DE10347506A1 - Partikelfiltersystem für ein Abgassystem einer Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

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Stephen R. W. Fowlerville Cooper
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Partikelfiltersystem für ein Abgassystem (12) einer Dieselbrennkraftmaschine (11), mit zumindest einem in einem Abgasstrang angeordneten Partikelfilter (14) und einem Sensorsystem (10) zur Ermittlung des Beladungszustandes des Partikelfilters (14). Um auf möglichst einfache und verlässliche Weise den Beladungszustand eines Partikelfilters (14) ermitteln zu können, ist vorgesehen, dass das Sensorsystem (10) zumindest einen mit dem Abgassystem (12) strömungs- oder mechanisch verbundenen akustischen Sensor (20a, 20b; 28, 30, 32, 34, 36, 38) zur Ermittlung einer den Partikelfilter (14) passsierenden Schallfrequenz (f) aufweist und dass eine Steuereinheit (21) elektrisch mit dem akustischen Sensor (20a, 20b; 28, 30, 32, 34, 36, 38) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Partikelfiltersystem für ein Abgassystem einer Dieselbrennkraftmaschine, mit zumindest einem in einem Abgasstrang angeordneten Partikelfilter und einem Sensorsystem zur Ermittlung des Beladungszustandes des Partikelfilters.
  • Dieselbrennkraftmaschinen, wie sie in handelsüblichen Fahrzeugen eingesetzt werden, sind üblicherweise mit im Abgasstrang angeordneten Partikelfiltern ausgerüstet, um Partikel aus dem Abgas herauszufiltern. Dadurch können gesetzliche Abgasvorschriften eingehalten werden. Die Partikelfilter können durch Regenerationsvorgänge mehrmals nach ihrer Sättigung wiederverwendet werden, bevor ein neuer Partikelfilter schließlich installiert werden muss. Zur Bestimmung des Regenerationszeitpunktes des Partikelfilters für die Rußentfernung muss der Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt werden. Darüber hinaus besteht Bedarf, Fehler im Filtermaterial, wie beispielsweise Brüche oder Durchbrennen, frühzeitig feststellen zu können.
  • Es ist bekannt, den Beladungszustand eines Partikelfilters durch Messen des Druckgefälles zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Partikelfilters zu ermitteln. Das Druckgefälle entlang des Partikelfilters nimmt mit dem Beladungszustand zu. Bei einem vorbestimmten Druckgefälle wird der Regenerationszyklus eingeleitet. Diese Methode hat allerdings Nachteile. Das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Beladung hat Einfluss auf das Druckgefälle, so dass der aus dem Druckgefälle ermittelte Regenerationszeitpunkt früher oder später als notwendig sein kann. Weiters können Brüche oder Durchbrennen des Filtermateriales zu einem niedrigeren Druckgefälle durch auftretende Leckagen im Filtermaterial führen, was fälschlicherweise als unbeladener Filter interpretiert werden kann. In diesem Falle würde es zu beträchlichten Leckageströmungen unter Verlust der Filterfähigkeit führen. Somit wären verlässlichere Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung der Beladung des Partikelfilters wünschenswert.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst verlässliche und einfache Weise den Beladungszustand eines Partikelfilters zu ermitteln. Dabei sollen auch Fehler des Partikelfilters möglichst frühzeitig feststellbar sein.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Sensorsystem zumindest einen mit dem Abgassystem strömungs- oder mechanisch verbundenen akustischen Sensor zur Ermittlung einer den Partikelfilter passierenden Schallfrequenz aufweist, und dass eine Steuereinheit elektrisch mit dem akustischen Sensor verbunden ist. Der akustische Sensor kann dabei stromaufwärts und/oder strom abwärts des Partikelfilters angeordnet sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schallfrequenz stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters gemessen wird und für die Ermittlung des Zustandes es Partikelfilters der Frequenzunterschied dieser gemessenen Werte verwendet wird.
  • Um die Temperatur des Partikelfilters für die Einleitung des Regenerationszyklus zu bestimmen, ist in weiterer Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass das Sensorsystem zumindest einen Temperatursensor im Bereich des Partikelfilters aufweist.
