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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines fehlerhaften Partikelfilters in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Wie allgemein bekannt, werden zur Verminderung der Rußpartikel im Abgas einer Brennkraftmaschine Partikelfilter verwendet. Wie weiterhin bekannt, ist während des Betriebes einer Brennkraftmaschine die Wirksamkeit des Partikelfilters zu überwachen bzw. muss erkannt werden, wenn der Partikelfilter derart geschädigt ist, dass übermäßig Partikel an die Umwelt abgegeben werden und die geltenden Abgasgrenzwerte überschritten werden. Ein Partikelfilter ist beispielsweise als Wandstromfilter ausgeführt, so wie in der
DE 10 2004 007 039 A1 beschrieben. Ein Wandstromfilter besteht aus einer Vielzahl von parallel verlaufenden aneinandergereihten Kanälen aus einem porösen Material, die wechselweise entweder an ihrem Anfang oder am Ende verschlossen sind. Der jeweilige Verschluss wird auch als Stopfen bezeichnet. Die Vielzahl von Kanälen bildet bekannterweise einen so genannten Monolithen, der in der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist der Monolith so in der Abgasanlage angeordnet, dass die Kanäle in Strömungsrichtung des Abgases verlaufen und sich ein Ende des Monoliths ergibt, das den Monolith in Richtung der Brennkraftmaschine abschließt und sich ein Ende ergibt, das den Monolith in Richtung der Mündung der Abgasanlage in die Umwelt abschließt. Anders gesagt, hat der Monolith eine stromaufwärts weisende Stirnseite und eine stromabwärts weisende Stirnseite. Beide Stirnseiten verfügen demgemäß über offene und geschlossene Kanalenden bzw. Stopfen. In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine Schädigung eines Partikelfilters zumeist beginnend an der stromabwärts weisenden Stirnseite des Monolithen auftritt. Offensichtlich sind zu hohe Temperaturen in diesem Bereich des Monolithen die Ursache dafür. Gemäß der
DE 10 2004 007 039 A1 wird diese Schädigung auch als Stopfendurchbruch bezeichnet, d. h. das mit Partikeln beladene Abgas kann durch die Kanäle, deren Stopfen durchgebrannt ist, ungefiltert in die Umwelt gelangen. Gemäß der
DE 10 2004 007 039 A1 wird vorgeschlagen, zumindest zwei voneinander beabstandete Elektroden vorzusehen, zwischen denen ein Teilvolumenbereich des Partikelfilters angeordnet ist. Beispielsweise durch die Erfassung der zwischen den beiden Elektroden wirksamen elektrischen Impedanz wird dabei auf die Beladung des Partikelfilters geschlossen. Ein Stopfendurchbruch wird dann erkannt, wenn über eine vorgegebene Zeitdauer kein nennenswerter Anstieg der Beladung des Partikelfilters in dem von den beiden Elektroden erfassten Teilvolumenbereich erfolgt. Nachteilig bei diesem Ansatz ist es, dass ein nur teilweise geschädigter Partikelfilter, insbesondere in Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit vergleichsweise geringem Abgasvolumenstrom, erst relativ spät erkannt wird, da bei angenommen konstanter Konzentration an Partikeln im Abgas bei einem geringen Abgasvolumenstrom sich der Beladungsvorgang des Partikelfilters über einen langen Zeitraum erstreckt. Außerdem wird immer nur ein Teilbereich des Partikelfilters der Bestimmung der Beladung des Partikelfilters bzw. der Fehlererkennung zu Grunde gelegt. Dieser Teilbereich ist jedoch nur bedingt repräsentativ für eine Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters. Durch den Einsatz mehrerer Elektrodenpaare können mehrere Teilbereiche abgedeckt werden, allerdings ist der Aufwand dafür sehr groß. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch in der
EP1992800A1 offenbart. Hier sind gitterförmige Metallelektroden an der stromaufwärts weisenden Stirnseite und der stromabwärts weisenden Stirnseite eines Monolithen angebracht. Mittels der stromaufwärts angeordneten Elektrode werden die Partikel gemessen, welche dem Monolithen zugeführt werden und mittels der stromabwärts angeordneten Elektrode werden die Partikel gemessen, welche von dem Monolithen an die Umwelt abgegeben werden. Die Erkennung eines geschädigten Monolithen erfolgt dann, wenn mittels der Elektrode an der stromabwärts weisenden Stirnseite des Monolithen Partikel gemessen werden, welche also den Partikelfilter verlassen