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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Feststellen des Zustands eines Partikelfilters. Bei Filtern
für feinste Partikel, beispielsweise Rußpartikelfiltern
für den Abgasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs, besteht das Problem, dass sich der Filter während
des Betriebs mit der Zeit mit den gefilterten Partikeln zunehmend
belädt. Die Folge ist, dass das zu filternde Medium, beispielsweise
das Abgas, nicht mehr ungehindert durch den Filter strömen
kann. Daher muss der Filter von Zeit zu Zeit von den Partikeln befreit
werden. Dies kann beispielsweise durch einen Abbrand der Partikel
erfolgen. Der Zeitpunkt, zu dem eine Reinigung oder auch eine sonstige
Wartung des Partikelfilters erforderlich ist, variiert abhängig
von den Betriebsbedingungen des Systems. Um den richtigen Zeitpunkt
für die Regeneration oder Wartung zu bestimmen, ist es
wünschenswert, den Zustand des Filters, beispielsweise
seine Beladung mit gefilterten Partikeln, festzustellen.
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Eine
bekannte Methode zur Feststellung des Beladungszustands eines Partikelfilters
basiert auf der Tatsache, dass mit zunehmender Beladung des Filters
mit Partikeln eine Druckdifferenz zwischen dem Filtereingang und
dem Filterausgang entsteht. Diese Druckdifferenz kann in eine Aussage über
die Beladung des Filters umgesetzt werden. Ein solches bekanntes
System ist schematisch in 1 dargestellt.
Mit (A) ist in 1 der Zustrom bereits vorgereinigter,
aber noch mit Rußpartikeln beladener Abgase in einen Dieselpartikelfilter
bezeichnet. Der Abgasstrom trifft in dem Filter auf mit (B) bezeichnete Filterlamellen.
Die Filterlamellen halten die aus dem Abgasstrom herauszufilternden
Rußpartikel zurück, wie in 1 in der
Schnittvergrößerung (C) dargestellt. Nach Durchlaufen
der Filterlamellen gelangt der gereinigte Abgas strom aus dem Filter
heraus, in 1 mit (D) bezeichnet. Um den
Beladungszustand des Filters festzustellen, sind bei dem bekannten System
Drucksensoren (E) vorgesehen, die eine Druckdifferenz zwischen dem
Filtereingang und dem Filterausgang messen. Wird mittels der Drucksensoren
ein bestimmter, kritischer Beladungszustand des Filters festgestellt,
wird eine Regenerationsphase des Filters eingeleitet, in der der
Filter durch einen Abbrand der Partikel gereinigt wird.
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Nachteilig
bei dem bekannten System ist, dass die gemessene Druckdifferenz
von diversen äußeren Parametern, wie beispielsweise
der Temperatur abhängt. Um dies zu berücksichtigen,
muss ein separater Temperatursensor, in 1 mit (F)
bezeichnet, vorgesehen werden. Dies macht die bekannte Vorrichtung
aufwendig. Außerdem nehmen neben der Temperatur noch andere
Parameter, wie beispielsweise Druck, Feuchte, etc. einen störenden Einfluss
auf die Messung. Daher ist mit der bekannten Vorrichtung die Feststellung
des Beladungszustands eines Partikelfilters nicht immer zuverlässig möglich.
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Zur
Lösung dieses Problems ist aus der
DE 102 42 300 A1 eine Vorrichtung
und ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Partikelfilters
bekannt. Demnach wird in Abgasströmungsrichtung vor dem
Partikelfilter eine Schallquelle und in Abgasströmungsrichtung
hinter dem Partikelfilter ein Schallempfänger in dem Abgasstrom
positioniert. Die Schallquelle sendet ein Schallsignal in Richtung
des Partikelfilters aus, welches nach Durchlaufen des Partikelfilters
von dem hinter dem Filter angeordneten Schallempfänger
aufgenommen wird. Eine Auswerteeinrichtung ist vorgesehen zum Auswerten
des empfangenen Schallsignals. Mittels der Auswerteeinrichtung wird
eine Schall-Transmissionsmessung durchgeführt, indem die
Amplitude und/oder die Phasenlage der Schallsignale vor und hinter
dem Filter miteinander verglichen werden. Aus einer Abschwächung
und Phasenverschiebung des den Filter durchlaufenden Schallsignals
wird auf die Beladung des Filters mit Rußpartikeln geschlossen. Auf
diese Weise soll der Einfluss von Störgrößen,
wie beispielsweise der Abgastemperatur, die zu einer Ungenauigkeit
konventioneller Differenzdruckmessungen führen, verringert
werden.
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Trotzdem
wirken sich bei dem bekannten Verfahren andere Einflüsse
nachteilig auf die Messgenauigkeit aus. Dazu zählen beispielsweise
Störgeräusche, die von im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden
Schallquellen erzeugt werden. Derartige Störeinflüsse
führen zu einer Unzuverlässigkeit der Messung
und müssen in aufwendiger Weise bei der Auswertung des
Messergebnisses berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass
bei dem bekannten Verfahren eine aufwendige Elektronik erforderlich
ist, um eine für die Auswertung ausreichende Messamplitude
am Schallempfänger zu erzeugen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen
der Zustand eines Filters im Vergleich zum Stand der Technik einfacher
und zuverlässiger festgestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren
gemäß Patentanspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Patentanspruch
16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen
finden sich in den abhängigen Ansprüchen sowie
der Beschreibung und den Figuren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Feststellen des
Zustands eines Partikelfilters umfasst die Schritte Anregen von
Schallwellen in dem Partikelfilter mittels einer an den Partikelfilter
angrenzenden Anregeeinrichtung, Messen der in dem Partikelfilter angeregten
Schallwellen mittels einer an den Partikelfilter angrenzenden Messeinrichtung
und Auswerten des Messergebnisses der Messeinrichtung mittels einer
Auswerteeinrichtung, wobei der Zustand des Partikelfilters festgestellt
wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen
des Zustands eines Partikelfilters umfasst eine an den Parti kelfilter angrenzende
Anregeeinrichtung, mit der Schallwellen in dem Partikelfilter anregbar
sind, eine an den Partikelfilter angrenzende Messeinrichtung, mit
der die in dem Partikelfilter angeregten Schallwellen messbar sind,
und eine Auswerteeinrichtung, mit der das Messergebnis der Messeinrichtung
auswertbar ist, wobei der Zustand des Partikelfilters feststellbar ist.
