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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Partikeldetektionssystem zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, sowie eine Sensoreinrichtung mit einem Partikeldetektionssystem und ein Verfahren zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere für ein Kraftstoffversorgungssystem, insbesondere für ein Dieselkraftstoffversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Zur Sicherstellung eines guten Kaltstartverhaltens von Dieselmotoren muss der Kraftstoff bei niedrigen Temperaturen beheizt werden, um ein Ausflocken von Paraffinkristallen zu vermeiden. Dafür ist ein recht hoher Aufwand erforderlich. Ferner ist die Heizung üblicherweise rein temperaturgesteuert, um zu vermeiden, dass ein Fahrzeug liegenbleibt. Die Heizung ist also häufig eingeschaltet, auch wenn es eigentlich gar nicht notwendig wäre. Entscheidend für die Verstopfung des Kraftstofffilters ist aber nicht die Temperatur des Dieselkraftstoffs, sondern die Bildung von Paraffinkristallen in einer Größe, die nicht mehr filtergängig ist. Diese Kristalle bilden sich bei niedrigen Temperaturen aus den paraffinförmigen Anteilen des Diesels. Zur Verhinderung dieses Effekts werden dem Kraftstoff im Winter herstellerseitig Additive beigesetzt (Winterdiesel), die das Kristallwachstum behindern, so dass eine Beheizung nur bei sehr tiefen Temperaturen (unter –18°C) notwendig ist. Zwei Effekte schränken diese Maßnahme jedoch ein. Zum einen könnte sich auch im Winter im Tank noch Sommerdiesel befinden, zum anderen ist die Prüfnorm für Winterdiesel zu schwach für moderne Dieselfiltermedien, da die Porengröße des Mediums aufgrund immer höherer Anforderungen an die Reinheit des Kraftstoffs kleiner ist als die Maschenweite des Gitters bei der Prüfung.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Partikeldetektionssystem zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, zu schaffen, welches einfach und wartungsarm gestaltet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung mit einem Partikeldetektionssystem sowie ein Verfahren zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff zu schaffen, welche eine einfache und wartungsarme Funktionsweise aufweisen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden nach einem Aspekt der Erfindung bei einem Partikeldetektionssystem zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, gelöst, indem ein durchströmbarer Siebkörper mit durchgängigen Öffnungen, ein mit dem Siebkörper gekoppelter Aktuator, der den Siebkörper in einer Eigenfrequenz anregt, und eine mit dem Aktuator verbundene Regelungseinheit, welche den Aktuator auf die Eigenfrequenz des Siebkörpers nachregelt, vorgesehen sind, wobei aus dem Regelungssignal der Regelungseinheit ein Gehalt an Partikeln in dem Fluid bestimmbar ist.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird ein Partikeldetektionssystem zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, vorgeschlagen, umfassend einen Siebkörper mit durchgängigen Öffnungen, der zumindest zeitweise in einer im Betrieb wirkenden Fluidströmung angeordnet ist, einen mit dem Siebkörper gekoppelten Aktuator, der den Siebkörper in einer Eigenfrequenz anregt, und eine mit dem Aktuator verbundene Regelungseinheit, welche den Aktuator auf die Eigenfrequenz des Siebkörpers nachregelt, sowie eine mit der Regelungseinheit gekoppelte Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines Steuerungssignals. Dabei ist aus dem Regelungssignal der Regelungseinheit ein Gehalt an Partikeln in dem Fluid bestimmbar.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Partikeldetektionssystems liegt darin, dass nicht nur das Vorhandensein von Paraffinkristallen, sondern zusätzlich auch noch die Größe der Kristalle bestimmbar ist. Dadurch kann die Beheizung des Dieselkraftstoffs bedarfsgerecht statt temperaturgesteuert ausgeführt werden.
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Entscheidend für die Filtergängigkeit des Dieselkraftstoffs ist nicht die Temperatur oder die Trübung des Kraftstoffs, sondern die Größe der Paraffinkristalle in Suspension. Mit dem Partikeldetektionssystem kann festgestellt werden, wann die Kristalle so groß werden, dass sie den Filter zu verstopfen drohen. Dadurch kann die Dieselheizung sehr gezielt geregelt und somit deutlich Energie eingespart werden.
