DE10161055A1

DE10161055A1 - Über Mikrowellen regenerierbare Dieselpartikelabfangeinrichtung

Info

Publication number: DE10161055A1
Application number: DE10161055A
Authority: DE
Inventors: Frank Ament; Eugene V Gonze
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: US20020092422A1; JP2002339732A; US6709489B2; DE10161055B4

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einleitung einer Regeneration in einer Partikelabfangeinrichtung umfasst die Schritte, dass mikrowellenabsorbierende Material in der Partikelabfangeinrichtung in Bereichen angeordnet wird, in denen sich Partikel aufbauen, Mikrowellen erzeugt werden, Mikrowellen mit dem mikrowellenabsorbierenden Material absorbiert werden und die Mikrowellen gesteuert werden, um ein Abbrennen der Partikel einzuleiten.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dieselpartikelabfangeinrichtung. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Regenerierung einer Dieselpartikelabfangeinrichtung durch Verwendung von Mikrowellenstrahlung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verschärfte Gesetze haben die zulässigen Niveaus an durch Dieselmotoren erzeugten Partikeln abgesenkt. Die Partikel können allgemein als ein Ruß gekennzeichnet werden, der durch Partikelfilter oder -abfangeinrichtungen gefangen und verringert wird. Derzeitige Partikelfilter oder -abfangeinrichtungen enthalten ein Trennmedium mit sehr kleinen Poren, die Partikel abfangen. Wenn sich abgefangenes Material in der Partikelab fangeinrichtung ansammelt, steigt der Widerstand in Bezug auf die Strö mung in der Partikelabfangeinrichtung, wodurch einen Gegendruck er zeugt wird. Die Partikelabfangeinrichtung muss dann regeneriert werden, um die Partikel/den Ruß in der Partikelabfangeinrichtung abzubrennen und damit den Gegendruck zu beseitigen und eine Luftströmung durch die Partikelabfangeinrichtung zuzulassen. Bisherige Vorgehensweisen zur Regenerierung einer Partikelabfangeinrichtung betrafen die Verwendung einer Energiequelle, wie beispielsweise eines Brenners oder eines elektri schen Heizers, um eine Verbrennung der Partikel zu bewirken. Es hat sich herausgestellt, dass eine Partikelverbrennung in einer Dieselpartikelab fangeinrichtung mit diesen bisherigen Vorgehensweisen schwierig zu steuern ist und einen übermäßigen Temperaturanstieg zur Folge haben kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung unter Verwendung von Mikrowellenenergie. Die vorliegende Erfindung lenkt Mikrowellen an aus gewählte Orte in einer Partikelabfangeinrichtung, wie beispielsweise in die Nähe eines Endstopfens eines Einlasskanales einer Partikelabfangeinrich tung, um eine Regenerierung einzuleiten und einen Partikelaufbau zu verhindern. Dadurch, dass Mikrowellen an gewählte Orte gelenkt werden, leitet eine relativ kleine Energiemenge die Partikelverbrennung ein, die die Partikelabfangeinrichtung regeneriert. Die exotherme Verbrennung einer kleinen Menge an Partikeln wird weitergeführt, um eine größere Anzahl von Partikeln zu verbrennen.

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Partikelabfangeinrichtung, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Die Partikelabfangein richtung umfasst mikrowellenabsorbierende Materialien, die so ausgebil det sind, um Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangein richtung zu absorbieren. Eine Mikrowellenquelle ist wirksam mit einem Wellenleiter (Hohlleiter) gekoppelt, und ein Fokussierring kann dazu verwendet werden, die Mikrowellen an die mikrowellenabsorbierenden Materialien zu lenken. Das mikrowellenabsorbierende Material erzeugt Wärme in Ansprechen auf einfallende Mikrowellen, um Partikel abzubren nen. Vorzugsweise werden für Mikrowellen transparente Materialien für den Grundaufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung und ande re Bereiche in der Partikelabfangeinrichtung verwendet, an denen es unefiizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die mikrowellenreflektierenden und -leitenden Materialien so ausgebildet, um die Mikrowellen zu leiten und zu reflektieren, bis sie auf das mikrowellenabsorbierende Material einfallen. Die Mikrowellen "prallen" tatsächlich um die Partikelabfangeinrichtung herum auf, bis sie auf die mikrowellenabsorbierenden Materialien auftref fen. Durch strategisches Anordnen mikrowellenabsorbierender Materialien können Mikrowellen wirksam an den Orten verwendet werden, an denen sie am nötigsten sind, um das Abbrennen der Partikel einzuleiten.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mikrowellenleitenden und -reflektierenden Materialien so ausgebildet, um eine konstruktive Interfe renz für die Mikrowellenenergie vorzusehen, wodurch die Amplitude der Mikrowellen erhöht wird, die auf das mikrowellenabsorbierende Material einfallen.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mikrowellenleitenden und -reflektierenden Materialien so ausgebildet, um ein Energieplasma zu erzeugen und damit die Energie zu erhöhen, die dazu verwendet wird, um die Partikel in der Partikelabfangeinrichtung zu verbrennen.

