Anordnung von Ultraschallsender und -empfänger sinnvoll sein,
um einen größeren Bereich
des Substrats zu erfassen, wobei allerdings die Weglänge dann
entsprechend angepaßt
werden müßte. Weiterhin
ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um den
Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger zur Detektion von Defekten
mit der Oberfläche des
Substrats des Partikelfilters in Kontakt zu bringen. Schließlich ist
die Auswerteeinheit derart ausgebildet, daß sie Defekte im Substrat anhand
des empfangenen Ultraschallsignals auswerten kann. Durch diese Vorrichtung
wird eine schnelle, zerstörungsfreie
und vor allem im Vergleich zur Röntgentomographie
kostengünstige
Detektion von Filterdefekten ermöglicht.
Prinzipiell eignet sich die Vorrichtung auch zum Einbau in einem
Fahrzeug mit einem Partikelfilter und kann dadurch eine so genannte
Onboard-Diagnose ermöglichen,
insbesondere um eine Filterintegrität zu gewährleisten. Vorteilhaft kann
diese Vorrichtung bei Filtern mit keramischem Substrat eingesetzt
werden.
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Um
eine besonders effiziente Einkoppelung des Ultraschallsignals in
das Filtersubstrat zu bewerkstelligen, kann die Steuervorrichtung
ferner ausgebildet sein, um den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger unter
einen definierten Druck mit der Oberfläche des Substrats des Partikelfilters
in Kontakt zu bringen. Dies verbessert die Kopplung von Ultraschallsender
und -empfänger
mit dem Substrat und erlaubt daher eine besonders genaue Messung
von Defekten. Im Fall eines intakten Filters ist das Ergebnis vom
Druck weitgehend unabhängig. Falls
jedoch Risse vorliegen, ergibt sich eine Abhängigkeit des gemessenen Signals
vom Druck, die ebenfalls zum Nachweis herangezogen werden kann.
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Eine
weitere Verbesserung der Detektion von Defekten im Substrat kann
dadurch erreicht werden, daß die
Steuervorrichtung ferner derart ausgebildet ist, um den definierten
Druck zu variieren, und daß die
Auswerteeinheit ferner derart ausgebildet ist, daß sie Defekte
im Substrat anhand von Veränderungen
des Ultraschallsignals abhängig
von Variationen des Drucks quantifizieren kann. Die Größe von beispielsweise
Rissen im Substrat beeinflußt
das Ultraschallsignal. Durch den definierten Druck kann die Größe eines
Risses verändert
werden. Daher kann durch gezieltes Ändern des definierten Drucks,
beispielsweise stetiges Erhöhen,
auch das durch das Substrat und den Riß laufende Ultraschallsignal
beeinflußt
werden. Durch Auswerten der Abhängigkeit der
Ultraschallsignaländerungen
von den Druckvariationen kann eine Klassifikation des Risses vorgenommen
werden.
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Für den Fall,
daß der
mit Ultraschall abzutastende Querschnitt des Substrats größer ist
als die durch den Ultraschallsender beschallte Fläche und die
durch den Ultraschallempfänger
abgetastete Fläche,
kann die Steuervorrichtung ferner derart ausgebildet sein, daß der Ultraschallsender
und der Ultraschallempfänger über die
Oberfläche
des Substrats des Partikelfilters derart bewegt werden können, daß der Filterquerschnitt
nahezu vollständig
abgetastet wird.
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Insbesondere
kann die Steuervorrichtung ausgebildet sein, um periodisch eine
Ultraschallmessung zur Detektion von Defekten zu initiieren. Diese Ausführungsform
eignet sich insbesondere für
den Einsatz mit einer vollautomatischen Defekterkennungsvorrichtung,
die ohne Aufsicht oder Bedienvorgänge Messungen von Defekten
vornehmen kann. Beispielsweise kann einmal in der Woche oder einmal
im Monat eine Messung von der Steuervorrichtung angestoßen werden,
um den Filterzustand und die Filterleistung zu überprüfen.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
kann die Steuervorrichtung ausgebildet sein, um eine Ultraschallmessung
zur Detektion von Defekten abhängig von
einer Motorlaufleistung zu initiieren. Beispielsweise kann alle
1.000 km eine Messung initiiert werden.
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Vorzugsweise
ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, daß sie Defekte im Substrat durch
eine Messung der Geschwindigkeit des durch das Substrat laufenden
Ultraschallsignals auswerten kann. Es hat sich gezeigt, daß Defekte
im Substrat des Partikelfilters, wie Risse, die Schallgeschwindigkeit
beeinflussen, vor allem verringern. Daher kann ein Substrat auf
Defekte durch eine Messung der Geschwindigkeit des Ultraschallsignals
im Substrat, insbesondere über
eine Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals gemessen werden.