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Die
Grundidee der Erfindung liegt darin, mittels einer an den Partikelfilter
angrenzenden, beispielsweise angesetzten, Anregeeinrichtung in dem Filter
direkt eine Schallwelle anzuregen. Mittels der ebenfalls an den
Filter angrenzenden, beispielsweise angesetzten, Messeinrichtung
wird diese in dem Filter angeregte Schallwelle wiederum direkt von
der Messeinrichtung aufgenommen. Im Gegensatz zu der aus dem Stand
der Technik bekannten Luftschallmessung wird also durch die an den
Filter angrenzende Anregeeinrichtung in dem Filter direkt Körperschall
erzeugt. Dieser sich in dem Filter ausbreitende Körperschall
wird von der an den Filter angrenzenden Messeinrichtung wiederum
direkt gemessen. Der Filter selbst wird erfindungsgemäß als
mechanischer Resonator genutzt. Mittels der angrenzenden Anrege-
und Messeinrichtungen kann dabei die Resonanz des Filters auf eine
bestimmte Anregung untersucht werden. Bei einer Zustandsänderung
des Filters, beispielsweise einer Dichteänderung aufgrund
einer zunehmenden Beladung des Filters mit Partikeln, kommt es zu
einer Veränderung des Schwingungsverhaltens des Filters.
Je nach Zustand des Filters ergeben sich bei einer bestimmten Anregung
also unterschiedliche resultierende Schallwellen in dem Filter,
so dass aus der Messung dieser Schallwellen auf den Zustand des
Filters geschlossen werden kann. Bei Feststellung einer kritischen Partikelbeladung
des Filters kann dann beispielsweise rechtzeitig ein Abbrand der
Partikel eingeleitet werden.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit der im Stand der Technik
vorgeschlagenen Transmissionsmessung von durch den Partikelfilter geleitetem
Luftschall diverse Nachteile verbunden sind. Insbesondere wird bei
einer Einkopplung von Schallwellen in oder aus Luft als Ausbreitungsmedium
nur eine schlechte Kopplung der Schallenergie erreicht. So beträgt
beispielsweise bei der Verwendung von Piezoelementen als Schallquelle
das Verhältnis zwischen der in die Luft eingekoppelten Schallenergie
und der durch das Piezoelement ursprünglich angeregten
Energie oftmals weniger als 1% Bei einer Kopplung zwischen zwei
Festkörpern, beispielsweise einem Piezoelement und einem
Partikelfilter, können dagegen Kopplungsgrade von bis zu 50%
eingekoppelter Energie erreicht werden.
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Diese
Erkenntnis macht sich die Erfindung zu Nutze, indem die Anregeeinrichtung
und die Messeinrichtung an den Partikelfilter angrenzen und somit
direkt Schallwellen in dem Filter erzeugen bzw. sich in dem Filter
ausbreitende Schallwellen messen können, ohne dass eine
Kopplung mit dem Medium Luft erfolgt. Auf diese Weise wird die Kopplung
zwischen der Anrege- bzw. Messeinrichtung einerseits und dem Partikelfilter
andererseits gegenüber dem Stand der Technik erheblich
verbessert. Die Folge ist, dass der Einfluss von Störungen
der Luft, wie beispielsweise Störgeräuschen, deutlich
geringer ist als bei einer konventionellen Luftschallmessung. Da durch
die erfindungsgemäß verbesserte Kopplung bei gleicher
Schallanregung stärkere Schallwellen in dem Filter erzeugt
und somit ein stärkeres Messergebnis erreicht wird, ist
die für eine zuverlässige Messung erforderliche
Messamplitude außerdem mit geringerem Aufwand zu erreichen.
Somit kann die erfindungsgemäß eingesetzte Elektronik
weniger aufwendig ausgestaltet sein als beim Stand der Technik.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in einer verbesserten Elektromagnetischen
Verträglichkeit (EMV) des Systems, da elektromagnetische
Strahlung die angeregten Schallwellen nicht beeinflusst. Im Vergleich
zu einer konventionellen Druckdifferenzmessung sind erfindungsgemäß außerdem
keine zusätzlichen Sensoren zur Messung äußerer
Parameter, wie Temperatur, Druck, Feuchte etc. erforderlich. Es
ergeben sich somit Einsparungen bei der Herstellung.
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Die
erfindungsgemäße Anregeeinrichtung sowie die erfindungsgemäße
Messeinrichtung können insbesondere direkt an den Partikelfilter
angrenzend ausgestaltet sein, also beispielsweise an diesen direkt
angesetzt sein. Im Rahmen der Erfindung ist der Begriff „angrenzend"
jedoch so auszulegen, dass es auch denkbar ist, dass zwischen der
Anregeeinrichtung und dem Partikelfilter bzw. zwischen der Messeinrichtung
und dem Partikelfilter noch ein Zwischenelement, insbesondere ein
Festkörperelement, vorgesehen ist. Entscheidend ist dabei
jedoch, dass sich Schwingungen bzw. Schallwellen zwischen dem Partikelfilter
und der Anregeeinrichtung bzw. zwischen dem Filter und der Messeinrichtung,
gegebenenfalls über das Zwischenelement, übertragen
können, ohne dass eine Einkopplung in Luft erforderlich ist.
