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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wartungsüberwachung
eines Partikelfilters, der in eine Abgasleitung eines Dieselmotors
für Kraftfahrzeuge
eingebaut ist.
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Eines
der mit der Benutzung eines Partikelfilters verbundenen Hauptprobleme
ist seine Wartung. In der Tat setzt sich dieser während der
Benutzungsdauer eines mit einem Partikelfilter ausgerüsteten Fahrzeugs zu.
Die verschiedenen Rückstände, die
sich dort anhäufen,
können
hauptsächlich
vier verschiedene Ursprünge
haben. In der Tat können
sich Rückstände aus
den aus dem Motor oder der Abgasleitung stammenden Metallelementen
oder aus bei der Füllung
nicht gefilterten Partikeln bilden. Weitere Rückstände können durch die Verbrennungsrückstände gebildet
werden, die aus dem Schmieröl
des Motors stammen, oder auch durch die Verbrennungsrückstände, die
aus dessen Versorgungskraftstoff stammen. Schließlich können weitere Rückstände durch
die Verbrennungsrückstände eines
Regenerierungshilfsstoffs entstehen. Es ist in der Tat bekannt,
dass solche Zusatzstoffe verwendet und dem Versorgungskraftstoff
des Motors beigemischt werden können,
um die Verbrennungstemperatur der in dem Partikelfilter gefangenen
Rußpartikel
abzusenken.
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Bei
einem Partikelfilterkonzept, das einen Regenerierungshilfsstoff
einsetzt, der die Verbrennung von Rußpartikeln zu begünstigen
erlaubt, sammeln sich diese vier Elemente in dem Filter an. In dem
Fall, wo ein solcher Zusatzstoff nicht verwendet wird, beispielsweise
in dem Fall von imprägnierten
oder katalysierten Partikelfiltern, sind nur drei dieser Elemente
in dem Filter vorhanden, was das Volumen an angesammelten Rückständen für eine gegebene
Kilometerleistung verringert.
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Unabhängig jedoch
von dem eingesetzten Konzept setzt sich der Partikelfilter zunehmend
zu, wodurch das für
die Lagerung der Partikel verfügbare
Volumen verringert wird. Daher muss zur Aufrechterhaltung des thermomechanischen
Verhaltens des Filters dieser Filter immer häufiger regeneriert werden,
was sich durch eine mit dem Partikelfilter verbundene Erhöhung des Überverbrauchs
an Kraftstoff bemerkbar macht, beispielsweise in dem Fall, wo die
Regenerierung durch Einsatz von Nacheinspritzungen oder eines Brenners und
durch eine Verdünnung
des Schmieröls des
Motors mit dem nacheingespritzten Kraftstoff mit der Gefahr des
Kaputtgehens des Motors durchgeführt
wird.
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Außerdem führt die
Verringerung des zur Lagerung der Rußpartikel nutzbaren Volumens
zu immer höheren
Ladeverlusten an den Anschlussklemmen des Filters, was sich zugleich
durch eine Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs außerhalb der Regenerierungsphase
und einer Gefahr des Kaputtgehens des Motors bemerkbar macht, beispielsweise
wenn der Differentialdruck an den Klemmen des Filters zu hoch ist und
ein erneutes Öffnen
der Ventile bewirkt. Es ist somit erforderlich, den Filter am Ende
einer bestimmten erbrachten Kilometerleistung zu reinigen oder zu
tauschen, wenn das zur Lagerung der Partikel verfügbare Volumen
zu gering wird.
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In
den derzeit reihenweise eingereichten Anmeldungen, in denen die
Fahrzeuge mit einem Partikelfilter ausgerüstet sind, wird die Reinigung
bei einem festgelegten Kilometerstand, wie beispielsweise 120.000 Kilometer
durchgeführt,
unabhängig
von dem Benutzungsprofil des Fahrzeugs. Jedoch hängt die angestaute Rückstandsmenge
von zahlreichen Faktoren ab, wie dem Ölverbrauch, dem Zusatzstoffverbrauch,
der Anzahl von bereits versuchten Regenerierungen, etc.