  • Der akustische Sensor kann mechanisch oder strömungsmäßig mit einem Bereich des Abgassystems verbunden sein, um eine oder mehrere den Filter passierende vorgewählte Frequenzen oder Frequenzbereiche zu erfassen. Die vorgewählten Frequenzen oder Frequenzbereiche korrespondieren mit dem Beladungszustand des Filters. Die akustischen Emissionen durch oder vom Filter können verwendet werden, um diese mit einem bekannten Beladungszustand des Filters zu vergleichen, um den aktuellen Beladungszustand zu erhalten. Alternativ dazu kann eine mathematische Methode verwendet werden, bei welcher die akustische Transferfunktion bestimmt, und die daraus ermittelte Frequenz mit einem bekannten Filterzustand verglichen oder die ermittelte Transferfunktion mit Referenz-Transferfunktionen verschiedener vorbekannter Beladungszustände des Partikelfilters verglichen wird.
  • Als Vorarbeit wird die Schallfrequenz und/oder die akustische Transferfunktion des Partikelfilters für zumindest einen Motorbetriebszustand für unbeladenen, beladenen und/oder fehlerhaften Partikelfilter bestimmt und in einer Datenbank abgelegt. Während des Motorbetriebs wird zumindest für diesen Motorbetriebszustand die Schallfrequenz und/oder die akustische Transferfunktion im Bereich des Partikelfilters bestimmt und mit den abgelegten Werten verglichen und weiters daraus der aktuelle Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen 1 ein erfindungsgemäßes Partikelfiltersystem in einer schematischen Ansicht, 2 ein erfindungsgemäßes Partikelfiltersystem in einer weiteren Ausführungsvariante, 3 einen vergrößerten Querschnitt eines akustischen Sensors aus 2, 4 ein schematisches Amplituden-Frequenzschaubild eines unbeladenen Partikelfilters, 5 ein Amplituden-Frequenzschaubild eines beladenen Partikelfilters, 6 ein Amplituden-Frequenzschaubild eines fehlerhaften Partikelfilters und 7 ein Blockdiagramm des erfndungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Beladungszustandes.
  • 1 zeigt ein akustisches Sensorsystem 10 für einen im Abgassystem 12 einer Brennkraftmaschine 11 angeordneten Partikelfilter 14. Der Partikelfilter 14 weist typischerweise eine keramische wabenartige Struktur auf. Bei vorbekannten Systemen sind Drucksensoren an jeder Seite des Partikelfilters 14 angeordnet, um das Druckgefälle über den Partikelfilter 14 zu bestimmen. Drucksensoren reagieren typischerweise auf sehr niedrige Frequenzen, beispielsweise bis zu 10Hz. Darüber hinaus messen Drucksensoren nur die absolute Druckgröße.
  • Ein Temperatursensor 18 wird verwendet, um die Temperatur T des Partikelfilters 14 zu bestimmen, um zu entscheiden, wann der Regenerationszyklus gestartet werden soll. Zusätzlich werden bei der vorliegenden Erfindung auch Akustiksensoren 20a, 20b verwendet, welche stromabwärts oder stromaufwärts jeder Seite des Partikelfilters 14 angeordnet sind, um durch das Abgassystem 12 verursachte akustische Emissionen festzustellen, oder um eine akustische Transferfunktion des vom Motor erzeugten Geräusches durch das Abgassystem zu bestimmen. Zum Unterschied zu Drucksensoren können Akustiksensoren 20a, 20b Schallfrequenzen f bei viel höherem Niveau als bei reiner Druckmessung bestimmen, z.B. im hörbaren Bereich zwischen 10Hz bis 1000Hz oder darüber. Die erwähnten Frequenzbereiche sind allerdings nur beispielhaft. Die ermittelten Schallfrequenzen f müssen nicht unbedingt im hörbaren Bereich sein. Die akustischen Sensoren können modifizierte, tiefpassfilterlose Drucksensoren sein, um hohe Frequenzen zu erfassen. Obwohl in 1 nur zwei akustische Sensoren 20a, 20b gezeigt sind, kann auch nur ein einziger akustischer Sensor oder auch mehr als zwei akustische Sensoren – abhängig vom Anwendungsfall – verwendet werden. Die akustischen Sensoren 20a, 20b können mechanisch oder durch Luft an verschiedene Bereiche des Abgassystems 12 gekoppelt sein, wie im Folgenden noch beschrieben wird.