Als Zwischenelement denkbar wäre beispielsweise ein Gehäuse
des eigentlichen Filtermaterials, an das die Anrege- und Messeinrichtung
angesetzt sind. Auch ein anderes Zwischenmedium wäre denkbar, grundsätzlich
auch ein Fluid als Kopplungsmedium, sofern die Kopplung zwischen
Filter und Anrege- bzw. Messeinrichtung gegenüber der Kopplung durch
ein Festkörperzwischenelement dadurch nicht erheblich beeinträchtigt
wird.
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Der
erfindungsgemäß festgestellte Zustand kann insbesondere
der Beladungsgrad des Filters mit Partikeln sein. Es ist aber auch
denkbar, Rückschlüsse auf andere Eigenschaften
des Filters zu treffen, beispielsweise auf einen Defekt, wie eine
Materialbeschädigung oder Ähnliches.
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Bei
dem Partikelfilter kann es sich um einen Partikelfilter zur Gasfiltration,
beispielsweise Abgasfiltration, handeln. Dabei kann der Filter zum
Filtern hochfeiner Partikel vorgesehen sein. Beispiele für
einen solchen Partikelfilter sind Rußpartikelfilter, insbesondere
für Dieselbrennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Der
Partikelfilter kann vorzugsweise aus einem Keramikwerkstoff hergestellt
sein. In dieser Hinsicht bewährt hat sich in der Praxis
der Keramikwerkstoff Korderit.
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Bei
der Anregeeinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Schallquelle
bzw. einen Schallerreger. Die Anregeeinrichtung kann grundsätzlich
auch im Randbereich des Partikelfilters selbst vorgesehen sein.
In seiner einfachsten Form können durch die Anregeeinrichtung
beispielsweise sinusförmige Schallwellen angeregt werden.
Zur Steuerung der Anregeeinrichtung kann insbesondere eine Steuereinrichtung
vorgesehen sein. Diese kann von der Auswerteeinrichtung umfasst
sein. Sie kann aber auch von der Anregeeinrichtung selbst umfasst sein
oder separat ausgebildet sein. Für die Auswertung kann
die Auswerteeinrichtung beispielsweise einen Mikroprozessor aufweisen.
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Die
Anregeeinrichtung kann beispielsweise zyklisch Schallwellen in dem
Partikelfilter anregen, so dass in regelmäßigen
Zeitabständen der Zustand des Filters festgestellt werden
kann. Stellt sich dabei beispielsweise ein kritischer Beladungszustand
des Filters mit Partikeln heraus, so kann eine Filterregeneration
durch einen Abbrand der Partikel erfolgen. Auf diese Weise bleibt
der Filter über seinen gesamten Lebenszyklus wartungsfrei.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem
erfindungsgemäßen Verfahren ist im Vergleich zum
Stand der Technik das Feststellen des Zustands des Partikelfilters
einfacher, genauer und damit zuverlässiger möglich.
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Die
Frequenz der angeregten Schallwellen kann im gesamten für
Schallwellen möglichen Frequenzbereich liegen. Es kann
sich also insbesondere um Infraschall, Hörschall, Ultraschall
oder Hyperschall handeln.
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Vorteilhaft
ist jedoch, wenn mittels der Anregeeinrichtung Ultraschallwellen
in dem Partikelfilter angeregt werden. Gemäß dieser
Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Anre geeinrichtung eine
Einrichtung zum Anregen von Ultraschallwellen in dem Partikelfilter.
Die Erzeugung von Ultraschallwellen führt zu einer Erhöhung
der Messgenauigkeit. Ultraschallwellen können außerdem
besonders einfach erzeugt und gemessen werden, beispielsweise mit Piezoelementen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann das Anregen der Schallwellen
mittels mindestens eines an den Partikelfilter angrenzenden Piezoelements
erfolgen. Demgemäß weist die Vorrichtung bei dieser
Ausgestaltung zum Anregen der Schallwellen mindestens ein an den
Partikelfilter angrenzendes entsprechendes Piezoelement auf. Bei
dieser Ausgestaltung wird das Piezoelement durch Anlegen einer geeigneten
elektrischen Spannung in Schwingung versetzt. Das Piezoelement überträgt
dabei die Energie seiner Schwingung auf den angrenzenden Partikelfilter,
so dass in diesem Schallwellen erzeugt werden. Mittels Piezoelementen
kann in besonders einfacher und präziser Weise eine gewünschte
Schallwelle erzeugt werden. Indem das Piezoelement, gegebenenfalls
unter Vorsehen eines Zwischenelements, an den Partikelfilter angrenzt,
ist keine Kopplung mit dem Medium Luft erforderlich. Es wird eine
optimale Einkopplung der Energie in den Partikelfilter erreicht.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass das Messen der Schallwellen mittels mindestens
eines an den Partikelfilter angrenzenden Piezoelements erfolgt.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist
zum Messen der Schallwellen mindestens ein an den Partikelfilter
angrenzendes Piezoelement vorgesehen. Aufgrund der angrenzenden
Ausgestaltung werden die in dem Filter erzeugten Schallwellen, gegebenenfalls über
ein Zwischenelement, direkt auf das Piezoelement übertragen,
welches durch die Schallwellen zu einer mechanischen Schwingung
angeregt wird. Das Piezoelement wandelt seine mechanische Schwingung
in eine elektrische Spannung um, die als Messergebnis genutzt werden
kann. Eine Einkopplung in Luft ist dabei nicht erfor derlich. Wiederum
ergibt sich der Vorteil einer besonders guten Kopplung zwischen
dem Partikelfilter und dem zur Messung verwendeten Piezoelement.