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Das erfindungsgemäße Partikeldetektionssystem weist einen schwingfähigen Siebkörper auf, der so gestaltet ist, dass sich Partikel, wie beispielsweise Paraffinkristalle, erst ab einer bestimmten Größe darauf ablagern und dabei die Eigenfrequenz der Schwingung verändern. Diese Änderung der Eigenfrequenz kann detektiert werden. Der Siebkörper kann insbesondere mechanisch mit dem Aktuator gekoppelt sein. Der Siebkörper kann eine perforierte Platte oder ein Sieb als von beispielsweise Dieselkraftstoff als Fluid durchströmbaren Siebkörper aufweisen. Der Siebkörper ragt zumindest zeitweise, d. h. um Messungen vorzunehmen, in eine Strömung des Dieselkraftstoffs. Ein Durchmesser der durchströmbaren Öffnungen ist dabei zweckmäßigerweise so gewählt, dass der Durchmesser der Öffnungen kleiner als ein mittlerer Durchmesser der zu bestimmenden Partikel ist. Der Siebkörper kann auch ein Gitter umfassen. Dabei entspricht der Durchmesser der Öffnungen einer Maschenweite des Gitters. Die Maschenweite des Gitters kann dabei vorteilhaft im Mikrometer-Bereich liegen, um eine ausreichende Sensitivität des Partikeldetektionssystems zu erreichen. Ist der Durchmesser der Paraffinkristalle größer als der Durchmesser der Öffnungen, können die Paraffinkristalle nicht mehr durch den Siebkörper durchtreten, sondern lagern sich ab einer bestimmten Größe auf dem Siebkörper an. Durch die Anlagerung der Partikel ändern sich Masse und Trägheitsmoment des Siebkörpers und dadurch seine Eigenfrequenz. Die Änderung der Eigenfrequenz kann mit dem Partikeldetektionssystem detektiert werden, welches den schwingend aufgehängten Siebkörper, der in die Fluidströmung ragt, den Aktuator, der den Siebkörper in seiner Eigenfrequenz anregt, die Regelungseinheit, welche die Frequenz bestimmt und den Aktuator auf die geänderte Eigenfrequenz nachregelt und damit einen Gehalt an Partikeln in dem Fluid bestimmen kann, sowie die Ausgabeeinheit umfasst, welche aus dem Regelungssignal ein Steuerungssignal beispielsweise an eine Kraftstoffheizeinrichtung ausgeben kann. Vorteilhaft kann eine solche Regelung auf die geänderte Eigenfrequenz des Siebkörpers mittels einer sogenannten Phase-locked-loop-Regelung (PLL) durchgeführt werden.
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Um sicherzustellen, dass sich nur Paraffinkristalle und kein Schmutz oder sonstige Partikel auf dem Siebkörper anlagern, kann der Siebkörper vorteilhafterweise auf der Reinseite des Kraftstoffversorgungssystems verbaut sein, beispielsweise direkt im Gehäuse eines Filtersystems. Die relativ geringe Menge an Kraftstoff auf der Reinseite des Filtersystems kann für eine zuverlässige Erkennung der Partikel ausreichen. Das Partikeldetektionssystem kann auf diese Weise schnell reagieren, wenn Partikel mit einer Größe im kritischen Bereich, der zum Verstopfen führen kann, sich am Siebkörper ablagern.
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Vorteilhaft kann der Siebkörper an seiner Aufhängung schwenkbar gelagert sein und zumindest zeitweise quer oder parallel zur Fluidströmung ausrichtbar sein. Die Aufhängung des Siebkörpers in der Fluidströmung kann günstigerweise eine schwenkbare Lagerung des Siebkörpers vorsehen, so dass der Siebkörper in seiner Ausrichtung zu der Strömung geändert werden kann. Der Siebkörper kann beispielsweise quer zur Fluidströmung ausgerichtet sein, um die Messfunktion auszuüben. Der Siebkörper kann alternativ parallel zur Fluidströmung ausgerichtet sein, wenn die Temperatur des Dieselkraftstoffs so hoch ist, dass keine Ausflockung von Paraffinkristallen zu erwarten ist und die Messfunktion ausgeschaltet sein kann. Dadurch lässt sich der Strömungswiderstand des Siebkörpers in der Fluidströmung minimieren.
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Ein solches Schwenken des Siebkörpers könnte beispielsweise mit einer Drehachse aus einer Formgedächtnislegierung vorgesehen sein, welche in Abhängigkeit der Temperatur des Fluids eine unterschiedliche Position einnehmen kann. Bei niedrigen Kraftstofftemperaturen kann der Siebkörper so quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein und bei höheren Kraftstofftemperaturen parallel zur Strömungsrichtung, so dass der Siebkörper weggeklappt ist und wenig Strömungswiderstand aufweist.
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Günstigerweise kann eine Drehachse des Siebkörpers symmetrisch in einem Querschnitt des Siebkörpers angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Drehachse des Siebkörpers mitten durch den Siebkörper verlaufen und der Siebkörper mit wenig Kraftaufwand in der Fluidströmung geschwenkt werden, um eine Position quer oder parallel zur Fluidströmung einzunehmen. Der Siebkörper kann im weggeschwenkten Zustand dann beispielsweise in der Mitte des Strömungsquerschnitts angeordnet sein.