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Die
Vorrichtung ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
als Onboard-Einheit
zur Montage in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, so daß sie beispielsweise
zusammen mit einem Partikelfilter als Einheit angeboten und in Fahrzeugen
montiert werden kann. In diesem Fall kann auch eine Anordnung der
Sensoren außerhalb
des Abgasstroms sinnvoll sein. Das Ultraschallsignal läuft dann
diagonal oder rechtwinklig zum Abgasstrom.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ultraschall-Detektion
von Defekten im Substrat eines Partikelfilters für Abgase eines Verbrennungsmotors eines
Kraftfahrzeugs, bei dem eine Ultraschallquelle ein Ultraschallsignal
aussendet, ein Ultraschallempfänger
das ausgesandte Ultraschallsignal empfängt, und eine mit dem Ultraschallempfänger kommunikationsmäßig gekoppelte
Auswerteeinheit das vom Ultraschallempfänger empfangene Ultraschallsignal auswertet.
Der Ultraschallsender ist an einer Seite des Partikelfilters und
der Ultraschallempfänger
an einer dieser einen Seite gegenüber liegenden Seite des Partikelfilters
derart angeordnet, daß das
ausgesandte Ultraschallsignal durch das Substrat läuft, ähnlich wie
die Abgase. Der Weg des Ultraschallsignals durch das Substrat hängt von
der Anordnung von Ultraschallsender und -empfänger ab, die derart gewählt sein
kann, daß der
Weg so kurz wie möglich ist
oder bestimmte Bereiche des Substrats vom Ultraschallsignal erfaßt werden.
Letzteres kann durch eine versetzte Anordnung von Ultraschallsender
und -empfänger
erreicht werden und sinnvoll sein, um einen größeren Bereich des Substrats
zu erfassen. Eine Steuervorrichtung bringt nun den Ultraschallsender
und den Ultraschallempfänger
zur Detektion von Defekten mit der Oberfläche des Substrats des Partikelfilters
in Kontakt, und die Auswerteeinheit wertet Defekte im Substrat anhand
des empfangenen Ultraschallsignals aus.
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Insbesondere
bringt die Steuervorrichtung den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger unter
definiertem Druck mit der Oberfläche
des Substrats des Partikelfilters in Kontakt.
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Zur
Verbesserung der Detektion von Defekten kann die Steuervorrichtung
den definierten Druck variieren und die Auswerteeinheit Defekte
im Substrat anhand von Veränderungen
des Ultraschallsignals abhängig
von Variationen des Drucks quantifizieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform bewegt
die Steuervorrichtung den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger über die
Oberfläche des
Substrats des Partikelfilters derart, daß der Filterquerschnitt nahezu
vollständig
abgetastet wird.
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Die
Steuervorrichtung kann periodisch eine Ultraschallmessung zur Detektion
von Defekten initiieren.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
kann die Steuervorrichtung eine Ultraschallmessung zur Detektion
von Defekten abhängig
von einer Motorlaufleistung initiieren.
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Die
Auswerteeinheit kann Defekte im Substrat durch eine Messung der
Geschwindigkeit des durch das Substrat laufenden Ultraschallsignals
auswerten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und
in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zur Detektion von Defekten
im keramischen Substrat eines Partikelfilters für Abgase eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung;
und
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2 eine
Draufsicht auf die Oberfläche
des keramischen Substrats eines Partikelfilters für Abgase
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs und eines Ultraschallsenders
gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
einen Partikelfilter 10, der im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs
mit einem Verbrennungsmotor eingebaut ist. Am Einlaß 26 des
Filters strömt
Abgas des Verbrennungsmotors ein, das Partikel wie beispielsweise
Ruß enthält. Das
Abgas wird durch das keramische Substrat 12 des Filters 10 gepreßt und strömt am Auslaß 28 des
Filters 10 von Partikeln gereinigt aus. Die Partikel im
Abgas werden im typischerweise porösen keramischen Substrat 12 des
Filters 10 eingelagert und müssen von Zeit zu Zeit entfernt
werden, beispielsweise durch Aufheizen des Filters 10,
genauer gesagt des Substrats 12 auf die eingangs erwähnten Temperaturen.