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Ein
weiterer Vorteil von Piezoelementen ist ihre geringe Empfindlichkeit
für Luftschall, so dass sich im Betrieb auftretende Störgeräusche
kaum auf das Messergebnis auswirken. Selbstverständlich
ist es grundsätzlich auch denkbar, andere Bauteile, zum Beispiel
Lautsprecher und Mikrofone, als Anrege- bzw. Messeinrichtung einzusetzen.
Insbesondere Körperschall lässt sich aber mit
Piezoelementen besonders gut erzeugen und aufnehmen.
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Die
in Rede stehenden Partikelfilter werden oftmals aus einem keramischen
Werkstoff hergestellt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor,
dass zumindest ein Bereich des Partikelfilters piezoelektrische
Eigenschaften aufweist. Dieser Bereich grenzt dabei an den übrigen
Filterbereich an. Selbstverständlich kann insbesondere
der gesamte Filter piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
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Sofern
zumindest ein Bereich des Partikelfilters piezoelektrische Eigenschaften
aufweist, ist es möglich, an diesen piezoelektrischen Bereich
des Filters mindestens zwei Elektroden anzugrenzen. Durch diese
Elektroden können dann Schallwellen in dem Partikelfilter
erzeugt werden durch einen piezoelektrischen Effekt in dem piezoelektrischen
Bereich des Partikelfilters. Gemäß dieser Ausgestaltung
der Vorrichtung sind zum Anregen der Schallwellen mindestens zwei
an den piezoelektrischen Bereich des Partikelfilters angrenzende
Elektroden vorgesehen, mit welchen Schallwellen in dem Partikelfilter
erzeugbar sind durch einen piezoelektrischen Effekt in dem piezoelektrischen
Bereich des Partikelfilters.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird durch die an den piezoelektrischen Bereich
des Filters angrenzenden Elektroden eine geeignete elektrische Spannung,
beispielsweise eine sinusförmige Wechselspannung, an den
piezoelektrischen Bereich angelegt. Diese Spannung führt
zu einem piezoelektrischen Effekt in dem piezoelektrischen Bereich,
so dass es zu einer mechanischen Schwingung des piezoelektrischen
Bereichs kommt. Die Energie dieser Schwingung überträgt
sich auf den angrenzenden übrigen Bereich des Filters und
regt in diesem Schallwellen an. Bei dieser Ausgestaltung wird der
piezoelektrische Bereich des Partikelfilters also selbst als ein
die Schallwellen anregendes Piezoelement genutzt. Es ist somit kein
separates Piezoelement erforderlich. Dies vereinfacht den Aufbau
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des Verfahrens
weiter.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Messen
der Schallwellen entsprechend durch mindestens zwei an den piezoelektrischen
Bereich des Partikelfilters angrenzende Elektroden erfolgt. Dazu
nehmen die Elektroden eine elektrische Spannung auf, die aufgrund
der Schallwellen in dem Partikelfilter durch einen piezoelektrischen
Effekt in dem piezoelektrischen Bereich des Partikelfilters entstehen.
Gemäß dieser Ausgestaltung ist bei der Vorrichtung
entsprechend vorgesehen, dass zum Messen der Schallwellen mindestens zwei
an den piezoelektrischen Bereich des Partikelfilters angrenzende
Elektroden vorgesehen sind. Durch diese Elektroden ist eine aufgrund
der Schallwellen in dem Partikelfilter durch einen piezoelektrischen
Effekt in dem piezoelektrischen Bereich des Partikelfilters entstehende
elektrische Spannung aufnehmbar.
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Die
sich in dem Partikelfilter ausbreitenden Schallwellen übertragen
ihre Energie also auf den piezoelektrischen Bereich des Partikelfilters,
der entsprechend zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird.
Diese mechanische Schwingung führt aufgrund des piezoelektrischen
Effekts zu einer elektrischen Spannung in dem piezoelektrischen
Bereich des Filters. Diese Spannung kann wiederum direkt von den
an den piezoelektrischen Bereich angrenzenden Elektroden abgegriffen
und als Messergebnis genutzt werden. Wie bereits bei der ent sprechenden
Ausgestaltung der Erfindung mit einer mindestens zwei Elektroden
umfassenden Anregeeinrichtung werden wiederum die piezoelektrischen
Eigenschaften des piezoelektrischen Bereichs des Partikelfilters
ausgenutzt. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Messeinrichtung
erreicht, da keine weiteren Messeinrichtungen, beispielsweise separate
Piezoelemente, erforderlich sind.
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Der
piezoelektrische Bereich des Filters kann insbesondere aus einem
anderen Material hergestellt sein als der übrige Filterbereich.
Es ist grundsätzlich jedoch auch möglich, den
piezoelektrischen Bereich aus demselben Material herzustellen wie den übrigen
Filterbereich, beispielsweise einem Keramikwerkstoff. Der piezoelektrische
Bereich kann dann beispielsweise durch die Art seiner Herstellung und/oder
einer anschließenden Behandlung mit piezoelektrischen Eigenschaften
ausgestattet werden. So kann beispielsweise nach einem Sinterprozess durch
ein äußeres elektrisches Feld eine Polarisationsrichtung
in dem piezoelektrischen Bereich aufgeprägt und so die
piezoelektrische Eigenschaft dieses Bereichs erzeugt werden. Insbesondere
kann der piezoelektrische Bereich auch eine andere Dichte aufweisen
als der übrige Filterbereich. Dies vereinfacht das Ansetzen
von Elektroden und das Anlegen einer elektrischen Spannung im Vergleich
zu dem übrigen, üblicherweise porös und
schwammartig ausgebildeten Filtermaterial.