Die Verwendung von Mikrowellen bei der vorliegenden Erfindung ermög licht ferner, dass die Häufigkeit der Regeneration der Partikelabfangein richtung genau gesteuert werden kann. Die vorliegende Erfindung kann Regenerierungen auf Grundlage von empirisch gebildeten Betriebsdaten einer Partikelabfangeinrichtung planen und/oder einen Drucksensor verwenden, um zu bestimmen, wann die Partikelabfangeinrichtung eine Regenerierung erfordert.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer monolithischen Partikelabfangeinrichtung für Wandströmung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Abgasströmung durch eine Partikelabfangeinrichtung zeigt.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Mikrowellenregenera tionssystemes der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die eine Erwärmung des Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flam menfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die in Fig. 4 gezeigte Erwärmung des Endstopfens erzeugt wird.

Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen einer Partikelabfangein richtung unter Verwendung einer Axialkanalerwärmung.

Fig. 8 und 9 sind schematische Darstellung einer Partikelabfangeinrich tung, die eine Mittelkanalbanderwärmung zeigt.

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die eine Mittelkanaler wärmung in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.

Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flam menfront und die Wärmefreigabe zeigt, die durch die Mittel kanalerwärmung von Fig. 10 erzeugt wird.

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung, die die Mittelkanaler wärmung kombiniert mit der Erwärmung des Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.

Fig. 13 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flam menfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die Mittelkanal- und Erwärmung des Endstopfens von Fig. 12 erzeugt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer typischen monolithischen Partikelabfangeinrichtung 10 für Wandströmung, die in Dieselanwendun gen verwendet wird und hier allgemein als "Partikelabfangeinrichtung" bezeichnet ist. Die Partikelabfangeinrichtung 10 umfasst abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle 14 und offene Zellen/Kanäle 12. Abgase, wie beispielsweise diejenigen, die durch einen Dieselmotor erzeugt werden, treten in die Kanäle 14 mit geschlossenen Enden ein, scheiden partikulä res Material 16 ab und treten durch die offenen Kanäle 12 aus. In Fig. 2 ist eine detailliertere Ansicht der Abgasströmung durch die Kanäle mit geschlossenem Ende 14 und offenem Ende 12 gezeigt. Stopfen 18 werden dazu verwendet, die Enden der Kanäle 12 und 14 abzudichten. Die Wände 20 der Partikelabfangeinrichtung bestehen vorzugsweise aus einer porö sen Keramikwabenwand aus Cordierit-Material, wobei aber beliebiges Keramikwabenmaterial innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt.

