DE10260784A1

DE10260784A1 - Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungsgrades einer Filtereinrichtung

Info

Publication number: DE10260784A1
Application number: DE2002160784
Authority: DE
Inventors: Michael Krejci; Herbert Dipl.-Ing. Roth; Matthias Dr. Wellers
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-01
Also published as: FR2848874B1; FR2848874A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungsgrades einer Filtereinrichtung wird der Druckabfall über ein Filterelement und der Massenstrom des das Filterelement durchströmenden Mediums gemessen. Aus den gemessenen Größen wird gemäß einer vorgeschriebenen Beziehung ein Referenzwert ermittelt und mit einem zugeordneten Grenzwert verglichen, wobei im Falle einer Überschreitung des Grenzwertes ein Fehlersignal erzeugt wird. Als Referenzwert wird der Verschmutzungsgrad des Filterelementes anhand einer Beziehung in Abhängigkeit vom Druckabfall und Massenstrom bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungsgrades einer Filtereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Druckschrift DE 199 51962 A1 bekannt, gemäß der über eine Differenzdruck-Sensoreinrichtung die Druckdifferenz zwischen dem Strömungsabschnitt stromauf und dem Strömungsabschnitt stromab des Filterelementes in dem Filtergerät gemessen wird. Darüber hinaus ist eine Durchfluss-Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Durchflussrate des das Filterelement durchströmenden Massenstromes vorgesehen. Die Differenzdruckwerte und die Durchflussrate werden einer elektronischen Auswerteeinrichtung zugeführt und dort gemäß einem vorgegebenen Zusammenhang zu einem Zustandswert verknüpft, welcher mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Als Verknüpfungsregel kann eine Kennlinie vorgegeben werden, in der ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Durchflussrate und Differenzdruckwert angegeben ist. Sofern die gemessenen Werte in einem zulässigen, von einer Grenzwertkennlinie begrenzten Bereich liegen, ist der Luftfilter noch voll funktionsfähig. Falls die Grenzwertkennlinie überschritten wird, muss von einem unzulässig hohen Verschmutzungsgrad des Filtergeräts ausgegangen werden und es wird ein Anzeigesignal erzeugt, um den Fahrer auf die Verschmutzung des Filtergerätes hinzuweisen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den Verschmutzungsgrad einer Filtereinrichtung, insbesondere eines Luftfilters für eine Brennkraftmaschine kontinuierlich zu überwachen und mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß wird ausgehend von der Bernoulli-Gleichung und eines bekannten Zusammenhanges für die Berechnung des Luftmassenstromes als Funktion von Querschnittsfläche, Massenstromgeschwindigkeit und Dichte des Mediums durch den Luftfilter ein Zusammenhang für die Bestimmung der Widerstandszahl in der Strömung ermittelt und ein Referenzwert in Abhängigkeit dieser Funktion für die Widerstandszahl bestimmt. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass die Widerstandszahl der Luftströmung an sich nicht explizit ermittelt werden muss, sondern vielmehr der hierfür geltende Zusammenhang als Bestimmungsgröße für den Referenzwert herangezogen und mit einem zugeordneten Grenzwert verglichen wird. Dieser Referenzwert kann als Verschmutzungsgrad bezeichnet werden und wird allgemein anhand der Beziehung

