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Die
Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungseinrichtung für
eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem ersten Partikelfilter
und einem in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasbehandlungseinrichtung
stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordneten zweiten
Partikelfilter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Betreiben einer solchen Abgasbehandlungseinrichtung.
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Die
WO 2008/043422 A1 beschreibt
eine Abgasbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine.
Hierbei ist stromabwärts eines ersten Partikelfilters ein
zweiter Partikelfilter angeordnet. Ein Volumen des zweiten Partikelfilters
beträgt bevorzugt weniger als 30% des ersten Partikelfilters,
so dass der zweite Partikelfilter eine geringere Partikelaufnahmefähigkeit
aufweist als der erste Partikelfilter. Ergänzend oder alternativ
kann eine im Vergleich zu dem ersten Partikelfilter geringere Porosität
des zweiten Partikelfilters zu einer verringerten Partikelaufnahmefähigkeit
des zweiten Partikelfilters führen. Durch die vergleichsweise
geringe Partikelaufnahmefähigkeit des zweiten Partikelfilters
ist eine Zunahme der Beladung des zweiten Partikelfilters relativ rasch
detektierbar. Eine Funktionsstörung des ersten Partikelfilters
bzw. ein verminderter Abscheidegrad der Partikel an dem ersten Partikelfilter
kann so erkannt werden, so dass Maßnahmen zum Wiederherstellen
der Funktionstüchtigkeit des ersten Partikelfilters getroffen
werden können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasbehandlungseinrichtung
bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher
bzw. mittels welchem noch rascher eine Beeinträchtigung
der Funktionstüchtigkeit des ersten Partikelfilters feststellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Abgasbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung für
eine Verbrennungskraftmaschine weist einen ersten Partikelfilter
und einen in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasbehandlungseinrichtung
stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordneten zweiten
Partikelfilter auf. Der zweite Partikelfilter umfasst wenigstens
eine von dem Abgas durchströmbare Trageinrichtung, an welcher
eine Filtereinheit angeordnet ist, wobei eine Porengröße
der Filtereinheit geringer ist als eine Porengröße
der wenigstens einen Trageinrichtung.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem aus dem
Stand der Technik bekannten zweiten Partikelfilter einer Verringerung
seiner Partikelaufnahmefähigkeit durch Vorsehen eines besonders
kleinen Volumens desselben Grenzen gesetzt sind. Bei einer zu kleinen
Dimensionierung des zweiten Partikelfilters ist nämlich
dessen mechanische Stabilität eingeschränkt. Vorliegend
gewährleistet die von dem Abgas durchströmbare,
poröse Trageinrichtung die ausreichende mechanische Stabilität des
zweiten Partikelfilters. Dadurch kann die zweite Filtereinheit,
welche die im Vergleich zu der Trageinrichtung geringere Porengröße
aufweist, vergleichsweise filigran und auf das besonders wirksame
Abscheiden von Partikeln hin optimiert ausgelegt sein.
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Beispielsweise
ist die Filtereinheit als auf die Trageinrichtung aufgebrachte Filtermembran
ausgebildet. Eine Beladung der Filtermembran nimmt dann infolge
eines Schadens, beispielsweise eines Risses, des ersten Partikelfilters
sehr rasch zu. Eine Dauer bis zum Feststellen der Beeinträchtigung
der Funktionstüchtigkeit des ersten Partikelfilters ist
dann besonders gering. Dadurch ist eine besonders hohe Genauigkeit
beim Ermitteln einer Verringerung eines Abscheidegrades des ersten
Partikelfilters erreichbar. Des Weiteren sind durch diese Ausbildung
des zweiten Partikelfilters dessen Bauraumbedarf, Gewicht und Kosten
besonders gering. Darüber hinaus erhöht der zweite
Partikelfilter den Gegendruck der Abgasbehandlungseinrichtung lediglich
geringfügig.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt
die Porengröße der Filtereinheit wenigstens die
Hälfte, insbesondere die Hälfte bis ein Zehntel,
der Porengröße der wenigstens einen Trageinrichtung.
Die Porengröße der Filtereinheit kann auch beispielsweise
ein Fünftel der Porengröße der wenigstens
einen Trageinrichtung betragen. Dadurch ist besonders wirksam zu
gewährleisten, dass das Zurückhalten der Partikel
im Abgas strom durch die Filtereinheit erfolgt. So kann eine Zunahme
der Beladung des zweiten Partikelfilters besonders rasch und genau
erfasst werden.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Filtereinheit zum
Zurückhalten von Partikeln mittels Oberflächenfiltration
ausgebildet ist. Dadurch ist die Filtereinheit vom Abgas mit einem
sehr geringen Druckverlust durchströmbar. Jedoch können
Rußpartikel nicht in die Filtereinheit eindringen, sondern
werden an der Oberfläche der Filtereinheit zurückgehalten.
