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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Filter
mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 5. Derartige
Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für
Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt. Sie können aber auch
als Katalysatorelemente eingesetzt werden.
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Die
Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff
und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und
Austrittskanälen auf.
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Hergestellt
werden Filterelemente aus keramischen Werkstoffen durch Extrudieren.
Dies bedeutet, dass der Rohling des Filterelements ein prismatischer
Körper mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden
Kanälen ist. Die Kanäle eines Rohlings sind zunächst
an beiden Enden offen. Um daraus ein Filterelement zu machen, wird
ein Teil der Kanäle am hinteren Ende des Filterelements
verschlossen, während ein anderer Teil der Kanäle
am vorderen Ende des Filterelements verschlossen werden. Dadurch
werden zwei Gruppen von Kanälen gebildet, nämlich
die sogenannten Eintrittskanäle, welche am Ende verschlossen
sind, und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang
des Filterelements verschlossen sind.
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Dann
besteht zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen
nur über die porösen Wände des Filterelements
(nachfolgend Filterwände) eine Strömungsverbindung,
so dass das Abgas das Filterelement nur durchströmen kann,
indem es aus den Eintrittskanälen durch die Wände
des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.
Dabei lagert sich der im Abgas enthaltene Ruß in den Filterwänden
ab.
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Bei
der Regeneration der Filterelemente werden diese Rußablagerungen
oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird. Daraus resultiert
eine Temperaturerhöhung im Filterelement. Wenn die bei
der Regeneration auftretenden Temperaturen zu groß werden,
nimmt das Filterelement Schaden. Diese Gefahr ist vor allem bei
Filterelementen aus Cordierit vorhanden, da Cordierit eine vergleichsweise
geringe spezifische Wärmekapazität hat und deshalb
bei der Oxidation von Rußablagerungen lokal sehr hohe Temperaturen
auftreten können. In Folge dessen können bei der
Regeneration in kritischen Motorbetriebspunkten so hohe Temperaturen
und so große Temperaturunterschiede innerhalb des Filterelements
auftreten, dass das Filterelement Risse bekommt, die von der Mantelfläche
ausgehen, und dadurch unbrauchbar wird.
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Aus
der
EP 1 538 309 A1 ist
ein Filterelement bekannt, dessen Betriebsverhalten von der Richtung des
durchströmenden Abgases abhängt. Um zu gewährleisten,
dass das Filterelement in der richtigen Richtung montiert wird,
sind bei diesem Filterelement die Eintrittsseite und die Austrittsseite
durch entsprechende Beschriftungen an der Mantelfläche
des Filterelements gekennzeichnet.
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Die
Regeneration erfolgt in Intervallen, wobei der zeitliche Abstand
zwischen zwei Regenerationen von der Rußbeladung der Filterwände
beziehungsweise des Filterelements abhängt. Wenn nämlich
die Rußbeladung des Filterelements zu hoch ist, entstehen
bei der Regeneration des Filterelements zu hohe Temperaturen. In
Folge dessen nimmt das Filterelement Schaden. Um dies zu vermeiden
wird die im Filterelement abgelagerte Rußmasse in einem
Motorsteuergerät abgeschätzt. Dazu kann der Differenzdruck
zwischen Eintrittsseite und Austrittsseite aus dem Filterelement
beziehungsweise der Filtereinrichtung herangezogen werden. Dieser
Differenzdruck hängt neben der Rußbeladung auch
von der Filterfläche beziehungsweise dem Volumen der Filterwände des
Filterelements ab. Dieser Wert ist herstellungsbedingt und zeitlich
nicht veränderbar. Verändert wird der Strömungswiderstand
während des Betriebs der Brennkraftmaschine durch die Beladung
durch Ruß, der aus dem Abgas herausgefiltert wurde.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine bereit zu stellen, welches eine genauere
Abschätzung der Rußbeladung des Filterelements
ermöglicht und in Folge dessen sowohl die Zahl der Regenerationen
minimiert als auch sicherstellt, dass es nicht zu unzulässig
hohen Rußbeladungen des Filterelements kommen kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit einer
Filtereinrichtung, mit einem Steuergerät, wobei das Steuergerät
unter anderem die Regeneration der Filtereinrichtung steuert, dadurch gelöst,
dass die Regeneration der Filtereinrichtung in Abhängigkeit
mindestens eines individuellen Kennwerts der Filtereinrichtung erfolgt.
