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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Messen der in einem Fluid enthaltenen Partikelmenge.
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Sie zielt vor allem auf das Gebiet
der Handhabung der Verschmutzung eines Filterelements ab, das von
einem partikelbefördernden
Fluid durchlaufen wird, wie kohlenstoffhaltigen Partikeln oder Ruße, welche
eine gewisse Leitfähigkeit
aufweisen.
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Genauer findet die Erfindung ihre
Anwendung bei der Mengenmessung von kohlenstoffhaltigen Partikeln,
die einen Partikelfilter durchqueren, welcher in der Auspuffleitung
eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Diese Motoren und spezieller die
Dieselmotoren erzeugen besonders hohe Partikelmengen und deren Auspuffleitungen
können
mit Filtermitteln ausgerüstet
sein, die diese Partikel mit sehr großen Filtereffektivitäten zurückhalten,
die quasi bis zu 100 % gehen können.
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Das Problem der Verwendung solcher
Filter ist es, dass sie periodisch regeneriert werden müssen, vor
allem durch Verbrennung der Abscheidung der Partikel, um ein Verstopfen
des Filters durch Verschmutzung zu vermeiden.
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Daher zieht die Verstopfung des Filters
eine Erhöhung
des Gegendrucks beim Auspuff mit sich, was es zur Wirkung hat, den
Treibstoffverbrauch des Motors anwachsen zu lassen. Im Extremfall
einer vollständigen
Verstopfung dieses Filters kann dies einen vollständigen Stillstand
des Betriebs dieses Motors mit sich ziehen.
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Die Regenerierung durch Verbrennung
von einem Partikelfilter geschieht manchmal natürlich, wenn die Temperatur
der Auspuffgase das Niveau erreicht hat, das zum Oxidieren der auf
diesem Filter vorliegenden Partikel notwendig ist.
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Dennoch bewirken die mittleren Betriebsbedingungen
des Motors, dass die Temperaturniveaus der Auspuffgase nicht ausreichend
sind, um die Regenerierung des Filters sicherzustellen, und es ist
daher notwendig, künstlich
die Verbrennung der Partikel auszulösen, wenn die Verschmutzung
des Filters eine bestimmte Schwelle erreicht hat.
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Um dies zu machen und wie dies besser
in den französischen
Patentanmeldungen Nr. 2 760 531 und Nr. 2 805 347 beschrieben ist,
wird es vorgesehen, die Variation des elektrischen Widerstandes
zu nutzen, der zwischen Punkten gemessen wird, die entlang einer
Oberfläche
eines dielektrischen Elements beabstandet sind, auf der sich die
Partikel abscheiden.
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Genauer ist es vorgesehen, diese
Sammeloberfläche
des dielektrischen Elements, im allgemeinen aus Keramik, quer im
Verhältnis
zur Fließrichtung
der Auspuffgase anzuordnen und den elektrischen Widerstand dieser
Oberfläche
mit Anschlussmessklemmen zu messen, welche zwischen seinen Enden
paarweise angeordnet sind.
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In Abwesenheit von Partikeln ist
der gemessene Widerstand unendlich und so schnell wie die Partikelabscheidung
etabliert sich der Kontakt zwischen den Anschlussklemmen und der
Widerstand nimmt ab. Diese Widerstandsvariation ist direkt mit der
Menge von Partikeln verbunden, die auf der Sammeloberfläche des
dielektrischen Elements vorliegen.
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Diese Widerstandsvariation ermöglicht es daher,
die Menge von Partikeln zu messen, welche potentiell den Filter
während
einem vorgegebenen Zeitraum durchquert haben, und die notwendigen Maßnahmen
infolge dieser Messung vorzusehen wie die Regenerierung dieses Filters
durch Heizen, Energiezufuhr in das Auspuffgas, ...
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Dennoch hat der Anmelder feststellen
müssen,
dass die durchgeführte
Messung nicht repräsentativ
für die
reelle Menge von Partikeln war, die in den Auspuffgasen vorliegen.
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Daher kann die Bildung der Abscheidung
der Partikel auf dem dielektrischen Element stark von den Fließbedingungen
der Auspuffgase abhängen, was
selbst zu den Betriebsbedingungen des Motors beiträgt.
