AT528096A1 - Verfahren zum Bewerten eines Partikelfilters - Google Patents

Abstract

Um eine Partikelfilter (1), insbesondere einen Dieselpartikelfilter, zerstörungsfrei und ohne Inbetriebnahme der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine beurteilt und überprüft zu kön- nen, wird ein Verfahren zum Bewerten eines Partikelfilters (1), welcher in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Diesel-Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, eingesetzt wird, und durch welchem während eines Betriebs der Verbrennungs- kraftmaschine Abgase geleitet werden, vorgeschlagen. Dazu wird ein Ultraschallwandler (2) an den zu untersuchenden Partikelfilter (1) akustisch angekoppelt (101). Dann vom Ultra- schallwandler (2) ein von einem Signalgenerator (6) erzeugtes Ultraschallsignal (4) in den Partikelfilter (1) eingekoppelt (102). Das eingekoppelte Ultraschallsignal (4) wird dann vom Partikelfilter (1) übertragen und zumindest teilweise im Partikelfilter (1) und/oder an einer Grenzfläche (5) des Partikelfilters (1) reflektiert (102), insbesondere an einer Seitenwand oder Rückwand, welche dem angekoppelten Ultraschallwandler (2) gegenüberliegt. Das re- flektierte Ultraschallsignal (4) wird dann vom Ultraschallwandler (2) aus dem Partikelfilter (1) ausgekoppelt und von einer Aufzeichnungseinheit (7) aufgenommen (103). Das aufgenom- mene, reflektierte Ultraschallsignal (4) wird in einer Auswerteeinheit (8) mit einem Referenz- signal (9) verglichen und aus dem Vergleich des aufgenommenen, reflektierten Ultraschall- signals (4) mit dem Referenzsignal (9) ein Zustand des Partikelfilter (1) abgeleitet (104).

Description

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Verfahren zum Bewerten eines Partikelfilters

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Bewerten eines Partikelfilters, welcher in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, eingesetzt wird, und durch welchen während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine Abgase der Verbrennungskraftmaschine geleitet

werden.

Stand der Technik

Die Umweltbelastung mit Feinstaub durch Fahrzeuge ist seit langem bekannt und unterliegt immer strengeren gesetzlichen Regulatorien. Daher sind Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselverbrennungskraftmaschinen, wie sie in handelsüblichen Fahrzeugen eingesetzt werden, üblicherweise mit einem im Abgasstrang angeordneten Partikelfilter ausgerüstet, um Partikel aus dem Abgas herauszufiltern und die gesetzlichen Abgasvorschriften einzuhalten. Die Partikel im Abgasstrom werden z.B. bei Dieselverbrennungskraftmaschinen aufgrund der Kraftstoffeigenschaften und des Verbrennungsverfahren bzw. der unvollständigen Verbrennung verursacht. Die Partikel bestehen hauptsächlich aus Ruß und unverbrann-

ten Kohlenwasserstoffen, können aber auch Aschepartikel und Metallabrieb aufweisen.

Partikelfilter zum Entfernen dieser Partikel aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotor, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Das vorherrschende Filterkonzept, vor allem im Bereich der Personenkraftwagen, stellt das sogenannte Wandstrom-Filterkonzept dar. Bei einem Wandstromfilter wird das gesamte Abgas durch dünne Wände des Filters geleitet. D.h., das Abgas tritt durch Einlasskanäle in den Filter ein, passiert die porösen Filterwände, wobei die im Abgas enthaltenen Partikel an der Oberfläche und im Inneren der Wände abgeschieden werden, und tritt durch Auslasskanäle wieder aus dem Filter aus. Die Filterwände können aus unterschiedlichen porösen Werkstoffen bestehen, die meist aus Fasern oder Pulver aufgebaut sind, welche selbst aus Keramiken oder Metallen bestehen, wie z.B. Siliziumcarbid (SiC), Cordierit, Aluminiumtitanat oder anderen Werkstoffen und/oder Werkstoffkombinationen. Ein derartiger Partikelfilter ist z.B. aus der EP 2 727 640 A1 bekannt.

Die Funktionsweise eines solchen Partikelfilter ist derart, dass je nach Partikelgröße die im Abgas enthaltenen Partikel entweder aufgrund ihrer Trägheit dem Abgasstrom nicht durch den Filter folgen können und auf die Filterwand prallen oder an der Oberfläche der porösen Filterwände z.B. aufgrund von Adhäsion haften bleiben, was auch als Oberflächen- oder Kuchenfiltration bezeichnet wird, oder mittels Tiefenfiltration im Inneren der Filterwand in klei-

nen und kleinsten Porenkanälen verbleiben. Dabei beginnt die Filtration zumeist als

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Tiefenfiltration, da die Partikel dem Abgasstrom folgen und beginnen, sich in den Poren in der Filterwand abzulagern. Mit der Belegung der inneren Filterflächen erfolgt dann die Oberflächenfiltration — d.h., es findet eine Ablagerung der Partikel auf der Oberfläche, durch welche eine Schicht auf der Filteroberfläche gebildet wird. Dieser Vorgang wird insbesondere bei Partikelfiltern als Beladung bezeichnet. Die abgelagerten Partikel bilden dann durch Agglomeration eine komplexe poröse Filtermatrix, die auch als „Filterkuchen“ bezeichnet wird. Durch den wachsenden Filterkuchen wird die Filtrationsleistung des Filters verbessert und es können Partikel ausgefiltert werden, welche viel kleiner sind als die ursprüngliche Poren-

größe des Filters.