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Alternativ kann eine Drehachse des Siebkörpers außerhalb des Querschnitts des Siebkörpers angeordnet sein. So kann die Drehachse an einem Ende des Siebkörpers oder sogar außerhalb des Siebkörpers angeordnet sein, so dass der Siebkörper in Form einer Klappe in die Fluidströmung eingeklappt werden kann oder aus der Fluidströmung weggeklappt werden kann, um ihn beispielsweise an der Wand einer Kraftstoffleitung anzulegen.
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So kann der Siebkörper vorteilhaft temperaturabhängig gesteuert zu der Fluidströmung ausrichtbar sein. Bei niedrigen Kraftstofftemperaturen kann der Siebkörper so quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein und bei höheren Kraftstofftemperaturen parallel zur Strömungsrichtung, so dass der Siebkörper weggeklappt ist und wenig Strömungswiderstand aufweist. So ist der Siebkörper nur in der Fluidströmung, wenn auch tatsächlich Paraffinkristalle zu erwarten sind und eine Erkennung der Partikel auch eingeschaltet sein soll.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Aktuator an einer Aufhängung des Siebkörpers angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich eine anregende Schwingung des Aktuators zweckmäßig in den Siebkörper einkoppeln. Trotzdem kann der Siebkörper durch die Aufhängung schwenkbar gelagert sein, wodurch sich mehrere Funktionen über die Aufhängung bewirken lassen. Außerdem ist durch eine Einkopplung der anregenden Schwingung über die Aufhängung eine möglichst ungestörte Eigenschwingung des Siebkörpers gewährleistet. Alternativ kann der Aktuator zusammen mit dem Siebkörper verschwenkt werden, was bei einer Ausbildung als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) fertigungstechnische Vorteile bietet, da Siebkörper und Aktuator als ein Bauteil hergestellt und montiert werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dem Siebkörper ein trichterförmiges Bauteil vorgeschaltet sein oder der Siebkörper selbst trichterförmig ausgebildet sein. Eine Vorschaltung eines trichterförmigen Bauteils ermöglicht es, mit einem Siebkörper mit vergleichsweise kleiner Oberfläche eine große durchströmte Fläche abzudecken, da die Strömung gewissermaßen eingefangen wird. Günstig ist es auch, die Fläche an durchströmbaren Öffnungen zu erhöhen, indem der Siebkörper als Trichter gestaltet wird, wobei die Trichteröffnung vorteilhaft entgegen der Fluidströmung ausgerichtet wird, um so wie mit einem Netz die Partikel aufzufangen. Dadurch lässt sich die Effizienz des Siebkörpers erhöhen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Siebkörper als Platte ausgebildet sein. Alternativ kann der Siebkörper als ebene Platte ausgestaltet sein, wodurch die Fläche an durchströmbaren Öffnungen der Querschnittsfläche der Platte entspricht. Der Vorteil ist dabei, dass die Platte sich parallel zur Fluidströmung ausrichten lässt, wenn bei höheren Temperaturen keine Messung erfolgen soll und so einen nur geringen Strömungswiderstand für das strömende Fluid darstellt. Die Ausbildung des Siebkörpers als Platte lässt sich auch gut mit dem vorgeschalteten trichterförmigen Bauteil als Strömungsfangtrichter kombinieren, zumal MEMS per se auf Grund ihrer Herstellung aus Platinen plattenförmig bzw. eben sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Fläche der Öffnungen wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 60%, besonders bevorzugt wenigstens 75% einer Querschnittsfläche des Siebkörpers entsprechen. Je größer der Anteil an durchströmbarer Fläche durch die Öffnungen im Verhältnis zu der Gesamtquerschnittsfläche des Siebkörpers ist, desto geringer ist der Strömungswiderstand des Siebkörpers in der Fluidströmung, so dass der Strömungsverlust im Kraftstoffversorgungssystem durch die Verwendung des Partikeldetektionssystems reduziert werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung mit einem Partikeldetektionssystem vorgeschlagen, wobei das Partikeldetektionssystem in einer Kraftstoffleitung, insbesondere als Teil der Kraftstoffleitung einer Brennkraftmaschine, angeordnet ist. Das Partikeldetektionssystem kann vorteilhaft in einer Kraftstoffleitung eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine eingesetzt sein und so Teil einer Sensoreinrichtung darstellen, welche die Erkennung von Partikeln in einem Kraftstoffstrom, insbesondere die Erkennung von ausgeflockten Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, ermöglicht.
