(57)【要約】本発明は、パティキュレートフィルタの状態たとえば透過性を求める装置に関する。この場合、パティキュレートフィルタ（３）の方向に音響信号（１．１）を送出する音響源（１）と、このパティキュレートフィルタ（３）によって変えられた音響信号（１．２）を受信する音響受信器（２）と、この音響受信器（２）と接続され受信音響信号（１．２）を評価する評価ユニット（４）が設けられている。
2005538304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パティキュレートフィルタの状態を求める装置において、
パティキュレートフィルタ（３）の方向に音響信号（１．１）を送出する音響源（１）と、
該パティキュレートフィルタ（３）によって変えられた音響信号（１．２）を受信する音響受信器（２）と、
該音響受信器（２）と接続され受信音響信号（１．２）を評価する評価ユニット（４）が設けられていることを特徴とする、
パティキュレートフィルタの状態を求める装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記音響源（１）はエンジン、パイプまたはスピーカであることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置において、
前記音響源（１）は、発生可能な音響信号（１．１）が超音波の領域にあるよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の装置において、
前記音響受信器（２）はマイクロフォンであることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の装置において、
前記音響源（１）はパティキュレートフィルタ（３）の一方の側に、前記音響受信器（２）はパティキュレートフィルタ（３）の他方の側に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項記載の装置において、
前記音響源（１）と前記音響受信器（２）はパティキュレートフィルタ（３）の一方の側に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項記載の装置において、
さらに別の音響受信器が設けられており、前記音響受信器（２）はパティキュレートフィルタ（３）の一方の側に、該別の音響受信器はパティキュレートフィルタ（３）の他方の側に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項記載の装置において、
前記評価ユニット（４）により音響信号（１．２）の振幅が評価され、および／または両方の音響信号（１．１，１．２）の位相が互いに比較されることを特徴とする装置。
【請求項９】
パティキュレートフィルタの状態を求める方法において、
音響源（１）を用いて、パティキュレートフィルタ（３）の方向に音響信号（１．１）を送出し、
音響受信器（２）を用いて、該パティキュレートフィルタ（３）により変えられた音響信号（１．２）を受信し、
評価ユニット（４）を用いて、受信した音響信号（１．２）から前記パティキュレートフィルタ（３）の状態を求めることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８記載の方法において、
受信した音響信号（１．２）の位相および／または振幅を評価することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の方法において、
前記音響源（１）から正弦波形またはパルス状の音響信号を発生させることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか１項記載の方法において、
送信した音響信号（１．１）と受信した音響信号（１．２）に基づき周囲温度を求めることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された特徴を備えたパティキュレートフィルタの状態を求める装置および請求項９の上位概念に記載された特徴を備えたパティキュレートフィルタの状態を求める方法に関する。
【０００２】
従来の技術
ディーゼルエンジンの場合、窒素と粒子および駆動燃料の関係はきわめて難しいものである。それというのも窒素酸化物を低減する措置によって粒子放出と駆動燃料消費が上昇してしまうからである。粒子の放出は基本的に避けられるものではないため、適切な措置を講じる必要がある。
【０００３】
さらに厳しくなった排気ガス限界値を遵守するため、自動車内のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が重要な役割を果たしている。これによれば排気ガス流から粒子が高い効率でフィルタリングされて取り除かれる。
【０００４】
殊に粒子およびディーゼル粒子の一部分は、炭素化合物からの１次粒子の凝集塊である。さらにそれらの一部分は純粋な炭素化合物から成る。それらは燃焼室内での不完全燃焼によって発生し、５０〜２００ｎｍのサイズを有している。通常、それらは不規則な幾何学的形状をとっている。粒子の質量ならびに組成は、エンジン負荷状態と噴射システムと駆動燃料の化学的組成に大きく左右される。