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Die
Filtereinheit kann insbesondere Mikrofiltrationseigenschaften aufweisen,
so dass Rußpartikel von weniger als 10 μm Durchmesser,
insbesondere Rußpartikel mit einem Durchmesser von 10 μm
bis 0,1 μm, besonders gut von der Filtereinheit zurückgehalten
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt
eine Dicke der wenigstens einen Trageinrichtung ein Mehrfaches einer
Dicke der Filtereinheit. Dadurch, dass die Filtereinheit also im Vergleich
zu der Trageinrichtung besonders dünn ausgebildet ist,
weist die Filtereinheit für das Abgas eine gute Durchströmbarkeit
auf. Alternativ, bevorzugt jedoch ergänzend, beträgt
eine Porosität der wenigstens einen Trageinrichtung ein
Mehrfaches der Porosität der Filtereinheit. Die somit im
Vergleich zu der Trageinrichtung wenige und vergleichsweise feine
Poren aufweisende Filtereinheit setzt sich also bei einem Schaden
des ersten Partikelfilters, etwa wenn dieser infolge von wiederholten
Temperaturwechseln oder aufgrund einer langen Betriebsdauer einen
Riss oder ein Loch aufweist, sehr schnell zu. Eine damit einhergehende
signifikante Erhöhung des Druckabfalls an dem zweiten Partikelfilter
ist auch mit wenig sensiblen und somit besonders robusten Druckerfassungsmitteln
sehr einfach und eindeutig erfassbar.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
beträgt eine geringste Erstreckung der wenigstens einen
Trageinrichtung quer zur Strömungsrichtung des Abgases
ein Mehrfaches, insbesondere mindestens ein Fünffaches,
einer Dicke der wenigstens einen Trageinrichtung. Bei einer beispielsweise
als poröse runde Scheibe ausgebildeten Trageinrichtung
beträgt somit der Durchmesser ein Mehrfaches, insbesondere
das Fünffache oder das Zehnfache, der Dicke der Trageinrichtung.
Durch diese flache Ausbildung der Trageinrichtung ist deren Durchströmungswiderstand
besonders gering.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine
Trageinrichtung und die Filtereinheit zumindest bereichsweise aus
einem gleichen Material gebildet sind. Dadurch sind Spannungen zwischen
der Trageinrichtung und der Filtereinheit aufgrund eines unterschiedlichen
Ausdehnungsverhaltens bei einer Temperaturerhöhung vermeidbar.
Damit geht eine besonders hohe Haltbarkeit des zweiten Partikelfilters
einher.
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Bei
dem die Trageinrichtung und die Filtereinheit bildenden Material
kann es sich insbesondere um ein metallisches oder keramisches Material
handeln. Beispielsweise kann die Trageinrichtung als metallisches
Drahtgestrick, als einlagiges oder mehrlagiges Sieb oder als Metallschaumbauteil
ausgebildet sein. Die beispielsweise als Filtermembran ausgebildete
Filtereinheit kann dann ein dichtes Metallfaservlies sein. Bevorzugt
weist ein solches Vlies aus Metallfasern eine filzartige Struktur
auf. Fasern des Vlieses können beim Herstellen der Filtereinheit und/oder
des zweiten Partikelfilters beispielsweise durch Versintern miteinander
verbunden sein. Insbesondere kann auch ein Verbinden von Trageinrichtung
und Filtereinheit durch Sintern erfolgen. Zum Verbinden der separat
hergestellten Filtereinheit mit der Trageinrichtung kann jedoch
Löten oder Schweißen zum Einsatz kommen. Anstelle
eines separaten Herstellens der Filtereinheit und einem Aufbringen auf
die Trageinrichtung in einem nachgelagerten Prozess können
alternativ Trageinrichtung und Filtereinheit im gleichen Herstellungsprozess
hergestellt sein.
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Ist
die Trageinrichtung aus einem keramischen Material gebildet, etwa
als hochporöses Keramikbauteil, so ist bevorzugt die Filtereinheit
ebenfalls aus einem porösen keramischen Material gebildet.
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Für
die Trageinrichtung und die Filtereinheit verwendete metallische
oder keramische Materialien sind in vorteilhafter Weise hochtemperaturbeständig, so
dass eine Anordnung in großer Nähe zu dem ersten
Partikelfilter vorgesehen sein kann. Derartige hochtemperaturbeständige
Materialien überstehen eine Temperaturbelastung von 900°C,
insbesondere von 1200°C bis 1300°C, unbeschadet.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beim Regenerieren des
Partikelfilters, also beim Abbrennen von auf dem Partikelfilter
abgelagertem Ruß, hohe Temperaturen in der Abgasbehandlungseinrichtung
auftreten.
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Die
wenigstens eine Trageinrichtung kann stromabwärts und/oder
stromaufwärts der Filtereinheit angeordnet sein. Wenn die
Trageinrichtung sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts
der Filtereinheit angeordnet ist, so kann ein stoffschlüssiges Verbinden
der Filtereinheit mit wenigstens einer der Trageinrichtungen entfallen,
da die Filtereinheit durch die beiderseits angeordneten Trageinrichtungen
in ihrer Lage fixierbar ist.
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Wenn
die wenigstens eine Trageinrichtung stromaufwärts der Filtereinheit
angeordnet ist, so kann die Trageinrichtung zusätzlich
zu ihrer Stützfunktion eine Abscheidefunktion für
Partikel übernehmen. Hierbei weist dann der zweite Partikelfilter
auch Eigenschafen eines Tiefenfilters auf, da ein Abscheiden von
Partikeln sowohl in Kanälen und/oder Poren der Trageinrichtung
als auch auf der Oberfläche der Filtereinheit erfolgt.
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Ist
die Filtereinheit zwischen zwei Trageinrichtungen angeordnet, so
können sich die zwei Trageinrichtungen hinsichtlich des
für sie jeweils verwendeten Werkstoffs und/oder hinsichtlich
ihrer Struktur und/oder ihrer Porosität und/oder ihrer
Porengröße unterscheiden.
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Der
zweite Partikelfilter kann zumindest im Wesentlichen senkrecht oder
geneigt zur Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasbehandlungseinrichtung
angeordnet sein. Durch ein Anordnen geneigt zur Strömungsrichtung
des Abgases in der Abgasbehandlungseinrichtung ist eine Vergrößerung der
zum Abscheiden von Partikeln wirksamen Fläche des zweiten
Partikelfilters erreichbar. Bei einem Einbau senkrecht zur Strömungsrichtung
ist hingegen ein besonders geringer Bauraumbedarf gegeben.