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Das Partikeldetektionssystem zur Erkennung von Partikeln in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, umfasst einen Siebkörper mit durchgängigen Öffnungen, der zumindest zeitweise in einer im Betrieb wirkenden Fluidströmung angeordnet ist, einen mit dem Siebkörper gekoppelten Aktuator, der den Siebkörper in einer Eigenfrequenz anregt, und eine mit dem Aktuator verbundene Regelungseinheit, welche den Aktuator auf die Eigenfrequenz des Siebkörpers nachregelt, sowie eine mit der Regelungseinheit gekoppelte Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines Steuerungssignals. Dabei ist aus dem Regelungssignal der Regelungseinheit ein Gehalt an Partikeln in dem Fluid bestimmbar.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Partikeldetektionssystems liegt darin, dass nicht nur das Vorhandensein von Paraffinkristallen, sondern zusätzlich auch noch die Größe der Kristalle bestimmbar ist. Dadurch kann die Beheizung des Dieselkraftstoffs bedarfsgerecht statt temperaturgesteuert ausgeführt werden. Aus der Resonanzfrequenz ist jedoch die Größe der Kristalle nicht bestimmbar, da es sich hierbei um ein Summensignal handelt; dies wird erst durch Kenntnis der Maschenweite des Siebkörpers ermöglicht.
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Entscheidend für die Filtergängigkeit des Dieselkraftstoffs ist nicht die Temperatur oder die Trübung des Kraftstoffs, sondern die Größe der Paraffinkristalle in Suspension. Mit dem Partikeldetektionssystem kann festgestellt werden, wann die Kristalle so groß werden, dass sie den Filter zu verstopfen drohen. Dadurch kann die Dieselheizung sehr gezielt geregelt und somit deutlich Energie eingespart werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Partikeldetektionssystem auf einer Reinseite eines Filtersystems in der Kraftstoffleitung angeordnet sein. Um sicherzustellen, dass sich nur Paraffinkristalle und kein Schmutz oder sonstige Partikel auf dem Siebkörper anlagern, kann das Partikeldetektionssystem vorteilhafterweise auf der Reinseite des Kraftstoffversorgungssystems verbaut sein, beispielsweise direkt im Gehäuse eines Filtersystems. Die relativ geringe Menge an Kraftstoff auf der Reinseite des Filtersystems sollte für eine zuverlässige Erkennung der Partikel ausreichen. Das Partikeldetektionssystem kann auf diese Weise schnell reagieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Maschenweite des Siebkörpers an eine Porengröße eines Filtermediums in dem Filtersystem angepasst sein. Günstigerweise kann so die Maschenweite des Siebkörpers in der Größenordnung der Porengröße des Filtermediums gewählt werden. Würde eine wesentlich größere Maschenweite als die Porengröße gewählt, so würden die Paraffinkristalle im Filtermedium ausgefiltert werden und am Siebkörper kämen keine Kristalle der Größe mehr an, für welche der Siebkörper sensitiv ist. Würde eine wesentlich kleinere Maschenweite als die Porengröße gewählt, so würde der Siebkörper als Filter für diejenigen Schmutzpartikel arbeiten, welche durch das Filtermedium auf Grund der Porengröße hindurchgetreten sind. So würde ein zu hoher Anteil an angelagerten Partikeln bestimmt werden, ohne dass die Möglichkeit gegeben wäre, zwischen Schmutzpartikeln und Paraffinkristallen zu unterscheiden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Siebkörper in der Kraftstoffleitung angeordnet sein. Zweckmäßigerweise kann der Siebkörper so einen Teil der Kraftstoffleitung, beispielsweise in Form eines zylinderförmigen Einsatzes als Zwischenstück darstellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Siebkörper in einer Bypass-Leitung der Kraftstoffleitung angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, den Siebkörper in einer Bypass-Leitung der Kraftstoffleitung anzuordnen. Dabei wird der Strömungsverlust in der Kraftstoffleitung durch den Siebkörper vermieden. In die Bypass-Leitung wird nur ein geringer Teil der Gesamt-Fluidströmung abgezweigt. So wäre es auch denkbar, den Siebkörper immer in der Position quer zur Fluidströmung stehen zu lassen und nicht bei höheren Temperaturen wegzuschwenken. Für eine günstige Optimierung der Fluidströmung kann der Siebkörper jedoch auch in der Bypass-Leitung schwenkbar vorgesehen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann über die Ausgabeeinheit eine Kraftstoffheizungseinrichtung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine und/oder eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine steuerbar sein. Abhängig vom bestimmten Gehalt an Paraffinkristallen im Dieselkraftstoff kann eine Kraftstoffheizeinrichtung eingeschaltet werden, wenn eine bestimmte Größe und Anzahl der Paraffinkristalle erreicht ist. Dadurch lösen sich die Paraffinkristalle auf Grund der