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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Partikelmessung im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine anhand einer Partikelmessvorrichtung sowie eine Partikelmessvorrichtung.
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Mit der Einführung neuer Abgasnormen gehen auch immer kleinere zulässige Grenzwerte für Emissionen einher. Die Abgasnorm Euro 6 begrenzt beispielsweise eine maximal zulässige Partikelmasse im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine bei einem realen Fahrbetrieb eines Kraftwagens. Zur Messung der Partikelmasse kommen in der Regel sogenannte Partikelmasse-Sensoren, welche auch als PM-Sensoren bezeichnet werden, zum Einsatz. Eine Messung von Partikeldurchmessern oder einer Partikelanzahl der Partikel im Abgas ist mittels konventioneller PM-Sensoren nicht möglich. Im Rahmen der Abgasnorm Euro 7 wird jedoch eine Reglementierung einer maximal zulässigen Partikelanzahl pro Wegstrecke erwartet. Hierzu werden Partikelanzahl-Sensoren, welche auch als PN-Sensoren bezeichnet werden können, verwendet. Eine Massenproduktion von für den Einsatz in Kraftwagen geeigneten PN-Sensoren stellt jedoch eine technologische Herausforderung dar.
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Aus der
DE 10 2006 027 077 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasmassenstrom in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters bekannt. Zumindest eine Messoberfläche eines mechanisch-akustischen Sensors ist stromauf und/oder stromab des Partikelfilters dem Abgasmassenstrom ausgesetzt. Bei dem Verfahren wird ein Beladungszustand der Messoberfläche mit Partikeln ermittelt und aus dem Beladungszustand ein Diagnosewert des Partikelfilters ermittelt.
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Aus der
DE 10 2009 058 698 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zuführungssystem für die Verbrennungsluft und einer Abgasanlage bekannt. Die Abgasanlage weist eine Abgasleitung auf, in der ein erster Partikelfilter angeordnet und ein zweiter Partikelfilter nachgeschaltet ist. Dem zweiten Partikelfilter ist ein Differenzdrucksensor zugeordnet, um den Differenzdruck zwischen einem Ort stromauf und einem Ort stromab des zweiten Partikelfilters zu ermitteln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Partikelmessvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine aussagekräftige und strömungsgünstige Partikelmessung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst sowie durch eine Partikelmessvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Partikelmessung im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine anhand einer Partikelmessvorrichtung.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikelmessvorrichtung Ultraschallsensoren umfasst, mittels welchen eine Anzahl und/oder eine Verteilung und/oder eine Größe der Partikel im Abgas gemessen wird. Dies ist von Vorteil, da die Messung von Parametern wie der Anzahl, der Verteilung und der Größe der Partikel durch die Ultraschallsensoren besonders präzise und strömungsgünstig erfolgen kann. Die jeweiligen Ultraschallsensoren können Ultraschallwellen emittieren, welche an Festkörpern, wie den Partikeln zumindest teilweise reflektiert werden können. So kann beispielsweise eine Anzahl an Reflexionen die Anzahl der Partikel im Abgas charakterisieren. Über die Intensität der Reflexionen kann auf die Größe der Partikel, welche auch als Partikelgröße bezeichnet werden kann geschlossen werden. Des Weiteren kann beispielsweise über eine Verteilung einer Dichte der Reflexionen unterschiedlicher Intensität pro Volumeneinheit oder Flächeneinheit innerhalb eines abgasführenden Rohres auf die Verteilung der Partikel im Abgas geschlossen werden. Somit kann insgesamt anhand der Ultraschallsensoren eine besonders aussagekräftige Partikelmessung, bei welcher die Anzahl, die Verteilung und die Größe der Partikel gemessen werden können, erfolgen. Ein besonderer Vorteil der Ultraschallsensoren besteht weiterhin darin, dass diese nicht oder lediglich geringfügig in einen Innenraum von Abgas führenden Leitungen, wie beispielsweise das abgasführende Rohr, ragen müssen, um anhand der Ultraschallsensoren Messungen durchführen zu können. Die Ultraschallsensoren stellen damit keinen oder lediglich einen geringen Strömungswiderstand für das innerhalb des Rohres bzw. der Leitung strömende Abgas dar, wodurch eine besonders strömungsgünstige Partikelmessung anhand der Ultraschallsensoren erfolgen kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Partikelmessvorrichtung für einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikelmessvorrichtung Ultraschallsensoren umfasst, welche zum Messen einer Anzahl und/oder einer Verteilung und/oder einer Größe der Partikel im Abgas ausgebildet sind. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Partikelmessvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht auf ein Rohr eines Abgastaktes für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei diagonal einander gegenüberliegende Ultraschallsensoren einer Partikelmessvorrichtung gezeigt sind und die Ultraschallsensoren jeweils einen Sender und einen Empfänger aufweisen;
- 2 eine weitere schematische Seitenansicht auf das Rohr des Abgastaktes, wobei die Ultraschallsensoren in einem ersten Abstand voneinander und nebeneinander angeordnet sind, welcher kleiner ist als ein Innendurchmesser des Rohres;
- 3 eine weitere schematische Seitenansicht auf das Rohr des Abgastaktes, wobei die Ultraschallsensoren in einem zweiten Abstand voneinander und nebeneinander angeordnet sind, welcher größer ist als der Innendurchmesser des Rohres;
- 4 eine schematische Schnittansicht des in 2 gezeigten Rohres sowie der Ultraschallsensoren; und
- 5 eine schematische Seitenansicht der Verbrennungskraftmaschine und des Abgastraktes, an dessen Rohr die zwei voneinander beanstandeten Ultraschallsensoren angeordnet sind.