Dadurch ist es möglich, die Regenerationen der an der Brennkraftmaschine
verbauten Filtereinrichtung optimal zu steuern.
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Dazu
ist es lediglich erforderlich, die für die Regeneration
der Filtereinrichtung zuständigen Parameter des Steuergeräts,
passend für das zu der gleichen Brennkraftmaschine gehörende
Filterelement einzustellen beziehungsweise abzuspeichern. Infolgedessen
wird die Beladung des Filterelements mit unzulässig großen
Rußmengen wirkungsvoll verhindert und gleichzeitig können
die Intervalle zwischen den Regenerationen so groß wie
irgend möglich gewählt werden. Dadurch wird der
für die Regeneration teilweise erforderliche erhöhte
Aufwand an Kraftstoff minimiert und somit der Gesamtwirkungsgrad
der Brennkraftmaschine verbessert.
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Da
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens lediglich wenige Parameter, nämlich die individuellen
Kennwerte der Filtereinrichtung in dem Steuergerät abgespeichert
werden müssen, ist das Verfahren relativ kostengünstig
generierbar. Dies gilt insbesondere auch deshalb, weil Steuergeräte ohnehin
erst bei der Endmontage der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug
mit einer fahrzeugspezifischen Software versehen werden. Im Zuge
der Installation mit einer fahrzeugspezifischen Software können
die individuellen Kennwerte der am Fahrzeug verbauten Filtereinrichtung
ohne zusätzlichen Aufwand auf das Steuergerät
geladen werden.
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Die
genaue Kenntnis die Berücksichtigung des Verhaltens beziehungsweise
der Kennwerte des am Fahrzeug befindlichen Filterelements erlauben aber
auch eine bessere Auslegung des Filterelements, da beispielsweise
die Wandstärken der Filterwände besser bezüglich
Filterwirkung und Strömungswiderstand optimiert werden
können, ohne dass die Gefahr besteht, dass durch unzulässig
hohe Temperaturen bei der Regeneration das Filterelements Risse
oder sonstige Schäden bekommt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis
zu Nutze, das die Filtereinrichtungen durch Extrusion hergestellt
werden und, da es sich um mineralische Werkstoffe handelt, die Extrusionswerkzeuge
einem nicht unerheblichen Verschleiß unterliegen. Infolgedessen
nimmt die Wandstärke die Dicke der Filterwände
während der Extrusion kontinuierlich zu. Gleichzeitig nimmt
in gleichem Umfang die Filterfläche der Filterwände
ab. Beide Kennwerte, nämlich die Filtrationsfläche
und die Dicke der Filterwände haben einen großen
Einfluss auf den Differenzdruck des Filterelements.
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Wenn
nun also während der Produktion kontinuierlich der Verschleiß des
Extrusionswerkzeugs erfasst wird und ausgehend von diesem Verschleiß einer
oder mehrere individuelle Kennwerte, welche den Strömungswiderstand
des Filterelements bei einem gegebenen Abgasvolumen charakterisieren,
an den Filterelementen angebracht wird, können diese Kennwerte
nach erfolgter Montage des Filterelements an der Brennkraftmaschine
in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine abgespeichert
werden und somit bei der Regeneration beziehungsweise der Steuerung
der Regeneration des Filterelements in geeigneter Weise berücksichtig
werden.
