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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennungsmotoren, insbesondere
für Kraftfahrzeuge,
und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Partikelmenge, typischerweise des Rußes, die in einem Filtermedium
des Auspuffsystems eines Verbrennungsmotors vorhanden ist. Nach den
optionalen Ausführungsarten
kann die Erfindung ein Diagnosewerkzeug für die in dem Filtermedium regenerierte
Russmasse, die katalysiert ist oder nicht, und/oder für das Auslösen der
Regeneration und/oder für
die Kontrolle der Integrität
des Filtermediums darstellen.
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Die
Heterogenität
der Verbrennungsvorgänge
in den Motoren, die mit armem Gemisch funktionieren, bewirt, dass
Kohlenstoffpartikel gebildet werden, die im Motor nicht wirksam
verbrannt werden können.
Dies zeigt sich durch das Auftreten von schwarzen Rauchgasen am
Auspuff, die für
diesen Motorisierungstyp charakteristisch sind. Sie sind besonders
stark während
der Startphasen und bei starker Beschleunigung. Die Einhaltung der
zukünftigen gesetzlichen
Normen verlangt von den Konstrukteuren den Einsatz von Umweltschutzsystemen,
die es ermöglichen,
die Partikel dieses Phänomens
zur Gänze
zu beseitigen.
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Der
Stand der Technik besteht in der Anordnung eines halb-porösen Elements
in der Auspuffleitung, das den Durchgang der gasförmigen Verbindungen
ermöglicht
und gleichzeitig Partikelverbindungen zurückhält, deren Basiselement in der
Matrix der Diesel-Auspuffgase die Diesel-Rauchgase darstellen. Dieses
Elemente oder ein analoges Element wird als Filtermedium bezeichnet.
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Auf
die Phase des Zurückhaltens
der Partikel muss unbedingt ein zweiter Schritt, Regenerationsphase
genannt, folgen, der diese zurückgehaltenen Verbindungen
in nicht verschmutzende Elemente (Kohlendioxid und Wasser) beseitigt
und es ermöglicht,
eine darauf folgende Phase der Anhäufung der Partikelverbindungen
wieder aufzunehmen.
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Die
verwendeten Mittel, um die Regenerationsbedingungen zu erhalten,
umfassen die Erzeugung einer gasförmigen Umgebung, die auf eine Temperatur
von ungefähr
600 °C erhitzt
wird. Dieser Vorgang ermöglicht
es, die für
die Selbstentzündung der
in dem das Filtermedium darstellenden Filter zurückgehaltenen Kohlenstoffpartikel
zu liefern.
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Diese
letztgenannten verbrauchen sich nun, wobei sie Energie freisetzen,
die in Abhängigkeit
von den Bedingungen hauptsächlich
an das Russbett, an die verschiedenen Bestandteile des Umweltschutzsystems
(Partikelfilter, Wartungsgehäuse
und -hülle, Rohre,
usw. ...) übertragen
oder auch mit dem aus dem Motor austretenden Gasstrom befördert werden kann.
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Es
ist somit nützlich,
die Russmasse, die im Filtermedium enthalten ist, zu kennen, im
Speziellen am Anfang und am Ende der Regeneration, um sie in Strategien
zur Erfassung der Russmasse, der Kontrolle der Integrität des Filterelements
oder jede andere Strategie aufzunehmen, die es ermöglicht,
die Abwicklung der Regeneration des Partikelfilters zu optimieren.
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Unter
den für
die Erfassung der in das Filtermedium eingebrachten Russmenge verwendeten Mitteln
kann das Messen des Lastverlustes, der durch das Filtermedium erzeugt
wird, mit Hilfe eines Druckfühlers
genannt werden, der stromaufwärts zum
Filtermedium angeordnet ist, wie in dem Patentdokument JP-A-60067713
beschrieben, oder durch Verwendung von zwei Fühlern, die stromaufwärts bzw.
stromabwärts
zum Filtermedium angeordnet sind, wie in den Patentdokumenten EP-A-1172537, JP-A-60047937
und FR-A-2801636 beschrieben.
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Diese
verschiedenen Methoden ermöglichen es,
die Regeneration auszulösen
oder anzuhalten, sobald der gemessene Druck größer oder kleiner als ein Grenzwert
wird, bieten aber im Allgemeinen keinen direkten Zugriff auf die
Partikellast, insbesondere die Partikelmasse, die in dem Filtermedium
enthalten ist.