höheren Temperatur wieder auf. So lässt sich die Sensoreinrichtung für eine Regelung der Kraftstoffheizeinrichtung verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann über die Ausgabeeinheit auch ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine angesteuert werden, um beispielsweise Parameter des Brennverfahrens anzupassen oder darüber auch die Kraftstoffheizeinrichtung zu steuern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Fläche des Siebkörpers wenigstens 5%, bevorzugt wenigstens 20%, besonders bevorzugt wenigstens 25% der Fläche eines Strömungsquerschnitts der Fluidströmung entsprechen. Um eine ausreichende Sensitivität der Sensoreinrichtung zu erzielen, ist es nicht notwendig, einen möglichst großen Anteil des Gesamt-Strömungsquerschnitts mit dem Siebkörper abzudecken. Es ist ausreichend, wenn ein Teil des Strömungsquerschnitts durch die Querschnittsfläche des Siebkörpers erreicht wird, um eine repräsentative Bestimmung der Partikel mit einer für das System kritischen Größe zu erzielen. Andererseits sollte die Fläche nicht zu klein sein, um eine möglichst schnelle Reaktion des Partikeldetektionssystems auf das Auftreten von Partikeln zu erreichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können wenigstens zwei aus der Gruppe von Siebkörper, Aktuator, Regelungseinheit, Ausgabeeinheit in einem Bauteil, insbesondere in einem mikroelektromechanischen Bauteil, integriert sein. Ein MEMS stellt ein in ähnlicher Technologie wie Halbleiterbauteile ausgeführtes miniaturisiertes elektromechanisches Element dar, wie beispielsweise ein üblicher Lage- oder Beschleunigungssensor. Siebkörper, Aktuator, Regelungseinheit und/oder Ausgabeeinheit können als MEMS-Bauteil ausgebildet sein, wodurch eine kompakte Bauweise realisierbar ist. Weiter kann dadurch die Zuverlässigkeit der Erkennung von Partikeln im Fluidstrom wie insbesondere Paraffinkristalle im Dieselkraftstoff durch die Robustheit solcher mikroelektromechanischer Bauteile erhöht werden, wobei die Robustheit u. a. von der kompakten und integrierten Bauform des Bauteils begünstigt wird. So ist eine Kapselung von zweien oder mehreren Komponenten der Gruppe in einem mikroelektromechanischen Bauteil denkbar. Die MEMS-Technologie eignet sich auch besonders gut für die Herstellung eines Siebkörpers in Forms eines Gitters mit einer Maschenweite im Mikrometer-Bereich, wie es für den Einsatz bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung von Vorteil ist. Dabei kann die in der Halbleitertechnologie übliche Mikrostrukturierung der Bauteile eingesetzt werden. Auf diese Weise kann das gesamte Partikeldetektionssystem inklusive der Auswertung der Signale und Ausgabe von Steuerungssignalen auf einem MEMS-Bauteil vereint sein. Auch die Ansteuerung einer Kraftstoffheizeinrichtung, die beispielsweise mit einer MOSFET-Komponente realisiert sein kann, kann auf dem MEMS-Bauteil vorteilhaft integriert sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann wenigstens der Siebkörper integraler Bestandteil eines Filtersystems eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine sein. Günstig ist es auch, wenigstens den Siebkörper in das Filtersystem zu integrieren. Dadurch ist ein einfaches Unterbringen des Siebkörpers möglich. Außerdem sind so reproduzierbare Strömungsverhältnisse auch bei Verwendung in verschiedenen Einbausituationen mit unterschiedlichen Kraftstoffversorgungssystemen in Fahrzeugen gewährleistet. Denkbar ist auch, das gesamte Partikeldetektionssystem in dem Filtersystem unterzubringen, um eine möglichst kompakte und reproduzierbare Anordnung der Sensoreinrichtung zu erreichen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erkennung von festen Körpern in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, vorgeschlagen, umfassend das Ausrichten eines Siebkörpers mit durchgängigen Öffnungen in einer ersten Position quer zu einer Fluidströmung, das Anregen des Siebkörpers mit einer Eigenfrequenz durch einen Aktuator, das Nachregeln des Aktuators über eine Regelungseinheit auf die Eigenfrequenz des Siebkörpers, sowie das Bestimmen eines Gehalts an festen Körpern in dem Fluid aus dem Regelungssignal der Regelungseinheit. In einer zweiten Position, beispielsweise bei höheren Temperaturen, in welcher das Partikeldetektionssystem nicht zur Erkennung von ausflockenden Paraffinkristallen verwendet werden soll, kann der Siebkörper parallel zur Fluidströmung ausgerichtet werden, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu bieten.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass nicht nur das Vorhandensein von Paraffinkristallen, sondern zusätzlich auch noch die Größe der Kristalle bestimmt wird. Dadurch kann die Beheizung des Dieselkraftstoffs bedarfsgerecht statt temperaturgesteuert ausgeführt werden.