  • Eine Steuereinheit 21 ist elektrisch mit den Sensoren 18, 20a, 20b, mit der Brennkraftmaschine 11 und mit anderen Sensoren oder Systemen verbunden, welche relevante Informationen zur Bestimmung des Filterzustandes bereitstellen. Abhängig vom Beladungszustandes des Partikelfilters 14 treten Variationen in der akustischen Transferfunktion des motorgenerierten Geräusches bei Passieren des Partikelfilters 14 auf. Die akustischen Sensoren 20a, 20b ermöglichen das Feststellen von Änderungen in der akustischen Transferfunktion in Abhängigkeit zu anderen Motorbetriebsparametern und/oder ermöglichen das Bestimmen der akustischen Emissionen des Abgassystems 12, um den Beladungszustand des Partikelfilters 14 zu ermitteln. Die Transferfunktion kann beschrieben werden durch standardisierte digitale Signalverarbeitungsmethoden, welche in Hard- oder Software der Steuereinheit 21 in bekannter Weise abgelegt sind. Während des Betriebes wird die akustische Transferfunktion laufend erfasst, um den Bela dungszustand des Partikelfilters 14 zu bestimmen. Weiters können die akustischen Emissionen des Partikelfilters 14 mit dem Beladungszustand des Partikelfilters 14 korreliert werden und zusätzlich oder als Alternative zur Vereinfachung der transferfunktionsbasierten Analyse herangezogen werden. Mit der Beladung des Partikelfilters 14 steigt die Abgasgeschwindigkeit im Bereich des Partikelfilters 14 an, was in höheren Frequenzen f der Abgasemissionen stromabwärts des Partikelfilters 14 resultiert. Weiters kann die Doppler-Verschiebung von Frequenzkomponenten verwendet werden, um Abgasströmungsgeschwindigkeiten abzuleiten, welche ebenfalls mit dem Beladungszustand des Partikelfilters 14 korreliert werden können. Der Beladungszustand des Partikelfilters 14 kann in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, beispielsweise: unbeladender Zustand (4), teilweise beladener Zustand, voll beladener Zustand (Regeneration ist notwendig) (5), Filtermaterial ist fehlerhaft (6), etc.
  • In 2 wird das erfindungsgemäße Abgassystem 12 mit einem akustische Sensoren 20a, 20b aufweisenden Partikelfilterüberwachungssystem 10 im Detail gezeigt. Das Abgassystem 12 weist ein Gehäuse 16 für den Partikelfilter 14 auf. Das Gehäuse 16 beinhaltet ein Rohr 17 mit einem Einlass 22 und einem Auslass 24 an jeder Seite des Partikelfilters 14. Der Partikelfilter 14 wird innerhalb des Gehäuses 16 mittels eines Isoliermateriales 26 gehalten, um den aus zerbrechlichem Keramikmaterial bestehenden Partikelfilter 14 gegen Vibrationen des Gehäuses 16 zu schützen, und um ein Umströmen des Partikelfilters 14 durch Partikeln zu verhindern. Das vorliegende Partikelfiltersystem 10 kann im Prinzip Systeme mit verschiedener Anzahl an akustischen Sensoren zur Messung der akustischen Emissionen des Diesel-Partikelfilters und/oder zur Bereitstellung von Informationen zur Bestimmung der akustischen Transferfunktion aufweisen.
  • Das System 10 kann akustische Sensoren 28, 30 aufweisen, welche an jeder Seite des Partikelfilters 14 mit dem Abgassystem 12 strömungsverbunden sind. Unters "strömungsverbunden" ist zu verstehen, dass die akustischen Sensoren 28, 30 in Gaskontakt mit dem Abgasstrom des Abgassystems 12 stehen. Wie aus 3 hervorgeht, können die strömungsmäßig an das Abgassystem gekoppelten Sensoren 28, 30 ein Gehäuse 40 aufweisen, welches mit dem Rohr 17 durch ein mechanisches Mittel verbunden sind. Eine Isolierung 42 kann zwischen dem Gehäuse 40 und dem Rohr 17 angeordnet sein, um den akustischen Sensor 28, 30 vor der Hitze zu schützen. Die Sensoren 28, 30 können eine Membran 44 beinhalten, welche das Mikrofon 46 von den rauen Umgebungsbedingungen des Abgase trennen. Die Membran 44 kann aus Stahl, Keramik oder jedem anderen geeigneten Material bestehen, welches widerstandsfähig gegen Schwefelsäure und andere aggressive Chemikalien und/oder Temperaturen des Abgases sind.