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Der
Stand der Technik gemäß dem Patentdokument
FR-A-2 804 173 erwähnt überdies
die Verwendung der kumulierten Basisemissionen des Motors für die Bestimmung
der Russmasse, die in dem Filtermedium vorhanden ist, und somit
für die
Auslösung
einer Regeneration.
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Insgesamt
sind diese Techniken auf ein Ablesen des Gegendrucks begrenzt, der
es für
einen gegebenen Motorfunktionspunkt ermöglicht, die in dem Filtermedium
enthaltene Russmasse zu bewerten. Diese Korrelation, die unter stabilisierten
Bedingungen bei weitem nicht trivial ist, kann im Falle von transitorischen
Funktionen noch komplexer werden, insofern als die Korrelation zwischen
dem vom Filtermedium erzeugten Gegendruck und der Volumen bezogenen
Auspuffgasmenge eine große
Zahl von physikalischen Parametern einsetzt. In diesem Zusammenhang
können
insbesondere die Temperatur, die Zusammensetzung der Auspuffgase,
die in dem Filtermedium enthaltene Russmenge, die Reststoffmenge,
usw. genannt werden.
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Angesichts
des Vorhergehenden schlägt
die Erfindung gemäß einem
ersten Gegenstand ein Verfahren zur Bestimmung der Filterpartikellast,
die in einem Filtermedium, das imprägniert sein kann oder nicht,
eines Auspuffsystems eines Verbrennungsmotors vorhanden ist, vor,
dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- – vorherige
Herstellung eines Verhältnisses
zwischen der Permeabilität
K(m) des Filtermediums und der Last, insbesondere der Masse m, von Partikeln,
die in dem Filtermedium enthalten ist,
- – Speicherung
des Verhältnisses
in einem Speicher, der bei der Bestimmung der Partikellast zugänglich ist,
- – Bestimmung
des Unterschieds ΔPFiltermedium der Druckwerte am Eingang und
am Ausgang des Filtermediums, der der Summe der beiden Komponenten
gleichgesetzt wird, wobei die erste den Lastverlust darstellt, der
durch das Ausströmen der
Gase am Eingang und am Ausgang des Filtermediums erzeugt wird, und
die zweite den Lastverlust darstellt, der von den Auspuffgasen beim Durchströmen des
Filtermediums erzeugt wird, und die Permeabilität K(m) als Variable enthält,
- – Bestimmung
der Gasmenge, die durch das Filtermedium strömt,
- – Berechnung
des Wertes der Permeabilität
K(m) des Filtermediums aus den bestimmten Werten, und
- – Verwendung
dieses Permeabilitätswertes
K(m) in dem im Speicher gespeicherten Verhältnis für die Bestimmung des Wertes
der Partikellast, die im Filtermedium enthalten ist.
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Vorzugsweise
entspricht der bestimmte Werte der Menge der durch das Filtermedium
strömenden
Gase der Volumen bezogenen Menge Qv; diese Menge wird nun aus gemessenen
Werten berechnet: der Masse bezogenen Menge Qm der durch das Filtermedium
strömenden
Gase, der Temperatur T am Eingang oder am Ausgang des Filtermediums
und des Drucks P am Eingang oder am Ausgang des Filtermediums.
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Das
Verhältnis
zwischen der Permeabilität K(m)
des Filtermediums und der Partikellast, die in dem Filtermedium
enthalten ist, wird in einer von den Regenerationsbedingungen des
Filtermediums unabhängigen
Form ausgedrückt,
insbesondere in einer vom Absolutdruck P am Eingang oder am Ausgang
des Filtermediums und von der Temperatur T am Eingang oder am Ausgang
des Filtermediums unabhängigen
Form.
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Bei
der Ausführungsart
wird das Verhältnis zwischen
der Permeabilität
K(m) des Filtermediums und der in dem Filtermedium enthaltenen Partikellast ausgedrückt, wobei
als einzige Variable herangezogen werden: i) der Unterschied ΔPFiltermedium der Druckwerte stromaufwärts und
stromabwärts
zum Filtermedium und ii) die Gasmenge (24, 26),
die durch das Filtermedium strömt.
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Vorzugsweise
umfasst die Bestimmung der Gasmenge die Bestimmung der Volumen bezogenen Menge
Qv der Auspuffgase und die Bestimmung der Masse bezogenen Menge
Qm der Auspuffgase.