Allerdings führt die Anlagerung der Rußpartikel bzw. der Filterkuchen zu einer Behinderung des Abgasstroms durch den Partikelfilter, was durch ein Ansteigen eines durch den Abgasstrom erzeugten Differenzdruck über den Filter bemerkbar macht. Wird die Rußpartikelschicht bzw. der Filterkuchen zu dick, so kann dies zu einer verminderten Leistung der Verbrennungskraftmaschine, erhöhten Kraftstoffverbrauch, zur Verstopfung des Partikelfilters und im schlimmsten Fall zu Fehlfunktionen und/oder Schäden an der Verbrennungskraftmaschine führen. Daher ist es notwendig die im Partikelfilter abgelagerte RuRmasse kontinuierlich oder diskontinuierlich auszutragen bzw. zu reinigen, um einen akzeptablen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere des Dieselmotors, aufrechtzuerhalten. Das Austragen bzw. Reinigen des Partikelfilters wird als Regeneration bezeichnet und erfolgt durch Verbrennen bzw. Oxidation der abgelagerten Rußpartikel, wobei Ruß üblicherweise in einem

Temperaturbereich von ca. 500 bis 550°C selbständig mit Sauerstoff reagiert.

Derartige Temperaturen werden allerdings bei Fahrzeugen im Fahrbetrieb nicht oder nicht häufig erreicht. Daher kann für die Regeneration die Abgastemperatur beispielsweise durch unterschiedliche Maßnahmen, wie z.B. durch einen Brenner, Kraftstoffeinspritzung über einen Oxidationskatalysator, eine elektrische Heizung oder ein anderes Mittel, zumindest kurzfristig erhöht werden. Dies wird als aktive Regeneration bezeichnet, da z.B. das Erhöhen der Abgastemperatur durch die Bordelektronik des Fahrzeugs (beispielsweise bei einem Fahrbetrieb mit geringer Betriebs- bzw. Abgastemperatur, wie z.B. Kurzstrecken, Stadtverkehr) angestoßen wird. Bei der passiven Regeneration wird z.B. durch Verwendung eines Katalysators — z.B. im Filter selbst, auf einem separaten Substrat oder im verwendeten Kraftstoff — die für die Regeneration benötigten Temperaturen auf einen Bereich abgesenkt, in dem die vorhandene Abgastemperatur — üblicherweise bei entsprechendem Fahrbetrieb (z.B. mit hoher Motorlast und hoher Drehzahl) zur Regeneration ausreicht. Die aktive und passive Rege-

neration kann auch kombiniert werden.

In jedem Fall ist es allerdings notwendig, den Zustand des Partikelfilters zu überwachen und

zu erkennen, inwiefern eine Beladung — d.h. der Filterkuchen — so groß ist, dass eine -D-

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Regeneration erforderlich ist. Weiterhin verbleiben Partikel, die während der Regeneration nicht verbrannt werden können, als Ascheablagerung im Partikelfilter und wirken sich ebenfalls auf den Zustand bzw. Beladungsgrad des Filters aus, wobei die Ascheablagerung mit jeder Regeneration steigt. Durch Ascheablagerungen kann z.B. die Zeit bis zur nächsten Regeneration verkürzt und die effektive Filterlänge verringert werden. Ab einer kritischen Ascheablagerung im Partikelfilter ist es üblicherweise notwendig, den Filter zu demontieren

und zu ersetzen oder zu reinigen.

Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine — d.h. z.B. während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs — wird ein Beladungszustand des Partikelfilters üblicherweise mittels Differentialdruckmessung ermittelt. Dazu wird z.B. ein Druckgefälle zwischen Eingang und Ausgang des Partikelfiltters gemessen und z.B. in einer Motorsteuerung mittels hinterlegter Algorithmen und/oder Modellen ein Asche- und RuRßRgehalt (d.h. Beladungszustand) des Partikelfilters ermitteln, um z.B. eine Regeneration passend zu triggern und eine Aschenmenge im Filter abzuschätzen. Ein derartiges Verfahren ist z.B. aus der DE 10 2018 207 227 A1 oder aus der DE 10 2021 209 373 A1 bekannt. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, dass die Ergebnisse einer derartigen Differenzdruckmessung beispielsweise abhängig von der Genauigkeit der Messung bzw. von den verwendeten Algorithmen und Modellen, vom mechanischen Zustand des Partikelfilters sowie von der Art der Motorbelastung sind. Weiterhin können beispielsweise Alterungserscheinungen und/oder Schäden im Filter (z.B. Durchbrennen des Filtermaterials, Risse, Bruch, etc.) zu einem niedrigen Druckgefälle durch auftretende Leckage im Filtermaterial führen, was durch die Differenzdruckmessung fälschlicherweise als kaum beladener oder unbeladener Filter interpretiert werden würde, wodurch eine Verringerung oder ein Verlust der Filterfähigkeit nicht erkannt werden würde. Weiterhin funktioniert die Differenzdruckmessung nur bei laufendem Motor bzw. bei Fahrbetrieb der Verbrennungskraftmaschine. Bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine oder bei ausgebauten Partikelfilter kann eine Bewertung eines Zustands des Partikelfilters basierend auf eine Differenz-

druckmessung nicht vorgenommen werden.