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Entscheidend für die Filtergängigkeit des Dieselkraftstoffs ist nicht die Temperatur oder die Trübung des Kraftstoffs, sondern die Größe der Paraffinkristalle in Suspension. Mit dem Verfahren kann festgestellt werden, wann die Kristalle so groß werden, dass sie den Filter zu verstopfen drohen. Dadurch kann die Dieselheizung sehr gezielt geregelt und somit deutlich Energie eingespart werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Siebkörper oberhalb einer Grenztemperatur parallel zum Fluidstrom ausgerichtet werden. Der Siebkörper kann parallel zur Fluidströmung ausgerichtet sein, wenn die Temperatur des Dieselkraftstoffs so hoch ist, dass keine Ausflockung von Paraffinkristallen zu erwarten ist und die Messfunktion ausgeschaltet sein kann. Dadurch lässt sich der Strömungswiderstand des Siebkörpers in der Fluidströmung minimieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann über eine mit der Regelungseinheit gekoppelte Ausgabeeinheit eine Kraftstoffheizeinrichtung eines Kraftstoffsystems und/oder eine Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine gesteuert werden. Abhängig vom bestimmten Gehalt an Paraffinkristallen im Dieselkraftstoff kann eine Kraftstoffheizeinrichtung eingeschaltet werden, wenn eine bestimmte Größe und Anzahl der Paraffinkristalle erreicht ist. Dadurch lösen sich die Paraffinkristalle auf Grund der höheren Temperatur wieder auf. So lässt sich die Sensoreinrichtung für eine Regelung der Kraftstoffheizeinrichtung verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann über die Ausgabeeinheit auch ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine angesteuert werden, um beispielsweise Parameter des Brennverfahrens anzupassen oder darüber auch die Kraftstoffheizeinrichtung zu steuern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung mit einem Partikeldetektionssystem im Querschnitt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 die Sensoreinrichtung von 1 im Längsschnitt im Zustand bei höheren Temperaturen mit kleinen, durch den Siebkörper durchtretenden Partikeln im Fluid;
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3 die Sensoreinrichtung von 1 im Längsschnitt im Zustand bei niedrigen Temperaturen mit größeren, auf dem Siebkörper sich anlagernden Partikeln im Fluid; und
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4 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung im Querschnitt mit einem in einer Bypass-Leitung angeordneten Partikeldetektionssystem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt im Querschnitt eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung 100 zur Erkennung von Partikeln 26 in einem Fluid, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, mit einem Partikeldetektionssystem 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Partikeldetektionssystem 10 in einer Kraftstoffleitung 102, welche insbesondere Teil einer Kraftstoffleitung 102 einer Brennkraftmaschine sein kann, angeordnet ist. Insbesondere der Siebkörper 12 ist innerhalb der Kraftstoffleitung 102 angeordnet, um die Partikel 26 (siehe 2 und 3) zu detektieren. Das Partikeldetektionssystem 10 umfasst einen durchströmbaren Siebkörper 12 mit durchgängigen Öffnungen 14, der schwenkbar zu einer im Betrieb wirkenden Fluidströmung 40 angeordnet ist, einen mit dem Siebkörper 12 gekoppelten Aktuator 20, welcher insbesondere mechanisch an den Siebkörper 12 gekoppelt sein kann und den Siebkörper 12 in einer Eigenfrequenz anregt, und eine mit dem Aktuator 20 verbundene Regelungseinheit 30, welche den Aktuator 20 auf die Eigenfrequenz des Siebkörpers 12 nachregelt, sowie eine mit der Regelungseinheit 30 gekoppelte Ausgabeeinheit 32 zur Ausgabe eines Steuerungssignals 34. Aus dem Regelungssignal der Regelungseinheit 30 ist so ein Gehalt an Partikeln 26 in dem Fluid bestimmbar. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kraftstoffheizeinrichtung abhängig vom bestimmten Gehalt an Partikeln 26 betrieben werden.
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Der Aktuator 20 ist an einer Aufhängung 24 des Siebkörpers 12 angeordnet. Der Siebkörper 12 selbst kann als ebene Platte, jedoch auch trichterförmig ausgebildet sein, um eine möglichst große Oberfläche zur Detektion der Partikel 26 zur Verfügung zu haben. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Siebkörper 12 als ebene Platte auszuführen, was wiederum bei der Herstellung als mikro-elektromechanisches Bauteil Vorteile aufweist, da übliche Technologien zur Herstellung von flachen MEMS-Bauteilen verwendet werden können. Wenigstens zwei aus der Gruppe von Siebkörper 12, Aktuator 20, Regelungseinheit 30, Ausgabeeinheit 32 können dabei vorteilhaft in einem Bauteil, insbesondere in einem mikroelektromechanischen Bauteil, integriert sein. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Komponenten Siebkörper 12, Aktuator 20, Regelungseinheit 30, Ausgabeeinheit 32 in einem mikroelektromechanischen Bauteil integriert sind, um eine möglichst kompakte und zuverlässige Sensoreinrichtung zu erhalten.