  • Wie in 2 dargestellt ist, kann das System 12 auch Sensoren 32, 34 enthalten, welche an jeder Seite des Partikelfilters 14 an das Rohr 17 mechanisch angeschlossen sind. Sensoren 36, 38 können ebenfalls mechanisch direkt an jede Seite des Partikelfilters 14 angeschlossen sein. Unter mechanischer Verbindung ist gemeint, dass das Mikrofon der mechanischen akustischen Sensoren 32, 34, 36, 38 am Gehäuse 16 befestigt ist, um Schwingungen in den Wänden des Abgassystems 12 zu messen, um die Effekte strukturbedingter akustischer Schwingungen des Abgassystems 12 zu erfassen. Die akustischen Sensoren 28 bis 38 bestimmen die akustische Transferfunktion durch Vergleichen der akustischen Emissionen A stromaufwärts des Partikelfilters 14 mit den akustischen Emissionen A stromabwärts des Partikelfilters 14. Dies kann auf vielfältige Weise geschehen. Zum Beispiel kann der Ausgang des strömungsgekoppelten akustischen Sensors 30 mit dem Ausgang des strömungsgekoppelten Sensors 28 verglichen werden. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Ausgang des mechanisch gekoppelten akustischen Sensors 34 mit dem Ausgang des mechanisch gekoppelten akustischen Sensors 32 verglichen werden. Genauso kann der Ausgang des mechanisch gekoppelten akustischen Sensors 38 mit dem Ausgang des mechanisch gekoppelten akustischen Sensors 36 und weiter mit den Ausgängen der mechanisch gekoppelten akustischen Sensoren 32 und 34 verglichen werden. Darüber hinaus können die Ausgänge der strömungsgekoppelten akustischen Sensoren 28, 30 mit den Ausgängen der mechanisch gekoppelten akustischen Sensoren 32 bis 38 verglichen werden. Darüber hinaus ist jede andere Kombination denkbar.
  • Sowohl durch physikalische, als auch durch empirische Messungen kann ein Modell (eine Beziehung) zwischen der Transferfunktion und/oder den akustischen Emissionen des Partikelfilters und dem Beladungszustand des Partikelfilters erhalten werden.
  • 7 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Beziehung zwischen der akustischen Transferfunktion 64 und dem Beladungszustand 66 des Partikelfilters 14 wird durch den Block 60 angedeutet. Ähnliche Beziehungen gelten für die akustischen Emissionen A des Partikelfilters 14. Die Abgasdurchflussrate 62 kann durch Berechnen des volumetrischen Austritts aus der Brennkraftmaschine 11 unter Verwendung von Massenflusssensoren, Motordrehzahl, Kraftstoffdurchsatz und anderen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 11 bestimmt werden. Die Steuereinheit 21 empfängt und berechnet die Informationen der Sensoren und der Fahrzeugsysteme, um den Beladungszustand des Filters 14 zu bestimmen. Die akustische Transferfunktion 64 ist abhängig vom Abgasdurchfluss 62 und/oder dem Partikelfilterzustand 66. In 4 wird z.B. die akustische Emission A für einen unbeladenen Partikelfilter 14 dargestellt. Mit steigender Beladung gelangen höhere Frequenzen f zum akustischen Sensor 20a, 20b, wie 5 zeigt. Bei einem fehlerhaften Partikelfilter 14, welcher etwa einen Durchbrand oder ein Loch im Filtermaterial aufweist, wird ein größerer Frequenzbereich durchgelassen, wie 6 demonstriert. Die in 4 bis 6 dargestellten Schaubilder dienen nur zur näheren Beschreibung der Erfindung. Die tatsächlichen Frequenzantworten und Amplituden A für einen Partikelfilter 14 können von den gezeigten Diagrammen abweichen. Wenn einmal die Beziehung 60 zwischen dem Beladungszustand 66 und der Transferfunktion 64 hergestellt ist, kann der Zustand des Partikelfilters 14 durch die akustischen Sensoren 20a, 20b überwacht werden, wie durch den Block 68 angedeutet ist. Die gemessenen Zustände können mit in einer Motor- oder Abgassteuereinheit abgelegten Daten verglichen werden, um die Beladung oder den Zustand des Partikelfilters 14 zu bestimmen, wie durch den Block 70 illustriert ist.