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Zum
Festlegen des zweiten Partikelfilters an einer Innenwand der Abgasbehandlungseinrichtung kann
die Trageinrichtung mit der Innenwand durch Schweißen oder
Löten verbunden sein. Ergänzend oder alternativ
kann zwischen der Innenwand der Abgasbehandlungseinrichtung und
der wenigsten einen Trageinrichtung eine Fasermatte oder dergleichen vorgesehen
sein, wobei die Trageinrichtung durch eine Klemmwirkung der Fasermatte
in der Abgasbehandlungseinrichtung lagefixiert ist. Diese Klemmwirkung
wird insbesondere durch eine Ausdehnung der Fasermatte bei erhöhter
Temperatur der Abgasbehandlungseinrichtung verbessert.
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Zum
Vergrößern einer wirksamen Filterfläche
des zweiten Partikelfilters kann der zweite Partikelfilter wenigstes
eine Erhebung aufweisen. Die Erhebung ist hierbei bevorzugt entgegen
der Strömungsrichtung des Abgases ausgerichtet, um ein Akkumulieren
von Partikeln in einem Verengungsbereich des zweiten Partikelfilters
zu verhindern. Insbesondere kann eine Mehrzahl von konzentrischen
Erhebungen vorgesehen sein. Ergänzend oder alternativ kann
der zweite Partikelfilter eine Mehrzahl von zueinander parallelen
Erhebungen aufweisen, so dass der zweite Partikelfilter im Längsschnitt
ein gewelltes Profil aufweist.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der zweite Partikelfilter
durch eine Wärmeübertragung regenerierbar in dem
Abgastrakt angeordnet ist, wobei die Wärmeüber tragung
mittels eines thermischen Regenerierens des ersten Partikelfilters
bewirkbar ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Abbrennen
von Ruß, welcher mittels des ersten Partikelfilters aus
dem Abgas abgeschieden wurde, zu einem Abbrennen von Ruß an
dem zweiten Partikelfilter führt. Auf ein separates Regenerieren
des zweiten Partikelfilters kann so verzichtet werden.
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Um
eine besonders effiziente Wärmeübertragung von
dem ersten Partikelfilter auf den zweiten Partikelfilter zu bewirken,
kann der zweite Partikelfilter innerhalb eines den ersten Partikelfilter
umgebenden Gehäuses angeordnet sein. Hierbei kann ein Abstand
von wenigen Zentimetern zwischen dem ersten Partikelfilter und dem
zweiten Partikelfilter vorgesehen sein. Alternativ kann zumindest
bereichsweise ein Berührkontakt von erstem Partikelfilter
und zweitem Partikelfilter bestehen.
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Alternativ
kann der zweite Partikelfilter in einem separaten Gehäuse
untergebracht sein, welches im Vergleich zu einem Bereich des Abgastrakts stromaufwärts
dieses separaten Gehäuses einen vergrößerten
Querschnitt aufweist. Durch das Anordnen des zweiten Partikelfilters
in dem Gehäuse, welches den ersten Partikelfilter umgibt,
oder in dem separaten Gehäuse kann der zweite Partikelfilter
also einen besonders großen durchströmbaren Querschnitt
und damit einhergehend einen besonders geringen Durchströmungswiderstand
aufweisen.
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Dadurch,
dass beim Regenerieren des ersten Partikelfilters der zweite Partikelfilter
ebenfalls regeneriert wird, kann ein kontinuierliches Zunehmen der
Beladung des zweiten Partikelfilters infolge des Betreibens des
intakten ersten Partikelfilters vermieden werden. Solange also der
erste Partikelfilter intakt ist und eine zur Einhaltung gesetzlicher
Vorschriften ausreichende Partikelaufnahmefähigkeit aufweist,
wird an dem zweiten Partikelfilter kein signifikanter Anstieg des
Abgasgegendrucks beobachtbar sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Abgasbehandlungseinrichtung
Druckerfassungsmittel und eine Auswerteeinrichtung auf, wobei mittels
der Auswerteeinrichtung eine Differenz des Drucks zwischen einer
Stelle stromaufwärts des zweiten Partikelfilters und einer Stelle
stromabwärts des zweiten Partikelfilters im Hinblick auf
einen Zustand des ersten Partikelfilters auswertbar ist. Die Differenz
kann hierbei mittels eines Differenzdrucksensors oder mittels zweier
Absolutdrucksensoren bestimmt werden. Übersteigt der Wert
der Differenz einen Schwellenwert, kann auf einen Schaden des ersten
Partikelfilters geschlossen werden. Demgegenüber kann bei
einem Unterschreiten des Schwellenwerts auf einen unkritischen Zustand
des ersten Partikelfilters geschlossen werden.
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Ein
solches Auswerten der Differenz im Hinblick auf den Zustand des
ersten Partikelfilters ist besonders sicher und rasch. Eine ergänzend
oder alternativ vorsehbare Auswertung eines Temperaturanstiegs am
zweiten Partikelfilter beim thermischen Regenerieren desselben würde
hingegen eine Detektion eines Schadens des ersten Partikelfilters
lediglich während des Regenerierens ermöglichen.
Da das thermische Regenerieren in unterschiedlich großen Zeitabständen
durchgeführt wird, ist ein Schaden des ersten Partikelfilters
dann nicht immer sofort detektierbar. Demgegenüber kann
beim Erfassen des Druckabfalls an dem zweiten Partikelfilter gegebenenfalls
eine ohnehin vorhandene Messeinrichtung zum Erfassen des Druckabfalls
am ersten Partikelfilter, insbesondere eine Messleitung, mitgenutzt
werden.