Ein Versagen des Partikelfilters kann zwar z.B. bei einer Abgasemissionsmessung während einer periodischen Inspektion des Fahrzeugs erkannt werden, indem während der Abgasmessung eine erhöhte Konzentration von Partikeln (z.B. Ruß) im Abgas gemessen wird. Allerdings kann dadurch nicht der Zustand des Partikelfilters bewertet werden, da eine Abgasmessung keinen Aufschluss darüber gibt, ob die erhöhte Partikelkonzentration im Abgas aufgrund der Alterung des Filters, durch einen Schaden im Filter (z.B. Riss, Bruch, etc.) oder gegebenenfalls durch eine andere Ursache im Fahrzeug bzw. der Verbrennungskraftma-

schine verursacht wurde.

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Im ausgebauten Zustand kann eine Beladung des Partikelfilters, mit Ruß und/oder Asche, beispielsweise über Wiegen des gesamten Filters ermittelt werden. Dazu ist allerdings detailliertes Vorwissen über den Partikelfilter, wie z.B. ein Filtergewicht im unbeladenen Zustand, etc., notwendig, welches nicht immer verfügbar ist. Eine weitere Möglichkeit den Zustand eines Partikelfilters zu bewerten, stellt eine optische Inspektion dar. D.h., der Partikelfilter wird optisch begutachtet, um z.B. Ablagerungen, Alterungseffekte und/oder Schäden am Filter festzustellen und den Filter zu bewerten. Diese Vorgehensweise ist allerdings relativ langen Vorbereitungszeit verbunden, da der Filter ausgebaut und gegebenenfalls durch Entfernen

eines Gehäuses für die optische Inspektion zugänglich gemacht werden muss. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchen auf einfache und effiziente Weise ein Partikelfilter, insbesondere ein Dieselpartikelfilter, zerstörungsfrei und ohne Inbetriebnahme der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine beurteilt

und überprüft werden kann.

Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den ab-

hängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art, wobei ein Ultraschallwandler an den zu untersuchenden Partikelfilter akustisch angekoppelt wird, wobei vom Ultraschallwandler ein von einem Signalgenerator erzeugtes Ultraschallsignal in den Partikelfilter eingekoppelt wird, wobei das eingekoppelte Ultraschallsignal vom Partikelfilter übertragen wird und zumindest teilweise im Partikelfilter und/oder an einer Grenzfläche des Partikelfilters (z.B. einer Seitenwand oder Rückwand des Partikelfilters, welche dem angekoppelten Ultraschallwandler gegenüberliegt) reflektiert wird, wobei das reflektierte Ultraschallsignal vom Ultraschallwandler aus dem Partikelfilter ausgekoppelt und von einer Aufzeichnungseinheit aufgenommen wird, und wobei das aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal in einer Auswerteeinheit mit einem Referenzsignal verglichen wird und aus dem Vergleich des aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals mit dem Refe-

renzsignal eine Zustand des Partikelfilter abgeleitet wird.

Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht vor allem darin, dass ein Zustand des Partikelfilters sehr einfach und ohne Zerstörung des Partikelfilters beurteilt werden kann. Das Verfahren kann auch ganz einfach ohne Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Die Bewertung des Partikelfilters kann auch

ohne großen Aufwand und ohne lange Vorbereitungszeit vorgenommen werden.

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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem aufgezeichneten, reflektierten Ultraschallsignals eine Signallaufzeit der reflektierten Ultraschallsignals ermittelt und diese mit einer Signallaufzeit des Referenzsignals verglichen. Aus dem Unterschied der Signallaufzeiten kann beispielsweise sehr einfach der Zustand des zu

prüfenden Partikelfilters abgeleitet werden.

Alternativ oder zusätzlich, kann aus dem aufgezeichneten, reflektierten Ultraschallsignals eine Phasenverschiebung des aufgezeichneten, reflektierten Ultraschallsignals gegenüber dem Referenzsignal ermittelt werden. Die Phasenverschiebung zwischen dem aufgezeichneten Ultraschallsignal und dem Referenzsignal kann ebenfalls sehr einfach zur Beurteilung

des Zustands des Partikelfilters herangezogen werden.

Weiterhin ist es günstig, wenn mittels einer Fast-Fouriertransformation ein Frequenzspektrum des reflektierten Ultraschallsignals ermittelt wird und mit einem Frequenzspektrum des Referenzsignals verglichen wird. Dabei kann aus einer Verschiebung eines Maximums des Frequenzspektrums des reflektierten Ultraschallsignals gegenüber einem Maximum des Fre-

quenzspektrums des Referenzsignals der Zustand des Partikelfilter abgeleitet werden.