【０００５】
堆積した固体材料によってフィルタの透過性が減少し、これによって排気ガスの背圧が上昇し、その結果、エンジンの出力損失が生じたり燃料消費が高まったりする。したがってフィルタは所定の充填状態に達すると再生される。この場合、酸化可能な粒子負荷の大部分は温度上昇によってガス状の二酸化炭素ＣＯ２と一酸化炭素ＣＯに変換され、これによってフィルタから取り除かされる。再生がうまくいくと、排気ガスの背圧が再び著しく小さい初期値をとるようになる。
【０００６】
フィルタ内に堆積した粒子の質量は、自動車内ではじかに求めることができない。再生措置を講じる最適な時点を求める目的で、その代わりに代替となる手法がとられる。
【０００７】
知られているのは差圧センサを使用することであり、これによればフィルタボディにおける圧力降下が求められる。とはいえ差圧つまりは圧力降下は、フィルタ透過性によっても決まるし、フィルタにおける体積流によっても決まる。この体積流自体はエンジンの動作条件とフィルタボディにおける排気ガス温度とに依存するので、種々の影響パラメータに対して大きな妨害感度が生じる。並列接続されたダクトを備えたセラミックの壁流フィルタを通常のように利用した場合、流動抵抗は並列回路としてすべてのフィルタダクトおよびその上に存在する平面素子を介して生じる。これらの平面素子のかなりの部分が再生によってクリーニングされると、再生を監視する制御装置は再生が完了したものと誤ってみなしてしまい、温度上昇つまりは粒子酸化の措置を終わらせてしまうほど、流動抵抗が減少する。これにより、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の部分的な領域に燃焼可能な材料が不所望に蓄積してしまうおそれがある。
【０００８】
パティキュレートフィルタＤＰＦの付着状態を求めるさらに別の可能性として挙げられるのは、特性マップを用いてエンジンから放出された粒子質量を走行した動作点に関して時間積分により計算することである。このやり方は、殊にダイナミックな走行条件において、さらにエラーに起因する粒子放出の変化のリスクによって、非常に不正確である。これを他の測定方法に対する妥当性チェックのためにいっしょに考慮することができる。計算された粒子放出におけるこのような不正確さを回避するために、パティキュレートフィルタの前でセンサを用いて粒子濃度を測定するというさらに別の可能性が挙げられる。
【０００９】
部分的に技術的に著しく困難であることから、これまでこれらの原理のいずれも市場に売り出される段階に至るまで成功させることはできなかった。
【００１０】
既述のようにセンサは、パティキュレートフィルタの充填状態をエンジンから発生した粒子量の積分により推定するための補助手段にすぎない。充填状態を求める際の不正確さは、再生方法それ自体によって生じる。温度を上昇させることはエンジンマネージメントに割り込んで多大な影響を及ぼすことを意味するので、このような措置はできるかぎり少ない頻度でかつできるかぎり短く実施されるようにしなければならない。それゆえ実施にあたり生じる可能性のある問題点は、パティキュレートフィルタが完全には再生されず、フィルタ内の領域に部分的に残留付着物が残されたままになってしまうことである。以降の付着フェーズ中にさらに粒子質量がこの領域に蓄積していくと、局所的にクリティカルな付着物濃度が発生する可能性があり、これによって後続の再生サイクルにおいてこの領域が加熱してしまう。これによってフィルタ構造が不可逆的に損なわれてしまう可能性がある。
【００１１】
発明の利点
本発明による方法ならびに装置により得られる利点とは、すでに再生フェーズ中にパティキュレートフィルタの状態を求めることができる点にあり、つまりは充填状態と透過性のほかに再生率についても求めることができる点にある。
【００１２】
パティキュレートフィルタの状態を求めるための本発明による装置は、パティキュレートフィルタの方向に音響信号を送出する音響源と、パティキュレートフィルタにより変えられた音響信号を受信する音響受信器を有している。これに加えて、受信した音響信号を評価するための制御および評価ユニットも設けられている。
【００１３】
パティキュレートフィルタの状態を求めるための本発明による方法は以下のステップを有している。音響源を用いて、パティキュレートフィルタの方向へ音響信号を送出する。音響受信器を用いてパティキュレートフィルタにより変えられた音響信号を受信し、評価ユニットを用いてその信号からパティキュレートフィルタの状態を求める。
【００１４】
従属請求項には本発明のさらに別の有利な実施形態が示されている。
【００１５】
本発明による装置の音響源をエンジン、パイプ、またはスピーカとすることができる。  自動車のエンジンを音響源として利用すれば、排気ガス管内に組み込まなければならないコンポーネントの個数が低減する。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態によれば音響源は、発せられる音響信号が超音波領域に位置するよう構成されている。これによって空間分解能を向上させることができる。