  • Wenn der Partikelfilter 14 fast vollständig beladen ist, kann das Motor/Abgassteuersystem einen Regenerationszyklus einleiten. Wenn das Filtersubstrat als schadhaft identifiziert wird, kann die Motor/Abgassteuereinheit dem Fahrzeuglenker signalisieren, dass ein Service notwendig ist.
  • Im Betrieb bildet der Abgastrakt ein schallabstrahlendes System, welches den durch die Brennkraftmaschine erzeugten Schall an gegenüberliegenden Wänden des Abgasstranges reflektiert. Daraus ergibt sich, dass der gemessene Schall an jedem Punkt des Abgassystems 12 eine Funktion des gegenwärtig und kürzlich in das System eingebrachten Schalls ist, wobei gilt:
    Figure 00060001
    wobei y(t) der augenblicklich gemessene Schallpegel bei gegebenen Mikrofoneingang, x(t) der Schalleintrag durch die Brennkraftmaschine, td eine charakteristische Verzögerung und t0 eine Zeitdauer ist, die groß genug ist, um wesentliche Beiträge der akustischen Reflexionen im Abgassystem zu berücksichtigen.
  • Die Integrale können vollständig als Zeitbereich-Faltungen aufgefasst werden, was zu folgenden Frequenzbereichmultiplikationen führt: Y(w) = G(w)X(w) + F(w)Y(w), (2)wobei w die Frequenz und X, G, Y und F Fourier-Transformationen von x, g, y und f sind. Aufgelöst nach Y(w) ergibt sich:
    Figure 00070001
    wobei die Transferfunktion T(w) gebildet wird durch:
    Figure 00070002
    wodurch sich ergibt: Y(w) = T(w)X(w). (5)
  • Wenn x(t) stromaufwärts des Partikelfilters und y(t) stromabwärts des Partikelfilters in einer Zwei-Sensoren-Messung ermittelt wird, kann T(w) bestimmt werden mittels:
    Figure 00070003
    wobei x(t) in diesem Fall eine Abschätzung des durch die Brennkraftmaschine induzierten Schalls ist. Im vorliegenden Fall eines durch ein Abgassystem gebildeten akustischen Stranges wird T(w) durch die Temperatur (welche sich auf die Schallgeschwindigkeit auswirkt), die Abgasstranggeometrie und die Abgasflusscharakteristik beeinflusst. Durch Überwachung der Temperaturen T mittels des Temperatursensors 18 oder abgeleiteter Temperaturen von anderen Sensorsignalen, und/oder Gasflusscharakteristiken in Verbindung mit T(w), kann die Abhängigkeit von T(w) von diesen Parametern bestimmt werden. In einigen Fällen ist es möglich, analytisch parametrische Modelle (physikalisch oder empirisch) zu bilden, um diese Abhängigkeit zu quantifizieren. In anderen Fällen kann die Abhängigkeit in Nachschlagstabellen gespeichert werden.
  • Wird einmal die Temperatur und/oder der Gasfluss mitberücksichtigt, so können die restlichen Charakteristiken von T(w) als von den Materialien und der Geometrie des Abgasstranges abhängig angesehen werden. Unter der Annahme, dass die anderen Komponenten des Abgasstranges (Schalldämpfer, Resonator, Katalysator, etc.) stabil im Zeitabschnitt sind, in welchem der Partikelfilter 14 mit Partikel beladen wird, kann jede Variation in T(w), die nicht auf Temperatur und/oder Gasflusscharakteristiken zurückzuführen ist, zum Teil auf Veränderungen des Zustandes des Partikelfilters 14 zugeschrieben werden. Durch Korrelation dieser Änderungen auf den Beladungszustand des Partikelfilters 14 oder anderer interessierender Zustände, wie Filterbruch, können Abweichungen vom gemessenen T(w) verwendet werden, um die Beladung und/oder den Zustand des Partikelfilters 14 abzuleiten.
  • In einigen Fällen kann es notwendig sein, Variationen der akustischen Eigenschaften verschiedener Arten von Rußpartikeln zu berücksichtigen. In solchen Fällen können Rußentstehungsmodelle für die Brennkraftmaschine im Zusammenhang mit dem Partikelfilter 14 entwickelt werden, um die Genauigkeit des Modells für T(w) unter Berücksichtigung zu seinen Schwankungen in Bezug auf Rußbeladung oder anderer in Betracht zu ziehender Zustände des Partikelfilters 14 zu erhöhen.