Zweckmäßigerweise wird das reflektierte Ultraschallsignal bei einer Aufzeichnung in der Aufzeichnungseinheit oder Auswertung in der Auswerteeinheit gefiltert. Dadurch werden beispielsweise hochfrequente Störsignale oder hochfrequentes Rauschen ausgefiltert, welche

das aufgezeichnete Ultraschallsignal verfälschen könnten.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das aufgezeichnete, reflektierte Ultraschallsignal in einer Datenspeichereinheit mit Daten des zu untersuchenden Partikelfilters abgespeichert wird. In der Datenspeichereinheit können z.B. an einem Partikelfilter aufgenommene Ultraschallsignale mit einem Datum und/oder Daten des zu untersuchenden Partikelfilters gespeichert werden und damit eine Veränderung des Partikelfilters von Überprüfung zu Überprüfung do-

kumentiert werden.

Zweckmäßigerweise wird als Referenzsignal ein reflektiertes Ultraschallsignal verwendet, welches an einem unbeladenen Partikelfilter aufgezeichnet wurde. Damit kann eine Verän-

derung des Partikelfilters sehr einfach beurteilt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Ultraschallwandler mit einer vorgegebenen Mittenfrequenz, insbesondere mit einer Mittenfre-

quenz von 1 MHz oder 2 MHz, verwendet wird.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine akusti-

sche Kopplung des Ultraschallwandlers an den Partikelfilter eine schallleitendes Koppelmittel

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verwendet wird, um für eine bessere akustische Kopplung zwischen dem Ultraschallwandler,

insbesondere bei einem piezoelektrischen Wandler, und dem Partikelfilter zu sorgen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestal-

tungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt Fig. 1 einen Ablauf des Verfahrens zur Bewertung eines Partikelfilters

Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf eines aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals

im Vergleich zu einem zeitlichen Verlauf eines Referenzsignals

Fig. 3 einen ersten, einfachen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemä-

Ren Verfahrens

Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt einen beispielhaften Ablauf des Verfahrens zur Bewertung eines Partikelfilters 1. Um einen Zustand (z.B. einen Beladungsgrad, Alterung und/oder eventuell aufgetretene Schädigungen im Partikelfilter 1) eines Partikelfilters 1 einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine eines Dieselkraftfahrzeugs, zerstörungsfrei beurteilen und bewerten zu können, wird in einem Ankopplungsschritt 101 ein Ultraschallwandler 2 an den zu untersuchenden Partikelfilter 1 angekoppelt. Dazu kann der zu untersuchende Partikelfilter 1 für eine Durchführung des Verfahrens beispielsweise während einer Serviceinspektion oder einer Wartung aus der Verbrennungskraftmaschine bzw. dem Fahrzeug ausgebaut werden, um an den ausgebauten Partikelfilter 1 den Ultraschallwandler 2 anzukoppeln. Alternativ kann der Partikelfilter 1 aber auch in der Verbrennungskraftmaschine bzw. im Fahrzeug eingebaut belassen werden, sofern dies eine Ankopplung des Ultraschallwandlers 2 zulässt. Der Ultraschallwandler kann z.B. an einer Seite des Partikelfilters 1 an-

gebracht werden, welche einen Einlass für das Abgas aufweist.

Für eine akustische Kopplung des Ultraschallwandlers 2 kann zwischen dem Partikelfilter 1 bzw. einer Seitenwand des Partikelfilters 1 ein Koppelmittel 3 aus elastischem Material angeordnet werden. Als Koppelmittel 3 kann z.B. eine dünne Schicht aus Gummi oder einem ähnlichen Material verwendet werden. Der Ultraschallwandler 2 ist beispielsweise als piezoelektrischer Wandler bzw. piezoelektrischer Transducer ausgeführt. Für die Untersuchung des Partikelfilters 1 kann der Ultraschallwandler 2 sowohl als Sende- als auch als Empfangsein-

heit fungieren, mit welcher ein Ultraschallsignal 4 (z.B. ein Ultraschallimpuls) ausgesendet

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und empfangen werden kann. Es kann beispielsweise ein Ultraschallwandler 2 mit einer vorgegebenen (Mitten-)Frequenz (z.B. 1MHz, 2MHz) verwendet werden. Es ist aber auch möglich, einen Ultraschallwandler 2 mit einem breiten Frequenzbereich als Sende- und Empfangseinheit zu verwenden, um eine bessere Charakterisierung der verschiedenen Ablagerungen (z.B. Ruß, Asche) im Partikelfilter 1 und Schäden im Filtermaterial zu ermöglichen. Alternativ kann anstatt des piezoelektrischen Wandlers 2 auch Laserultraschall für das Verfahren verwendet werden, wobei beim Laserultraschall ein Laser zum Erzeugen und Erken-

nen des Ultraschallsignals 4 eingesetzt wird.