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Neben
den erwähnten Vorteilen hat dieses Verfahren auch den Vorteil,
dass die Standzeit der Extrusionswerkzeuge erhöht wird,
da die Verschleißgrenzen des Extrusionswerkzeug vergrößert
werden können. Dies hat erhebliche Kosteneinspareffekt
zur Folge, da die Extrusionswerkzeuge auf Grund der kleinen Wandstärken
und der Vielzahl der über den Querschnitt verteilten Filterwände
und des erforderlichen extrem harten Materials teuer in der Herstellung sind.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn ein individueller
Kennwert eine Filterfläche eines Filterelements charakterisiert
und ein zweiter Kennwert ein Volumen der Filterwände des
Filterelements charakterisiert. Damit ist es möglich, den
Differenzdruck des unbeladenen Filterelements abzuschätzen
und infolgedessen kann das Steuergerät während
des Betriebs der Brennkraftmaschine den Zeitpunkt berechnen, wann
die Rußbeladung des Filterelements so groß ist,
dass eine Regeneration erforderlich ist.
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Mindestens
ein individueller Kennwert kann in Abhängigkeit des Verschleißes
eines Werkzeugs, insbesondere des Extrusionswerkzeugs, bestimmt werden.
Dies kann beispielsweise ein automatisches Vermessen der Geometrie
des Extrusionswerkzeugs.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass bei der Montage, bevorzugt vor der ersten Inbetriebnahme der
Brennkraftmaschine, der mindestens eine individuelle Kennwert der
Brennkraftmaschine zugeordneten Filtereinrichtung von dieser Filtereinrichtung
abgelesen wird und in dem der Brennkraftmaschine zugeordneten Speichergerät
gespeichert wird. Wenn der mindestens eine individuelle Kennwert,
beispielsweise in Form eines Barcodes oder eines RFID-tags an der Außenseite
der Filtereinrichtung angebracht ist, können die Kennwerte
automatisch abgelesen werden, wenn das Fahrzeug mit bereits eingebautem
der Filtereinrichtung auf dem Montageband über ein entsprechendes
Lesegerät geschoben wird. Der dabei abgelesene individuelle
Kennwert kann dann zusammen mit der für diese Fahrzeuge
vorgesehenen Software vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine
auf das Steuergerät der Brennkraftmaschine geladen werden.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Filtereinrichtung
nach dem nebengeordneten Anspruch 7 erreicht. Die durch die erfindungsgemäße
Filtereinrichtung realisierbare Vorteile entsprechen denen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, so dass auf eine Wiederholung verzichtet wird.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung
und
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Filterelements im Längsschnitt,
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3 ein
erfindungsgemäßes Filterelement im Querschnitt
und
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 trägt
eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Ein Steuergerät 11 steuert
die Brennkraftmaschine 10 über Signalleitungen
(ohne Bezugszeichen). Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet,
in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser
werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden
Abgas herausgefiltert, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst
die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16,
in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches,
insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Geometrien
beschränkt. Bei Bedarf wird die Brennkraftmaschine 10 so
angesteuert, dass das Filterelement 18 der Filtereinrichtung 16 regeneriert wird.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Filterelements 18 dargestellt.
Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper
aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt.
Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von nicht
dargestelltem Abgas durchströmt. Eine Eintrittsfläche
hat in 2 das Bezugszeichen 22, während eine
Austrittsfläche in 2 das Bezugszeichen 24 hat.
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Parallel
zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen
mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30.
Die Eintrittskanäle 28 sind an der zweiten Stirnfläche 24 verschlossen. Die
Verschlussstopfen sind in 2 ohne Bezugszeichen
dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an
der zweiten Stirnfläche 24 offen und im Bereich
der ersten Stirnfläche 22 verschlossen.
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Der
Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also
in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch
eine Filterwand 34 in einen der Austrittskanäle 30.
Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
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Wie
sich aus dem Längsschnitt gemäß 2 ergibt,
ist das Filterelement 18 dichtend in einem Gehäuse 38 der
Filtereinrichtung 16 aufgenommen. Zwischen Gehäuse 38 und
Filterelement 16 ist eine Dichtmatte 36 angeordnet,
die dafür sorgt, dass die Verbindung zwischen Gehäuse 38 und
Filterelement 16 gasdicht ist.
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In 3 ist
ein Querschnitt entlang der Linie A-A durch die Filtereinrichtung 16 dargestellt.