und in die Umwelt gelangen. Hier tritt ebenfalls das Problem auf, dass ein teilweise geschädigter Partikelfilter, insbesondere in Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit geringem Abgasvolumenstrom, erst relativ spät erkannt wird, da bei angenommen konstanter Konzentration an Partikeln im Abgas bei einem geringen Abgasvolumenstrom die dann nur sehr wenigen Partikel nicht sicher mittels der Elektrode an der stromabwärts weisenden Stirnseite des Monolithen erfasst werden bzw. ist davon auszugehen, dass die Empfindlichkeit dieses Messaufbaus das nicht erlaubt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit möglichst wenig Aufwand einen zumindest teilweise geschädigten Partikelfilter auch dann zu erkennen, wenn die Brennkraftmaschine im Schwachlastbereich mit geringem Abgasvolumenstrom betrieben wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im stromabwärts weisenden Endbereich eines Partikelfilters zumindest eine Elektrode als Bestandteil einer Anordnung zur Messung elektrischer Kenngrößen derart angeordnet ist, dass wenn Teile des Partikelfilters in diesem Endbereich zerstört werden, auch die dort angeordnete Elektrode zerstört wird und sich dadurch eine elektrische Kenngröße derart verändert, dass auf einen fehlerhaften Partikelfilter geschlossen werden kann bzw. wird. Mit anderen Worten wird im stromabwärts weisenden Endbereich eines Partikelfilters zumindest eine Opferelektrode vorgesehen, die unmittelbar eine thermisch und/oder mechanisch bedingte Veränderung bzw. Zerstörung des Partikelfilters in dessen stromabwärts weisenden Endbereich anzeigt. Der stromabwärts weisende Endbereich eines Partikelfilters umfasst erfindungsgemäß den stromabwärts weisenden Bereich der Längserstreckung eines Partikelfilters bzw. eines Monolithen, in dem die stromabwärts weisenden Stopfen der Kanäle angeordnet sind sowie die stromabwärts weisende Stirnseite des Partikelfilters/Monolithen und deren Oberfläche. Erfindungsgemäß können eine oder mehrere Elektroden zu dem genannten Zweck im stromabwärts weisenden Endbereich eines Partikelfilters angeordnet sein bzw. kann dieser Endbereich eine oder mehrere Elektroden zu diesem Zweck umfassen, wobei die Elektroden Bestandteil einer Anordnung zur Messung elektrischer Kenngrößen sind. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß schnell und sicher eine gerade und ggf. nur teilweise geschädigte oder undichte Rückseite eines Partikelfilters, d. h. ein zerstörter oder undichter Stopfen eines Kanals oder mehrere solcher defekter Stopfen von Kanälen im stromabwärts weisenden Endbereich eines Partikelfilters im Zusammenwirken mit der Programmierung eines bekannten Steuergerätes erkannt und ein entsprechender Fehler ausgegeben werden, so dass möglichst keine Partikel an die Umwelt abgegeben werden. Insbesondere wird im Vergleich zu dem Stand der Technik erfindungsgemäß unmittelbar ein fehlerhafter Partikelfilter erkannt und angezeigt. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist es, dass es unerheblich ist, ob die Brennkraftmaschine in einem Betriebsbereich mit einem großen oder kleinen Abgasvolumenstrom betrieben wird, da die erfindungsgemäße Zerstörung einer oder mehrerer Elektroden praktisch zum gleichen Zeitpunkt wie die Zerstörung insbesondere des oder der Stopfen an der Rückseite eines Partikelfilters sofort anhand einer Änderung einer elektrischen Kenngröße mittels einer Anordnung zur Messung elektrischer Kenngrößen detektiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen und dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Partikelfilter,
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2: eine schematische Darstellung eines Partikelfilters im Schnitt,
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3a: eine weitere schematische Darstellung eines Partikelfilters,
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3b: eine weitere Darstellung eines Partikelfilters im Schnitt,
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4a–4c: weitere Darstellungen eines Partikelfilters im Schnitt mit erfindungsgemäß angeordneten Elektroden,
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5: eine weitere schematische Darstellung eines Partikelfilters mit in Reihe geschalteten Elektroden.