In einem Prüfschritt 102 wird vom Ultraschallwandler 2 das Ultraschallsignal 4 in den zu untersuchenden Partikelfilter 1 eingekoppelt. Dabei fungiert der Ultraschallwandler 2 als Sendeeinheit für das Ultraschallsignal 4. Das Ultraschallsignal 4, beispielsweise ein kurzer Ultraschallimpuls, wird von einem mit dem Ultraschallwandler 2 verbundenen Signalgenerator 6 erzeugt. Bei Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers als Ultraschallwandler 2 wird dazu ein elektrisches Signal bzw. ein elektrischer Impuls des Signalgenerators 6 durch einen piezoelektrischen Effekt in einen Schallimpuls 4 umgesetzt und ausgesendet. Es wäre aber auch möglich ein elektromagnetisch-akustischer Wandler bzw. eine EMAT (kurz für Electromagnetic Acoustic Transducer) als Ultraschallwandler 2 zu verwenden, wobei bei ei-

nem EMAT kein Koppelmittel 3 notwendig ist.

Das eingekoppelte Ultraschallsignal 4 wird dann im Prüfschritt 102 vom bzw. im untersuchenden Partikelfilter 1 übertragen. D.h., das Ultraschallsignal 4 breitet sich in Form einer elastischen Welle bzw. Bulkwelle im Material des Partikelfilters 1 (z.B. SiC, etc.) aus und wird zumindest teilweise im Partikelfilter 1, z.B. an Inhomogenitäten bzw. Störstellen, und/oder an einer Grenzfläche 5 des Partikelfilters 1 reflektiert. Die Grenzfläche 5, an welcher das Ultraschallsignal 4 reflektiert wird, kann beispielsweise eine Seiten- oder Rückwand 5 des Partikelfilters 1 sein, welche dem angekoppelten Ultraschallwandler 2 bzw. der Seite des Partikelfilters 1, an welche der Ultraschallwandler 2 angekoppelt ist, gegenüberliegt. Um eine Reflexion des Ultraschallsignals 4 an dieser Grenzfläche 5 zu verbessern, kann gegebenenfalls eine Reflektoreinheit (z.B. eine Platte aus rostfreiem Stahl) an der dem Ultraschallwandler 2

gegenüberliegenden Grenzfläche 5 des Partikelfilters 1 angeordnet werden.

Das im Partikelfilter 1 und/oder an der Grenzfläche 5 des Partikelfilters 1 reflektierte Ultraschallsignal 4, welches in verschiedene Raumrichtungen gestreut und reflektiert werden kann, durchläuft nochmals den Partikelfilter 1. In einem Aufnahmeschritt 103 wird dann das reflektierte Ultraschallsignal 4, welche auch als Echo bezeichnet wird, vom Ultraschallwandler 2 empfangen und aus dem Partikelfilter 1 ausgekoppelt. Der Ultraschallwandler 2 fungiert im Aufnahmeschritt 103 damit als Empfangseinheit. Eine Aufnahme des reflektierten Ultra-

schallsignals 4 kann mittels einer Aufnahmeeinheit 7 (z.B. einem Oszilloskop) erfolgen. Bei -7-

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einem piezoelektrischen Wandler 2 wird dabei z.B. die empfangene Schallwelle bzw. das empfangene Echo des ausgesendeten Ultraschallsignal 4 vom Ultraschallwandler 2 wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses elektrische Signal wird dann — gegebenen-

falls elektronisch verstärkt von einer Aufnahmeeinheit 7 aufgenommen und z.B. ausgegeben.

In einem Auswerteschritt 104 wird das ausgenommene, reflektierte Ultraschallsignal 4 an eine Auswerteeinheit 4 übertragen. Neben einer elektronischen Verstärkung kann das aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal 4 entweder während der Aufzeichnung oder nach der Aufzeichnung im Aufzeichnungsschritt 103 oder vor der Auswertung im Auswertungsschritt 104 gefiltert werden, um z.B. hochfrequente Störsignale bzw. hochfrequentes Rauschen auszufiltern. Weiterhin kann das aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal 4 bzw. das in ein elektrisches Signal umgewandelte, reflektierte Ultraschallsignal 4 beispielsweise in einer Datenspeichereinheit gemeinsam mit z.B. Datum und/oder Daten des zu untersuchenden Partikelfilters 1 (z.B. Type, Fahrzeugtype, etc.) gespeichert werden, um z.B. bei einer zukünftigen

Bewertung desselben Partikelfilters 1 herangezogen zu werden.

Nach der Übertragung an die Auswerteeinheit 104 wird das reflektierte Ultraschallsignal 4 mit einem Referenzsignal 9 verglichen. Als Referenzsignal 9 kann beispielsweise ein reflektiertes Ultraschallsignal 9 verwendet werden, welches an einem unbeladenen Partikelfilter gemessen wurde, welcher üblicherweise denselben Typ, dieselbe Bauart, etc. wie der zu untersuchende Partikelfilter 1 aufweist. Für eine Aufnahme des Referenzsignals 9 könnte ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren — insbesondere der Ankopplungsschritt 101, der Prüfschritt 102 und der Aufzeichnungsschritt 103 — genutzt werden. Alternativ könnte als Referenzsignal 9 auch ein bei einer vorherigen Bewertung des Partikelfilters 1 ermitteltes, reflektiertes Ultraschallsignal 4 verwendet werden, damit könnte z.B. eine Veränderung des Zustands des Partikelfilters (z.B. Veränderung der Beladung) zwischen zwei Inspektionsserviceterminen oder Wartungen ermittelt werden. Weiterhin ist es möglich, als Referenzsignal 9 auch ein ermitteltes, reflektiertes Ultraschallsignal 4 vor einer Regeneration des Partikelfilters 1 zu verwenden. D.h., das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise vor einer (Zwangs-)Regeneration des Partikelfilters 1 und dann nach der erfolgten (Zwangs-)Regeneration des Partikelfilters 1 durchgeführt, um beispielsweise eine Alterung bzw. einen Asche-