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2 zeigt
die Oberfläche 13 des
keramischen Substrats 12 des Filters 10 in einer
Draufsicht. Das Substrat 12 weist Mikrokanäle auf,
die sich längs des
Substrats 12 durch den Filter 10 hindurch erstrecken
und durch die das Abgas strömen
kann. Defekte im keramischen Substrat, wie beispielsweise Risse oder
Brüche,
reduzieren die Filterleistung und sollten daher so früh wie möglich entdeckt
werden. Um die eingangs erwähnten
bekannten und aufwendigen Methoden zur Untersuchung des Filters 10 auf
derartige Defekte zu vermeiden, wird nun die im Folgenden im Detail
erläuterte
erfindungsgemäße Vorrichtung
verwendet, die sich im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen bekannten
Untersuchungsmethoden vor allem für eine Applikation im Fahrzeug eignet.
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Die
Vorrichtung umfaßt
einen Ultraschallsender 14, einen Ultraschallempfänger 16,
eine Steuervorrichtung 18 für den Ultraschallsender 14 und
den Ultraschallempfänger 16 sowie
eine Auswerteeinheit 20. Die Steuervorrichtung 18 startet
von Zeit zu Zeit, beispielsweise abhängig von einem Eingangssignal 30,
einen Meßvorgang,
bei dem Defekte des keramischen Substrats 12 des Filters 10 detektiert
werden sollen. Das Eingangssignal 30 kann von einem (nicht gezeigten)
Motorsteuergerät
stammen, das beispielsweise abhängig
von der Motorlaufleistung oder einer Uhr das Signal erzeugt, um
einen Filtermeßvorgang
zu initiieren. Bei Start eines Meßvorgangs setzt die Steuervorrichtung 18 den
Ultraschallsender 14 und den Ultraschallempfänger 16 unter
leichtem Druck auf die beiden gegenüber liegenden Oberflächen 13 des
keramischen Substrats 12 auf, die im Einlaß 26 bzw.
im Auslaß 28 des
Partikelfilters 10 liegen. Hierbei setzt die Steuervorrichtung 18 den
Sender 14 und den Empfänger 16 auf
etwa gegenüber liegende
Flächenabschnitte
der Oberflachen 13 auf, so daß ein optimaler Empfang eines
vom Sender 14 ausgesandten und das Substrat 12 laufenden
Ultraschallsignals durch den Empfänger 16 gewährleistet ist.
In 2 ist beispielhaft lediglich der Ultraschallsender 14 mit
seiner Verbindungsleitung 15 zur Steuervorrichtung 18 dargestellt,
wobei der Ultraschallempfänger 16 direkt
gegenüber
liegend angesetzt und in 2 verdeckt ist. Danach steuert
die Steuervorrichtung 18 den Ultraschallsender 14 derart
an, daß dieser
ein Ultraschallsignal aussendet. Gleichzeitig wird die Auswerteeinheit 20 empfangsbereit detektiert,
tastet die Auswerteeinheit 20 das empfangene Signal ab
und wertet es aus. Um eine besonders gute Signalübertragung zwischen Sender 14 und
Substrat 12 sowie Empfänger 16 und
Substrat 12 zu erzielen, befindet sich zwischen den aufeinander liegenden
Flächen
von Sender 14 und Substrat 12 sowie Empfänger 16 und
Substrat 12 ein Kontaktmittel 22 bzw. 24,
beispielsweise ein wasser-basiertes Gel oder dergleichen Ultraschall
gut leitendes Medium.
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Als
Ultraschallempfänger
kann beispielsweise ein Standardmeßgerät für die Ultraschallgeschwindigkeit
wie pundit Plus von CNS Farnell, Großbritannien, verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, durchläuft ein
Ultraschallsignal das keramische Substrat des Filters. Degradationen
und Defekte wie Sprünge,
Risse, geschmolzene Bereiche im Substrat verhindern entweder die
Schallausbreitung oder bremsen sie zumindest, so daß sich die
Schallgeschwindigkeit verringert. Typische Werte der Schallgeschwindigkeit
in neuen insbesondere keramischen Materialien liegen im Bereich
von etwa 2.500 bis etwa 7.500 m/s, abhängig vom verwendeten Material und
seiner Porosität.
Für jedes
neue Substratmaterial sollten daher einige Referenzmessungen durchgeführt werden,
die in der Regel nur einige Sekunden dauern. Eine längere Meßzeit bis
zu zwei Minuten kann sinnvoll sein, um eine Standardabweichung zu messen.