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Wie in 1 gezeigt, verfügt eine Brennkraftmaschine 1 über einen Partikelfilter 2 in der Abgasanlage 3. Der Partikelfilter 2 ist als Wandstromfilter ausgeführt. Wie in 2 in einem Längsschnitt in einer Seitenansicht gezeigt, besteht ein Wandstromfilter aus einer Vielzahl von parallel verlaufenden aneinandergereihten Kanälen 4 aus einem porösen Material, die wechselweise entweder an ihrem Anfang oder am Ende mittels Stopfen 5 verschlossen sind. Die Vielzahl von Kanälen 4 bildet bekannterweise einen so genannten Monolithen. Dabei ist der Monolith so in der Abgasanlage 3 angeordnet, dass die Kanäle 4 in Strömungsrichtung des Abgases verlaufen, wie mittels der beiden Pfeile A und B am Eintritt und Austritt des Partikelfilters 2 angedeutet und sich eine Stirnseite C des Monolithen ergibt, die den Monolith in Richtung der Brennkraftmaschine 1 abschließt und eine Stirnseite D ergibt, die den Monolith in Richtung der Mündung der Abgasanlage 3 in die Umwelt abschließt. Anders gesagt, hat der Monolith einen stromaufwärts weisenden Endbereich E und einen stromabwärts weisenden Endbereich F. Beide Endbereiche E und F umfassen demgemäß offene und geschlossene Kanalenden bzw. die in 2 als schraffierte Rechtecke dargestellten Stopfen 5 und umfassen auch die Stirnseiten C und D und deren Oberflächen. In 3a ist zum besseren Verständnis eine Ansicht auf den stromabwärts weisenden Endbereich F des Monolithen bzw. die Stirnseite D gezeigt. Der Einfachheit halber hat der Monolith einen rechteckigen Querschnitt. Gut zu erkennen sind so die in dem Endbereich F liegenden, offenen Kanäle 4, welche die Oberfläche der Stirnseite D durchdringen sowie die Stopfen 5, die als schraffierte Flächen dargestellt sind und welche die Oberfläche der Stirnseite D verschließen. 3b zeigt einen Ausschnitt des Monolithen im Bereich des stromabwärts weisenden Endbereiches F entlang der in 3a gezeigten Schnittlinie A-A. Der stromabwärts weisende Endbereich F des Partikelfilters umfasst insbesondere einen solchen Teil der Längserstreckung des Partikelfilters 2, wie in 3b gezeigt, der die Stopfen 5 beinhaltet sowie die stromabwärts weisende Stirnseite D einschließlich ihrer Oberfläche. 3b zeigt weiterhin die Längsachse S des Partikelfilters, die im Idealfall mit der Strömungsachse zusammenfällt.
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Wie in 4a gezeigt, können in einer Ausführung derart im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen elektrisch leitfähige Elektroden 6 angeordnet sein, dass diese Elektroden 6 an einem oder mehreren Stopfen 5 an der Oberfläche der stromabwärts weisenden Stirnseite D angebracht sind, beispielsweise durch ein Aufdrucken, Aufdampfen oder Aufkleben auf diese Oberfläche.
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Wie in 4b gezeigt, können in einer Ausführung derart im Bereich im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen elektrisch leitfähige Elektroden 6 angeordnet sein, dass die elektrisch leitfähigen Elektroden 6 in einem oder in mehreren Stopfen 5 im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen integriert sind, beispielsweise durch ein Eingießen oder Einbetten der Elektroden 6 bei der Herstellung des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen.
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Wie in 4c gezeigt, können in einer Ausführung derart im Bereich im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen elektrisch leitfähige Elektroden 6 angeordnet sein, dass ein oder mehrere Stopfen 5 selbst als die elektrisch leitfähigen Elektroden 6 ausgeführt sind.
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Die Elektroden 6 gemäß den 4a bis 4c können zum Beispiel aus einem metallischen Werkstoff bestehen, der bekanntermaßen elektrisch leitfähig ist und einen bestimmten temperaturabhängigen messbaren elektrischen Widerstand aufweist. Denkbar sind aber auch andere Elektroden-Werkstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoffverbindungen.
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Die in 4a bis 4c gezeigten Elektroden 6 sind natürlich mittels elektrischen Leitern mit einer ebenfalls nicht gezeigten Anordnung bzw. Schaltung zur Messung elektrischer Kenngrößen verbunden, wie dem Fachmann geläufig ist, z. B. mit einer Wheatstonschen Messbrückenschaltung. Eine kostengünstige Variante ist es dabei, dass die Elektroden 6 einen gleich großen elektrischen Widerstand aufweisen und durch die Ermittlung des Gesamtwiderstandes der zusammen geschalteten Elektroden 6 darauf geschlossen werden kann, dass eine oder mehrere Elektroden 6 zerstört worden sind und somit in Verbindung mit einem vorgegebenen Grenzwert des Gesamtwiderstandes bestimmt werden kann, dass eine entsprechende Anzahl an Stopfen 5 durchgebrochen ist und Partikel an die Umwelt abgegeben werden, so dass daraufhin eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