belag des zu untersuchenden Partikelfilter 1 bewerten zu können.

Aus dem Vergleich des aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals 4 mit dem Referenzsignal 9 kann dann ein Zustand des Partikelfilters 1 — wie z.B. eine Beladung mit Ruß und/oder Asche, Beschädigungen im Partikelfilter, etc. abgeleitet werden. Dazu kann beispielsweise jeweils eine Signallaufzeit des reflektierten Ultraschallsignal 4 und des Referenzsignals 9 und/oder eine Phasenverschiebung des reflektierten Ultraschallsignals 4 zum Refe-

renzsignal 9 aus dem aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignal 4 und dem -8-

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Referenzsignal 9 ermittelt werden. Auf Basis des Vergleichs der ermittelten Laufzeiten bzw. anhand der Phasenverschiebung kann dann ein Zustand des Filters 1 bewertet werden, da z.B. ein in einem beladenen Partikelfilter 1 reflektiertes Ultraschallsignal 4 eine geringere

Laufzeit aufweist als ein in einem unbeladenen Partikelfilter reflektiertes und aufgenommenes Referenzsignal 9 bzw. das in einem beladenen Partikelfilter 1 reflektierte Ultraschallsignal 4 gegenüber dem Referenzsignal 9, welches in einem unbeladenen Partikelfilter aufge-

nommen wurde, beispielsweise Phasen verschoben ist.

Ein zeitlicher Verlauf eines in einem beladenen bzw. gebrauchten Partikelfilter 1 aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals 4 im Vergleich zu einem zeitlichen Verlauf eines Referenzsignals 9 ist in Figur 2 beispielhaft und schematisch dargestellt. Das Referenzsignal 9 wurde dazu in einem unbeladenen gleicher Type bzw. gleicher Bauart aufgenommen. In der Figur 2 ist auf einer x-Achse eine Zeit t beispielsweise in us aufgetragen. Auf einer y-Achse ist die Amplitude A des reflektierten Ultraschallsignals 4 bzw. des Referenzsignals 9 aufgetragen. Das am beladenen bzw. zu untersuchenden Partikelfilter 1 aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal 4 ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Das Referenzsignal 9 wird durch eine strichlierte Linie repräsentiert. Aus der Figur 2 ist ersichtlich, dass z.B. die positiven oder negativen Amplituden-Maxima des aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals 4 zeitlich gegenüber den positiven oder negativen Amplituden-Maxima des Referenzsignals 9 nach links verschoben sind. D.h., die Maxima des aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals 4 werden früheren Zeitpunkten vom Ultraschallwandler 2 empfangen und aufgezeichnet, als das bei den Maxima des Referenzsignals 9 der Fall war. Aus den beiden Signalen 4, 9 lässt sich jeweils die zugehörige Laufzeit ermitteln. Diese Laufzeiten können dann verglichen werden und daraus ein Zustand des zu untersuchenden Partikelfilters 1 ab-

geleitet werden.

Alternativ oder zusätzlich, kann im Auswerteschritt 104 aber auch eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen 4, 9 betrachtet werden, um den Zustand des zu untersuchen-

den Partikelfilters 1 zu bewerten.

Ebenfalls alternativ oder zusätzlich, kann im Auswerteschritt 104 für das aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal 4 ein Frequenzspektrum ermittelt werden. Analog dazu wird auch ein Frequenzspektrum des Referenzsignals 9 ermittelt. Die Frequenzspektren können beispielsweise mittels einer Fast-Fouriertransformation oder kurz: FFT aus dem reflektierten Ultraschallsignal 4 bzw. dem Referenzsignal 9 ermittelt werden. Im Auswerteschritt 104 bzw. für die Zustandsbewertung des zu untersuchenden Partikelfilters 4 werden dann die beiden ermittelten Frequenzspektren miteinander verglichen. Der aktuelle Zustand des Partikelfilters 1 kann dabei beispielsweise aus einer Verschiebung eines markanten Maximums des Fre-

quenzspektrums des aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignal 4 des Partikelfilters 1 -9-

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gegenüber einem markanten Maximum des Frequenzspektrums des Referenzsignals 9 ab-

geleitet werden.