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In
der Tat können
zwei Fahrzeuge, die den gleichen Kilometerstand erreicht haben,
eine voneinander sehr unterschiedliche Menge an Rückständen abhängig von
der Fahrart dieser Fahrzeuge angesammelt haben. Beispielsweise führt ein
Fahren in der Stadt mit einem mittleren Kraftstoffverbrauch von
10 Litern auf 100 Kilometer zu 67% mehr Zusatzstoffverbrennungsrückständen als
ein Fahren auf offener Strasse mit einem mittleren Verbrauch von
6 Litern auf 100 Kilometer. Es ist somit festzustellen, dass durch
die Vorabdefinierung eines Reinigungsintervalls des Partikelfilters
für alle
Fahrzeuge die Zusetzungsrate von deren Partikelfiltern nicht unbedingt
optimiert wird, was sich durch das Beobachten von starken Verschmutzungsunterschieden zwischen
den Partikelfiltern während
der Reinigungsvorgänge
bemerkbar macht.
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Die
Schrift
EP 1 103 702
A2 legt ein Verfahren zur Steuerung der Funktionsweise
eines Partikelfilters dar, wobei seine Beladung mit nicht brennbaren
Rückständen berücksichtigt
wird, die von der verbrauchten Menge an Zusatzstoffen abgezogen
wird, welche dafür
bestimmt sind die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel abzusenken.
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Außerdem haben
die aktuellen Gesamtumstände
mit einer starken Forderung nach der Auflage der Benutzung eines
Partikelfilters besonders die Gesamtkosten des Systems uns insbesondere
diejenigen des Wartungsvorgangs in den Vordergrund gerückt. Es
ist daher unerlässlich,
diesen Reinigungsschritt des Partikelfilters soweit wie möglich nach
hinten zu verschieben, um die Kosten für den Benutzer zu verringern.
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Es
ist daher wichtig, die Reinigungsfrequenz des Partikelfilters zu
optimieren.
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Es
ist daher das Ziel der Erfindung diese Probleme zu lösen.
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Hierzu
hat die Erfindung ein System zur Wartungsüberwachung eines Partikelfilters
zum Gegenstand, der in eine Abgasleitung eines Dieselmotors für Kraftfahrzeuge
eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass es Vorrichtungen zur
Berechnung des Verbrennungsrückstandsvolumens
aus dem Schmieröl
des Motors, Vorrichtungen zur Berechnung des Verbrennungsrückstandsvolumens
aus dem Versorgungskraftstoff des Motors, Vorrichtungen zur Berechnung
des Nutzvolumens des Partikelfilters ausgehend von einem Gesamtvolumen dieses
Filters im Neuzustand und den zuvor berechneten Verbrennungsrückstandsvolumen,
und Vorrichtungen zur Berechnung einer Zusetzungsrate des Partikelfilters
ausgehend von dem Gesamtvolumen des Filters im Neuzustand und des
zuvor berechneten Nutzvolumens aufweist, um eine Wartungsanforderung
auszulösen,
wenn die Zusetzungsrate einen zuvor bestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Gemäß weiteren
Eigenschaften weist dieses System zur Wartungsüberwachung außerdem auf:
- – Vorrichtungen
zur Berechnung des Verbrennungsrückstandsvolumens
aus einem Zusatzstoff, der dafür bestimmt
ist, die Verbrennungstemperatur der in dem Partikelfilter gefangenen
Partikel abzusenken, und der dem Versorgungskraftstoff dieses Motors
beigemischt wird, wobei die Vorrichtungen an die Vorrichtungen zur
Berechnung des Nutzvolumens angeschlossen sind;
- – Vorrichtungen
zur Berechnung des Kilometerstandes, bei welchem ein Wartungsvorgang
des Partikelfilters vorgesehen werden müsste, ausgehend von der von
dem Fahrzeug seit dem neuen oder gereinigten Zustand des Partikelfilters
gelaufenen Kilometerleistung und der Zusetzungsrate des Filters,
wie zuvor berechnet;
- – Vorrichtungen
zur Berechnung der Kilometerleistung, die noch vor dem Wartungsvorgang
des Partikelfilters erbracht werden muss, ausgehend von der zuvor
berechneten Wartungskilometerleistung und der bereits von dem Fahrzeug
gelaufenen Kilometerleistung.