【００１７】
本発明による装置における音響受信器は有利にはマイクロフォンである。
【００１８】
本発明の１つの実施形態によれば、音響源はパティキュレートフィルタの一方の側に配置され、音響受信器はパティキュレートフィルタの他方の側に配置されている。
【００１９】
音響源と音響受信器をパティキュレートフィルタの一方の側に配置しておくことも可能である。この場合、パティキュレートフィルタにより反射して変化した音波が評価される。
【００２０】
また、本発明による装置においてさらに別の音響受信器を設けることができ、この場合、一方の音響受信器はパティキュレートフィルタの一方の側に配置され、他方の音響受信器はパティキュレートフィルタの他方の側に配置されている。
【００２１】
本発明による装置のさらに別の実施形態によれば評価ユニットは、振幅を評価できるように、および／または２つの音響信号の位相角を互いに比較できるように構成されている。
【００２２】
本発明による方法の１つの実施形態によれば、受信した音響信号の位相および／または振幅が評価される。
【００２３】
有利には音響源から、正弦波状またはパルス状の音響信号が発せられる。
【００２４】
さらに有利であるのは、送出した音響信号と受信した音響信号とに基づき周囲温度を求めることである。周囲温度つまりは排気ガス温度に関する情報は、パティキュレートフィルタの再生をコントロールする目的で有用である。
【００２５】
図面
次に、図面を参照しながら複数の実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す基本断面図である。
【００２７】
図２は、送信および受信された音響信号の時間経過特性を示す図である。
【００２８】
図３は、本発明の第２の実施形態を示す基本断面図である。
【００２９】
本発明が利用している作用とは、多孔性材料は音響に対し材料構造に依存するインピーダンスをもっていることである。したがってたとえば付加的に表面濾過作用をもつ付着したフィルタは、付着していないフィルタとは異なる音響インピーダンスを有している。排気ガスの背圧の測定は、ごく僅かな周波数をもつ直流インピーダンスに対する限界的なケースを成している。
【００３０】
したがって音響の透過性および場合によっては位相の変化が、周波数に依存してはじめにそれぞれ異なるパティキュレートフィルタの付着に関して求められる。動作中、音響インピーダンスが求められ、事前に求められたインピーダンスと比較される。その結果、パティキュレートフィルタの付着状態が得られる。ついで再生ストラテジに従い、たとえば所定の充填状態が超過したときに適切な再生措置を導入することができる。音響インピーダンスの測定は、車両において様々なやり方で行うことができる。
【００３１】
第１の実施例の説明
図１に示されている本発明の実施形態の場合、排気管１０内に音響発生器とも称する音響源１が排気ガスの流動方向１１においてパティキュレートフィルタ３の手前に配置され、パティキュレートフィルタ３の後ろには音響受信器２が配置される。
【００３２】
音響源１は音波１．１を発生し、これはパティキュレートフィルタ３によって音波１．２に変形されて音響受信器２のところに到来し、これによって受信される。音響受信器２により電気信号１．２２に変換された受信音波１．２が評価ユニット４によって評価される。この評価についてはあとで詳しく説明する。
【００３３】
音響発生器１と音響受信器２という両方の素子を、排気管１０内に逆の順序で組み込むこともできる。
【００３４】
音響源１としてたとえば圧電スピーカまたはパイプを用いることができる。音響受信器２をたとえばマイクロフォンとすることができる。
【００３５】
音波１．１はフィルタ構造を通して変換され、強度が減衰され位相がシフトされる。図２には、これに対応する信号経過特性が示されている。この場合、ｙ軸には振幅が、ｘ軸には時間が書き込まれている。
【００３６】
励起信号１．１１と到来信号１．２２がわかっているならば、これら双方の値から位相シフトと強度の減衰を求めることができる。
【００３７】
励起信号１．１１としてたとえば正弦波信号を使用することができ、これによって周波数分解による評価が著しく簡単になる。他の信号波形も可能であり、フーリエ解析によって周波数成分に分解することができる。さらにたとえば短い音響パルスの信号伝達特性をそのまま評価することもできる。信号波形の選択ならびにアクティブな音響発生器１がないときの基本信号の測定によって、たとえばエンジンに起因するバックグラウンド信号を求めて、評価にあたり考慮することができる。
【００３８】
種々の周波数においてインピーダンスを評価することで、パティキュレートフィルタ３における粒子堆積の空間的な配分を識別することができる。基本的に、パティキュレートフィルタ３の前端部に存在する堆積物と後端部に存在する堆積物との違いを区別することができる。
【００３９】