Figur 3 zeigt beispielshaft und schematisch einen möglichen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bewerten eines Partikelfilters 1. Der Partikelfilter 1 kann dazu z.B. aus der Verbrennungskraftmaschine bzw. aus dem Fahrzeug ausgebaut werden. An den zu untersuchenden Partikelfilter 1 ist an einer Seitenwand (z.B. an der Seite des Abgaseinlasses) ein Ultraschallwandler 2 — z.B. ein piezoelektrischer Wandler — angekoppelt. Für eine akustische Ankopplung ist zwischen dem Ultraschallwandler 2 und dem zu untersuchenden Partikelfilter 1 bzw. der Seitenwand des Partikelfilters 1 ein Kopplungsmittel 3 angeordnet. Als Koppelmittel 3 kann z.B. eine dünne Schicht aus Gummi oder einem ähnli-

chen Material verwendet werden.

Alternativ könnte als Ultraschallwandler 2 ein elektromagnetisch-akustischer Wandler bzw. eine EMAT (kurz für Electromagnetic Acoustic Transducer) verwendet werden, wobei dann

gegebenenfalls der Partikelfilter 1 nicht ausgebaut werden muss.

Weiterhin ist der Ultraschallwandler 2 mit einem Signalgenerator 6 verbunden, von welchem das in den Partikelfilter 1 einzukoppelnde Ultraschaltsignal 4 bzw. das elektrische Signal erzeugt wird, welches vom Ultraschallwandler 2 in das Ultraschallsignal 4 umgewandelt wird. Über den Ultraschallwandler 2 und das Koppelmittel 3 wird das Ultraschallsignal 4 in den Partikelfilter 1 eingekoppelt und breitet sich im Partikelfilter 1 z.B. in Form einer elastischen Welle bzw. Bulkwelle aus. Im Partikelfilter 1 wird das Ultraschallsignal 4 zumindest teilweise z.B. an Inhomogenitäten bzw. Störstellen, und/oder an einer Grenzfläche 5 des Partikelfilters 1 (z.B. einer Seitenwand 5 oder Rückwand des Partikelfilters 1) reflektiert. Andere Teile des eingekoppelten Signals 4 können z.B. im Partikelfilter 1 gestreut und/oder absorbiert werden bzw. kann ein Teil des Signals 4 den Partikelfilter 1 auch durchlaufen und durch die Grenzfläche 5 aus dem Partikelfilter 1 austreten. Um die Reflexion des Ultraschallsignals 4 an der Grenzfläche 5 des Partikelfilters 1 (z.B. der dem angekoppelten Ultraschallwandler 2 gegenüberliegenden Seitenwand 5 des Partikelfilters 1) zu verbessern, kann beispielsweise eine Reflektoreinheit (z.B. eine Platte aus rostfreiem Stahl) an der dem Ultraschallwandler 2 gegenüberliegenden Grenzfläche 5 bzw. Seitenwand 5 des Partikelfilters 1 angeordnet werden, welche z.B. ein zumindest teilweises Durchlaufen bzw. eine zumindest teilweise Transmission des Ultraschallsignals 4 verhindert. Die Ausbreitung und Reflexion des Ultraschallsig-

nals 4 ist in der Figur 3 symbolisch durch den gebogenen Pfeil 4 dargestellt.

Das reflektierte Ultraschallsignal 4 bzw. das Echo wird dann wieder über das Koppelmittel 3

aus dem Partikelfilter 1 ausgekoppelt, wobei der Ultraschallwandler 2 als Empfangseinheit

eingesetzt wird. Für die Aufzeichnung des empfangenen, reflektierten Ultraschallsignals 4 ist -10-

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der Ultraschallwandler 2 mit einer Aufzeichnungseinheit 7 verbunden. In Figur 3 sind der Signalgenerator 6 und die Aufzeichnungseinheit 7 als getrennte Einheiten des Messaufbaus dargestellt. Der Signalgenerator 6 und die Aufzeichnungseinheit 7 können aber auch in einem Messgerät — z.B. in einem Ultraschall-Echoskop — integriert sein, an welches der Ultraschallwandler 2 angeschlossen ist. Die Aufzeichnungseinheit 7 zeichnet das vom Ultraschallwandler 2 aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal 4 bzw. das elektrische Signal auf, in welches der Ultraschallwandler 2 das empfangene, reflektierte Ultraschallsignal 4 umwan-

delt. Weiterhin kann die Aufzeichnungseinheit 7 das reflektierte Ultraschallsignal 4 anzeigen.

Weiterhin ist eine Auswerteeinheit 8 (z.B. ein Computer, PC, etc.) mit der Aufzeichnungseinheit 7 verbunden. Die Auswerteeinheit 8 empfängt das aufgenommene Ultraschallsignal 4, kann dieses z.B. in einer Datenspeichereinheit gemeinsam mit einem Datum und/oder Daten des zu untersuchenden Partikelfilters 1 abspeichern und das aufgenommene Ultraschallsignal 4 auswerten. Dazu vergleicht die Auswerteeinheit 7 das aufgenommene Ultraschallsignal 4 mit dem Referenzsignal 4. Aus dem Vergleich des aufgenommene Ultraschallsignals 4 mit dem Referenzsignal 4 (z.B. Signallaufzeit, Frequenzspektrum) kann dann ein Zustand des

Partikelfilters 1 abgeleitet und beurteilt werden.