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Die
Erfindung wird besser verstanden werden bei der Lektüre der nachfolgenden,
ausschließlich
beispielhaft gegebenen Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung gemacht ist, welche den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems
illustriert.
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Das
Ziel des erfindungsgemäßen Systems
besteht darin, zu jedem Zeitpunkt so genau wie möglich das in einem Partikelfilter
angesammelte Rückstandsvolumen
abzuschätzen
und es mit einem Schwellenwert zu vergleichen, um zu bestimmen,
ob dieser Filter gereinigt werden muss oder nicht.
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Dieser
Filter ist in eine Abgasleitung eines Dieselmotors für Kraftfahrzeuge
eingebaut.
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Dieses
System muss ebenfalls ermöglichen
vorherzusagen, bei welcher Kilometerleistung der Reinigungsvorgang
durchgeführt
werden muss und diese Information, die dem Netz des Herstellers
nach dem Verkauf zugänglich
ist, soll diesem ermöglichen
mit dem Benutzer des Fahrzeugs den Zeitpunkt zu planen, zu welchem
die Wartung des Filters vorgenommen werden muss.
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Das
Ziel dieses Systems besteht somit darin, zu jedem Zeitpunkt das
Zusetzungsniveau des Partikelfilters durch die Rückstände abzuschätzen und vorauszusagen, wann
die Reinigung des Filters erforderlich sein wird. Hierzu wird die
Menge an Verbrennungsrückständen, die
aus dem Schmiermittel und dem Kraftstoff stammen, abgeschätzt, und
zwar unabhängig
von dem Konzept des Partikelfilters, d.h. beispielsweise für einen
katalysierten Partikelfilter, einen imprägnierten Partikelfilter, einen
nicht beschichteten Partikelfilter ohne Zusatzstoff oder einen Partikelfilter
mit Zusatzstoff, aber ebenfalls die Menge an Verbrennungsrückständen aus
dem Zusatzstoff, die für
einen katalysierten oder imprägnierten
oder nicht beschichteten Partikelfilter ohne Zusatzstoff gleich
null ist. Die Menge an metallischen Rückständen, die aus dem Motor und
der Abgasleitung stammen, und an bei der Füllung nicht gefilterten Partikeln
kann als vernachlässigbar
betrachtet werden, wie durch eine Analyse mehrerer Rückstandsproben
bestätigt
wurde.
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Die
Masse der in dem Filter angesammelten Verbrennungsrückstände des
Schmiermittels hängt
von dem Verbrauch an Schmieröl
des Motors und dem Aschegehalt des verwendeten Schmiermittels ab.
Um diese Berechnung zu vereinfachen, wird als Hypothese angenommen,
dass der Fahrer des Fahrzeugs während
der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs das von dem Hersteller empfohlene Öl, d.h.
mit einem konstanten Aschegehalt verwendet. Das Abschätzen der
Masse von Verbrennungsrückständen des Öls kann
dann auf verschiedene Weisen geschehen. So kann ein vorbestimmter Ölverbrauchswert
für das
Fahrzeug benutzt werden, wobei der Wert von der betreffenden Motor/Fahrzeug-Anwendung
abhängt.
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Es
kann ebenfalls ein Modell der integrierenden Art verwendet werden,
welches einen momentanen Ölverbrauch
in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen des Motors und typischerweise in Abhängigkeit von
der Motordrehzahl und dem Drehmoment berücksichtigt.
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Weitere
kompliziertere Modelle, welche die Zusammensetzung des Öls, d.h.
beispielsweise seinen Phosphor-, Calcium-, Kaliumgehalt etc., die
Qualität
des Öls
oder einen Wartungsanzeiger für
das Öl
berücksichtigen,
sind ebenfalls denkbar, um die Menge an in dem Partikelfilter angesammelten
Verbrennungsrückständen abzuschätzen.
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In
dem Fall der Verwendung der typischen Zusammensetzung eines Öls wird
die Masse an Verbrennungsrückständen in
Abhängigkeit
von der Beschaffenheit der aus der Verbrennung des Öls hervorgehenden Verbindungen
berechnet, beispielsweise findet sich das Phosphor in dem Filter
in Form von PO4, das Zink in Form von ZnO
und das Calcium in Form von CaSO4, etc.
wieder.