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Bei hoher Fließgeschwindigkeit der Auspuffgase,
im allgemeinen, wenn der Motor bei hoher Drehzahl steht, stößt ein Teil
der in den Gasen vorliegenden Partikel auf die Oberfläche des
dielektrischen Elements auf, prallt auf dieser Oberfläche ab und
wird durch die Auspuffgase in der Auspuffleitung wieder mitgezogen.
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Aufgrund dieser Tatsache sind die
auf dem dielektrischen Element gesammelten Partikel nicht exakt
der Spiegel jener, welche in den Gasen vorliegen und gemäß der Widerstandsmessung
der Sammleroberfläche
werden die zu unternehmenden Maßnahmen
nur verzögert
durchgeführt
werden, obwohl jene sich zum Zeitpunkt der Messung als notwendig
erweisen.
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Die vorliegende Erfindung schlägt vor,
die oben genannten Nachteile dank einer Messvorrichtung zu beheben,
die verlässlicher
ist und unabhängig
von den Motorbetriebsbedingungen.
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Dazu ist die Vorrichtung zum Messen
der Menge von Partikeln, die in einem Fluid enthalten sind, welche
wenigstens ein dielektrisches Element, das eine Sammlerseite aufweist,
auf der sich die Partikel abscheiden, und ein Mittel zum Messen
des elektrischen Widerstands des dielektrischen Elements umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kräftegenerator umfasst, um diese
Partikel zu der Sammlerseite des dielektrischen Elements zu leiten.
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Bevorzugt kann der Kräftegenerator
aus einem elektrischen Feldgenerator bestehen.
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Der Kräftegenerator kann aus einem
Magnetfeldgenerator bestehen.
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In vorteilhafter Weise kann der Generator zwei
elektrische Leiterelemente umfassen, zwischen denen die Partikel
zirkulieren.
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Der Generator kann zwei elektrische
Leiterelemente in Form von Platten umfassen, die im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet sind.
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Der Generator kann zwei röhrenförmige elektrische
Leiterelemente umfassen, die im Wesentlichen koaxial und ineinander
verschachtelt sind.
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Außerdem kann ein elektrisches
Leiterelement ein dielektrisches Element tragen.
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Das elektrische Leiterelement kann
aus einer Metalllage gebildet sein, die durch Metallisierung auf
dem dielektrischen Element abgeschieden ist.
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Bevorzugt kann das dielektrische
Element Heizmittel umfassen.
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Das dielektrische Element kann zwei
Anschlussklemmen zum Messen von dessen elektrischen Widerstand tragen.
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Das dielektrische Element kann außerdem in wenigstens
einen Katalysator eingetaucht sein.
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Das Fluid kann ein Auspuffgas eines
Verbrennungsmotors sein.
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Die Vorrichtung kann zur Bewertung
einer Ablagerung von Partikeln angewandt werden, um die Regenerierung
eines Partikelfilters und/oder eines Katalysators zu regeln.
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Die anderen Merkmale und Vorteile
der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung klar
werden, welche lediglich veranschaulichend und nicht begrenzend
angegeben ist, unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, unter
welchen:
- – die 1 schematisch eine Messvorrichtung der
Menge von Partikeln gemäß der Erfindung veranschaulicht;
- – die 2 eine schematische Perspektivansicht der 1 ist; und
- – die 3 eine Variante der Vorrichtung
zur Messung der Partikelmenge gemäß der Erfindung ist.
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Unter Bezug auf die 1 und 2 umfasst
die Vorrichtung zur Messung der Partikelmenge P zwei dielektrische
Elemente 10, 12 vom keramischen Typ, die zueinander
und mit Abstand voneinander derart angeordnet sind, dass sie eine
Zone 14 freilassen, durch die die Auspuffgase (Pfeil A)
zirkulieren. Diese Elemente liegen bevorzugt in Form von parallelfachen
bzw. quaderförmigen
Platten, vorzugsweise Rechteck, vor, deren große gegenüberstehende Sammelflächen 16, 18 zueinander
und zu den Hauptfließleitungen
der Auspuffgase im Wesentlichen parallel sind.
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Die eine 10 wenigstens der
Platten trägt
zwei Messanschlussklemmen 20, 22 in Form von elektrisch
leitenden Stegen, die im Wesentlichen parallel in der Platte eingefügt sind
und von denen ein Rand 24, 26 oberhalb der Sammlerfläche 16 hervorragt oder
diese Fläche
bündig
macht. Diese Stege sind jeder nahe der oberen und unteren Enden
der Platte angeordnet, indem sie parallel in Richtung der Zirkulation
der Auspuffgase liegen und jeder eine Anschlussklemme bildet, die
durch die elektrischen Leiter 28, 30 mit einem
Mittel 32 zum Messen des elektrischen Widerstands dieser
Platte verbunden ist.