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Als
vorteilhaft hat es sich hierbei gezeigt, wenn ein den Zustand des
ersten Partikelfilters charakterisierender Referenzwert der Differenz
in einem Speicher abgelegt ist. Der Speicher kann hierbei in der
Auswerteeinrichtung angeordnet sein. Bevorzugt charakterisiert der
Referenzwert der Differenz beim anfänglichen In-Betrieb-Nehmen
der Abgasbehandlungseinrichtung einen Neuzustand des ersten und des
zweiten Partikelfilters. Wird gegenüber dem Referenzwert
für den Neuzustand des ersten Partikelfilters ein Wert
der Differenz erfasst, welcher größer ist als
ein Schwellenwert, so kann mittels der Auswerteeinrichtung auf einen
fehlerhaften Zustand des ersten Partikelfilters geschlossen werden.
Ein solcher fehlerhafter Zustand des ersten Partikelfilters ist
insbesondere über eine Kommunikationseinrichtung kommunizierbar,
etwa in Form eines optischen und/oder akustischen Alarmsignals oder
einer Anzeige oder dergleichen.
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Bevorzugt
ist der den Zustand des ersten Partikelfilters charakterisierende
Referenzwert in Abhängigkeit von einer Alterung des ersten
Partikelfilters variabel. Der Referenzwert kann hierbei in Form einer
Kennlinie in dem Speicher abgelegt sein, welche eine Betriebsdauer
der Abgasbehandlungseinrichtung und/oder einen Abgasdurchsatz durch
die Abgasbehandlungseinrichtung und/oder einen Kraftstoffdurchsatz
der die Abgasbehandlungseinrichtung aufweisenden Verbrennungskraftmaschine
und/oder bei in einem Fahrzeug angeordneter Abgasbehandlungseinrichtung
eine zurückgelegte Fahrstrecke des Fahrzeugs berücksichtigt.
Ergänzend oder alternativ können Temperaturprofile
der Abgasbehandlungseinrichtung zum Charakterisieren der Alterung
des ersten Partikelfilters herangezogen werden.
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Um
zu verhindern, dass ein kurzfristiges Überschreiten des
Schwellenwerts zum Erkennen auf einen Schaden des ersten Partikelfilters
führt, kann der aus Messwerten gebildete Wert der Differenz
gedämpft und/oder, insbesondere unter Verwendung eines
Tiefpassfilters, gefiltert in der Auswerteeinrichtung verarbeitet
oder der Auswerteeinrichtung gedämpft oder gefiltert übergeben
werden.
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Der
Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter kann insbesondere kontinuierlich
ausgewertet werden. Hierbei erfolgt bevorzugt eine Normierung, um einen
vom durchgesetzten Abgasvolumenstrom unabhängigen Wert
zu erhalten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Abgasbehandlungseinrichtung Druckerfassungsmittel zum Erfassen des Drucks
stromaufwärts und stromabwärts des ersten Partikelfilters
auf. Dadurch kann der Beladungszustand des ersten Partikelfilters
in Abhängigkeit von einem Druckabfall an dem ersten Partikelfilter
ermittelt werden. Hierbei kann ein Differenzdrucksensor zum Einsatz
kommen. Auch kann stromaufwärts und stromabwärts
des ersten Partikelfilters jeweils ein Absolutdrucksensor vorgesehen
sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist lediglich ein Absolutdrucksensor
an einer Stelle stromaufwärts des ersten Partikelfilters
vorhanden, und der Druck stromabwärts des ersten Partikelfilters
wird über ein Modell berechnet.
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Wird
auch der Druckabfall am ersten Partikelfilter erfasst, so kann diese
Größe zum Plausibilisieren des über das
Messen des Druckabfalls am zweiten Partikelfilter bestimmten Zustands
des ersten Partikelfilters herangezogen werden. Darüber
hinaus kann die stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordnete
Messstelle der Druckerfassungsmittel zum Bestimmen des Druckabfalls
an dem ersten Partikelfilter und zum Bestimmen des Druckabfalls
an dem zweiten Partikelfilter herangezogen werden.
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Bei
einer ergänzenden oder alternativ Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher die Abgasbehandlungseinrichtung Druckerfassungsmittel
und eine Auswerteeinrichtung aufweist, können die Druckerfassungsmittel
dazu herangezogen werden, ein Verhältnis einer Differenz
des Drucks zwischen einer Stelle stromaufwärts des zweiten
Partikelfilters und einer Stelle stromabwärts des zweiten
Partikelfilters zu einer Differenz des Drucks zwischen einer Stelle stromaufwärts
des ersten Partikelfilters und einer Stelle stromabwärts
des ersten Partikelfilters zu ermitteln. Ein anhand der Druckerfassungsmittel
bestimmtes Verhältnis kann mittels der Auswerteeinrichtung
mit einem in einem Speicher abgelegten Verhältnis verglichen
und im Hinblick auf einen Zustand des ersten Partikelfilters ausgewertet
werden.
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Das
im Speicher abgelegte Verhältnis ist gewöhnlich
im Neuzustand der Abgasbehandlungseinrichtung am größten
und nimmt mit zunehmender Betriebsdauer der Abgasbehandlungseinrichtung
ab. Auf einen Schaden des ersten Partikelfilters kann mittels der
Auswerteeinrichtung geschlossen werden, wenn das anhand der Druckerfassungsmittel bestimmte
Verhältnis während des Betreibens der Abgasbehandlungseinrichtung
wieder zunimmt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, das anhand der Druckerfassungsmittel
bestimmte Verhältnis in Abhängigkeit von einem
thermischen Regenerieren zumindest des ersten Partikelfilters auszuwerten.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das im Speicher abgelegte,
den Neuzustand der Abgasbehandlungseinrichtung charakterisierende
Verhältnis am ehesten dann erreichbar ist, wenn der erste
Partikelfilter und der zweite Partikelfilter gerade regeneriert
wurden. So kann vorgesehen sein, dass anhand der Druckerfassungsmittel
bestimmte Verhältnis immer dann auszuwerten, wenn gerade ein
thermisches Regenerieren zumindest des ersten Partikelfilters erfolgt
ist. Hierbei kann beispielsweise ein Mittelwert des Verhältnisses
innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters bestimmt werden.