Mikrowellen werden durch den porösen Cordierit-Monolithen nur schlecht absorbiert, während bestimmte Ferrite (wie beispielsweise NiZnFeO₂ und NiMnFeO₂), wenn sie beispielsweise kurzen Expositionen mit Mikrowellen in der Größenordnung von 2,45 GHz ausgesetzt sind, sehr schnell er wärmt werden können. Diese Materialien können in der Nähe des End stopfens des Einlasskanals konzentriert und häufig Mikrowellen ausge setzt werden, um eine Regenerierung der Partikelabfangeinrichtung einzu leiten und den Aufbau von partikulärem Material in kritischen Bereichen der Abfangeinrichtung zu verhindern. Die Endstopfen können aus diesen Ferritpulvern in einer Aluminiumoxidmatrix (alumina matrix) hergestellt werden. Alternativ dazu können die mikrowellenabsorbierenden Materia lien auch in die Cordierit-Beschichtungen gemischt werden, um eine breite Oberflächenerwärmung zu erreichen, was aber den Verbrauch an elektrischer Energie erhöht.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Mikrowellensystemes 22 der vorliegenden Erfindung. Das System 22 umfasst eine Partikelabfangein richtung 10, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotores angeordnet ist. Die Partikelabfangeinrichtung 10 umfasst ein mikrowellenabsorbierendes Material 24, wie beispielsweise Siliziumcarbid, das so ausgebildet ist, um Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangeinrichtung 10 zu absorbieren, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung jedoch jegliche bekannten mikrowellenabsorbierenden Materialien umfasst. Eine Mikrowellenenergiequelle 26 und eine Mikrowellenantenne 28 sind wirk sam mit einem Wellenleiter 30 und einem optionalen Fokussierring 32 gekoppelt, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbierende Material 24 zu lenken. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erin dung ist die Mikrowellenantenne 28 direkt mit dem Gehäuse der Partikel abfangeinrichtung 10 gekoppelt. Das mikrowellenabsorbierende Material 24 erzeugt Wärme an Ansprechen auf einfallende Mikrowellen, um das Abbrennen von Partikeln in der Partikelabfangeinrichtung 10 einzuleiten. Materialien, wie beispielsweise Cordierit, die für Mikrowellen transparent sind, werden bevorzugt für den grundsätzlichen Aufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung 10 und anderer Bereiche in der Partikelabfang einrichtung 10 verwendet, an denen es uneffizient wäre, Mikrowellenener gie zu absorbieren. Da das Cordierit Mikrowellenenergie nicht absorbiert, "prallen" die Mikrowellen solange rundherum auf, bis sie auf das mikro wellenabsorbierende Material 24 auftreffen. Die Kanäle 12 und 14 sind ferner so ausgebildet, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbie rende Material 24 zu führen. Die Temperatur der Partikelabfangeinrich tung 10 kann durch die Eigenschaften und den Ort der mikrowellenab sorbierenden Materialien und durch Steuerung der Anwendung der Mik rowellenenergie reguliert werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Erwärmung des Endstopfens in einer Parti kelabfangeinrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. Der Endstopfen 18 von Fig. 4 besteht aus mikrowellenabsorbierendem Material. Das Diesel abgas ist mit Partikeln 34 beladen und strömt durch die Keramikwaben wände 20, wobei Ruß 16 an den oberstromigen Wänden 20 der Partikelab fangeinrichtung 10 abgeschieden wird. Auf den mikrowellenabsorbieren den Stopfen 18 einfallende Mikrowellen erwärmen den Stopfen 18, und der erwärmte Stopfen 18 leitet das Abbrennen des Rußes 16 ein, um die Wände 20 der Partikelabfangeinrichtung 10 zu reinigen, wie durch Wellen 17 gezeigt ist, die die Flammenfront der Partikelabbrennung darstellen. Bei einer Konfiguration mit Erwärmung des Endstopfens gemäß der vor liegenden Erfindung erfolgt das Abbrennen anfänglich an dem Ende des Kanales 14 mit geschlossenem Ende, wo die Partikelmasse oder der Ruß 16 am größten ist, und breitet sich zu dem Rest dieses Kanales 14 mit dem geschlossenen Ende aus. Die exotherme Verbrennung einer relativ kleinen Menge an Partikeln, die durch den Endstopfen 18 gezündet wer den, wird übertragen, um eine relativ große Russmenge zu verbrennen.

Fig. 5 veranschaulicht die Leistungsfähigkeit der in Fig. 4 gezeigten Parti kelabfangeinrichtung. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion der Distanz des Kanals 14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe des Endstopfens 18 vorgesehen und breitet sich dann als eine Abbrennflam menfront aus, wie durch Pfeil 19 gezeigt ist.

Die Fig. 6 und 7 sind schematische Zeichnungen einer Partikelabfangein richtung 10, die eine Axialkanalerwärmung verwendet. Die Partikelab fangeinrichtung ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Partikelabfangeinrich tung 10, wobei mikrowellenabsorbierendes Material 38 an die Kanäle 14 mit geschlossenem Ende hinzugefügt ist. Das mikrowellenabsorbierende Material 38 ist linear entlang einer Wand oder entlang von Wänden der Kanäle 14 mit geschlossenen Enden angeordnet, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist.

Die Fig. 8 und 9 sind schematische Darstellungen einer Partikelabfangein richtung 10, die eine Mittelkanalbanderwärmung verwendet. Die Partikel abfangeinrichtung ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Partikelabfangein richtung 10, wobei die Kanäle 14 mit geschlossenem Ende mit Bändern 40 aus mikrowellenabsorbierendem Material versehen sind. Die Bänder 40 aus mikrowellenabsorbierendem Material sind in gewählten Bereichen entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle 14 mit geschlossenem Ende angeordnet, wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist. Der exakte Ort der mikrowellenabsorbierenden Bänder 40 an den Kanalwänden und das Muster der Kanäle, die mit Bändern/Streifen versehen sind, kann für die jeweilige Anwendung experimentell bestimmt werden.

Die Fig. 10 und 11 zeigen die Mittelkanal- oder Banderwärmung in einer Partikelabfangeinrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. Das Dieselabgas ist mit Partikeln 34 beladen und strömt durch die Keramikwabenwände 20, wobei der Ruß 16 an den Wänden 20 der Partikelabfangeinrichtung 20 abgeschieden wird. Mikrowellen, die auf das mikrowellenabsorbierende Band (Streifen) 40 einfallen; erwärmen das Band 40, und das erwärmte Band 40 leitet das Abbrennen des Rußes 16 ein, um die Wände 20 der Partikelabfangeinrichtung 10 zu reinigen. Bei einer Mittelkanal- oder Banderwärmungskonfiguration der vorliegenden Erfindung erfolgt das anfängliche Abbrennen, wenn die Bänder 40 in einem Kanal 14 mit ge schlossenem Ende angeordnet sind, wie in Fig. 10 gezeigt ist.