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Die Platte umfasst gleichermaßen Heizmittel 34,
die aus einem elektrischen Heizwiderstand bestehen, der durch eine
elektrische Quelle wie eine Batterie (nicht dargestellt) dank der
Leiter 36, 38 gespeist wird. Dieser Widerstand
ist in dem Körper
der Platte integriert und ermöglicht
es, wenn er gespeist wird, die Regenerierung dieser Platte durch
Verbrennung der gesammelten Partikel sicherzustellen.
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Jede Platte 10, 12 trägt auf der
gegenüberliegenden
Seite an ihrer Sammlerseite ein elektrisches Leiterelement 40, 42,
das im dargestellten Beispiel eine Metallplattenausgestaltung hat,
welche sich über
die gesamte Oberfläche
der Seite erstreckt. Diese Platten sind ebenfalls im Wesentlichen
parallel zueinander und zur Fließrichtung der Auspuffgase. Jede
Platte ist mit einem elektrischen Leiter 44, 46 verbunden,
dessen Verbindung zu einer Anschlussklemme von einer elektrischen
(nicht dargestellten) Quelle es ermöglicht, eine Anode und eine
Kathode zu bilden. Beim unter Spannung setzen bilden diese Anode
und diese Kathode die Pole eines elektrischen Feldgenerators, welcher
Kraftlinien erzeugt.
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Dieses elektrische Feld (Pfeil F),
das im allgemeinen im Wesentlichen senkrecht zu den Sammlerflächen 16, 18 ist,
erzeugt elektrische Feldlinien oder Kräftelinien, die die Platten
von einer Platte zur anderen überqueren
und üben
eine Wirkung auf die Partikel aus, die in den Auspuffgasen vorliegen,
welche in der Zone 14 zirkulieren.
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Wie bereits festgestellt worden ist,
prallen die Partikel, die in diesen Gasen zirkulieren, nicht nur
gegeneinander auf, sondern auch mit den Molekülen dieses Gases und infolge
dieser Stöße verlieren
oder gewinnen sie Elektronen, indem sie sich positiv oder negativ
aufladen.
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Folglich werden die kohlenstoffhaltigen
Partikel, die eine gewisse Leitfähigkeit
aufweisen, elektrischen Kräften
unterzogen, die das elektrische Feld erzeugt und diese Partikel
werden von ihren anfänglichen
Flugbahnen abgeleitet, um zu der Platte entgegengesetzter Polarität zu jener
der Partikel angezogen, wie dies beispielhaft durch den Pfeil D
in den 1 und 2 dargestellt ist. Diese
Partikel werden so auf der Sammlerfläche der Platte gesammelt, welche diese
Platte trägt.
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Eine Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Partikeln
bildet sich daher auf der Sammlerfläche 16 der Platte 10,
etabliert eine elektrische Bindung zwischen den Stegen 20, 22 und
der elektrische Widerstand dieser Seite wird verändert, wie dies leicht durch
das Messmittel 32 quantifiziert werden kann.
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Es ist gezeigt worden, dass bei Zirkulation dieser
Partikel die Verteilung, unter den Partikeln positiver Polarität und jener
negativer Polarität
im Wesentlichen gleich ist. Es ist daher möglich, durch eine einfache
Korrelation des gemessenen Widerstandes, die Menge von auf der Sammlerfläche 16 gesammelten
Partikeln zu kennen und durch Extrapolation die Gesamtmenge von
gesammelten und anfänglich
in den Auspuffgasen enthaltenen Partikeln.
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Wohlverstanden können die Heizmittel 34 in Abhängigkeit
verschiedener Kriterien gesteuert werden, um die an der Sammlerfläche 16 angesammelten
Partikel zu verbrennen und so periodisch die Messkapazität dieser
Vorrichtung wiederherzustellen.
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Es kann auch vorgesehen werden, dass
die Heizmittel 34 derart geformt sind, dass sie die Verbrennung
der kohlenstoffhaltigen Partikel gleichzeitig auf der Seite 16 und
auf der Seite 18 der Platten 10 und 12 einleiten
können.