達成可能な空間分解能は実質的に、使用可能な波長もしくは周波数によって決まる。パティキュレートフィルタのオーダでの局所分解能を達成する目的で、５００Ｈｚよりも高い周波数が用いられ、あるいはさらに良好には２ｋＨよりも高い周波数が用いられる。パティキュレートフィルタ３の全透過性だけが重要であるならば、もっと低い周波数を使用することもできる。
【００４０】
時間的なパルスに関しては、相応にｍｓの領域の最大パルス長となる。
【００４１】
超音波を使用すれば、分解能を格段に改善することができる。
【００４２】
一般に半径方向での粒子の分布は、パティキュレートフィルタ３において並列に接続されたダクト１２にわたって均質である。複数の音響発生器および／または複数の音響受信器を用いれば、半径方向において場合によっては生じる可能性のある不均質な分布に関する詳細な情報を得ることができる。必要であれば、パティキュレートフィルタの付着についてダクトごとに分析することができる。
【００４３】
第２の実施例の説明
音響伝達のためパティキュレートフィルタ３の２つの側に音響源１と音響受信器２を上述のように配置する代わりに、パティキュレートフィルタの一方の側に音響源１と音響受信器２を配置することによって、信号の反射に関する値を得ることもできる。図３には、これに対応する配置構成が示されている。この場合、音響発生器１と音響受信器２は排気ガスの流動方向１１で見て、排気管１０内でパティキュレートフィルタ３の前方の側に組み込まれている。パルス化された信号と共働させれば、この配置構成は音響測深の動作に相応する。
【００４４】
この場合、信号評価は上述のやり方と同じようにして行われる。
【００４５】
第３の実施例の説明
図面には示されていないさらに別の実施形態によれば、スピーカあるいはパイプないしは笛を音響源１として使用するのではなく、すでに存在している音響源の音響放出たとえばエンジンの音響放出が用いられる。この場合には２つの音響受信器を用いるのが有利であって、それらのうちそれぞれ一方がパティキュレートフィルタの前に、他方がパティキュレートフィルタの後ろにおかれる。到来する音響信号と送出される音響信号との相関をとることによって、この場合も音響伝達特性を求めることができる。フーリエ解析によって周波数分解されたインピーダンスが得られ、これは付着状態の評価に格別有利である。
【００４６】
エンジンノイズを時間的に分解して記録し、パティキュレートフィルタの前後で求められた値を相互に相関させれば、減衰のほか信号伝播時間を求めることもできる。同様にパルス状の音響励起を生じさせても、１つの音響発生器と１つの音響受信器を用いて信号伝播時間を求めることができる。
【００４７】
２つの音響受信器を公知のように空間的に配置すれば、信号伝播時間から音響速度が求められる。同様のことは、音響発生器と音響受信器を公知のように空間的に配置したときにもあてはまる。音響速度はガス温度絶対値のルートとともに変化し、これはたとえばパティキュレートフィルタの再生をコントロールするために重要である。本発明に従って用いられるコンポーネントを共用することによって温度センサを省略することができるし、あるいはたとえば前方に設けられている温度を上昇させる酸化触媒のような他のコンポーネントをその機能正常性について検査することができる。
【００４８】
第４の実施例の説明
図示されていないさらに別の実施形態において、変位機構によって音響発生器および／または音響受信器が異なる位置に前後して動かされ、そのようにすることでいっそう高い半径方向の局所分解能が達成される。
【００４９】
本発明によれば、パティキュレートフィルタの内部状態がじかに求められる。差圧測定において発生する容積流に対する横感度が著しく抑圧される。本発明による方法および装置によれば、低コストのコンポーネントを使うことができる。本発明をフィルタの欠陥検出にも利用できる。
【００５０】
しかもパティキュレートフィルタの状態を調べるための音響コンポーネントに、排気ガストレインに関するさらに別の監視機能も同時に担わせることができる。また、動作状態に依存して記録されたエンジンノイズのスペクトラムから排気ガストレイン中の欠陥を推定することができ、たとえば漏れやエンジンの故障を推定することができる。このことはサポートを行う診断としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す基本断面図である。
【図２】送信および受信された音響信号の時間経過特性を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す基本断面図である。
【図１】
2005538304.tif 000003
【図２】
2005538304.tif 000004
【図３】
2005538304.tif 000005
【国際調査報告】
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2005538304.tif 000007
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2005538304.tif 000009
2005538304.tif 000010
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