DE10161055B4

DE10161055B4 - Über Mikrowellen regenerierbare Dieselpartikelabfangeinrichtung

Info

Publication number: DE10161055B4
Application number: DE10161055A
Authority: DE
Inventors: Frank Mich. Ament; Eugene V. Mich. Gonze
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2002339732A; DE10161055A1; US20020092422A1; US6709489B2

Abstract

Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor mit einer Partikelabfangeinrichtung (10), die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, mit Kanälen (12, 14), einer Mikrowellenquelle (26, 28), die Mikrowellen erzeugt, und mikrowellenabsorbierenden Materialien um die Mikrowellen zu absorbieren und die Partikelabfangeinrichtung (10) zu erwärmen um so die Partikel abzubrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrowellenabsorbierenden Materialien axiale Bänder/Streifen (40) umfassen, die entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle (14) mit geschlossenem Ende verteilt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dieselpartikelabfangeinrichtung. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung 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 Partikelabfangeinrichtung ansammelt, steigt der Widerstand in Bezug auf die Strömung in der Partikelabfangeinrichtung, wodurch einen Gegendruck erzeugt 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 elektrischen Heizers, um eine Verbrennung der Partikel zu bewirken. Es hat sich herausgestellt, dass eine Partikelverbrennung in einer Dieselpartikelabfangeinrichtung mit diesen bisherigen Vorgehensweisen schwierig zu steuern ist und einen übermäßigen Temperaturanstieg zur Folge haben kann.
Ein Partikelfilter mit einer Partikelabfangeinrichtung, die durch den Motor erzeugte Partikel abfängt, mit einer Mikrowellenquelle und mikrowellenabsorbierendem Material ist in DE 691 16 338 T2 beschrieben.
Ein Partikelfilter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus DE 691 01 936 T2 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Partikelfilter und ein System zur Entfernung von Partikeln anzugeben, die leicht zu steuern sind und einen übermäßigen Temperaturanstieg vermeiden.
Diese Aufgabe wird mit einem Partikelfilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein System mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.
Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet. Eine bevorzugte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 9.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung unter Verwendung von Mikrowellenenergie. Die vorliegende Erfindung lenkt Mikrowellen an ausgewählte Orte in einer Partikelabfangeinrichtung, 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 Partikelabfangeinrichtung umfasst mikrowellenabsorbierende Materialien, die so ausgebildet sind, um Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangeinrichtung 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 abzubrennen. Vorzugsweise werden für Mikrowellen transparente Materialien für den Grundaufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung und andere Bereiche in der Partikelabfangeinrichtung verwendet, an denen es uneffizient 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 auftreffen. 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 Interferenz für die Mikrowellenenrgie 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 ermöglicht ferner, dass die Häufigkeit der Regeneration der Partikelabfangeinrichtung 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
1 ist eine schematische Darstellung einer monolithischen Partikelabfangeinrichtung für Wandströmung.
2 ist eine schematische Darstellung, die die Abgasströmung durch eine Partikelabfangeinrichtung zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung des Mikrowellenregenerationssystemes.
4 ist eine schematische Darstellung, die eine Erwärmung des Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.
5 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flammenfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die in 4 gezeigte Erwärmung des Endstopfens erzeugt wird.
6 und 7 sind schematische Darstellungen einer Partikelabfangeinrichtung unter Verwendung einer Axialkanalerwärmung.
8 und 9 sind schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Partikelabfangeinrichtung, die eine Mittelkanalbanderwärmung zeigt.
10 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Mittelkanalerwärmung.
11 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flammenfront und die Wärmefreigabe zeigt, die durch die Mittelkanalerwärmung von 10 erzeugt wird.
12 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Mittelkanalerwärmung kombiniert mit der Erwärmung des Endstopfens.
13 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flammenfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die Mittelkanal- und Erwärmung des Endstopfens von 12 erzeugt wird.
Die Erfindung ist insbesondere in 8 und 9 dargestellt. 10 bis 13 erläutern nur zusätzlich die Funktion eines axialen Streifens.
1 bis 7 sind schematische Darstellungen, die zur Erläuterung dienen, ohne dass sie speziell erfindungsgemäß ausgestaltete Gegenstände zeigen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische Darstellung einer typischen monolithischen Partikelabfangeinrichtung 10 für Wandströmung, die in Dieselanwendungen 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 partikuläres Material 16 ab und treten durch die offenen Kanäle 12 aus. In 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 porösen 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 erwärmt werden können. Diese Materialien können in der Nähe des Endstopfens des Einlasskanals konzentriert und häufig Mikrowellen ausgesetzt werden, um eine Regenerierung der Partikelabfangeinrichtung einzuleiten 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 Materialien auch in die Cordierit-Beschichtungen gemischt werden, um eine breite Oberflächenerwärmung zu erreichen, was aber den Verbrauch an elektrischer Energie erhöht.
3 ist eine schematische Darstellung eines Mikrowellensystemes 22. Das System 22 umfasst eine Partikelabfangeinrichtung 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 wirksam mit einem Wellenleiter 30 und einem optionalen Fokussierring 32 gekoppelt, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbierende Material 24 zu lenken. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Mikrowellenantenne 28 direkt mit dem Gehäuse der Partikelabfangeinrichtung 10 gekoppelt. Das mikrowellenabsorbierende Material 24 erzeugt Wärme in Antwort auf einfallende Mikrowellen, um das Abbrennen von Partikeln in der Partikelabfangeinrichtung 10 einzuleiten. Materialien, wie beispielsweise Cordierit, die für Mikrowellen transparent sind, können für den grundsätzlichen Aufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung 10 und anderer Bereiche in der Partikelabfangeinrichtung 10 verwendet werden, an denen es uneffizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren. Da das Cordierit Mikrowellenenergie nicht absorbiert, ”prallen” die Mikrowellen solange rundherum auf, bis sie auf das mikrowellenabsorbierende Material 24 auftreffen. Die Kanäle 12 und 14 sind ferner so ausgebildet, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbierende Material 24 zu führen. Die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung 10 kann durch die Eigenschaften und den Ort der mikrowellenabsorbierenden Materialien und durch Steuerung der Anwendung der Mikrowellenenergie reguliert werden.
Die 4 und 5 zeigen eine Erwärmung des Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung 10. Der Endstopfen 18 von 4 besteht aus mikrowellenabsorbierendem Material. Das Dieselabgas ist mit Partikeln 34 beladen und strömt durch die Keramikwabenwände 20, wobei Ruß 16 an den oberstromigen Wänden 20 der Partikelabfangeinrichtung 10 abgeschieden wird. Auf den mikrowellenabsorbierenden 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 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 werden, wird übertragen, um eine relativ große Russmenge zu verbrennen.
5 veranschaulicht die Leistungsfähigkeit der in 4 gezeigten Partikelabfangeinrichtung. 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 Abbrennflammenfront aus, wie durch Pfeil 19 gezeigt ist.
Die 6 und 7 sind schematische Zeichnungen einer Partikelabfangeinrichtung 10, die eine Axialkanalerwärmung verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der in 1 gezeigten Partikelabfangeinrichtung 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 6 und 7 gezeigt ist.
Die 8 und 9 sind schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Partikelabfangeinrichtung 10, die eine Mittelkanalbanderwärmung verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der in 1 gezeigten Partikelabfangeinrichtung 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 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 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 Binder 40 in einem Kanal 14 mit geschlossenem Ende angeordnet sind, wie in 10 gezeigt ist.
11 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung 10, die in 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 Abbrennflammenfront aus, wie durch Pfeil 41 gezeigt ist.
Die 12 und 13 sind schematische Ansichten einer Partikelabfangeinrichtung 10, die eine Kombination aus Banderwärmung und Erwärmung des Endstopfens verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der Partikelabfangeinrichtung 10, die in 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 Partikel im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Kanales 14 mit geschlossenem Ende ein.
13 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung 10, die in 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

Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor mit einer Partikelabfangeinrichtung (10), die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, mit Kanälen (12, 14), einer Mikrowellenquelle (26, 28), die Mikrowellen erzeugt, und mikrowellenabsorbierenden Materialien um die Mikrowellen zu absorbieren und die Partikelabfangeinrichtung (10) zu erwärmen um so die Partikel abzubrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrowellenabsorbierenden Materialien axiale Bänder/Streifen (40) umfassen, die entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle (14) mit geschlossenem Ende verteilt sind.
Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrowellenabsorbierende Material Endstopfen (18) umfasst.
Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mikrowellenabsorbierendes Material (38) in im Wesentlichen linearer Art und Weise entlang der Länge der Kanäle (14) der Partikelabfangeinrichtung (10) aufgebracht ist.
Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrowellenabsorbierende Material (18, 38, 40) Siliziumcarbid ist.
Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelabfangeinrichtung (10) aus einem mikrowellentransparenten Material besteht.
Partikelfilter nach Anspruch 5, wobei das mikrowellentransparente Material Cordierit ist.
Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung (10) durch Steuerung der Mikrowellenstrahlung gesteuert wird.
System zur Entfernung von Partikeln mit – einer Partikelabfangeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – einer Mikrowellenantenne (28), die mit einer Mikrowellenquelle (26) gekoppelt ist und – einem Mikrowellenwellenleiter (30), der mit der Mikrowellenantenne (28) gekoppelt ist, um die Mikrowellen zu dem mikrowellenabsorbierenden Material (18, 38, 40) zu leiten.
Verwendung eines Systems nach Anspruch 8 in einem Dieselmotor.