  • In einigen Fällen, in denen die Temperaturänderung entlang des Abgasstranges hinreichend klein ist und ein geeignetes parametrisches Modell für T(w) entwickelt werden kann, können vorzugsweise naturwissenschaftlich basierte Methoden zumindest quadratischer Ordnung verwendet werden, um ein Modell für T(w) abzuschätzen. Bei solcher Annäherung können parametrische Gleichungen vorzugsweise physikalisch basierend für g und f gewählt werden, welche vernünftig zu den gemessenen Daten passen. Die funktionelle Form dieser Gleichungen kann abhängig von den Abgasstrangkonfigurationen variieren und wird in erster Linie durch akustische Analysen und/oder durch Untersuchung empirischer Resultate in standardisierten Systemerkennungsmethoden ermittelt.
  • Unter der Annahme, dass g(t) durch eine Gleichung mit n Parametern a1, a2, a3... an und f(t) durch eine Gleichung mit m Parametern b1, b2, ... bm beschrieben werden kann, gilt: g(t') → g(t', a1, a2, ...an), (7) f(t') → g(t', b1, b2 ...bm), (8)wobei die Form der Gleichungen durch physikalische Modelbildung mittels akustischer Analyse und/oder durch empirische Systemidentifikationsverfahren gewonnen wird. Weiters kann unter der Annahme, dass die augenblickliche Schallamplitude y(t) kontinuierlich an einem Punkt stromabwärts des Partikelfilters 14 und die augenblickliche Schallamplitude x(t) an einem Punkt stromaufwärts des Partikelfilters 14 kontinuierlich gemessen wird unter Anwendung der allgemeinen Ausdrücke für g und f folgende Beziehung angeschrieben werden:
    Figure 00080001
    wobei yP(t) ein vorausgesagter Wert für die gemessene Größe y(t) ist. Durch Vergleichen der vorausgesagten und der gemessenen Werte kann ein quadratischer Fehler wie folgt angeschrieben werden: e(t) = [yP(t) – y(t)]2, (10)
    Figure 00090001
    wobei e(t) der augenblickliche Fehler und E(t) der über ein Zeitintervall tf auf integrierte Fehler ist, dessen Dauer hinreichend lang für eine langsame Variation des Wertes für E(t) aber noch hinreichend kurz für eine fast konstante Temperatur und Beladung des Partikelfilters 14 während des Zeitintervalls gewählt wird. Optimale Werte für die Parameter a1, ... an und b1, ... bm werden erreicht, indem die Fehlerabweichungen in Bezug auf die variierenden Parametern gleich Null gesetzt werden und indem die folgenden daraus resultierenden n+m Gleichungen für die Parameter gelöst werden:
    Figure 00090002
  • In Abhängigkeit der für f(t) und g(t) gewählten Funktionsform sind diese Gleichungen mehr oder weniger gut analytisch integrierbar und mehr oder weniger gut hinsichtlich auf die Parameter a1, ... an und b1, ... bn analytisch lösbar. Allerdings werden viele Verfahren in der Literatur beschrieben, welche dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, um numerische Integrationen durchzuführen und um numerische Lösungen für Gleichungssysteme zu erhalten, welche nicht ohne weiteres durch algebraische Methoden lösbar sind. Viele dieser Lösungsverfahren werden im Allgemeinen Bereich der "Systemidentifikation" gefunden. Darüber hinaus ist es möglich, bei gewissen Auswahlen von Funktionsformen für g(t', a1, a2, ... an) und f(t', b1, b2, ... bm) Abschätzungen der Parameter a und/oder b nur mit einer y(t) oder x(t) Messung, also nur mit einem einzigen akustischen Sensor, der stromaufwärts oder stromabwärts des Partikelfilters 14 angeordnet ist, zu gewinnen. Dies wirkt sich vorteilhaft sowohl auf die Hardware-, als auch auf die Installationskosten aus.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die nach Gleichung 6 bestimmte Transferfunktion T(w) in Wechselbeziehung mit der Beladung und/oder dem Zustand des Partikelfilters 14 gesetzt. T(w) wird kontinuierlich oder in vorbestimmten Intervallen ermittelt, wobei die Korrelationen verwendet werden, um die Beladung und/oder den Zustand des Partikelfilters 14 abzuschätzen. Der Begriff Zustand beinhaltet vordefinierte in Betracht gezogene Zustände des Partikelfilters 14, wie Risse oder Höchsttemperaturüberschreitungen, welche als Kriterium zur Durchführung eines Services oder für die Fahrzeugdiagnostik verwendet werden können.