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Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Abgasbehandlungseinrichtung
eine stromabwärts des zweiten Partikelfilters abzweigende,
insbesondere eine Drosseleinrichtung aufweisende, Abgasrückführleitung
umfasst. Hierbei dient dann der zweite Partikelfilter einem Zurückhalten
von aus dem ersten Partikelfilter stammenden Teilchen, welche dort
gegebenenfalls infolge einer Schädigung oder aufgrund der
Herstellung des ersten Partikelfilters vorliegen.
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Insbesondere,
wenn die Abgasrückführleitung stromaufwärts
eines Verdichters eines Abgasturboladers in einen Ansaugtrakt der
Verbrennungskraftmaschine einmündet, dient der zweite Partikelfilter
einem Schutz des Verdichters vor Beschädigung durch solche
Teilchen. Darüber hinaus trägt der stromaufwärts
der Abzweigung der Abgasrückführleitung angeordnete
zweite Partikelfilter nicht zu einem Erhöhen des Gegendrucks
der Abgasrückführleitung bei, so dass die Abgasrückführleitung
ein unvermindertes effektives Spülgefälle aufweist.
Durch ein Anordnen des zweiten Partikelfilters stromaufwärts
der Abzweigung der Abgasrückführleitung ist des
Weiteren vermieden, dass ein mit dem Betreiben der Abgasbehandlungseinrichtung
zunehmendes Beladen des zweiten Partikelfilters bei intaktem ersten
Partikelfilter zu einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit
der Abgasrückführung führt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasbehandlungseinrichtung
für eine Verbrennungskraftmaschine, bei welchem Abgas mittels
eines ersten Partikelfilters und mittels eines in Strömungsrichtung
des Abgases durch die Abgasbehandlungseinrichtung stromabwärts
des ersten Partikelfilters angeordneten zweiten Partikelfilters
gefiltert wird. Hierbei durchströmt das mittels des zweiten
Partikelfilters gefilterte Abgas wenigstens eine Trageinrichtung
und eine an der wenigstens einen Trageinrichtung angeordnete Filtereinheit,
wobei eine Porengröße der Filtereinheit geringer
ist als eine Porengröße der wenigstens einen Trageinrichtung.
Die für die erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile
gelten auch für das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben einer Abgasbehandlungseinrichtung.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs
mit einem Luftzufuhrtrakt und einem Abgastrakt, welcher eine Abgasbehandlungseinrichtung
mit einem ersten Partikelfilter und einem stromabwärts
des ersten Partikelfilters angeordneten zweiten Partikelfilter umfasst;
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2 Schnittansichten
von drei alternative Bauformen des zweiten Partikelfilters;
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3 in
einer Schnittansicht eine erste Art der Anordnung des zweiten Partikelfilters
in dem Abgastrakt;
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4 in
einer Schnittansicht eine alternative Art der Anordnung des zweiten
Partikelfilters in dem Abgastrakt, wobei der zweite Partikelfilter
eine alternative Bauform aufweist;
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5 in
einer Schnittansicht eine weitere Bauform des in dem Abgastrakt
angeordneten zweiten Partikelfilters;
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6 eine
Schnittansicht und eine Draufsicht in Strömungsrichtung
des Abgases auf eine weitere Bauform des zweiten Partikelfilters;
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7 eine
Schnittansicht und eine Draufsicht in Strömungsrichtung
des Abgases auf eine zu der Bauform in 6 alternative
Bauform des zweiten Partikelfilters;
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8 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem ersten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
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9 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem zweiten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
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10 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem dritten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
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11 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem vierten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
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12 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem fünften Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
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13 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem sechsten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
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14 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem siebten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln;
und
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15 einen
Ausschnitt aus dem Abgastrakt gemäß 1 mit
einem achten Beispiel einer Anordnung von Druckerfassungsmitteln.
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1 zeigt
schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 1 eines Fahrzeugs
mit einem Luftzufuhrtrakt 11 und einem Abgastrakt 3.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 verlassendes Abgas strömt über
eine Turbine 2 eines Abgasturboladers, welche einen Verdichter 12 antreibt.
In dem Abgastrakt 3 ist eine Abgasbehandlungseinrichtung 13 angeordnet, bei
welcher vorliegend in einem Gehäuse 14 ein Katalysator 4,
ein erster Partikelfilter 5 und ein zweiter Partikelfilter 6 angeordnet
sind. In Strömungsrichtung des Abgases, welche in dem Abgastrakt 3 durch Strömungspfeile 15 angegeben
ist, ist hierbei der erste Partikelfilter 5 stromabwärts
das Katalysators 4 und der zweite Partikelfilter 6 stromabwärts
des ersten Partikelfilters 5 angeordnet. Das die Partikelfilter 5, 6 und
den Katalysator 4 umgebende Gehäuse 14 weist
im Vergleich zu einem Bereich des Abgastrakts 3 stromaufwärts
und stromabwärts dieses Gehäuses 14 einen
verbreiteten Querschnitt auf.
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Stromabwärts
des Gehäuses 14 weist der Abgastrakt 3 eine
Abzweigung einer Abgasrückführleitung 8 auf.