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Der
piezoelektrische Bereich kann in einem Randbereich des Partikelfilters
vorgesehen sein, beispielsweise eine Randschicht des Filters bilden.
Diese Schicht kann dünn genug ausgebildet werden, um einen
für die Schallanregung bzw. -messung ausreichenden piezoelektrischen
Effekt zu bewirken. Gleichzeitig wird das Ansetzen von Elektroden
und somit der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht. Um für die
Anregung bzw. die Messung eine ausreichende mechanische Schwingung
des piezoelektrischen Bereichs bzw. eine ausreichende korrespondierende elektrische
Spannung zu bewirken, kann außerdem zum An regen wie zum
Messen der Schallwellen eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren vorgesehen
sein, die abwechselnd eine Schicht des piezoelektrischen Bereichs
umfassen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens erfolgt das Anregen
der Schallwellen und das Messen der Schallwellen mit derselben Einrichtung.
Bei der entsprechenden Ausbildung der Vorrichtung sind die Anregeeinrichtung
und die Messeinrichtung dieselbe Einrichtung. Auf diese Weise wird
das Verfahren bzw. die Vorrichtung weiter vereinfacht. Diese Ausgestaltung
ist insbesondere vorteilhaft, wenn als Anrege- und Messeinrichtung ein
gemeinsames Piezoelement verwendet wird.
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Die
Messeinrichtung kann insbesondere eine Einrichtung zur Messung der
Amplitude der Schallwellen und/oder der Intensität der
Schallwellen und/oder der Laufzeit der Schallwellen umfassen. Mittels
der Messeinrichtung kann also die Amplitude und/oder Intensität
und/oder die Laufzeit der in dem Filter angeregten Schallwellen
gemessen werden. Abhängig von dem Zustand des Partikelfilters,
beispielsweise seiner Beladung und seiner daraus resultierenden
Dichte, weist die in dem Filter jeweils erzeugte Schallwelle eine
unterschiedliche Amplitude bzw. Intensität auf. Aus diesen
Messergebnissen kann somit auf den Zustand des Filters geschlossen werden.
Insbesondere die Schallintensität liefert aussagekräftige
Informationen über den Filterzustand. Die Laufzeit der
Schallwellen durch den Filter, also beispielsweise die Zeit, die
die Schallwellen von der Anregeeinrichtung zu der Messeinrichtung
benötigen, ist ebenfalls abhängig von dem Zustand,
insbesondere dem Beladungsgrad des Filters. Aus einer Bestimmung
des Laufzeitunterschieds zwischen einem beladenen und einem unbeladenen
Filter kann so beispielsweise auf den Beladungsgrad geschlossen
werden.
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Alternativ
oder zusätzlich kann auch die Güte des Filters
bestimmt werden. Dazu kann eine entsprechende Einrichtung zur Bestimmung
der Güte des Filters vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise
in die Auswerteeinrichtung oder auch die Messeinrichtung integriert
sein. Natürlich kann die Einrichtung auch anderweitig ausgebildet
sein, beispielsweise als separates Bauteil. Aus der Güte
lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf den Zustand des
Filters, insbesondere seine Beladung, treffen. Insbesondere kann
aus der Güte das Aufschwingverhalten des Filters ermittelt
werden und daraus auf den Filterzustand geschlossen werden.
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Die
Auswerteeinrichtung kann gemäß einer weiteren
Ausgestaltung eine Vergleichseinrichtung aufweisen, zum Vergleich
zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und der durch die
Anregeeinrichtung erfolgten Schallanregung. Gemäß dieser Ausgestaltung
des Verfahrens wird mittels der Auswerteeinrichtung ein Vergleich
zwischen dem Messergebnis der Messeinrichtung und der durch die
Anregeeinrichtung erfolgten Schallanregung durchgeführt.
Für eine bestimmte Schallanregung, also beispielsweise
eine bestimmte an als Anregeeinrichtung genutzte Piezoelemente oder
Elektroden angelegte elektrische Spannung, wird also geprüft,
welche Schallwellen durch diese Anregung in dem Filter ausgelöst
werden. Insbesondere verändert sich bei einer veränderten
Beladung des Filters mit Partikeln bei gleicher Anregung aufgrund
einer Dichteänderung des Filters die in dem Filter erzeugte
Schallwelle beispielsweise hinsichtlich ihrer Amplitude, ihrer Intensität
oder ihrer Laufzeit durch den Filter. Auch die Filtergüte
verändert sich entsprechend. Entsprechend wird eine Veränderung
des Messergebnisses der Messeinrichtung bewirkt. Aus diesem Vergleich
kann in besonders einfacher Weise auf den Zustand des Partikelfilters
geschlossen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es auch möglich, dass mittels
der Auswerteeinrichtung ein Vergleich zwischen dem Messergebnis
der Messeinrichtung und mindestens einem Referenzwert durchgeführt
wird. In diesem Fall weist die Auswerteeinrichtung der Vorrichtung
eine Vergleichseinrichtung auf, zum Ver gleich zwischen dem Messergebnis
der Messeinrichtung und mindestens einem Referenzwert. Derartige
Referenzwerte können beispielsweise in einem vorhergehenden
Kalibrierverfahren für unterschiedliche Zustände,
insbesondere Beladungen, des Partikelfilters erstellt werden. Dabei
werden bei einer bestimmten Schallanregung unterschiedlichen Zuständen
des Filters beispielsweise unterschiedliche Intensitäten
und/oder Amplituden und/oder Laufzeiten der erzeugten Schallwellen
zugeordnet. Auch können bestimmten Zuständen beispielsweise
bestimmte Güten des Filters zugeordnet werden. Durch einen
Vergleich des tatsächlich gemessenen Messergebnisses, insbesondere
der Intensität und/oder Amplitude und/oder Laufzeit und/oder
Filtergüte mit den Referenzwerten kann so in besonders
einfacher Weise der Zustand des Filters festgestellt werden.