  • In einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante werden Korrelationen durchgeführt zwischen den Parameterwerten der Modellfunktionen g(t', a1, a2, ... an) und f(t', b1, b2, ... bm) und dem Beladungsgrad und/oder dem Zustand des Partikelfilters 14 hergestellt. Die Parameter werden kontinuierlich oder periodisch durch Lösung des n+m-Gleichungssystems 12 aktualisiert. Die Korrelationen werden dazu verwendet, um eine Abschätzung der Beladung und/oder des Zustandes des Partikelfilters 14 zu erhalten, wobei der Begriff Zustand wieder vorbestimmte Filterzustände, wie Risse im Partikelfilter 14 und Temperaturüberschreitungen während der Regeneration beinhaltet, welche für Service oder Fahrzeugdiagnostikzwecke verwendet werden können.

Claims (14)

  1. Partikelfiltersystem für ein Abgassystem (12) einer Dieselbrennkraftmaschine (11), mit zumindest einem in einem Abgasstrang angeordneten Partikelfilter (14) und einem Sensorsystem (10) zur Ermittlung des Beladungszustandes des Partikelfilters (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (10) zumindest einen mit dem Abgassystem (12) strömungs- oder mechanisch verbundenen akustischen Sensor (20a, 20b; 28, 30, 32, 34, 36, 38) zur Ermittlung einer den Partikelfilter (14) passierenden Schallfrequenz (f) aufweist, und dass eine Steuereinheit (21) elektrisch mit dem akustischen Sensor (20a, 20b; 28, 30, 32, 34, 36, 38) verbunden ist.
  2. Partikelfiltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster akustischer Sensor (20a; 28, 32, 36) stromaufwärts des Partikelfilters (14) angeordnet ist.
  3. Partikelfiltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter akustischer Sensor (20b; 30, 34, 38) stromabwärts des Partikelfilters (14) angeordnet ist.
  4. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (10) zumindest einen Temperatursensor (18) im Bereich des Partikelfilters (14) aufweist.
  5. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche .1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) elektrisch mit dem Temperatursensor (18) verbunden ist.
  6. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über den akustischen Sensor (20a, 20b) Schallfrequenzen über etwa 10Hz, vorzugsweise Schallfrequenzen zwischen etwa 100Hz und 1000 Hz erfassbar sind.
  7. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgassystem (12) und dem akustischen Sensor (20a, 20b) eine Isolierung angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines Partikelfilters (14) einer Brennkraftmaschine, mit folgenden Schritten: a) Ermittlung einer Schallfrequenz (f) mit zumindest einem akustischen Sensor (20a, 20b; 28, 30, 32, 34, 36, 38), b) Überwachen von Parametern des Antriebssystems, c) In Beziehung setzen der mittels des akustischen Sensor (20a, 20b; 28, 30, 32, 34, 36, 38) ermittelten Schallfrequenz zu den Parametern des Antriebssystems, um eine Partikelfilterinformation zu erhalten und d) Vergleichen der Partikelfilterinformation mit einem bekannten Beladungszustand des Partikelfilters (14), um den aktuellen Beladungszustand des Partikelfilters (14) zu bestimmen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Schrittes a) die Schallfrequenz (f) im Bereich des Partikelfilters (14) für zumindest einen Motorbetriebszustand bei unbeladenem, beladenem und/oder fehlerhaftem Partikelfilter (14) bestimmt und in einer Datenbank abgelegt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) während des Motorbetriebes für den zumindest einen Motorbetriebszustand die Schallfrequenz (f) im Bereich des Partikelfilters (14) bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallfrequenz stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (14) gemessen wird und für die Ermittlung des Zustandes des Partikelfilters (14) der Frequenzunterschied dieser gemessenen Werte verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) eine akustische Transferfunktion für die Schallfrequenz (f) bestimmt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) einer Zeitverzögerung für das Abgassystem (12) bestimmt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die akustische Emission des Partikelfilters (14) bestimmt wird.
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