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Der Siebkörper 12 kann beispielsweise als Gitter 16 ausgeführt sein, mit einer Maschenweite im Mikrometer-Bereich, so dass der Siebkörper 12 für auftretende Partikel wie Paraffinkristalle im Dieselkraftstoff eine günstige Sensitivität aufweist. Vorteilhaft kann bei dem Siebkörper 12 eine Fläche der Öffnungen 14 wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 60%, besonders bevorzugt wenigstens 75% einer Querschnittsfläche des Siebkörpers 12 entsprechen, um einen geringen Strömungswiderstand für die Fluidströmung 40 darzustellen. Eine Fläche des Siebkörpers 12, bezogen auf den Strömungsquerschnitt 44 (siehe 2), kann dabei vorteilhaft wenigstens 5%, bevorzugt wenigstens 20%, besonders bevorzugt wenigstens 25% der Fläche eines Strömungsquerschnitts 44 der Fluidströmung 40 entsprechen. Auf diese Weise kann die Sensoreinrichtung 100 die Erkennung von Partikeln in der Fluidströmung günstig leisten, während auf der anderen Seite der Strömungswiderstand durch den Siebkörper 12 selbst nicht zu hoch ist.
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Über den Steuerungsausgang 34 der Ausgabeeinheit 32 kann vorteilhaft eine Kraftstoffheizungseinrichtung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine und/oder eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine angesteuert werden, um bei zunehmender Ausflockung von Paraffinkristallen aus dem Dieselkraftstoff den Kraftstoff zu erwärmen und so die Ausflockung zu verringern und die schon vorhandenen Paraffinkristalle wieder aufzulösen.
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Mit der in 1 dargestellten Sensoreinrichtung 100 kann so ein Verfahren zur Erkennung von festen Körpern 26 in einem Fluid ausgeführt werden, insbesondere von Paraffinkristallen in Dieselkraftstoff, indem der Siebkörper 12 mit seinen durchgängigen Öffnungen 14 in einer ersten Position quer zu einer Fluidströmung 40 ausgerichtet wird. Weiter wird ein Aktuator 20, welcher den Siebkörper 12 in einer Eigenfrequenz anregt, mechanisch mit dem Siebkörper 12 gekoppelt. Der Aktuator 20 wird dabei über eine Regelungseinheit 30 auf die Eigenfrequenz des Siebkörpers 12 nachgeregelt, um aus dem Regelungssignal der Regelungseinheit 30 einen Gehalt an festen Körpern 26 in dem Fluid zu bestimmen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kraftstoffheizeinrichtung abhängig vom bestimmten Gehalt an Partikeln 26 betrieben werden.
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In einer zweiten Position, beispielsweise bei höheren Temperaturen, in welcher das Partikeldetektionssystem nicht zur Erkennung von ausflockenden Paraffinkristallen verwendet werden soll, kann der Siebkörper parallel zur Fluidströmung ausgerichtet werden, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu bieten. So kann der Siebkörper 12 beispielsweise oberhalb einer Grenztemperatur parallel zum Fluidstrom ausgerichtet werden.
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In 2 ist die Sensoreinrichtung 100 von 1 im Längsschnitt im Zustand bei höheren Temperaturen mit kleinen, durch den Siebkörper 12 durchtretenden Partikeln 26 im Fluid dargestellt. Der Siebkörper 12 des Partikeldetektionssystems 10 selbst ist zweckmäßigerweise für die Erkennung der Partikel 26 senkrecht zu der Fluidströmung in der Kraftstoffleitung 102 ausgerichtet, so dass er einen großen Teil des Strömungsquerschnitts 44 erfasst. Die Partikel 26 weisen jedoch in dem dargestellten Zustand bei höheren Temperaturen des Kraftstoffs einen mittleren Durchmesser auf, der kleiner als die Maschenweite der Öffnungen 14 des beispielsweise als Gitter 16 ausgeführten Siebkörpers 12 ist. So können die Partikel 26 durch den Siebkörper 12 durchtreten.
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Der Siebkörper 12 kann schwenkbar zu der im Betrieb wirkenden Fluidströmung 40 angeordnet sein, indem er mit der Aufhängung 24 an der Wandung der Kraftstoffleitung 102 befestigt ist, wobei die Drehachse 18 des Siebkörpers 12 durch eine Mitte des Siebkörpers 12 und axial in der Aufhängung 24 verläuft. Die Aufhängung 24 kann dabei selbst die Drehachse 18 darstellen. Die Drehachse 18 des Siebkörpers 12 ist symmetrisch in dem Querschnitt des Siebkörpers 12 angeordnet. Der Siebkörper 12 kann so an seiner Aufhängung 24 schwenkbar gelagert sein und zumindest zeitweise quer oder parallel zur Fluidströmung 40 ausrichtbar sein. Der Siebkörper 12 kann auf diese Weise temperaturabhängig gesteuert zu der Fluidströmung 40 ausgerichtet werden. Alternativ kann die Drehachse 18 jedoch auch außerhalb einer Mitte des Siebkörpers 12 verlaufen.