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Die
Masse an aus dem Kraftstoff stammenden Verbrennungsrückständen, die
in dem Filter angesammelt ist, hängt
direkt von dem Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und dem Aschegehalt
dieses Kraftstoffs ab. Um diese Berechnung zu vereinfachen, wird
als Hypothese angenommen, dass der Aschegehalt des Kraftstoffs konstant
ist, unabhängig
von der Kraftstoffversorgungsquelle. Die einfachste Berechnung der
Menge an Verbrennungsrückständen aus
dem Kraftstoff besteht darin, einen Integrator zu verwenden, der
den momentanen Verbrauch mit dem Aschegehalt des Kraftstoffs und
mit dem Berechnungszeitabstand zu dem momentanen Verbrauch multipliziert.
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In
dem Fall, wo ein Zusatzstoff verwendet wird, hängt die aus diesem Zusatzstoff
stammende Rückstandsmasse,
die in dem Filter angesammelt ist, von der Zusatzstoffmenge ab,
die in den Kraftstofftank eingespritzt worden ist. Es gibt ebenfalls
mehrere Möglichkeiten
zur Abschätzung
dieser Masse. Beispielsweise kann die Mengeninformation bezüglich des
eingespritzten Zusatzstoffs, die von dem Steuerkalkulator des Dosiersystems
für den
Zusatzstoff stammt, verwendet werden, aber ebenso kann der kumulierte
Verbrauch an Kraftstoff seit dem Nutzungsbeginn des Fahrzeugs berücksichtigt
werden, wobei er mit dem nominalen Dosierwert für den Zusatzstoff multipliziert
wird.
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Wenn
einmal die Gesamtmasse an Rückständen berechnet
ist, muss sie durch die Volumenmasse der Rückstände dividiert werden, um das
reale Volumen des von diesen Rückständen belegten
Filters zu erhalten. Um das Außenvolumen,
den dieses darstellt, zu bestimmen, denn nur ein Kanal von zwei
des Filters ist mit Rückständen gefüllt, muss
dieses Volumen durch das Öffnungsverhältnis des
Filters dividiert werden, d.h. das Verhältnis zwischen der offenen
Vorderseite (nur die offenen Kanäle)
und der Gesamtvorderseite des Filters. Dies ergibt ein Öffnungsverhältnis, das
von der Struktur des Filters, d.h. der Dichte der Zellen, der Dicke
der Wände,
der Dicke des Kitts zwischen den Stäben, wenn der Filter unterteilt
ist, etc. abhängt.
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Die
verwendete Volumenmasse der Rückstände kann
in verschiedenen Formen vorliegen. In dem einfachsten Fall handelt
es sich um einen konstanten Wert. Allerdings kann der Ausdruck auch
komplexer gestaltet werden, um ihn so nah wie möglich an die Wirklichkeit zu
bringen. In der Tat stellt man eine Veränderung in der Dichte der Rückstände mit
zunehmender Zusetzung des Filters fest. Allgemein ist eine Verdichtung
dieser Rückstände zu beobachten.
In diesem Fall kann die Volumenmasse mit Hilfe einer Kurve bestimmt
werden, die entweder von der seit dem Lebensbeginn des Fahrzeugs
oder seit der letzten Reinigung des Filters erbrachten Kilometerleistung
oder von der bereits eingesetzten Zusatzstoffmenge oder von dem
kumulierten Kraftstoffverbrauch oder von der bereits angesammelten
Gesamtmasse an Rückständen abhängt.
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Wenn
das Rückstandsvolumen
einmal berechnet ist, wird das für
die Lagerung der Partikel verbleibende freie Volumen bestimmt. Dieses
freie Volumen wird sodann mit einem Schwellenwert verglichen, der
das annehmbare Mindestvolumen vor der Durchführung der Reinigung des Filters
bestimmt. Dieses Mindestvolumen wird vorab unter Berücksichtigung
der maximalen Regenerierungsfrequenz aufgrund des durch die Regenerierungsphasen
des Filters oder der Verdünnung
des Öls
durch den nachträglich
eingespritzten Kraftstoff erzeugten Überverbrauch oder ein zu hohes
Ladungsverlustniveau, das einen Leistungsabfall des Motors bewirkt,
bestimmt. Wenn das freie Volumen unter den Schwellenwert sinkt,
wird eine Reinigungsanforderung des Filters ausgelöst.