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Es kann gleichermaßen vorgesehen
werden, dass außer
den Heizmitteln 34 der Platte 10 auch Heizmittel
in dem Körper
der Platte 12 angeordnet sind, z.B. in Form von einem elektrischen
Widerstand, der mit jenem identisch ist, den die Platte 10 trägt, um die
auf der Fläche 8 gleichzeitig
mit der Verbrennung der Partikel der Fläche 16 gesammelten Partikel
zu verbrennen.
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Ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen, kann ein Mischerkopf am Eingang der Zirkulationszone 14 der
Auspuffgase derart angeordnet werden, dass die Einführung dieser
Gase erleichtert wird. Zum Beispiel kann dieser Mischerkopf durch eine
Seitenfase über
die Abschnitte vor den Platten 10, 12 ausgeführt sein,
wie dies gepunktet in der 1 dargestellt
ist.
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Der Vorteil dieser Messvorrichtung
liegt in der Möglichkeit,
nicht zu den Zirkulationsbedingungen der Gase beizutragen. Es ist
daher möglich,
die Leistungsfähigkeit
des elektrischen Feldes derart festzulegen, dass alle die Zone 14 durchquerenden Partikel
auf den Sammlerseiten gesammelt werden und dank der elektrischen
Kraft es verhindern, dass die Partikel durch die Auspuffgase wieder
mitgezogen werden.
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Im Fall der Verwendung dieser Messvorrichtung
bei der Handhabung eines Partikelfilters liegt ihr Interesse darüber hinaus
in der Tatsache, dass die Sammlerseite 16, auf der die
Widerstandsmessung stattfindet, sich genauso wie der Filter verschmutzt.
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In dem Fall, wo diese Vorrichtung
vor einem Partikelfilter angeordnet ist, wird es so erleichtert,
in Realzeit den Verschmutzungsgrad des Filters zu kennen und die
Regenerierungsmaßnahmen
dieses Filters im geeigneten Moment auszulösen.
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Indem diese Vorrichtung zur Messung
hinter dem Partikelfilter angeordnet wird, ist es außerdem möglich, die
Leistungsfähigkeit
dieses Filters auszuwerten und davon eine mögliche Abschwächung aufzuspüren. Dies
ist besonders im Rahmen einer Ausrüstungsdiagnostik für Fahrzeuge
vom Typ "OBD" (On Bord Diagnostic)
nützlich,
die es ermöglicht,
einen visuellen oder lauten Alarm auf dem Armaturenbrett dieses
Fahrzeugs im Falle einer Abschwächung dieses
Filters auszulösen.
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Indem man zu jeder Zeit die Menge
von in dem Auspuffgasen vorliegenden Partikeln kennt, ist es darüber hinaus
möglich,
am genauesten die Motorstrategien zu steuern.
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Es wird nun auf die 3 Bezug genommen, die eine Variante der 1 und 2 ist und aus diesem Grunde dieselben
Bezugszeichen aufweist.
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Diese Vorrichtung umfasst zwei keramische dielektrische
Elemente 10, 12 in Form von koaxialen, ineinander
verschachtelten Zylinderrohren. Diese Rohre haben innere und äußere Durchmesser
derart, dass sie es ermöglichen,
zwischen ihnen eine Zone 14 zur Zirkulierung der Auspuffgase
freizulassen. Die beiden zueinander gegenüberstehenden zylindrischen
Wände bilden
Sammlerseiten 16, 18 der dielektrischen Elemente,
d.h. die Seiten, auf denen die in den Auspuffgasen, welche im Wesentlichen
koaxial zu den Röhren
zirkulieren (Pfeil A), enthaltenen Partikel gesammelt werden.
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Das Außenrohr 10 trägt zwei
Messanschlussklemmen 20, 22 für den elektrischen Widerstand
der Sammlerseite 16. Diese Anschlussklemmen in Form von
Stegen erstrecken sich axial entlang des Außenrohres, wobei sie stets
einen von der Sammlerseite 16 aus hervorragenden oder diese Seite
bündig
abschließenden
Rand 24, 26 haben. Wie oben in Bezug mit den 1 und 2 beschrieben, sind diese Stege mit einem
Widerstandmessmittel durch die Leiter 28, 30 verbunden.
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Dieses Außenrohr trägt ebenfalls Heizmittel 34,
die aus einem elektrischen Widerstand bestehen, der in die Masse
dieses Rohres eingetaucht ist und von den Leitern 36, 38 laufend
gespeist wird.