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Der Siebkörper 12 wird über den Aktuator 20 in seiner Eigenfrequenz angeregt, welche über die Regelungseinheit 30 nachgeregelt werden kann. Aktuator 20, Regelungseinheit 30 und Ausgabeeinheit 32 sind der Übersichtlichkeit halber in den 2 bis 4 nicht dargestellt. Der Aktuator 20 kann mit dem Siebkörper 12, wie in 1 dargestellt, über die Aufhängung 24 verbunden sein.
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In 3 ist die Sensoreinrichtung 100 von 1 im Längsschnitt im Zustand bei niedrigen Temperaturen mit größeren, auf dem Siebkörper 12 sich anlagernden Partikeln 26 im Fluid dargestellt. Der mittlere Durchmesser der Partikel 26 wächst beispielsweise bei ausflockenden Paraffinkristallen mit abnehmender Temperatur an. Ist der mittlere Durchmesser größer als der Durchmesser der Öffnungen 14 im Siebkörper 12, so können die Partikel 26 nicht mehr durch die Öffnungen 14 hindurchtreten und lagern sich deshalb auf dem Siebkörper 12 an. Dadurch erhöht sich die Masse des Siebkörpers 12, sein Trägheitsmoment ändert sich und damit auch die Eigenfrequenz des Siebträgers 12. Diese Änderung der Eigenfrequenz des Siebkörpers 12 kann über das Regelungssignal der den Aktuator 20 auf die Eigenfrequenz nachregelnden Regelungseinheit 30 bestimmt werden, woraus sich ein Gehalt an Partikel 26 im Fluid ableiten lässt. In Folge kann dann ein Steuerungssignal 34 an eine Kraftstoffheizeinrichtung oder ein Motorsteuergerät über die mit der Regelungseinheit 30 gekoppelte Ausgabeeinheit 32 ausgegeben werden.
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Mit zunehmender Betriebsdauer werden immer mehr Partikel 26 auf der Oberfläche des Siebkörpers 12 angelagert. Diese Partikel 26 können bei niedrigen Temperaturen die zu bestimmenden Paraffinkristalle, jedoch auch Schmutzpartikel in dem Kraftstoff umfassen.
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Unter diesem Gesichtspunkt ist es sinnvoll, eine Möglichkeit vorzusehen, den Siebkörper 12 von Zeit zu Zeit von den angelagerten Partikeln 26 zu befreien, um wieder eine möglichst hohe Sensitivität des Partikeldetektionssystems 10 zu erreichen. Dazu kann vorgesehen sein, den Siebkörper 12 um die Drehachse 18 um 180° zu schwenken, so dass der Siebkörper 12 von der bisherigen Rückseite angeströmt werden kann. Die Fluidströmung 40 tritt dabei durch die Öffnungen 40 von der Rückseite des Siebkörpers 12, wodurch die angelagerten Partikel 26 von dem Siebkörper 12 abgespült und mit der Fluidströmung 40 weitergetragen werden können.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung 100 im Querschnitt mit einem in einer Bypass-Leitung 104 angeordneten Partikeldetektionssystem 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ausführungsbeispiel weist weiter am Eingang der Kraftstoffleitung 102 ein Filtersystem 110 auf, welches auf der Reinseite 112 mit der Kraftstoffleitung 102 verbunden ist.
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Die Kraftstoffleitung 102 weist eine Bypass-Leitung 104 auf, welche einen Teil der Fluidströmung 40 durch den Strömungsquerschnitt 44 abzweigt. Wenigstens der Siebkörper 12 ist in der Bypass-Leitung 104 der Kraftstoffleitung 102 angeordnet, um eine Bestimmung des Gehalts an Partikeln 26 in einem Bereich kritischer Partikelgröße in der Fluidströmung 40 in der Bypass-Leitung 104 vorzunehmen.
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Das Partikeldetektionssystem 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Reinseite 112 des Filtersystems 110 der Kraftstoffleitung 102 angeordnet, wobei vorteilhaft die Maschenweite des Siebkörpers 12 an die Porengröße des Filtermediums in dem Filtersystem 110 angepasst sein kann. Günstig ist es, wenn das Partikeldetektionssystem 10 in einem gewissen Abstand zum Filtersystem 110 angeordnet ist, um vergleichmäßigte Fluidströmungsbedingungen für die Erkennung der Partikel 26 vorzufinden.
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Alternativ könnte wenigstens der Siebkörper 12, möglicherweise auch das ganze Partikeldetektionssystem 10, statt in der Bypass-Leitung 104 angeordnet, integraler Bestandteil des Filtersystems 110 sein.