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1, 2 und 3 zeigen jeweils schematische Seitenansichten eines Teilbereichs eines Rohr 15 eines in 5 schematisch dargestellten Abgastraktes 13 einer ebenfalls in 5 schematisch dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10.
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Des Weiteren zeigen 1, 2 und 3 unterschiedliche Möglichkeiten der Anordnung zweier Ultraschallsensoren 30, 40 einer ebenfalls in 5 schematisch dargestellten Partikelmessvorrichtung 20. Durch Zusammenschau von 1, 2 und 3 ist erkennbar, dass die Anordnung der Ultraschallsensoren 30, 40 von einer entsprechenden Nennweite des Rohres 15 abhängt. Die Ultraschallsensoren 30, 40 sind jeweils als Sender 32 und als Empfänger 34 ausgebildet. Mit anderen Worten kann jeder der Ultraschallsensoren 30, 40 Ultraschallwellen 36 nicht nur aussenden, sondern auch empfangen, wie in 4 schematisch gezeigt ist. Jeder der Ultraschallsensoren 30, 40 kann hierzu zumindest einen piezoelektrischen Kristall 38 umfassen.
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5 zeigt, dass die Verbrennungskraftmaschine einen Luftfilter 12 umfasst, über welchen Luft gefiltert werden und zur Verbrennung zusammen mit Kraftstoff in jeweiligen Brennräume der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestellt werden kann, wobei das Abgas 11 bei der Verbrennung entsteht. Das Abgas 11 kann über einen Abgaskrümmer 14 des Abgastaktes 13 aus den jeweiligen Brennräumen austreten und über einen Abgasturbolader 16 in das Rohr 15 eintreten. Das Abgas 11 kann über das Rohr 15 zu jeweiligen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 des Abgastaktes 13 geführt werden. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 können als Katalysator und zusätzlich oder alternativ als Partikelfilter ausgebildet sein. Stromauf und stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 sind jeweilige Sonden 17 des Abgastaktes 13 angeordnet. Die Sonden 17 sind vorliegend als jeweilige Lambdasonden ausgestaltet um mittels dieser einen Restsauerstoffgehalt im Abgas 11 stromauf bzw. stromab der jeweiligen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 zu ermitteln. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 sind vorliegend zwischen den jeweiligen Ultraschallsensoren 30, 40 der Partikelmessvorrichtung 20 angeordnet. Der Ultraschallsensor 30 ist dabei in einer, in 5 durch einen Pfeil verdeutlichten Strömungsrichtung des Abgases 11 stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 angeordnet, wohingegen der Ultraschallsensor 40 in Strömungsrichtung des Abgas 11 stromauf der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 18, 19 und stromab des Abgasturboladers 16 angeordnet ist.
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Anhand der Ultraschallsensoren 30, 40 kann eine Partikelmessung im Abgas 11 der Verbrennungskraftmaschine 10 erfolgen. Jeweilige Sensorsignale der Ultraschallsensoren 30, 40 können anhand einer Recheneinrichtung 22, welche der Partikelmessvorrichtung 20 zugeordnet sein kann, ausgewertet werden. Mittels der Ultraschallsensoren 30, 40 kann eine Anzahl, eine Verteilung und eine Größe der Partikel im Abgas 11 gemessen werden.
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Die Ultraschallsensoren 30, 40 sind besonders flexibel einsetzbar, da diese vorliegend als Ultraschallluftmassenmesser und zudem als Partikelzähler ausgebildet sind. Der Ultraschallsensor 30 bildet dabei eine austrittsseitige Messeinheit, wohingegen der Ultraschallsensor 40 eine eintrittsseitige Messeinheit bildet.
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Die Partikelmessvorrichtung 20 ermöglicht die Verwendung der jeweiligen Ultraschallsensoren 30, 40 im Abgastrakt 13 und damit in einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine 10, um neben der Verteilung der Partikel, welche auch als Partikelverteilung bezeichnet werden kann, auch die Anzahl der Partikel, welche auch als Partikelanzahl bezeichnet werden kann sowie die Größe der Partikel, welche auch als Partikelgröße bezeichnet werden kann im Abgas 11 bzw. im Partikelfilter online, also mit anderen Worten während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10, zu ermitteln.
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Somit kann eine Beladung des Partikelfilters (Abgasnachbehandlungsvorrichtung 18 bzw. 19) besonders präzise bei laufender Verbrennungskraftmaschine 10 bestimmt werden. Eine genaue Beladungserkennung kann einen Abbrandprozess zum Regenerieren des Partikelfilters verbessern. Die jeweiligen Sender 32 und Empfänger 34 der Ultraschallsensoren 30, 40 können einander gegenüberliegend angeordnet sein. Alternativ dazu können die Ultraschallsensoren 30, 40 auch als jeweilige Kombisensoren ausgebildet sein, welche jeweils die entsprechenden Sender 32 und Empfänger 34 umfassen können.
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Durch die vorliegende Erfindung können beispielsweise Schadstoffemissionen und Kohlendioxidemissionen reduziert werden und ein verbesserter Bauteilschutz sowie eine verbesserte Bauteilhaltbarkeit erzielt werden. Des Weiteren können Prozessreserven und Prozessvorhalte reduziert werden. Zudem können Informationen für ein Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine zur Steuerung und Regelung bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 11
- Abgas
- 12
- Luftfilter
- 13
- Abgastrakt
- 14
- Abgaskrümmer
- 15
- Rohr
- 16
- Abgasturbolader
- 17
- Sonde
- 18
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 19
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 20
- Partikelmessvorrichtung
- 22
- Recheneinrichtung
- 30
- Ultraschallsensor
- 32
- Sender
- 34
- Empfänger
- 36
- Ultraschallwellen
- 38
- piezoelektrischer Kristall
- 40
- Ultraschallsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006027077 A1 [0003]
- DE 102009058698 A1 [0004]