Exemplarisch ist in 3 eine Dicke D der Filterwände 34 eingezeichnet.
Es versteht sich von selbst, dass mit zunehmendem Verschleiß des
Extrusionswerkzeugs die Dicke D der Filterwände 34 zunimmt
und infolgedessen natürlich der freie Querschnitt der Eintrittskanäle 28 und
der Austrittskanäle 30 (siehe 2)
reduziert wird. Damit ist aber auch eine Verringerung der Filtrationsfläche
verbunden. Diese Änderungen von Filtrationsfläche,
Dicke D der Filterwände 34 und Strömungsquerschnitt
durch die Eintrittskanäle 28 und Austrittskanäle 30 haben
einen großen Einfluss auf den Differenzdruck, der erforderlich
ist, um eine bestimmte vorgegebene Abgasmenge durch das unbeladene
Filterelement 16 zu fördern. Da aber diese individuellen
Größen letztendlich von den Abmessungen beziehungsweise
dem Verschleiß des Extrusionswerkzeugs mit dessen Hilfe
das Filterelement 16 extrudiert wird, abhängen,
ist es möglich, durch eine Messung der wichtigsten Abmessungen
des Extrusionswerkzeugs die genannten individuellen Kennwerte, nämlich
Filtrationsfläche, Dicke D der Filterwände 34 und
hydraulischer Durchmesser der Eintrittskanäle 28 und
Austrittskanäle 30 während der Produktion
der Filterelemente zu erfassen und diese individuellen Kennwerte
an dem Filterelement 16 beziehungsweise Filterelement 18 beziehungsweise
der Filtereinrichtung 18 zu hinterlegen. Dies kann beispielsweise
durch Einprägen der entsprechenden Werte in den noch feuchten
extrudierten Rohling des Filterelements 18 oder durch Anbringen eines
entsprechenden Etiketts, wie beispielsweise einem Barcode oder einem
RFID-tag, an dem Gehäuse der Filtereinrichtung 16 erfolgen.
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In 1 ist
ein solches Etikett mit dem Bezugszeichen 40 versehen.
Alternativ wäre es natürlich auch möglich,
die Kennwerte durch einen Aufdruck auf das Filterelement 18 oder
das Gehäuse 38 der Filtereinrichtung 16,
durch Laser, durch Gravieren oder andere Schreibverfahren aufzubringen.
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In 4 wird
der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in Form eines Blockdiagramms
dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beginnt nach dem Start
in einem ersten Funktionsblock 42. In diesem ersten Funktionsblock 42 werden
die individuellen Kennwerte der Filtereinrichtung 16, die
zusammen mit dem Steuergerät 11 an einer bestimmten
Brennkraftmaschine 10 verbaut werden soll, eingelesen und
in dem Steuergerät 11 abgespeichert. Danach erfolgt
in einem zweiten Funktionsblock 44 die Inbetriebnahme der
Brennkraftmaschine.
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Die
Regeneration der Filtereinrichtung 16 wird bedarfsabhängig,
das heißt in Abhängigkeit von der Rußbeladung
und dem Abgasgegendruck, den das Filterelement 18 auf Grund
der Rußbeladung aufbaut, in einem dritten Funktionsblock 46 gesteuert.
Dieser dritte Funktionsblock 46 benutzt dazu die im ersten
Funktionsblock 42 eingelesenen individuellen Kennwerte
des mit der Brennkraftmaschine verbundenen Filterelements 18.
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In
einem vierten Funktionsblock 48 wird die Brennkraftmaschine
abgeschaltet. Wenn nun die Brennkraftmaschine erneut gestartet werden
soll, beginnt das Verfahren wieder oberhalb des zweiten Funktionsblocks 44.
Der erste Funktionsblock 42 muss nur vor der erstmaligen Inbetriebnahme
durchlaufen werden oder wenn die Filtereinrichtung 16 gegen
eine neue ausgetauscht werden muss und diese neue Filtereinrichtung
andere individuelle Kennwerte aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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