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Um
die Genauigkeit weiter zu erhöhen, können mittels
der Anregeeinrichtung Schallwellen mindestens zweier unterschiedlicher
Frequenzen in dem Partikelfilter angeregt werden. In diesem Fall
ist bei der Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen
mindestens zweier unterschiedlicher Frequenzen in dem Filter vorgesehen.
Diese Einrichtung kann Teil der Anrege- oder der Auswerteeinrichtung
sein. Sie kann aber auch separat ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung
ist es also möglich, verschiedene Schallfrequenzen anzuregen,
die dann entsprechend von der Messeinrichtung gemessen werden. So
kann beispielsweise ein bestimmtes Frequenzspektrum angeregt werden
und das jeweilige Schwingungsverhalten des Filters bei unterschiedlichen
Frequenzen ermittelt werden. Auf diese Weise lässt sich
der Zustand des Filters noch präziser feststellen. Dabei
ist insbesondere mit nur einer Messung eine Bestimmung unterschiedlicher
Filterzustände möglich, beispielsweise eines Beladungsgrads
und eines möglichen Defekts des Filtermaterials.
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Die
Auswerteeinrichtung kann gemäß einer weiteren
Ausgestaltung die Lage der Resonanzfrequenz des Partikelfilters
auswerten und dazu eine Einrichtung zur Auswertung der Resonanz frequenzlage
umfassen. Insbesondere, wenn eine Anregung von Schallwellen unterschiedlicher
Frequenzen erfolgt, kann die Auswerteeinrichtung die Resonanzfrequenz
in besonders einfacher Weise ermitteln. Da sich die Lage der Resonanzfrequenz
mit einer Veränderung des Zustands des Filters, insbesondere
mit seiner Beladung durch Partikel, verändert, kann aus der
Lage der Resonanzfrequenz präzise auf den Zustand des Partikelfilters
geschlossen werden. Auch die Güte des Filters kann mittels
der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden und zur Bestimmung des Zustands
des Filters dienen.
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Gemäß einer
zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen,
dass mittels der Anregeeinrichtung eine impulsförmige Anregung
der Schallwellen erfolgt. Die Anregeeinrichtung weist bei dieser Ausgestaltung
der Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen einer impulsförmigen
Anregung der Schallwellen auf. Gemäß dieser Ausgestaltung
werden also zeitlich auf eine bestimmte Impulsdauer begrenzt Schallwellen
in dem Filter angeregt. Besonders praxisgemäß ist
dabei, wenn die Schallanregung in Form eines Rechteckimpulses erfolgt.
Bei einer impulsförmigen Anregung von Schallwellen ist
es möglich, mittels der Auswerteeinrichtung die Impulsantwort
bzw. Sprungantwort des Partikelfilters auszuwerten. Die Auswerteeinrichtung
kann eine Einrichtung zu diesem Zweck umfassen. Die Messeinrichtung
misst in diesem Fall die aufgrund der impulsförmigen Anregung
in dem Partikelfilter entstehenden Schallwellen. Aus der Impulsantwort
des Filters ist sein Frequenzverhalten und dabei insbesondere die
Lage und eventuelle Verschiebung der Resonanzfrequenz oder die Filtergüte
in besonders präziser Weise feststellbar. Dabei ist es
auch möglich, anhand des Frequenzverhaltens des Filters
auf bestimmte unterschiedliche Zustände des Filters, beispielsweise
seinen Beladungsgrad und einen Defekt, zu schließen. Der
Zustand des Partikelfilters kann folglich mit besonders hoher Genauigkeit
festgestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens oder der Vorrichtung
kann die Anrege- und/oder die Messeinrichtung an eine im Wesentlichen
parallel zur Strömungsrichtung eines zu filternden Mediums
angeordnete Seitenfläche des Partikelfilters angrenzen,
insbesondere auf dieser Seitenfläche angeordnet bzw. an
diese Seitenfläche angesetzt sein. Auf diese Weise wird
verhindert, dass es durch die Anrege- und/oder Messeinrichtung zu einer
Behinderung der Strömung des zu filternden Mediums kommt.
Bei zylinderförmigen Partikelfiltern kann die Seitenfläche
insbesondere die Zylindermantelfläche sein. Bei solchen
zylinderförmigen Partikelfiltern durchströmt das
zu filternde Medium den Filter üblicherweise in Richtung
der Zylinderachse, so dass das zu filternde Medium ungestört
durch den Filter strömen kann.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 eine
Vorrichtung zum Feststellen der Beladung eines Partikelfilters gemäß dem
Stand der Technik in einer Schnittansicht,
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen des
Zustands eines Partikelfilters in einer perspektivischen Seitenansicht,
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3 die
in 2 dargestellte Vorrichtung in einer halbtransparenten
Darstellung in einer perspektivischen Seitenansicht,
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4 die
in den 2 und 3 dargestellte Vorrichtung in
einer Draufsicht,
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5 die
in den 2, 3 und 4 dargestellte
Vorrichtung in einer halbtransparenten Darstellung in einer perspektivischen
Seitenansicht im Betrieb,
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6 ein
Blockdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In
den 2, 3, 4 und 5 ist schematisch
ein Partikelfilter 1 mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen
Gestalt dargestellt. Bei dem lamellenförmigen Filtermaterial
handelt es sich vorliegend um eine Keramik, insbesondere Korderit.