Fig. 11 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung 10, die in Fig. 10 gezeigt ist. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion der Distanz des Kanals 14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe der Bänder 40 vorgesehen und breitet sich dann als eine Abbrennflammen front aus, wie durch Pfeil 41 gezeigt ist.

Die Fig. 12 und 13 sind schematische Ansichten einer Partikelabfangein richtung 10, die eine Kombination aus Banderwärmung und Erwärmung des Endstopfens verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der Partikelabfangeinrichtung 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, wobei die Kanäle 14 mit geschlossenem Ende und ein mikrowellenabsorbierender Endstopfen 18 mit Bändern 40 aus mikrowellenabsorbierendem Material versehen sind. Diese Kombination von mikrowellenabsorbierenden Bändern 40 und mikrowellenabsorbierenden Endstopfen 18 leitet das Abbrennen der Parti kel im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Kanales 14 mit geschlossenem Ende ein.

Fig. 13 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung 10, die in Fig. 12 gezeigt ist. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion der Distanz des Kanals 14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe des Bandes 40 und des Endstopfens 18 vorgesehen und breitet sich dann als Abbrennflammenfronten aus, wie durch Pfeile 51 und 53 gezeigt ist.

Claims

1. Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor mit:
einer Mikrowellenquelle, die Mikrowellen erzeugt; mikrowellenabsorbierenden Materialien, um die Mikrowellen zu absorbieren und Wärme zu erzeugen; und
eine Partikelabfangeinrichtung, die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, wobei die Partikelabfangeinrichtung durch die mikrowellenabsorbierenden Materialien erwärmt wird, um die Partikel abzubrennen.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende Material als ein Endstopfen ausgebildet ist.

3. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende Material als axiale Bänder/Streifen ausgebildet ist, die entlang von Kanälen der Partikelabfangeinrichtung verteilt sind.

4. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende Material in im Wesentlichen linearer Art und Weise entlang der Länge der Kanäle der Partikelabfangeinrichtung aufgebracht ist.

5. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende Material Siliziumcarbid ist.

6. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei die Partikelabfangeinrichtung aus einem mikrowellentransparenten Material besteht.

7. Partikelfilter nach Anspruch 6, wobei das mikrowellentransparente Material Cordierit ist.

8. Verfahren zur Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung, umfas send, dass:
Mikrowellenstrahlung erzeugt wird; und
Mikrowellen absorbiert werden, um Wärme zu erzeugen und Par tikel iri der Partikelabfangeinrichtung zu verbrennen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt, dass:
mikrowellenabsorbierendes Material entlang der Wände der Parti kelabfangeinrichtung aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt, dass:
mikrowellenabsorbierendes Material als Endstopfen in der Parti kelabfangeinrichtung ausgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt, dass:
die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung durch Steuerung der Mikrowellenstrahlung gesteuert wird.

12. System zur Entfernung von Partikeln in einer Partikelabfangeinrich tung, mit:
einer Mikrowellenenergiequelle;
einer Mikrowellenantenne, die mit der Energiequelle zur Erzeu gung von Mikrowellen gekoppelt ist;
einem Mikrowellen-Wellenleiter, der wirksam mit der Mikrowel lenantenne gekoppelt ist, um die Mikrowellen zu leiten; und
mikrowellenabsorbierendem Material, das in der Partikelabfang einrichtung angeordnet ist, wobei die Mikrowellen auf das mikrowel lenabsorbierende Material einfallen, um Wärme zu erzeugen und Par tikel, die in der Partikelabfangeinrichtung angeordnet sind, abzu brennen.

13. System nach Anspruch 12, ferner mit einem Dieselmotor, der mit der Partikelabfangeinrichtung gekoppelt ist, wobei sich das Dieselabgas durch die Partikelabfangeinrichtung ausbreitet.

14. Verfahren zur Einleitung einer Regeneration in einer Partikelabfang einrichtung, mit den Schritten, dass:
mikrowellenabsorbierendes Material in der Partikelabfangeinrich tung in Bereichen angeordnet wird, in denen sich Partikel aufbauen;
Mikrowellen erzeugt werden;
Mikrowellen mit dem mikrowellenabsorbierenden Material absor biert werden; und
die Mikrowellen gesteuert werden, um ein Abbrennen von Parti keln einzuleiten.