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Die
gemessene Ultraschallgeschwindigkeit ist dabei mit der Größe (Öffnung)
des Risses korreliert, die ihrerseits die Filtrationseffektivität bestimmt. Daraus
ergibt sich, daß das
gemessene Signal im Falle eines Risses abhängig davon ist, ob der Riß zusammengedrückt wird
oder nicht. Folglich kann eine Erhöhung des Anpreßdrucks
des Ultraschallsenders und -empfängers
an das Substrat dazu führen,
daß der
Riß zusammengedrückt wird
und die gemessene Geschwindigkeit steigt. Diese Abhängigkeit
kann ebenfalls zur Auswertung herangezogen werden, um einen Riß zu quantifizieren.
Im Falle eines intakten Filters gibt es keine oder eine nur sehr
geringe Druckabhängigkeit,
die lediglich durch eine verbesserte Einspeisung des Ultraschallsignals
bewirkt wird (im Bereich von etwa 5 %). Die Abhängigkeit bei Rissen kann dagegen
bei etwa 80 % und mehr liegen.
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In
gleicher Weise läßt sich
der Effekt des Gehäuses
(canning) des Filtersubstrats erfassen. Wenn der Filter durch den
Anpreßdruck
der Matte in Position gehalten wird, kann das Ultraschallsignal
auch im Fall von Rissen hoch sein, da die Rißkanten aufeinander liegen.
Der hohe Meßwert
spiegelt aber auch hier die Tatsache wider, daß Filter (zumindest solche mit
hoher Wärmeausdehnung)
unter diesen Umständen
in der Regel noch gut filtern. Wenn der Filter dann aus dem Canning
entfernt wird, sinken die gemessenen Geschwindigkeiten.
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Diese
Messungen der Geschwindigkeit des Ultraschallsignals am Ausgang
des Substrats können
in der Regel wie folgt interpretiert werden (nominale Schallgeschwindigkeit
bedeutet die Geschwindigkeit, die der Ultraschallimpuls in einem
Substrat im Wesentlichen ohne Defekte besitzt).
- • Geringe
Reduzierungen der nominalen Schallgeschwindigkeit deuten auf moderate
Schäden hin,
welche die Filtrationseffektivität
so gut wie nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen.
- • Größere Geschwindigkeitsreduktionen
deuten auf weitergehende, vor allem für die Filtrationseffektivität wesentliche
Schäden
bzw. Defekte hin; bei sehr hohen Geschwindigkeitsreduktionen sind mit
sehr hoher Wahrscheinlichkeit die Filtereffektivität besonders
stark beeinträchtigende
Defekte des Filtersubstrats vorhanden.
- • Wenn
der Ultraschallempfänger überhaupt
kein Ultraschallsignal empfängt,
bedeutet das, daß das
Substrat in wenigstens zwei Teile gebrochen ist und die Ultraschallsignalübertragung
durch das Substrat unterbrochen ist. In einem derartigen Fall hat
der Filter seine Filterwirkung nahezu vollständig verloren.
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Diese
Interpretation der Schallgeschwindigkeit kann in der Auswerteinheit
implementiert sein, die ihr Interpretationsergebnis entsprechend
ausgeben kann, beispielsweise über
eine Warnleuchte im Cockpit eines Fahrzeugs, die einen Defekt des
Partikelfilters signalisiert. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Auswerteinheit nicht
nur zur Auswertung der Schallgeschwindigkeit ausgebildet sein kann,
sondern auch eine Analyse der Form des empfangenen Ultraschallimpulses
vornehmen kann, um weitere Informationen über Defekte im Substrat des
Filters zu erhalten.
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Der
Kontakt zwischen Ultraschallsender und -empfänger und der Oberfläche des
keramischen Substrats des Filters kann verbessert werden, indem ein
Kontaktmittel wie beispielsweise ein wasser-basiertes Gel verwendet
wird. Ein derartiges Kontaktmittel verhindert eine Beeinträchtigung
der Signalübertragung
vom Ultraschallsender auf das Substrat oder vom Substrat auf den
Ultraschallempfänger
aufgrund von luftgefüllten
Spalten. Als Kontaktmittel kann auch Fett verwendet werden, das
nach einer Messung wieder durch Verbrennen bei hohen Temperaturen
von der Oberfläche
des keramischen Substrats entfernt werden kann.