In den 3 und 5 ist zur Veranschaulichung
des Aufbaus der Vorrichtung eine Hälfte des Zylinderkörpers
transparent dargestellt. Der in dem Ausführungsbeispiel
dargestellte Partikelfilter 1 dient zum Filtern von Rußpartikeln
in einem Abgasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Der Pfeil 2 stellt die Strömungsrichtung von Abgas
durch den Partikelfilter 1 dar.
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Die
Vorrichtung umfasst eine an den Partikelfilter 1 angrenzende
Anregeeinrichtung 3, im vorliegenden Beispiel ein Piezoelement 3,
sowie eine ebenfalls an den Partikelfilter 1 angrenzende
Messeinrichtung 4, im dargestellten Beispiel ebenfalls
ein Piezoelement 4. Die Piezoelemente 3, 4 sind
gegenüberliegend und etwa mittig auf der Zylindermantelfläche
des Partikelfilters 1 an diesen direkt angesetzt. Dabei
sind die Piezoelemente 3, 4 mit einer Auswerteeinrichtung 5 zum
Auswerten des Messergebnisses des Messpiezoelements 4 verbunden.
Die Auswerteeinrichtung 5 umfasst dabei eine Steuereinheit zum
Steuern des Anregepiezoelements 3. Zur Auswertung kann
die Auswerteeinrichtung 5 beispielsweise einen Mikroprozessor
aufweisen.
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In 5 ist
ein in Strömungsrichtung 2 auf den Partikelfilter
treffender, eine Vielzahl Rußpartikel 6 enthaltender
Abgasstrom dargestellt. Der vom Motor kommende und zum Auspuff des
Kraftfahrzeugs geleitete Abgasstrom strömt in Richtung
der Zylinderachse des Filters 1 durch diesen hindurch.
Durch den Partikelfilter 1 wird der Großteil der
Rußpartikel 6 aus dem Abgasstrom herausgefiltert,
so dass der Abgasstrom nach Durchströmen des Partikelfilters 1 nur noch
wenige Rußpartikel 6 enthält. Der Abgasstrom ist
nach Durchströmen des Partikelfilters 1 somit weitgehend
von Rußpartikeln 6 gereinigt. Dabei führen
die von dem Filter zurückgehaltenen Rußpartikel 6 zu
einer mit der Betriebsdauer zunehmenden Beladung des Partikelfilters 1.
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Um
den Zustand, insbesondere den Beladungszustand des Partikelfilters 1 festzustellen,
wird das in 6 schematisch dargestellte Verfahren
eingesetzt. In dem ersten Verfahrensschritt EXC werden in dem Partikelfilter 1 durch
das Anregepiezoelement 3 Schallwellen angeregt. Dazu wird
das Piezoelement mit einer elektrischen Wechselspannung, beispielsweise
in Sinusform, beaufschlagt. Diese Spannung führt zu einer
mechanischen Schwingung des Piezoelements 3. Da das Piezoelement 3 an
den Partikelfilter 1 angrenzt, kann sich die Schwingungsenergie
des Piezoelements 3 direkt auf den Partikelfilter 1 übertragen.
In dem Partikelfilter 1 werden somit entsprechende Körperschallwellen
angeregt. Im vorliegenden Beispiel werden mittels des Piezoelements 3 Ultraschallwellen
in dem Partikelfilter 1 angeregt. Diese können
insbesondere mehrere unterschiedliche Frequenzen aufweisen. So kann
durch die Anregeeinrichtung 3 ein bestimmtes Frequenzspektrum
in dem Filter angeregt werden. Alternativ oder zusätzlich
ist es denkbar, eine impulsförmige Anregung der Schallwellen,
beispielsweise in Form eines rechteckförmigen Impulses,
durchzuführen. Dabei werden für die Dauer des
Rechteckimpulses Schallwellen in dem Filter 1 angeregt.
Die entsprechende Steuerung der Anregeeinrichtung 3 wird
durch die in die Auswerteeinrichtung 5 integrierte Steuereinrichtung übernommen.
Als Reaktion auf die Anregeschwingungen des anregenden Piezoelements 3 breiten
sich in dem Partikelfilter 1 entsprechende Körperschallwellen aus.
Eine Kopplung mit dem Medium Luft ist dabei nicht erforderlich.
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In
dem anschließenden Verfahrensschritt MEA werden die in
dem Partikelfilter 1 angeregten Schallwellen mittels des
Messpiezoelements 4 gemessen. Da das Piezoelement 4 direkt
an den Partikelfilter 1 angrenzt, kann sich die Energie
der in dem Partikelfilter 1 angeregten Schallwellen wiederum
direkt auf das Piezoelement 4 übertragen. Dieses
wird dadurch zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese Schwingung
des Piezoelements 4 führt zu einer entsprechenden
elektrischen Spannung in dem Piezoelement 4, die als Messergebnis
abgegriffen werden kann. Durch das Piezoelement 4 erfolgt
also eine direkte Messung des sich in dem Partikelfilter 1 ausbreitenden
Körperschalls, ohne dass eine Kopplung mit dem Medium Luft
erforderlich ist. Dabei kann insbesondere die Amplitude der Schallwellen und/oder
die Schallintensität aufgenommen werden. Auch ist es möglich,
eine Laufzeitmessung durchzuführen oder die Güte
des Filters zu bestimmen. Im Falle der Anregung mehrerer Frequenzen
nimmt das Piezoelement 4 entsprechend die unterschiedlichen angeregten
Frequenzen auf. Im Falle einer impulsförmigen Anregung
nimmt das Piezoelement 4 die Impulsantwort des Partikelfilters 1 auf.