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Für die Berechnung
des Permeabilitätswertes
K(m) wird angenommen, dass der Unterschied der Druckwerte ΔPFiltermedium mit dem Fluss der Auspuffgase
durch eine polynominale Funktion zweiter Ordnung verbunden ist,
die als Variable den Volumen bezogenen Fluss Qv der Auspuffgase
hat, wobei der lineare Term der Variablen Qv als Koeffizienten die Permeabilität K(m) hat.
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Vorzugsweise
erfolgt die Berechnung des Wertes auf Basis folgenden Verhältnisses:
ΔP
CSF = AρQ 2 / v +
K(m)Q
v = AQ
vQ
m + K(m)Q
v woraus sich
ergibt
wobei:
- ΔPCSF
- der Unterschied der
Druckwerte am Eingang und am Ausgang des Filtermediums (10)
ist,
- ρ
- die Dichte der Auspuffgase
ist,
- Qv
- der Volumen bezogene
Fluss der das Filtermedium durchströmenden Auspuffgase ist,
- Qm
- der Masse bezogene
Fluss der das Filtermedium durchströmenden Auspuffgase ist, und
- A
- eine Konstante ist.
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Das
im Speicher gespeicherte Verhältnis zwischen
der Permeabilität
K(m) des Filtermediums und der in dem Filtermedium enthaltenen Partikellast kann
in Form einer affinen Funktion vorhanden sein.
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Das
im Speicher gespeicherte Verhältnis zwischen
der Permeabilität
K(m) des Filtermediums und der in dem Filtermedium enthaltenen Partikellast kann
in folgender Form vorhanden sein: K(m) = Bm(t)
+ Cwobei B eine empirische Konstante ist und C die Permeabilität des Filtermediums
ohne Partikellast darstellt.
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Das
Verfahren kann ferner eine Diagnose des Zustands des Filtermediums
umfassen, wobei diese Diagnose die folgenden Schritte umfasst:
- – Speichern
des Permeabilitätswertes
ohne Partikellast C des Filtermediums (10) im Speicher, wenn
keine Partikellast vorhanden ist,
- – Vergleichen
dieses Permeabilitätswertes
ohne Partikellast C mit einem aus dem Wert des Unterschieds ΔPFiltermedium der Druckwerte (28, 30)
am Eingang und am Ausgang des Filtermediums und mindestens einem
Wert der Auspuffgasmenge berechneten Wert, und
- – in
Abhängigkeit
vom Größenunterschied
zwischen dem Wert der Permeabilität ohne Partikellast C und dem
berechneten Wert:
- – Diagnose
einer anormalen Leckage von Auspuffgasen oder einer anormalen Permeabilität im Filtermedium,
und/oder
- – Diagnose
eines anormal hohen Widerstandes gegen die Gasmenge, beispielsweise
auf Grund einer Verglasung oder eines Schmelzens des Filtermediums.
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Bei
der Ausführungsart
ist der berechnete Wert gleich: ΔPCSF/Qv – AQm,wobei
- ΔPCSF
- der Druckunterschied
stromaufwärts
und stromabwärts
zum Filtermedium (10) ist,
- Qv
- der Volumen bezogene
Fluss des das Filtermediums durchströmenden Auspuffgases ist,
- Qm
- der Masse bezogene
Fluss des das Filtermedium durchströmenden Auspuffgases ist, und
- A
- eine Konstante ist,
und es wird diagnostiziert: - – eine anormale
Leckage der Auspuffgase oder eine anormale Permeabilität im Filtermedium, wenn
der berechnete Wert geringer als die Permeabilität ohne Partikellast C ist,
und/oder
- – ein
anormal hoher Widerstand gegen die Gasmenge, beispielsweise auf
Grund einer Verglasung oder eines Schmelzens des Filtermediums, wenn
der berechnete Wert größer als
die Permeabilität
ohne Partikellast C ist, wobei eventuell eine Marge R berücksichtigt
wird, um einen höheren
Widerstand auf Grund einer normalen Partikelmenge im Filtermedium
anzupassen.
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Das
Verfahren kann ferner einen Schritt der Steuerung der Regeneration
des Filtermediums umfassen, wenn die Bestimmung der Partikellast
in diesem eine vorbestimmte Grenze überschreitet.