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Während der
klassischen Wartungsvorgänge
des Fahrzeugs, beispielsweise alle 20.000 oder 30.000 Kilometer,
muss das Nachverkaufsnetzwerk des Herstellers außerdem ebenfalls Zugang zu
bestimmten Daten haben können,
welche ermöglichen
Auskünfte über die
Zusetzungsrate des Filters bezüglich
des empfohlenen Maximalvolumens vor der Durchführung einer Reinigung des Filters
und über
die geschätzte
Kilometerleistung, bei welcher der Partikelfilter gereinigt werden
muss, d.h. die Kilometerleistung, bei welcher das freie Mindestvolumen
erreicht sein wird, zu erhalten. Eine Variante kann auch darin bestehen,
die gleiche Information in Form einer von dem Fahrzeug noch zu erbringenden
verbleibenden Kilometerleistung vor der Reinigung des Filters zu
geben.
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Das
Abschätzen
der Kilometerleistung, bei welcher die Reinigung des Filters vorgenommen
werden muss, ist Hinweis gebend und nimmt als Hypothese an, dass
das Benutzungsprofil des Fahrzeugs in Zukunft das gleiche sein wird
wie bisher.
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Um
den Wartungsbedarf des Filters zu verfeinern, können Kriterien hinzugefügt werden,
die auf der Messung des Beladungsverlustes des Filters genau nach
einer Regenerierung, d.h. wenn keine Partikel mehr in den Kanälen vorhanden
sind, basieren. Beispielsweise kann ein Beladungsverlustschwellenwert
berücksichtigt
werden, der von einer Kurve bestimmt ist, die von dem Volumendurchsatz
der den Filter durchströmenden
Gase abhängt.
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Dies
ist in der beigefügten
Abbildung illustriert, in welcher ein System zur Wartungsüberwachung
eines Partikelfilters zu erkennen ist, der in eine Abgasleitung
eines Dieselmotors für
Kraftfahrzeuge eingebaut ist, wobei das System Vorrichtungen 1 zur
Berechnung des Verbrennungsrückstandsvolumens
aus dem Schmieröl
des Motors, Vorrichtungen 2 zur Berechnung des Verbrennungsrückstandsvolumens
aus dem Versorgungskraftstoff des Motors und eventuell, wenn ein
Zusatzstoff, der dafür
bestimmt ist die Verbrennungstemperatur der in dem Partikelfilter
gefangenen Partikel abzusenken, dem Versorgungskraftstoff dieses
Motors beigemischt ist, Vorrichtungen 3 zur Berechnung
des Volumens an Verbrennungsrückständen aus
diesem Zusatzstoff aufweist.
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Diese
verschiedenen Informationen bezüglich
der Rückstands-
und Aschevolumen werden an Vorrichtungen 4 zur Berechnung
des Nutzvolumens des Partikelfilters V.u anhand eines Gesamtvolumens
dieses Filters im neuen oder gereinigten Zustand V. neuf und der
zuvor berechneten Aschevolumen und eventuell Rückstandsvolumen gesendet.
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Diese
Information über
das berechnete Nutzvolumen V.u wird dann an Vorrichtungen 5 zur
Berechnung einer Zusetzungsrate t.e. des Partikelfilters ausgehend
von dem Gesamtvolumen des Filters im neuen oder gereinigten Zustand
V. neuf geliefert und diese Information über die Zusetzungsrate t.e.
wird von Vergleichsvorrichtungen 6 mit einem zuvor bestimmten
Schwellenwert (seuil) verglichen, um eine Wartungsanforderung Req.Maint.