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Das
Piezoelement 4 gibt das Messergebnis an die Auswerteeinrichtung 5 weiter.
Im nächsten Verfahrensschritt EVA wird das Messergebnis
des Piezoelements 4 von der Auswerteeinrichtung 5 ausgewertet.
Dabei kann mittels einer in die Auswerteeinrichtung 5 integrierten
Vergleichseinrichtung ein Vergleich zwischen dem von dem Messpiezoelement 4 gemessenen
Messergebnis und der durch das Anregepiezoelement 3 erfolgten
Schallanregung durchgeführt werden. Es ist auch denkbar,
dass mittels einer Vergleichseinrichtung das Messergebnis mit Referenzwerten
verglichen wird. Die Referenzwerte können in einem vorhergehenden
Kalibrierverfahren bestimmten Filterzuständen, insbesondere
Beladungszuständen, zugeordnet werden. Sofern Schallwellen mit
mehreren Frequenzen angeregt werden, kann die Auswerteeinrichtung 5 das
Frequenzverhalten des Partikelfilters 1 und dabei insbesondere
die Lage der Resonanzfrequenz des Filters 1 oder auch die
Güte bestimmen. Auch bei einer impulsförmigen
Anregung kann mittels einer Auswertung der Impulsantwort bzw. der
Sprungantwort des Partikelfilters 1 das Frequenzverhalten
des Partikelfilters 1 und insbesondere die Lage seiner
Resonanzfrequenz ermittelt werden.
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In
dem mit DET bezeichneten anschließenden Verfahrensschritt
wird mittels der Auswerteeinrichtung 5 anhand des Auswertungsergebnisses
der Zustand des Partikelfilters 1, insbesondere beispielsweise
sein Beladungsgrad mit Partikeln, festgestellt. Dies kann beispielsweise
aufgrund des Vergleichs des Messergebnisses mit der Schallanregung
des Piezoelements 3 erfolgen. Durch die aus einer bestimmten
Schallanregung resultierenden Schallwellen kann auf die Beladung
des Filters geschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich
ist es möglich, dass zur Feststellung des Filterzustands
der Vergleich zwischen dem Messergebnis und den Referenzwerten herangezogen
wird. Da die Referenzwerte bestimmten Filterzuständen zugeordnet
sein können, kann bei Übereinstimmung des Messergebnisses
mit einem Referenzwert wiederum auf den Zustand des Filters 1 geschlossen
werden. Auch das Frequenzverhalten des Filters 1, insbesondere
die Lage seiner Resonanzfrequenz oder auch seine Güte,
kann dazu dienen, den Zustand des Filters 1 festzustellen.
So können bestimmten Resonanzfrequenzlagen bestimmte Filterzustände
zugeordnet sein, so dass aus der Ermittlung der Resonanzfrequenz
auf den jeweiligen Zustand geschlossen werden kann.
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Das
beschriebene Verfahren kann nach Ablauf bestimmter Zeitintervalle
zyklisch wiederholt durchgeführt werden. Sofern die Auswerteeinrichtung 5 einen
Zustand, beispielsweise einen Beladungsgrad, ermittelt, der als
kritisch für die Funktionsfähigkeit des Partikelfilters 1 angesehen
wird, wird eine Filterregenerationsphase eingeleitet. Diese kann
zum Beispiel den Abbrand der in dem Filter 1 akkumulierten
Partikel, insbesondere Rußpartikel 6, umfassen.
Nach der Regenerationsphase ist der Filter 1 wieder voll
einsatzfähig und das Verfahren zur Feststellung des Zustands
des Filters 1 kann nach Ab lauf eines festgesetzten Zeitintervalls
erneut ausgeführt werden bis der nächste kritische
Beladungszustands festgestellt wird.
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Mit
dem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist eine genaue und zuverlässige
Feststellung des Zustands des Partikelfilters 1 in einfacher
Weise möglich. Indem in dem vorliegenden Beispiel Ultraschallwellen angeregt
werden, ist das Verfahren unabhängig von weiteren Parametern
wie Temperatur und Druck. Es müssen somit keine zusätzlichen
Sensoren eingesetzt werden, um diese Parameter zu überwachen und
in das Auswerteergebnis einfließen zu lassen. Da die Piezoelemente 3, 4 direkt
an den Partikelfilter 1 angrenzen, erfolgt eine direkte
Kopplung zwischen den Piezoelementen 3, 4 und
dem Partikelfilter 1. Eine Ein- oder Auskopplung in das
Medium Luft ist nicht erforderlich. Somit wird eine bessere Kopplung erreicht
und der Einfluss von Störgrößen, insbesondere
Störgeräuschen, ist minimiert. Außerdem
ist die für das Verfahren erforderliche Elektronik vereinfacht.
Es ist eine zuverlässige und genaue Feststellung des Zustands
des Partikelfilters 1 möglich.
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Die
Erfindung ist nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel
beschränkt. Insbesondere ist es beispielsweise denkbar,
anstelle der Piezoelemente 3, 4 andere Bauteile
als Anrege- und Messeinrichtung vorzusehen, beispielsweise an einen
piezoelektrischen Bereich des Filters 1 angrenzende Elektroden.
Auch kann die Anrege- und Messeinrichtung zum Beispiel durch eine
gemeinsame Einrichtung, beispielsweise ein gemeinsames Piezoelement
gebildet sein.
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- 1
- Partikelfilter
- 2
- Strömungsrichtung
des Abgases
- 3
- Anregeeinrichtung,
Piezoelement
- 4
- Messeinrichtung,
Piezoelement
- 5
- Auswerteeinrichtung
- 6
- Rußpartikel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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