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Das
Verfahren kann vorzugsweise in einer Kontroll- und Steuerschleife
eingesetzt werden, die die folgenden Verfahrensschritte einsetzt:
- a – Aufzeichnung
von ΔPCSF, Qm und Qv;
- b – Berechnung
von
- c – Berechnung
von
- d – wenn
m(t) = vorbestimmte kritische Grenze mGrenze ist, Auslösung der
Regeneration
- e – Wiederholung
der Schritte a bis c bis m(t) = 0
- f – wenn
m(t) = 0 Ende der Regeneration
- g – Kontrolle
der Integrität
des Filtermediums durch Überprüfung folgender
Bedingung:
wobei: - ΔPCSF
- der Druckunterschied
am Eingang und am Ausgang des Filtermediums (10) ist,
- ρ
- die Dichte des Auspuffgases
ist,
- Qv
- der Volumen bezogene
Fluss des das Filtermedium durchströmenden Auspuffgases ist,
- Qm
- der Masse bezogene
Fluss des das Filtermedium durchströmenden Auspuffgases ist,
- C
- die Permeabilität des Substrats
in der Partikellast darstellt, und
- A
- eine Konstante ist.
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Der
Wert des Drucks der Auspuffgase stromaufwärts zum Filtermedium, der verwendet
wird, um den Unterschied ΔPFiltermedium der Druckwerte am Eingang und
am Ausgang des Filtermediums zu bestimmen, wird mit Hilfe eines
Druckfühlers
bestimmt.
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Als
Variante kann der Wert des Drucks der Auspuffgase am Eingang des
Filtermediums, der verwendet wird, um den Unterschied ΔPFiltermedium der Druckwerte am Eingang und
am Ausgang des Filtermediums zu bestimmen, durch Berechnung aus
Daten im Zusammenhang mit der Funktion des Motors bestimmt werden.
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Nach
einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslösen einer
Regenerationsphase eines Filtermediums eines Auspuffsystems eines
Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden
Schritte umfasst:
- – Bestimmung der in dem Filtermedium
vorhandenen Partikellast in definierten Zeitintervallen durch Einsatz
des Verfahrens nach dem ersten Aspekt, und
- – wenn
die bestimmte Partikellast eine bestimmte Grenze überschreitet,
Auslösen
der Regenerationsphase des Filtermediums.
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Dieses
Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:
- – in
regelmäßigen Zeitintervallen
Bestimmung während
und/oder nach der Regenerationsphase der in dem Filtermedium vorhandenen
Partikellast durch Einsatz des Verfahrens nach dem ersten Aspekt,
- – Berechnen
der regenerierten Partikellast unter Berücksichtigung des Unterschiedes
der Partikellast zwischen zwei Intervallen der Bestimmung der regenerierten
Partikellast, und
- – Steuerung
der Dauer und/oder der Frequenz der Regenerationsphasen in Abhängigkeit
von der im Filtermedium vorhandenen Partikellast und/oder der regenerierten
Partikellast.
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Nach
einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur
Bestimmung der in einem Filtermedium eines Auspuffsystems eines
Verbrennungsmotors vorhandenen Partikellast, dadurch gekennzeichnet,
dass sie umfasst:
- – einen Speicher, der bei der
Bestimmung der Partikellast zugänglich
ist und ein Verhältnis
zwischen der Permeabilität
K(m) des Filtermediums (10) und der Partikellast speichert,
insbesondere der Masse m, die in dem Filtermedium (10)
enthalten ist,
- – Mittel,
um den Unterschied ΔPFiltermedium der Druckwerte am Eingang und
am Ausgang des Filtermediums zu berechnen, der der Summe der beiden
Komponenten gleichgesetzt wird, wobei die erste den Lastverlust
darstellt, der durch das Ausströmen
der Gase am Eingang und am Ausgang des Filtermediums erzeugt wird,
und die zweite den Lastverlust darstellt, der von den Auspuffgasen
beim Durchströmen
des Filtermediums erzeugt wird, und die Permeabilität K(m) als
Variable enthält,
- – Mittel
zur Bestimmung der Gasmenge, die durch das Filtermedium strömt,
- – Mittel
zur Berechnung des Wertes der Permeabilität K(m) des Filtermediums aus
den bestimmten Werten, und
- – Mittel
zur Bestimmung des Wertes der Partikellast, die im Filtermedium
gespeichert ist, aus dem Wert der Permeabilität K(m) und dem im Speicher gespeicherten
Verhältnis.
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Die
Speichermittel können
einen ausführbaren
Code enthalten, der dazu bestimmt ist, das Verfahren nach dem ersten
Aspekt einzusetzen.