in Abhängigkeit der gemessenen Druckdifferenz über das Filterelement und des Massenstromes durch die Filtereinrichtung bestimmt. Als weiterer Parameter wird die Dichte des Mediums, insbesondere die Luftdichte für die Ermittlung des Verschmutzungsgrades herangezogen. Die mit „fkt" bezeichnete Funktion kann hierbei sowohl linear als auch nichtlinear verlaufen, wobei im Falle einer linearen Funktion der Verschmutzungsgrad direkt proportional zu dem oben angegebenen Zusammenhang in Abhängigkeit der Wurzel aus dem Druckabfall und des Massenstroms ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung kann als Massenstrom ein auf Normbedingungen umgerechneter Massenstrom eingesetzt werden, der in Abhängigkeit einer Normtemperatur sowie eines Normdruckes aus den tatsächlichen Messwerten für die Temperatur und den Druck insbesondere stromauf des Filterelementes in der Filtereinrichtung zu ermitteln ist. Die Normierung auf Standardbedingungen führt auch zu einer Normierung des Referenzwertes für den Verschmutzungsgrad, wodurch unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen vergleichbare Referenzwerte für den Verschmutzungsgrad bestimmt und für den Vergleich mit dem zugeordneten Grenzwert herangezogen werden können. Auf diese Weise ist eine genauere Bestimmung der tatsächlichen Verschmutzung des Filterelementes zu realisieren.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Referenzwert für den Verschmutzungsgrad nur für den Fall bestimmt wird, dass der Massenstrom einen Massenstromgrenzwert übersteigt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Bestimmung des Verschmutzungsgrades erst oberhalb eines Mindestdrucks des die Filtereinrichtung durchströmenden Mediums durchgeführt wird, was eine bessere Differenzierung zwischen Kennlinien für den Druckabfall über dem Filterelement in Abhängigkeit des Massenstromes bei unterschiedlich hohen Verschmutzungen des Filterelementes erlaubt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 ein Strukturdiagramm zur Ermittlung des Verschmutzungsgrades einer Filtereinrichtung, insbesondere eines Luftfilters für eine Brennkraftmaschine,
2 ein Schaubild mit mehreren Kurvenverläufen für den Druckabfall in der Filtereinrichtung in Abhängigkeit des die Filtereinrichtung passierenden Massenstromes.
Wie dem Strukturdiagramm nach 1 zu entnehmen, wird in einer Filtereinrichtung mit Hilfe geeigneter Messvorrichtungen der Druck p₀ stromauf eines Filterelementes und der Druck p₁ stromab des Filterelementes in der Filtereinrichtung sowie die Temperatur T₀ und der Luftmassenstrom m ₀ stromauf des Filterelementes gemessen bzw. ermittelt. Der gemessene Druck p₁ stromab des Filterelementes wird zur Bestimmung der Druckdifferenz bzw. des Druckabfalls Δp von dem gemessenen Druck p₀ stromauf des Filterelementes subtrahiert. Der Druckabfall Δp wird im weiteren Verlauf einem Kennfeld 1 zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
Der Druck p₀ und die Temperatur T₀, jeweils gemessen stromauf des Filterelementes, werden gemeinsam mit dem ebenfalls stromauf des Filterelementes gemessenen Luftmassenstrom m ₀ einem weiteren Kennfeld 2 zugeführt, in welchem ein normierter Luftmassenstrom m _N, umgerechnet auf Normbedingungen unter einem Normdruck p_N sowie einer Normtemperatur T_N gemäß dem Zusammenhang
bestimmt wird. Dieser Zusammenhang ist mit dem Kennfeld 2 symbolisch dargestellt und wird üblicherweise in einer Regel- und Steuereinheit als vorstehend angegebene, mathematische Funktion hinterlegt.
Der normierte Massenstrom m _N wird im weiteren Verlauf gemeinsam mit dem Druckabfall Δp dem Kennfeld 1 zugeführt, in welchem als Referenz- bzw. Zustandswert der Verschmutzungsgrad r_p gemäß dem Zusammenhang
ermittelt wird, der als Kennfeld 1 symbolisch in dem Strukturdiagramm eingetragen ist und üblicherweise als die angegebene mathematische Funktion in der Regel- und Steuereinheit hinterlegt ist. Hierin bedeuten ρ die Luftdichte des die Filtereinrichtung durchströmenden Luftmassenstromes, Δp ist der zuvor berechnete Druckabfall über das Filterelement, m _N der normierte Massenstrom und c eine Konstante, die gemäß dem Zusammenhang c = √2·AQ in Abhängigkeit des Querschnitts A_Q des Filterelementes ermittelt wird, wobei A_Q gegebenenfalls auch den Strömungsquerschnitt stromauf des Filterelementes im Bereich der durchgeführten Messungen bezeichnen kann.
Als Funktion fkt kann sowohl ein linearer Zusammenhang als auch ein nicht linearer Zusammenhang berücksichtigt werden. Im Falle eines linearen Zusammenhanges vereinfacht sich üblicherweise die Berechnung des Verschmutzungsgrades r_p zu der Beziehung
Um sicherzustellen, dass eine Auswertung des Verschmutzungsgrades r_p nur für einen Mindestmassenstrom durch die Filtereinrichtung durchgeführt wird, welcher mit hinreichender Genauigkeit zuverlässige Aussagen über den Verschmutzungsgrad des Filterelementes erlaubt, wird in einer Vergleichseinheit 3 der normierte Massenstrom m _N mit einem zugeordneten Massenstrom-Grenzwert m _Lim verglichen, in welcher ein logisches Signal bzw. ein Stellsignal erzeugt wird, welches einem dem Kennfeld 1 nachgeordneten Schalter 4 zugeführt wird und den Schalter 4 zwischen einer den Verschmutzungsgrad r_p aus dem Kennfeld 1 weiterleitenden Position „1" und einer Sperrposition „0" schaltet. Der Schalter 4 wird auf die Weiterleitungsposition „1" nur für den Fall geschaltet, dass der tatsächliche, normierte Massenstrom m _N den zugeordneten Massenstrom-Grenzwert m _Lim überschreitet. Andernfalls wird der Schalter 4 in seiner Sperrstellung „0" gehalten bzw. in diese Stellung geschaltet, in welcher der Verschmutzungsgrad r_p nicht weitergeleitet wird bzw. für den Verschmutzungsgrad r_p ein Wert 0 erzeugt wird und der gesamte Vorgang für diesen Zyklus beendet wird.
Für den Fall, dass der normierte Massenstrom m _N den zugeordneten Massenstrom-Grenzwert m _Lim überschreitet und demzufolge der Wert für den Verschmutzungsgrad r_p durch den Schalter 4 geleitet wird, wird in einer nachfolgenden Vergleichseinheit 5 der Verschmutzungsgrad r_p mit einem zugeordneten Grenzwert r_p,Lim verglichen. Für den Fall, dass der tatsächliche, im Kennfeld 1 ermittelte Wert für den Verschmutzungsgrad r_p den zugeordneten Grenzwert r_p,Lim übersteigt, wird in einer nachfolgenden Auswerteeinheit 6 ein Fehlersignal S_F generiert, welches entweder in geeigneter Form – beispielsweise optisch oder akustisch – dem Fahrer zur Anzeige gebracht werden kann oder in sonstiger Weise weiterverarbeitet wird. Für den Fall, dass der Verschmutzungsgrad r_p den Grenzwert r_p,Lim nicht übersteigt, wird zwar kein Fehlersignal S_F erzeugt, gleichwohl kann der Wert des Verschmutzungsgrades r_p protokolliert und abgespeichert werden und gegebenenfalls für anderweitige Untersuchungen bzw. für sonstige Zwecke herangezogen werden.
In 2 sind verschiedene Kurvenverläufe für den Druckabfall Δp in Abhängigkeit des normierten Massenstromes m _N für verschiedene Verschmutzungsgrade dargestellt. Eingetragen sind Kurvenverläufe für den Druckabfall bei einem Verschmutzungsgrad 0%, einem Verschmutzungsgrad 50% und einem Verschmutzungsgrad 75% des Filterelementes. Jeder Kurvenverlauf besitzt Hystereseform.
Wie dem Schaubild zu entnehmen, liegen die Kurven für den Druckabfall bei einem Verschmutzungsgrad mit 0% und mit 50% noch weitgehend deckungsgleich übereinander, wohingegen die Kurve für einen Verschmutzungsgrad von 75% ein deutlich höheres Druckabfallniveau Δp aufweist, wobei sich jedoch erst oberhalb eines Massenstrom-Grenzwerts m _Lim eine eindeutige Unterscheidung ohne Überlagerung der Kurvenfelder ergibt. Aus diesem Grund wird im Verfahren zur Überprüfung des Verschmutzungsgrades eine Abfrage zwischengeschaltet, ob der aus dem tatsächlichen, gemessenen Massenstrom ermittelte normierte Massenstrom den Massenstrom-Grenzwert m _Lim überschreitet; unterhalb des Massenstrom-Grenzwertes m _Lim ist eine eindeutige Aussage über den Verschmutzungsgrad des Filterelementes nur eingeschränkt möglich. Des Weiteren wird zweckmäßig auch in der Auswerteeinheit ein Fehlersignal nur für den Fall erzeugt, dass der ermittelte Verschmutzungsgrad r_p den vorgegebenen Grenzwert r_p,Lim überschreitet. Unterhalb dieses Grenzwertes führt die Verschmutzung des Filterelementes noch nicht zu einem signifikanten Druckabfall, so dass die Funktion der Filtereinrichtung bis zum Erreichen eines höheren Verschmutzungsgrads noch weiter aufrechterhalten werden kann.