Alternativ zum in Figur 3 beispielshaft gezeigten Messaufbau ist es auch möglich, einen Messaufbau mit zwei Ultraschallwandlern 2 zu verwenden. Dabei werden die Ultraschallwandler 2 an gegenüberliegenden Seiten des Partikelfilters 1 angeordnet bzw. angekoppelt. Ein erster Ultraschallwandler 2 fungiert dabei als Sendeeinheit, welche vom Signalgenerator 6 das entsprechende elektrische Signal für das einzukoppelnde Ultraschallsignal 4 erhält. Ein zweiter Ultraschallwandler 2, welcher an einer dem ersten Ultraschallwandler 2 gegenüberliegenden Seite des Partikelfilters 1 angeordnet ist, fungiert als Empfangseinheit, die das im Partikelfilter 1 übertragene Ultraschallsignal 4 aus dem Partikelfilter 1 auskoppelt und an die Aufzeichnungseinheit 7 überträgt. Bei diesem Messaufbau wird nicht das reflektierte Ultraschallsignal 4 aufgezeichnet und ausgewertet, sondern das durch den Partikelfilter 1 übertragene Ultraschallsignal. Die Auswertung kann auch bei diesem Messaufbau in der Auswerteeinheit 8 beispielsweise durch Vergleich mit einem Referenzsignal erfolgen, welche z.B. von einem unbeladenen Partikelfilter zwischen Sende- und Empfangseinheit übertragen wur-

den.

Weiterhin wäre auch ein Messaufbau denkbar, bei welchem beispielsweise der Ultraschallwandler 2 sowie das Koppelmittel 3 ähnlich einer Klemme entlang eines Gehäuses des Partikelfilters 1 angeordnet werden. Bei einem derartigen Messaufbau kann z.B. auf einen Aus-

bau des zu testenden Partikelfilters 1 verzichtet werden.

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Claims (9)

15 20 25 30 AV-4463 AT Patentansprüche

1. Verfahren zum Bewerten eines Partikelfilters (1), welcher in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Diesel-Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, eingesetzt wird, und durch welchem während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine Abgase geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler (2) an den zu untersuchenden Partikelfilter (1) akustisch angekoppelt wird (101), dass vom Ultraschallwandler (2) ein von einem Signalgenerator (6) erzeugtes Ultraschallsignal (4) in den Partikelfilter (1) eingekoppelt wird (102), dass das eingekoppelte Ultraschallsignal (4) vom Partikelfilter (1) übertragen wird und zumindest teilweise im Partikelfilter (1) und/oder an einer Grenzfläche (5) des Partikelfilters (1) reflektiert wird (102), dass das reflektierte Ultraschallsignal (4) vom Ultraschallwandler (2) aus dem Partikelfilter (1) ausgekoppelt und von einer Aufzeichnungseinheit (7) aufgenommen wird (103), und dass das aufgenommene, reflektierte Ultraschallsignal (4) in einer Auswerteeinheit (8) mit einem Referenzsignal (9) verglichen wird und aus dem Vergleich des aufgenommenen, reflektierten Ultraschallsignals (4)

mit dem Referenzsignal (9) eine Zustand des Partikelfilter (1) abgeleitet wird (104).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem aufgezeichneten, reflektierten Ultraschallsignals (4) eine Signallaufzeit der reflektierten Ultraschallsignals (4) ermittelt wird, welche mit einer Signallaufzeit des Referenzsignals (9) verglichen wird (104).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem aufgezeichneten, reflektierten Ultraschallsignals (4) eine Phasenverschiebung des aufgezeichneten, reflektierten Ultraschallsignals (4) gegenüber dem Referenzsignal (9) ermittelt wird (104).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Fast-Fouriertransformation ein Frequenzspektrum des reflektierten Ultraschallsignals (4) ermittelt wird und mit einem Frequenzspektrum des Referenzsignals (9) verglichen wird, wobei aus einer Verschiebung eines Maximums des Frequenzspektrums des reflektierten Ultraschallsignals (4) gegenüber einem Maximum des Frequenzspektrums des Referenzsignals (9) der Zustand des Partikelfilter (1) abgeleitet wird (104).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierte Ultraschallsignal (4) bei einer Aufzeichnung in der Aufzeichnungseinheit oder Aus-

wertung in der Auswerteeinheit gefiltert wird (103).

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AV-4463 AT

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgezeichnete, reflektierte Ultraschallsignal (4) in einer Datenspeichereinheit mit Daten des

zu untersuchenden Partikelfilters abgespeichert wird (103).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzsignal (9) ein reflektiertes Ultraschallsignal verwendet wird, welches an einem unbela-

denen Partikelfilter aufgezeichnet wurde.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler (4) mit einer vorgegebenen Mittenfrequenz, insbesondere mit einer Mitten-

frequenz von 1 MHz oder 2 MHz, verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für eine akustische Kopplung des Ultraschallwandlers (2) an den Partikelfilter (1) eine schallleitendes

Koppelmittel (3) verwendet wird.

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