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Nach
einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung eine Motoreinheit, umfassend:
- – einen
Verbrennungsmotor,
- – ein
Auspuffsystem für
die Auspuffgase des Motors, umfassend ein Filtermedium,
- – ein
intelligentes Mittel, das es ermöglicht,
die Regeneration des Filtermediums nach bestimmten Kriterien zu
steuern,
dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur
Bestimmung der in einem Filtermedium vorhandenen Partikellast nach
dem dritten Aspekt umfasst.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
bietet eine Technik zur Bestimmung einer Korrelation zwischen der
Permeabilität
K(m) des Filtermediums 10 und der Russmasse m(t), die in
dem Filtermedium enthalten ist, wobei diese Korrelation von den
Funktionsbedingungen des Filtermediums (Temperatur, Druck, Art des
Gases, ....) unabhängig
ist. Auf Basis dieser Korrelation wird es möglich, die in dem Partikelfilter
enthaltene Russmasse zu kennen.
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Die
Erfindung und die daraus hervorgehenden Vorteile zeigen sich deutlich
bei der Studie der nachfolgenden Beschreibung ihrer bevorzugten
Ausführungsarten,
die nur als nicht einschränkende
Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen dienen,
wobei:
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1 ein
vereinfachtes Schema eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor ist,
der mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Russmenge in seinem Auspuffsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist;
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2 ein
Prinzipschema eines Auspuffsystems eines Verbrennungsmotors ist,
der mit einem Filtermedium und den Funktionselementen, die bei der
Bestimmung der Partikellast dieses letztgenannten eingesetzt werden,
versehen ist;
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3 ein
Funktionsschema ist, das auf detaillierte Weise das Datenverarbeitungszentrum
im Zusammenhang mit dem Filtermedium aus 2 zeigt.
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Um
die erfindungsgemäße Ausführungsart 1 darzustellen,
zeigt 1 schematisch ein Fahrzeug 2, im vorliegenden
Fall ein Personenfahrzeug, bei dem der Verbrennungsmotor 4,
beispielsweise vom Typ Diesel, und die katalysierte Auspuffeinheit 6 zu erkennen
sind. Auf bekannte Weise umfasst der katalysierte Auspuff 6 ausgehend
vom Motor einen Oxydationskatalysator und/oder eine unter dem englischen
Ausdruck „Nox-Trap" 8 bekannte
Vorrichtung, gefolgt von einem Filtermedium 10 und einem
Schalldämpfer 12.
Es ist anzumerken, dass der Katalysator sowie die Nox-Trap 8 optionale
Elemente sind. Das Filtermedium 10 kann imprägniert oder
nicht imprägniert
sein, wobei dieser Begriff generisch ist, um jeden Typ von Filtermitteln
abzudecken: Filter, Substrat, usw., die bei dieser technischen Anwendung
verwendet werden.
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Eine
Gesamtheit von Parameterfühlern
der Auspuffgase am Eingang und am Ausgang des Filtermediums 10 (bzw. 14 und 16)
ist mit einer eingebauten intelligenten Einrichtung des Fahrzeugs
verbunden, die im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet
ist.
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Wie
detaillierter 2 zeigt, ist die eingebaute
intelligente Einrichtung 18 in eine zentrale Steuerstrategieeinheit
des Motors und des Partikelfilters 20 und ein Zentrum für die Verarbeitung
der stichhaltigen Daten am Filtermedium 22, das mit der
Gesamtheit von Fühlern
stromaufwärts 14 und
stromabwärts 16 verbunden
ist, aufgegliedert. Das Verarbeitungszentrum 22 ist funktional
mit der Zentraleinheit 20 verbunden und ermöglicht es
somit, eine Steuerschleife des Motors 4 in Abhängigkeit
von den Daten, die von der Gesamtheit von Fühlern 14 und 16 kommen,
zu bilden.
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Der
Teil 14 dieser Gesamtheit von Fühlern am Eingang (auch stromaufwärtig genannt)
umfasst:
- – einen
Fühler 24 zum
Messen der Temperatur T der Gase am Eingang des Filtermediums.
- – einen
Fühler 26 zum
Messen des Massedurchflusses Qm der Auspuffgase am Eingang des Filtermediums,
und
- – einen
Fühler 28 zum
Messen des Drucks der Auspuffgase am Eingang des Filtermediums.
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Der
Teil dieser Gesamtheit von Fühlern
am Ausgang (auch stromabwärtig
genannt) umfasst einen Fühler 30 zum
Messen des Drucks der Auspuffgase am Ausgang des Filtermediums.