für den
Partikelfilter auszulösen,
wenn die Zusetzungsrate t.e. diesen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Selbstverständlich können auch
komplementäre
Informationen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise die
Verwendung von Vorrichtungen zur Berechnung der Kilometerleistung
Km maint., bei welcher ein Wartungsvorgang des Partikelfilters vorgesehen
werden muss, anhand einer von dem Fahrzeug seit dem Neuzustand oder
dem gereinigten Zustand des Partikelfilters erbrachten Kilometerleistung
Km par. und anhand der Zusetzungsrate t.e. des Filters wie zuvor
berechnet, wobei diese Berechnungsvorrichtungen mit der allgemeinen
Bezugszahl 7 bezeichnet sind. Außerdem können ebenfalls Vorrichtungen 8 zur
Berechnung der Kilometerleistung Km rest. vorgesehen werden, welche
noch zu fahren bleibt vor einem Wartungsvorgang des Partikelfilters,
und zwar anhand der zuvor berechneten Wartungskilometerleistung
Km maint. und der bereits von dem Fahrzeug gefahrenen Kilometerleistung
Km par.
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Ein
detailliertes Beispiel für
diese verschiedenen Berechnungen ist hier unten gegeben.
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Die
hier unten aufgeführte
Tabelle listet die verschiedenen Definitionen der verwendeten Symbole
auf:
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Berechnung des Volumens der Rückstände aus
der Verbrennung des Zusatzstoffs
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- Rückstandsvolumen
(t) = Gesamtmenge an Zusatzstoff (t)·Kadditif/Öffnungsverhältnis·ρres
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Berechnung des aus den Verbrennungsrückständen des Öls hervorgegangenen
Volumens
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- Volumen Verbrennungsrückstände Öl = Conso.
Huile·ρhuile·Strecke
neuer FAP·Ascherate/(100·Öffnungsverhältnis·ρres)
- Die Variable Strecke neuer FAP entspricht der von dem Fahrzeug
seit dem Neuzustand oder dem gereinigten Zustand des FAP gefahrenen
Strecke.
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Berechnung des aus den Verbrennungsrückständen des
Kraftstoffs hervorgegangenen Volumens
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- Volumen Verbrennungsrückstände Kraftstoff
(t) = Gesamtmenge an Zusatzstoff (t)·Kcarburant/(Öffnungsverhältnis·ρres)
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Berechnung des Nutzvolumens des FAP
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- Nutzvolumen (t) = V0 – Rückstandsvolumen
(t) – Volumen Öl – Volumen
Verbrennungsrückstände Kraftstoff
- Wenn das Volumen einen minimalen Grenzwert erreicht, wird von
dem Benutzer gefordert einen Reinigungsvorgang des FAP durchzuführen.
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Berechnung der Zusetzungsrate des FAP
durch die Rückstände
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Die
Zusetzungsrate des FAP stellt den Prozentsatz des von den Rückständen belegten
Volumens bezüglich
des maximal zulässigen
Volumens vor der Durchführung
der Filterreinigung dar. Wenn die Zusetzungsrate des FAP 100% beträgt, ist
es erforderlich den FAP zu reinigen.
- Zusetzungsrate des
FAP (t) = (V0 – Nutzvolumen (t)/(V0 – freies
Volumen)·100
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Berechnung der für die Reinigung des FAP vorgesehenen
Kilometerleistung
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Diese
Variable dient dem Nachverkaufsnetzwerk die Kilometerleistung abzuschätzen, bei
welcher der Tausch oder die Reinigung des Partikelfilters stattfinden
sollte.
- Kilometerleistung Reinigung des FAP (t) = seit dem
neuen FAP gefahrene Strecke·100/Zusetzungsrate
des FAP (t)
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Berechnung der noch vor der Reinigung
des FAP verbleibenden zu fahrenden Strecke
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Diese
Variable dient dem Nachverkaufsnetzwerk die Strecke abzuschätzen, die
noch zu fahren verbleibt, bevor ein Wechsel oder die Reinigung des
Partikelfilters vorgenommen werden muss.
- Verbleibende Strecke
vor der Reinigung des FAP (t) = Kilometerleistung Reinigung des
FAP (t) – Strecke
neuer FAP.
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Es
ist somit festzustellen, dass es dank eines solchen Systems möglich ist
die Wartung der Partikelfilter zu optimieren und deren Kosten zu
verringern.