In der Abgasrückführleitung 8 ist ein
Abgaskühler 9 angeordnet. Die Abgasrückführleitung 8 dient
einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei das
rückgeführte Abgas stromaufwärts des
Verdichters 12 dem Luftzufuhrtrakt 11 der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt
wird. Vor dem Eintritt der Abgasrückführleitung 8 in
den Luftzufuhrtrakt 11 ist eine Drosseleinrichtung 10 zum
Drosseln des Abgasstroms durch die Abgasrückführleitung 8 angeordnet. Eine
weitere Drosseleinrichtung 7 ist stromabwärts der
Abzweigung der Abgasrückführleitung 8 in
dem Abgastrakt 3 angeordnet.
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Der
zweite Partikelfilter 6 weist in Strömungsrichtung
des Abgases durch das Gehäuse 14 gesehen eine
um ein Mehrfaches geringere Dicke auf als der erste Partikelfilter 5.
Eine Partikelaufnahmefähigkeit des zweiten Partikelfilters 6 ist
somit erheblich geringer als eine Partikelaufnahmefähigkeit
des ersten Partikelfilters 5.
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Der
zweite Partikelfilter 6 weist vorliegend unterschiedliche
Funktionen auf. Einerseits dient der zweite Partikelfilter 6 einem
Zurückhalten von aus dem ersten Partikelfilter 5 und/oder
dem Katalysator 4 stammenden Teilchen, etwa Produktionsrückständen
oder bei Schäden losgerissenen Teilchen. Derartige Teilchen
könnten ansonsten in die Abgasrückführleitung 8 eintreten
und so gegebenenfalls den Verdichter 12 des Abgasturboladers
schädigen.
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Neben
diesem Bauteilschutz dient der zweite Partikelfilter 6 dem Überwachen
der Funktionstüchtigkeit des ersten Partikelfilters 5.
Der zweite Partikelfilter 6, welcher die im Vergleich zu
dem ersten Partikelfilter besonders geringe Partikelaufnahmefähigkeit
aufweist, reagiert nämlich sehr sensibel auf eine Erhöhung
seiner Beladung, etwa infolge eines Schadens des ersten Partikelfilters 5.
Ein solcher Schaden kann ein Riss und/oder ein Loch in dem ersten
Partikelfilter 5 sein. Weist der erste Partikelfilter 5 einen solchen
Schaden auf, und ist somit seine Funktionsfähigkeit im
Hinblick auf das wirksame Zurückhalten von Partikeln eingeschränkt,
so steigt die Beladung des zweiten Partikelfilters 6 schlagartig
an. Das Ansteigen der Beladung des zweiten Partikelfilters 6 im Falle
eines Schadens des ersten Partikelfilters 5 erfolgt aufgrund
der Bauform des zweiten Partikelfilters 6 besonders rasch
und zuverlässig. Das Ansteigen der Beladung ist über
einen mit der Beladung einhergehenden Druckabfall an dem zweiten
Partikelfilter 6 detektierbar.
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Drei
unterschiedliche Beispielen für spezifische Bauformen des
zweiten Partikelfilters 6 sind in vergrößerten,
schematisierten Darstellungen in 2 angegeben.
Der zweite Partikelfilter 6 umfasst demgemäß wenigstens
eine von dem Abgas durchströmbare Trageinrichtung 16,
welche als Träger für eine Filtermembran 17 dient.
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Die
Trageinrichtung 16 kann aus einem metallischen Drahtgestrick
gebildet sein, an welchem die Filtermembran 17, etwa in
Form eines dichten Metallfaservlieses, festgelegt ist. Die Trageinrichtung 16 kann
auch als, insbesondere ein- oder mehrlagiges, Sieb oder als Metallschaumbauteil
ausgebildet sein. Alternativ ist eine hochporöse Keramik
als Trageinrichtung 16 vorstellbar. Auch die Filtermembran 17 ist
dann bevorzugt als keramische Filtermembran 17 ausgebildet.
Eine Porengröße der Filtermembran 17 beträgt
vorliegend nur einen Bruchteil der Porengröße
der Trageinrichtung 16. Beispielsweise kann die Porengröße
der Filtermembran 17 die Hälfte, ein Fünftel
oder sogar nur ein Zehntel der Porengröße der
Trageinrichtung 16 betragen.
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Ein
Zurückhalten von Partikeln mittels der Filtermembran 17 erfolgt
durch Oberflächenfiltration. Russpartikel können
also nicht in die Filtermembran 17 eindringen. Die Filtermembran 17 weist
des Weiteren eine im Vergleich zu der Trageinrichtung 16 geringere,
insbesondere um ein Mehrfaches geringere, Porosität auf.
Ebenso ist die Dicke der Filtermembran 17 in Strömungsrichtung
des Abgases durch den zweiten Partikelfilter 6 um ein Mehrfaches
geringer als eine Dicke der Trageinrichtung 16.
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Die
dünne, von der Trageinrichtung 16 in dem Gehäuse 14 abgestützte
Filtermembran 17 ermöglicht dadurch ein besonders
rasches und genaues Detektieren eines Russeintrags in den zweiten Partikelfilter 6.
Dadurch ist eine Betriebsdauer bis zum Erkennen eines Schadens des
ersten Partikelfilters 5 besonders gering. Dennoch weist
die Filtermembran 17 aufgrund ihrer geringen Dicke eine
besonders gute Durchströmbarkeit für Abgas auf
und erhöht so den gesamten Gegendruck der Abgasbehandlungseinrichtung 13 allenfalls minimal,
sofern die Filtermembran 17 nicht aufgrund eines Schadens des
ersten Partikelfilters 5 weitgehend beladen ist.