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Das
von den Druckfühlern 28 und 30 am
Eingang und am Ausgang gebildete Paar ermöglicht es insbesondere, den
Differentialdruck durch das Filtermedium, d.h. den Lastverlust,
zu bestimmen, wobei dieser der Unterschied zwischen den stromaufwärtigen und
stromabwärtigen
Druckwerten ist.
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Auf
bekannte Weise umfasst das Filtermedium 10 in einem Gehäuse 32 eine
Gesamtheit von Flächen
in Schichten oder Serpentinen 34, Russbett genannt, das
dazu vorgesehen ist, die vom Motor abgegebenen Russpartikel zu sammeln.
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Wie 3 zeigt,
basiert die Architektur des Datenverarbeitungszentrums des Filtermediums 22 auf
einem Mikroprozessor 36, dessen Basisprogramm in einem
Festspeicher (ROM) 38 gespeichert ist. Die für den Mikroprozessor
notwendigen evolutiven Daten sind in einem Lesespeicher (RAM) 40 gespeichert.
Die Daten, die von den stromaufwärtigen 14 und
stromabwärtigen 16 Fühlern kommen,
werden von einer Schnittstelle 42 aufgenommen und an einen
Pufferspeicher 44 weitergeleitet, der funktional mit dem
Mikroprozessor und dem Lesespeicher 40 verbunden ist.
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Der
Mikroprozessor 36 ist ferner mit einem vorprogrammierbaren
Speicher (EEPROM) 46 verbunden, in dem die vorprogrammierten
Daten gespeichert sind. Diese Daten umfassen insbesondere ein algorithmisches
Modul 48 zur Berechnung der Partikellast in dem Filtermedium 10 und
zur Steuerung von Aufgaben, die mit diesem letztgenannten zusammenhängen, und
ein Korrelationsmodul 50, das eine bestimmte Relation zwischen
der Permeabilität
des Filtermediums einerseits und der Russpartikellast, insbesondere
der Masse, andererseits speichert. Diese Relation ist durch eine
mathematische Funktion definiert, die vorher durch Modellierung oder
Experimentieren erstellte Konstanten hat. Diese Module 48, 50 sind
in Form eines ausführbaren
Codes und von ausführbaren
Daten für
den Mikroprozessor 36 gespeichert, wodurch es ihm möglich ist, jederzeit
die im Motor vorhandene Russmenge zu bestimmen.
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Die
im Rahmen der 1 bis 3 beschriebenen
materiellen Mittel ermöglichen
es somit, eine Gesamtheit von Funktionalitäten für die ordnungsgemäße Funktion
des Filtermediums 10 durch Algorithmen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
zu verwirklichen. Die von dem Datenverarbeitungszentrum des Filtermediums 22 und
den Fühler 14, 16 gebildete
Gesamtheit 1 stellt nämlich
ein Werkzeug dar, das es ermöglicht,
jederzeit t während des
Rollens des Fahrzeugs oder der Funktion des Motors und somit während der
Regenerationsphasen die im Filtermedium 10 enthaltene Russmasse
zu kennen. Diese Kenntnis ist jederzeit t während des Rollens des Fahrzeugs
und insbesondere während der
Regenerationsphasen zugänglich.
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Auf
Basis der Daten der Fühler 24–30 berechnet
das Werkzeug 1 eine Größe K(m),
die die Permeabilität
des Substrats, das das Filtermedium darstellt, repräsentiert.
Zu diesem Zweck wirkt das algorithmische Modul 48 mit dem
Modul 50 zusammen, das eine vorerstellte Relation zwischen
dieser Größe K(m)
und der in dem Filtermedium enthaltenen Russmenge m(t) integriert,
um den Lastzustand des Filtermediums zu bestimmen.
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Die
Betriebsart basiert auf der folgenden Zerlegung des Lastverlustes ΔPFiltermedium, der durch das Filtermedium 10 erzeugt
wird: ΔPFiltermedium = ΔP1 + ΔP2 wobei:
- ΔP1
- den Lastverlust darstellt,
der von dem Abströmen
der Gase am Eingang und am Ausgang des Filtermediums (Kegel, ...)
in den Kanälen des
Filtermediums an den Eingangs- und Ausgangsflächen des Filtermediums erzeugt wird.
