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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 vormeiden.
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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 Betriebsbedigungen 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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Aus der
WO 93/08 382 A1 ist ein Sensor in einem Filtermaterial bekannt, der aus zwei Elektroden besteht und bei dem in das Filtermaterial eindringende und von ihm zurückgehaltene Partikel den elektrischen Widerstand zwischen den beiden Sensoren verändern.
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Aus der
DE 36 08 801 A1 ist ein keramischer Partikelfilter bekannt, der in seinem Filterkörper zwei zueinander beabstandete Elektroden aufweist, die den Widerstand der sich zwischen ihnen im Filtermaterial aufbauenden Rußschicht bestimmen.
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Aus der
EP 0 332 609 B1 ist ein Dieselabgasfilter bekannt, bei dem zwei parallele Plattenelektroden die Flugbahn von Partikeln ablenken sollen.
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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, wobei sie einen Kräftegenerator umfasst, um diese Partikel zu der Sammlerseite des dielektrischen Elements zu leiten und wozu der Generator zwei elektrische Leiterelemente umfasst, zwischen denen die Partikel zirkulieren, wobei diese in Form von Platten ausgebildet sind, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Leiterelement ein dielektrisches Element trägt und wonach wenigstens ein elektrisches Leiterlement zwei Anschlussklemmen in Form von Stegen zum Messen von dessen elektrischen Widerstand trägt, von denen ein Rand oberhalb der Sammlerseite hervorragt oder mit dieser bündig abschließt.
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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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Der Generator kann zwei röhrenförmige elektrische Leiterelemente umfassen, die im Wesentlichen koaxial und ineinander verschachtelt sind.
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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 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:
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die 1 schematisch eine Messvorrichtung der Menge von Partikeln gemäß der Erfindung veranschaulicht;
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die 2 eine schematische Perspektivansicht der 1 ist; und
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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 Beisplel 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 (Pfeife 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.