Claims

Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungsgrades einer Filtereinrichtung, insbesondere eines Luftfilters für eine Brennkraftmaschine, bei dem der Druckabfall (Δp) über ein Filterelement der Filtereinrichtung und der Massenstrom (m ) des das Filterelement durchströmenden Mediums gemessen werden, aus den gemessenen Größen gemäß einer vorgeschriebenen Beziehung ein Referenzwert (r_p) ermittelt und der Referenzwert (r_p) mit einem zugeordneten Grenzwert (r_p,Lim) verglichen wird, wobei im Falle einer Überschreitung des Grenzwertes (r_p,Lim) ein Fehlersignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzwert der Verschmutzungsgrad (r_p) des Filterelements anhand der Beziehung
bestimmt wird, wobei fkt eine allgemeine Funktion c eine Konstante ρ die Dichte des Mediums Δp den Druckabfall über das Filterelement m den Massenstrom bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion (fkt) linear verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstante (c) gemäß der Beziehung c = √2·AQ ermittelt wird, wobei A_Q den Querschnitt des Filterelements bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Massenstrom (m ) ein auf Normbedingungen (p_N, T_N) normierter Massenstrom (m _N) eingesetzt wird, der gemäß der Beziehung
ermittelt wird, wobei p_N einen Normdruck T_N eine Normtemperatur p₀ den tatsächlichen Druck stromauf des Filterelements T₀ die tatsächliche Temperatur stromauf des Filterelements m ₀ den tatsächlichen Massenstrom stromauf des Filterelements bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschmutzungsgrad (r_p) nur für den Fall bestimmt wird, dass der Massenstrom (in) einen Massenstrom-Grenzwert (m _Lim) übersteigt.