Diese letztgenannten sind im Wesentlichen mit den Eigenschaften
des Fluids sowie mit dem Oberflächenzustand
und dem vom Fluid angetroffenen Singularitätstypen verbunden; und
- ΔP2
- den Lastverlust darstellt,
der vom Fluid beim Durchqueren der Wand des Filtermediums (DARCY-Gleichung) erzeugt
wird. Dieser letztgenannte hängt
im Wesentlichen von der Permeabilität des Substrats, der im Filtermedium
abgelagerten Russmenge sowie von der Reststoffmenge ab.
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So
kann sich der Lastverlust ΔP
Filtermedium auf folgende Weise entwickeln:
ΔP
CSF = AρQ 2 / v +
K(m)Q
v = AQ
vQ
m + K(m)Q woraus sich ergibt:
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Hier
wird der Unterindex CSF dem Index „Filtermedium" gleichgesetzt, d.h. ΔPCSF = ΔPFiltermedium.
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Es
wird somit zu jedem Zeitpunkt t ein Verhältnis definiert, das von den
Regenerationsbedingungen unabhängig
ist, d.h. unabhängig
vom Druck P, insbesondere vom Druck am Eingang, und von der Temperatur
T, insbesondere von der Temperatur am Eingang. In dem Beispiel hängt dieses
Verhältnis
nur von der Massedurchflussmenge am Auspuff, nämlich Qm, und von der Permeabilität k(m) des
Substrats ab, wobei A eine Konstante ist. Die Volumen bezogene Menge
Qv ist ein Wert, der berechnet wird aus: der Messung der Massedurchflussmenge
Qm (Fühler 26),
der Temperatur (Fühler 24)
und des Drucks P (Fühler 28),
nach genau erstellten Gesetzen.
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Die
Relationsfunktion zwischen K(m) und der Russmasse m, die in dem
Korrelationsmodul 50 enthalten ist, ist eine affine Funktion
mit folgender Form: (K(m) = Bm(t) + C)wobei
B eine Konstante ist, die vorher durch Experimentieren berechnet
wird und somit eine empirische Konstante darstellt, und C die Permeabilität des Substrats
(Filtermediums 10) ohne Russ darstellt.
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Der
Mikroprozessor
36 berechnet diese affine Funktion für jeden
willkürlichen
Zeitpunkt t und erhält
einen Wert für
die Masse m(t) an Russ, die in dem Filtermedium zum Zeitpunkt t
vorhanden ist, auf Basis der folgenden Definition:
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Optional
kann der Mikroprozessor
36 dann eine zweite Bearbeitung
durchführen,
die es ermöglicht,
den Zustand des verwendeten Filtermediums zu diagnostizieren. Diese
Diagnose beruht auf der Überlegung,
dass, wenn das Filtermedium
10 ohne Russ ist und
eine Abspaltung dieses letztgenannten
diagnostiziert wird, wobei diese letztgenannte ihre Permeabilität erhöht.
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Im
umgekehrten Fall, nämlich ΔPCSF/Qv – AQm > C, ist ein anormaler
Widerstand gegen die Auspuffmenge von Seiten des Filtermediums zu
beobachten, beispielsweise auf Grund einer Verglasung oder eines
Schmelzens des dieses bildenden Substrats, oder jeder anderen Art
oder Bedingung für
eine Verschlechterung, die zu einer Erhöhung des Differentialdrucks ΔP führt. Diese
Anomalie kann festgestellt werden, wenn genauer die Bedingung ΔPCSF/Qv – AQm > C + R betrachtet wird,
wobei R ein Wert ist, der dazu bestimmt ist, eine Marge zu bieten,
um die Erhöhung
des Widerstandes gegen die Durchflussmenge auf Grund einer normalen
Russlast zu berücksichtigen.
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Die
Hauptschritte des Algorithmus 48, der vom Mikroprozessor 36 durchgeführt wird,
sind folgendermaßen
zusammenzufassen:
Schritte im Zusammenhang mit dem Zeitpunkt
t erfolgen nacheinander:
- a – Aufzeichnung von ΔPCSF, Qm und Qv (wobei Qv auf Basis von Qm,
der Temperatur T, im vorliegenden Fall der Temperatur am Eingang,
des Filtermediums und des Drucks P, im vorliegenden Fall des Drucks
am Eingang, des Filtermediums berechnet wird);
- b – Berechnung
von
- c – Berechnung
von
- d – wenn
m(t) = vorbestimmte kritische Grenze mGrenze ist, Auslösung der
Regeneration
- e – Wiederholung
der Schritte a bis c bis m(t) = 0
- f – wenn
m(t) = 0 Ende der Regeneration
- g – Kontrolle
der Integrität
des Filtermediums durch Überprüfung folgender
Bedingung:
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Die
so durch Berechnung und/oder Messen erhaltenen Daten, wie K(m),
können
für die
Gesamtheit der strategischen Kontrollschritte des Motors verwendet
werden, die die eingebaute intelligente Vorrichtung 18 einsetzen
und sich auf die Steuerung des Partikelfilters beziehen.