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Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, die Elektroden 6 derart im Bereich im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen anzuordnen, dass diese mittels eines elektrischen Leiters 7 in Reihe geschaltet sind und zudem ringförmig um die Längsachse S angeordnet sind, wie in 5 gezeigt. Diese ringförmige Reihenschaltung der Elektroden 6 muss nicht zwingend konzentrisch um die Längsachse S verlaufen, sondern kann konzentrisch um eine nicht gezeigte, zu der Längsachse S parallele Achse verlaufen, wobei diese parallele Achse insbesondere der Strömungsachse des Abgases entspricht, in welcher der Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter 2 am größten ist. Diese parallele Achse sollte freilich mit der Längsachse S zusammenfallen. Praktisch ergibt sich jedoch häufig infolge von Bauraumbegrenzungen eine nicht optimale Führung der Leitungen der Abgasanlage 3 und somit eine asymmetrische Anströmung des stromaufwärts weisenden Endbereiches E des Partikelfilters 2, die sich in dem Partikelfilter 2 fortpflanzt, d. h. es ergibt sich eine Parallelverschiebung der Strömungsachse weg von der Längsachse S, wobei im Zentrum der Strömungsachse die größten thermischen Belastungen auf den Partikelfilter 2 bzw. auf die Stopfen 5 wirken, die im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 5 angeordnet sind und die folglich mit hoher Wahrscheinlichkeit zuerst zerstört werden. Durch diese ringförmige Reihenschaltung der Elektroden 6 konzentrisch um die Längsachse S bzw. eine dazu parallel verlaufende Strömungsachse wird somit eine auf die wesentlichen Bereiche des Partikelfilters 2 begrenzte Anordnung von Elektroden 5 im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen zur Erkennung von Zerstörungen der Stopfen 5 geschaffen, d. h. es werden nicht unnötig viele Elektroden 6 verwendet, sondern nur so viele, wie unbedingt erforderlich.
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In einer weiteren Ausführung sind weitere Elektroden 6 mittels eines weiteren elektrischen Leiters 7 ringförmig in Reihe geschaltet und zusätzlich zu der vorgenannten bzw. in 5 gezeigten ersten ringförmigen Reihenschaltung von Elektroden 6 ebenfalls konzentrisch um die Längsachse S oder eine parallel dazu verlaufende Strömungsachse, aber mit einem größeren Abstand zu dieser Achse im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen angeordnet und derart mit dem ersten elektrischen Leiter 7 verbunden, dass eine elektrische Parallelschaltung der ersten und der zweiten ringförmigen Reihenschaltung von Elektroden 6 gebildet wird. Wenn nun an diese Parallelschaltung eine konstante, d. h. geregelte elektrische Spannung angelegt wird und eine Messung des elektrischen Stroms vorgenommen wird, kann auf den elektrischen Widerstand in dieser Parallelschaltung geschlossen werden.
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Praktisch wirkt diese erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung eines fehlerhaften Partikelfilters 2 folgendermaßen. Wird ein erster Stopfen 5 zerstört, der in dem stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen angeordnet ist und dem eine Elektrode 6 als Bestandteil der ersten Reihenschaltung zugeordnet ist, dann wird auch diese Elektrode 6 zerstört, so dass durch die erste Reihenschaltung kein elektrischer Strom mehr fließt und nur noch durch die zweite, parallel geschaltete Reihenschaltung ein elektrischer Strom fließt, so dass eine Änderung des elektrischen Widerstands gemessen wird und folglich ein Fehler erkannt und ausgegeben wird, wenn z. B. der elektrische Widerstand einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet. Da der elektrische (ohmsche) Widerstand der Elektroden 6 ein stark temperaturabhängiges Verhalten zeigt und in der Abgasanlage 3 große Temperaturschwankungen auftreten, sollte ein temperaturabhängiges Widerstandsmodell während des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 parallel berechnet werden mittels eines allgemein bekannten Steuergerätes. Mittels dieses Modells kann z. B. der vorgegebene Widerstands-Grenzwert für die Fehlererkennung korrigiert werden.
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In einer weiteren Ausführung ist erfindungsgemäß im stromabwärts weisenden Endbereich F des Partikelfilters 2 bzw. des Monolithen eine solche Anzahl von Elektroden 6 angeordnet, die gerade so viele Stopfen 5 mit einer Gesamtfläche abdeckt, ab der ein bestimmter, in einem Abgastest ermittelter Grenzwert an Partikeln erreicht wird, die an die Umwelt abgegeben, d. h. nicht von dem Partikelfilter 2 zurückgehalten werden. Zum Beispiel kann es ausreichend sein, nur 10 von 100 Stopfen mit Elektroden 6 zu versehen, die dann eine Gesamtfläche eines einzigen „Lecks” aufweisen, dessen wirksamer Strömungsquerschnitt bzw. dessen Fläche z. B. während der Entwicklung der Brennkraftmaschine 1 experimentell bestimmt wird, wobei bei diesem wirksamen Strömungsquerschnitt, derart viele Partikel an die Umwelt abgegeben werden, dass die gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte gerade erreicht bzw. überschritten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004007039 A1 [0002, 0002, 0002]
- EP 1992800 A1 [0002]