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Gemäß einer
ersten in 2 gezeigten Bauform des zweiten
Partikelfilters 6 ist die Trageinrichtung 16 stromabwärts
der Filtermembran 17 angeordnet. Ist alternativ, wie ebenfalls
in 2 gezeigt, die Trageinrichtung 16 stromaufwärts
der Filtermembran 17 angeordnet, so trägt auch
die Trageinrichtung 16 zum Abscheiden von Partikeln aus
dem Abgasstrom bei, wobei dann im Bereich der Trageinrichtung 16 ein
Zurückhalten von Partikeln mittels Tiefenfiltration erfolgen
kann. Gemäß einer dritten in 2 gezeigten
Bauform des zweiten Partikelfilters 6 ist die Filtermembran 17 als
Zwischenlage zwischen zwei Trageinrichtungen 16 angeordnet.
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3 zeigt
in einer Schnittansicht den zweiten Partikelfilter 6, wie
er beispielhaft in dem Gehäuse 14 angeordnet sein
kann. Hierbei ist der zweite Partikelfilter 6 senkrecht
zu der Strömungsrichtung des Abgases in dem Gehäuse 14 angeordnet.
Vorliegend ist das Gehäuse 14 im Bereich des zweiten
Partikelfilters im Querschnitt rund ausgebildet. Der zweite Partikelfilter 6 ist
bei der Bauform gemäß 3 ist ebenfalls
in der Draufsicht rund ausgebildet.
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4 zeigt
eine alternative Gestalt und Orientierung des zweiten Partikelfilters 6 in
dem Gehäuse 14. Hierbei ist der zweite Partikelfilter 6 oval
ausgebildet und geneigt zu der Strömungsrichtung des Abgases
in dem Gehäuse 14 angeordnet. Dadurch ist im Vergleich
zu der senkrechten Anordnung gemäß 3 eine
vergrößerte filterwirksame Fläche des
zweiten Partikelfilters 6 bereitgestellt.
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Bei
einer alternativen Bauform des zweiten Partikelfilters 6,
welche in 5 im Querschnitt gezeigt ist,
ist der zweite Partikelfilter 6 kegelförmig ausgebildet.
Hierbei weist eine Spitze 18 des zweiten Partikelfilters 6 in
eine der Strömungsrichtungen des Abgases entgegen gesetzte
Richtung. Die Spitze 18 des zweiten Partikelfilters 6 liegt
hierbei auf einer Mittelachse A des Gehäuses 14,
welche gleichzeitig eine Mittelachse des zweiten Partikelfilters 6 ist.
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Bei
einer alternativen Bauform des zweiten Partikelfilters 6,
welcher in 6 in einer Draufsicht in Strömungsrichtung
des Abgases und in einer Schnittansicht gezeigt ist, bildet die
dem Abgasstrom zugewandete Filtermembran 17 des zweiten
Partikelfilters 6 eine Mehrzahl von konzentrischen Erhebungen 19.
Auch die Trageinrichtung 16 weist die Mehrzahl der konzentrischen
Erhebungen 19 auf, so dass der zweiten Partikelfilters 6 ein
im Längsschnitt gezacktes Profil aufweist.
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Bei
einer in 7 gezeigten weiteren Bauform
des zweiten Partikelfilters 6 weist dieser im Längsschnitt
eine Wellenform auf. Hierbei ist eine Mehrzahl von zueinander parallelen
Erhebungen 19 der Filtermembran 17 und der diese
stützenden Trageinrichtung 16 gebildet.
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In 8 bis 15 sind
unterschiedliche Anordnungen von Druckerfassungsmitteln gezeigt, mittels
welchen eine Differenz des Drucks zwischen einer Stelle stromaufwärts
des zweiten Partikelfilters 6 und einer Stelle stromabwärts
des zweiten Partikelfilters 6 ebenso erfassbar ist wie
eine Beladung des ersten Partikelfilters 5. Je nach Bauraumverhältnissen,
Zugänglichkeiten zu jeweiligen Bereichen des Abgastrakts 3 und
Art der gewählten Drucksensoren kann mittels dieser Messanordnungen
der Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter 6 zuverlässig
und rasch bestimmt werden, um so auf einen Schaden am ersten Partikelfilter 5 zu
schließen.
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Gemäß 8 umfassen
die Druckerfassungsmittel zwei Differenzdrucksensoren 20, 21.
Der erste Differenzdrucksensor 20 bedient sich einer ersten
Messleitung 22, welche stromaufwärts des ersten Partikelfilters 5 angeordnet
ist. Eine stromabwärts des ersten Partikelfilters 5 angeordnete
zweite Messleitung 23 des Differenzdrucksensors 20 kann
gleichzeitig von dem Differenzdrucksensor 21 mitgenutzt werden,
welcher den Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter 6 erfasst.
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Bei
der in 9 gezeigten Anordnung der Druckerfassungsmittel
erfasst der Differenzdrucksensor 21 den Druck stromabwärts
des zweiten Partikelfilters 6 nicht wie bei der Anordnung
gemäß 8 im Bereich des Gehäuses 14,
sondern die zweite Messleitung des Differenzdrucksensors 21 reicht
im Bereich der Abzweigung der Abgasrückführleitung 8 in
den Abgastrakt 3 hinein.
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Bei
den in 8 und 9 dargestellten Anordnungen
der Druckerfassungsmittel kann stromabwärts des zweiten
Partikelfilters 6 zusätzlich ein Absolutdrucksensor
vorgesehen sein. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der absolute
Druck stromabwärts des zweiten Partikelfilters 6 als
Eingangsgröße für eine Regelung der Niederdruck-Abgasrückführrate
durch die Abgasrückführleitung 8 verwendet
werden soll.
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Gemäß 10 umfassen
die Druckerfassungsmittel anstelle der Differenzdrucksensoren 20, 21 drei
Absolutdrucksensoren 24. Diese Absolutdrucksensoren 24 erfassen
jeweils den Druck an einer Stelle stromaufwärts des ersten
Partikelfilters 5, stromabwärts des ersten Partikelfilters 5 und
damit stromaufwärts des zweiten Partikelfilters 6 sowie stromabwärts
des zweiten Partikelfilters 6 jeweils innerhalb des Gehäuses 14.