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So
ist bei der Ausführungsart
das Datenverarbeitungszentrum des Filtermediums dazu vorgesehen,
die folgenden Aufgaben auszuführen:
- – Bestimmung
der im Filtermedium (katalysiert oder nicht) vorhandenen Russmasse
vor und/oder nach der Regeneration. Diese letztgenannte entspricht
dem Unterschied zwischen der vom Motor erzeugten Russmasse und der
regenerierten Russmasse. Die Kenntnis dieser Größen ermöglicht es, die Funktionsdauer
der Regenerationsstrategien und somit einen Überkonsum zu begrenzen;
- – Steuerung
der Auslösung
einer Regeneration;
- – Schutz
des Filtermediums bei den Regenerationsphasen. Wie kritisch eine
Regeneration ist, kann durch einen Parameter, hier mit d bezeichnet,
gekennzeichnet werden, der die Regenerationsgeschwindigkeit berücksichtigt.
So wird die Regeneration in dem Maße eingeleitet, als die in dem
Filtermedium gelagerte Russmasse nicht zu einer Verschlechterung
des Filtermediums führt. Insbesondere
ist der Parameter d das Verhältnis der
Regenerationsgeschwindigkeit – die
mit der Geschwindigkeit der Russverbrennung verbunden ist – zur Masse
bezogenen Menge der Auspuffgase. Er drückt somit die Freisetzung von Wärme durch
Verbrennung des Rußes
bezogen auf die Konvektion aus. Die Verfolgung dieses Parameters
ermöglicht
es zu bestimmen, ob die Gefahr besteht, dass sich die Regeneration
in eine Gefahrensituation im Hinblick auf die Wärmekonzentration entwickelt:
je größer d ist,
desto mehr nähert
sich der Vorgang einer gefährlichen
Situation. Durch Berechnung kann somit mindestens eine kritische
Schwelle für
ein gegebenes Filtermaterial erstellt und somit eingegriffen werden, um
sich zu vergewissern, dass die Regeneration nur unterhalb dieser
Schwelle stattfindet, wobei insbesondere auf die kontrollierten
und nicht die stattgefundenen Variablen eingewirkt wird. Beispielsweise
kann eine Verringerung der Temperatur T der Verbrennungsgase bei
der Regeneration hervorgerufen werden, um den Parameter d von der
kritischen Schwelle zu entfernen. Mehr Informationen zu diesem Aspekt
sind in der französischen
Patentanmeldung FR 02 07494 im Namen der Anmelderin dargestellt.
- – Diagnose
einer möglichen
Verschlechterung des Filtermediums nach einer Regeneration.
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Die
Auslösung
einer Regeneration kann im Bereich der strategischen Motorsteuerungszentraleinheit 20 durch
verschiedene bekannte Mittel der Erhöhung der Temperatur der Auspuffgase
gesteuert werden, beispielsweise durch Hervorrufen eines Nachverbrennungszyklus
oder Veränderung
der Zündungs- und/oder Einspritzbedingungen.
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Obwohl
besonders für
die Verbrennungsmotoren vom Typ Diesel-Motoren besonders vorteilhaft, kann
die Erfindung auch mit anderen Typen von Verbrennungsmotoren eingesetzt
werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
zahlreiche Varianten und Ausführungsarten
sowohl auf materieller als auch auf algorithmischer Ebene.
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Beispielsweise
kann vorgesehen werden, den Druckfühler 28 stromaufwärts wegzulassen, wenn
der eine und/oder der andere dieser Parameter mit Hilfe der in der
eingebauten intelligenten Einrichtung 18 enthaltenen Daten
bestimmt werden kann.
d – wenn m(t) = vorbestimmte kritische Grenze mGrenze ist, Auslösung der Regeneration e – Wiederholung der Schritte a bis c bis m(t) = 0 f – wenn m(t) = 0 Ende der Regeneration g – Kontrolle der Integrität des Filtermediums durch Überprüfung folgender Bedingung:
wobei: ΔPCSF der Druckunterschied am Eingang und am Ausgang des Filtermediums (