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Standard-Ultraschallsender
arbeiten üblicherweise
in einem Frequenzbereich von etwa 54 kHz und können einen Durchmesser von
beispielsweise etwa 50 mm ihrer schallaktiven Fläche aufweisen. Dadurch kann
der Ultraschallsender durch den Abgaseinlaß in den Filter eingeführt werden,
wenn eine externe Detektion von Filterdefekten beispielsweise bei
einer Inspektion eins Fahrzeugs in einer Werkstatt vorgenommen werden
soll. Ein aufwendiger Ausbau des Filters aus dem Fahrzeug zum Untersuchen
ist dann nicht mehr notwendig. Mit derartigen Ultraschallsendern
können
auch segmentierte keramische Substrate von Partikelfiltern untersucht werden,
wie eines beispielhaft in 2 dargestellt
ist. Es können
auch vorteilhaft Ultraschallsender mit kleineren Durchmessern ihrer
schallaktiven Fläche
von beispielsweise etwa 25 mm eingesetzt werden. Derartige Sender
senden Ultraschall in der Regel in einem Frequenzbereich von etwa
150 kHz. Mit ihnen kann vor allem jedes Segment eines segmentierten keramischen
Substrats (siehe 2) gesondert untersucht werden.
Dadurch können
Defekte des Substrats besser lokalisiert werden.
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Die
Erfindung kann vorteilhaft in der Forschung und Entwicklung von
Partikelfiltern eingesetzt werden, da wesentlich kürzere Untersuchungszeiten zum
Detektieren von Defekten erforderlich sind. Insbesondere können damit
neue Substratmaterialien getestet werden. Beispielsweise kann während eines Filtertests
periodisch das Filtersubstrat mit der Erfindung auf Defekte überprüft werden,
wodurch der Test nur für
kurze Zeit unterbrochen werden muß.
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Ferner
kann die Erfindung auch vorteilhaft in Werkstätten eingesetzt werden, um
eine kostengünstige
und schnelle Untersuchung des Filters zu ermöglichen. Beispielsweise kann
im Rahmen einer Fahrzeuginspektion das Substrat des Filters von
einem Mechaniker mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Defekte
untersucht werden. Dadurch kann der Mechaniker feststellen, ob der
Filter ausgetauscht werden muß oder
im Fahrzeug verbleiben kann. Auch bei einem vermuteten Filterdefekt,
beispielsweise aufgrund schlechter Abgaswerte, kann die Erfindung
zum Überprüfen des
Filters auf Defekte des keramischen Substrats verwendet werden.
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Die
interessanteste Applikation der Erfindung ist allerdings der Einsatz
als Onboard-Einheit, d.
h. im Fahrzeug. Beispielsweise kann die Vorrichtung zusammen mit
dem Filter als Einheit in ein Fahrzeug implementiert werden und
entweder von einem Steuergerät
im Fahrzeug oder über
eine Diagnoseschnittstelle von extern angesteuert werden. Im ersten
Fall kann damit eine vollautomatische Untersuchung des Filters vorgenommen
werden, beispielsweise periodisch in gewissen Zeitabständen oder
abhängig
von einer Motorlaufleistung bzw. einem Kilometerstand des Fahrzeugs.
Möglich
ist aber auch, die Untersuchung vor oder nach dem Start des Verbrennungsmotors
durchzuführen,
wobei Untersuchungen im Betriebszustand des Verbrennungsmotors oder
in seinem Stillstand möglich
sind. Im zweiten Fall wird die Arbeit in einer Werkstätte weiter
vereinfacht, da lediglich an die Diagnoseschnittstelle ein Diagnosegerät angeschlossen
werden muß,
das den Filter automatisch auf Defekte untersucht und die Meßergebnisse
anzeigen und ggf. ausdrucken kann.
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Schließlich kann
durch die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit auch auf die Belegung
des Filters mit Partikeln geschlossen werden, da eine starke Belegung
des Filters die Schallgeschwindigkeit im Substrat verändert.
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Zusammenfassend
weist die Erfindung die folgenden wesentlichen Vorteile auf:
- • Das
keramische Substrat muß zur
Untersuchung nach Defekten nicht aus dem Filtergehäuse entfernt
werden, da der Ultraschallsender und -empfänger bei entsprechender Meßkopfgröße über den
Abgaseinlaß bzw.
-auslaß zugeführt werden können;
- • Die
Erfindung eignet sich für
die Untersuchung vieler verschiedener Substratmaterialien;
- • Die
Messung nach der Erfindung ist schnell, so daß Meßergebnisse schon nach kurzer
Zeit erhalten werden können;
- • Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist relativ klein und kann daher an den Filter angebaut werden bzw.
in das Filtergehäuse
integriert werden;
- • Die
Messung nach der Erfindung ist relativ kostengünstig im Vergleich zum Untersuchen
des Filters mit Röntgenstrahlung;
- • Beim
Einsatz von kleinen Meßköpfen für Ultraschallsender
und -empfänger
können
Defekte im Filter sehr genau lokalisiert werden.