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Bei
der Anordnung der Druckerfassungsmittel, welche in 11 gezeigt
ist, ist lediglich der dritte Absolutdrucksensor 24 nicht
im Bereich des Gehäuses 14, sondern an der Abzweigung
der Abgasrückführleitung 8 in dem Abgastrakt 3 angeordnet.
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Die
in 12 dargestellte Anordnung der Druckerfassungsmittel
ist weitgehend identisch mit der Anordnung gemäß 11,
jedoch erfasst hier ein Absolutdrucksensor 24 den absoluten
Druck stromaufwärts des ersten Partikelfilters 5 und
der Differenzdrucksensor 20 über die Messleitungen 22, 23 den
Druckabfall am ersten Partikelfilter 5. Hierbei nutzen
der Absolutdrucksensor 24 und der Differenzdrucksensor 20 die
gleiche Messleitung 22.
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Die
Anordnung der Druckerfassungsmittel gemäß 13 ist
weitgehend analog der Anordnung gemäß 12,
jedoch erfasst hier der Absolutdrucksensor 24 den absoluten
Druck stromabwärts des ersten Partikelfilters 5 und
nutzt gemeinsam mit dem Differenzdrucksensor 20 die Messleitung 23,
welche an der Stelle stromabwärts des ersten Partikelfilters 5 dem
Messen des Drucks in dem Gehäuse 14 dient.
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Auch
bei der Anordnung der Druckerfassungsmittel gemäß 14 liegt
der Druck stromabwärts des zweiten Partikelfilters 6 als
direkte Messgröße vor, welche mittels eines Absolutdrucksensors 24 erfasst
wird. Jedoch wird bei der Anordnung gemäß 14 der
Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter 6 mittels des
Differenzdrucksensors 21 bestimmt. Dieser Differenzdrucksensor 21 nutzt
gemeinsam mit Absolutdrucksensor 24 eine Messleitung 25,
welche stromabwärts des zweiten Partikelfilters 6 auf
Höhe der Abzweigung der Abgasrückführleitung 8 in
den Abgastrakt 3 hineinreicht.
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Bei
der in 15 gezeigten Anordnung der Druckerfassungsmittel
liegt der Absolutdruck stromabwärts des zweiten Partikelfilters 6,
welcher ebenso wie bei der Anordnung gemäß 14 auf
Höhe der Abzweigung der Abgasrückführleitung 8 erfasst
wird, als indirekte Messgröße vor. Hierbei nutzt
der die Messleitung 25 nutzende Differenzdrucksensor 21, mittels
welchem der Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter 6 bestimmbar
ist, eine Messleitung 26 gemeinsam mit dem Absolutdrucksensor 24,
welcher zum Erfassen des absoluten Drucks zwischen dem ersten Partikelfilter 5 und
dem zweiten Partikelfilter 6 dient.
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Sofern
in dem Luftzufuhrtrakt 11 stromaufwärts des Verdichters 12 ein
Absolutdrucksensor angeordnet ist, können sowohl der Absolutdruck
stromabwärts des zweiten Partikelfilters 6 bzw.
das Druckgefälle über der Abgasrückführleitung 8 auch
mittels eines Differenzdrucksensors erfasst werden. Dessen Messleitungen
sind dann in dem Luftzufuhrtrakt 11 stromaufwärts
des Verdichters 12 und stromabwärts des zweiten
Partikelfilters 6 positioniert. In diesem Fall kann bei
den in 12 bis 14 dargestellten Anordnungen
der Druckerfassungsmittel ein Messen des Absolutdrucks stromabwärts
des zweiten Partikelfilters 6 entfallen. Bei der Anordnung
der Druckerfassungsmittel gemäß 15 kann
dann hingegen das Erfassen des Differenzdrucks an dem zweiten Partikelfilter 6 mittels
des Differenzdrucksensors 21 entfallen.
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Der
Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter 6 kann, insbesondere
kontinuierlich, mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden,
welche in einer vorliegend nicht gezeigten Steuereinrichtung zum
Ansteuern der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet sein
kann. Der Druckabfall wird mit einem Vergleichswert verglichen,
welcher einen Neuzustand des ersten Partikelfilters 5 charakterisiert. Überschreitet
der gemessene Druckabfall den Vergleichswert um einen vorgegebenen
Schwellenwert, wird in einer Überwachungseinrichtung der
Steuereinrichtung, welche auch als OBD-Einheit bezeichnet wird (on
board diagnosis), ein Alarm ausgelöst.
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Der
Schwellenwert ist vorliegend in Form einer Kennlinie hinterlegt,
welche die Alterung des ersten Partikelfilters 5 berücksichtigt.
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Ergänzend
oder alternativ kann zum Überwachen des ersten Partikelfilters 5 der
Druckabfall an dem zweiten Partikelfilter 6 zu dem Druckabfall
an dem ersten Partikelfilter 5 ins Verhältnis
gesetzt werden. Hierbei wird dann das gemessene Verhältnis
mit einem den Neuzustand der Abgasbehandlungseinrichtung 13 charakterisierenden
Verhältnis verglichen. Der Alarm wird ausgelöst,
wenn das im Neuzustand große Verhältnis anstatt
abzunehmen zunimmt und/oder den Wert des Neuzustands überschreitet. Das
Verhältnis wird bevorzugt im Anschluss an ein gemeinsam
erfolgendes thermisches Regenerieren der Partikelfilter 5, 6 aus
den mittels der Druckerfassungsmittel gemessenen Messwerten gebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/043422
A1 [0002]