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Die elektrisch leitenden Elemente
werden auf den zylindrischen Wänden
gegenüber
der Sammlerflächen
die des Rohres angeordnet.
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Genauer trägt jedes Rohr 10, 12 auf
seiner zur Sammlerseite 16, 18 gegenüberliegenden
zylindrischen Wand eine metallische röhrenförmige Hülle 40, 42.
Diese röhrenförmigen Hüllen werden
durch die Verbinder 44, 46 mit einer Stromquelle
derart verbunden, dass ein Dipol gebildet wird, der aus einer Anode
und einer Kathode besteht.
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Wenn die Hüllen unter Spannung gesetzt werden,
erzeugt sich ein elektrisches Feld (Pfeile F), das eine radiale
Richtung hat, indem es im Wesentlichen senkrecht zu den Sammlerflächen 16, 18 der Rohre 10, 12 bleibt.
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Die in den Auspuffgasen enthaltenen
Partikel, die in der Zone 14 zirkulieren, werden auf den Sammlerflächen 16, 18 gesammelt,
wie dies oben in Bezug mit den 1 und 2 beschrieben ist.
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Der Eingang des Innenvolumens der
Hülle 42 kann
wohlverstanden verstopft sein und mit einem Diffuser derart versehen
sein, dass die Mehrheit der Gase in der Zone 14 zirkuliert.
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Vorteilhafterweise können die
elektrisch leitenden Elemente 40, 42 der 1 bis 3 aus einer Metalllage gebildet werden,
die auf den zu den Sammlerseiten 16, 18 gegenüberliegenden
Seiten bei einem sogenannten Metallisierungsvorgang abgeschieden
wird.
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In noch vorteilhafterer Weise kann
diese Vorrichtung mit geringen Modifikationen in Kombination mit
katalytischen Filtern oder Katalysatoren, vor allem mit den sogenannten "4-Wege"-Katalysatoren verwendet
werden. Diese Katalysatoren sind im allgemeinen Katalysatoren, die
mit katalytischen Phasen, vor allem auf Basis von Edelmetallen imprägniert sind,
welche es ermöglichen,
die Schadstoffe der Auspuffgase, wie NOx zu reduzieren und/oder
zu oxidieren und/oder einzulagern.
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In diesem Fall ist es notwendig,
eine Sammlerfläche
dieses freien Filters, der von jeder Verschmutzung durch Partikel
frei ist, anzuordnen, um die katalytischen Eigenschaften der Oberfläche dieses
Filters intakt zu erhalten.
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Mit der oben beschriebenen Messvorrichtung
wird es vorgesehen, dass die Sammlerflächen der dielektrischen Elemente
mit den gleichen katalytischen Phasen überzogen sind wie jene des
Katalysators. Diese Seiten werden daher denselben Verschmutzungsbedingungen
unterliegen wie der Katalysator.
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Dank dessen können die Regenerierungswirkungen
des Katalysators präventiv
vorgenommen werden, bevor der gemessene Widerstand der Partikelabscheidung
auf den Sammlerflächen
es nicht ermöglicht,
einen zur Katalyse schädlichen
Verschmutzungsgrad anzuzeigen.
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Dies ermöglicht es ebenfalls, eine sehr
genaue Regelungsstrategie der Partikel zu haben, die in den Auspuffgasen
enthalten sind, und eine Regenerierung des Katalysators vorzusehen,
die die möglichst
kontinuierliche ist. Diese Begrenzung an Verschmutzung der Oberfläche ermöglicht es
außerdem,
eine zu starke Verbrennung dieser Partikel zu vermeiden, was es
riskiert, die Überzugsschicht,
sogenannter "wash-coat" zu beschädigen, die
dieser Katalysator gewöhnlich
trägt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern umschließt alle
Varianten.
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Es kann insbesondere vorgesehen werden, dass
das Feld in der Zone 14 ein Feld magnetischen oder elektromagnetischen
Ursprungs ist.
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Im Falle eines Magnetfeldes stellen
die Platten oder Hüllen 40,42 die
Gegenpole von einem Permanentmagnet dar. Im Falle eines Elektromagnetfeldes
sind die Platten oder Hüllen
ein Dipol, der ein magnetisches Feld erzeugt, wenn sie unter Spannung gesetzt
werden. Die Partikel, die dieses Feld durchqueren, werden Magnetkräften dieses
Feldes unterzogen und werden daher von deren Flugbahnen zu den Sammlerflächen hin
abgeleitet.