DE102005025924A1

DE102005025924A1 - Abgasbehandlungssystem mit Partikelfiltern

Info

Publication number: DE102005025924A1
Application number: DE102005025924A
Authority: DE
Inventors: Cornelius N. Peoria Opris
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-03-23
Also published as: CN1727652A; US20060021335A1

Abstract

Ein Abgasbehandlungssystem für eine Leistungsquelle hat ein Lufteinleitungssystem und ein Auslasssystem. Das Auslasssystem hat einen ersten Partikelfilter und einen zweiten Partikelfilter, der in Reihe mit dem ersten Partikelfilter angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem hat weiter ein Rückzirkulationssystem, das konfiguriert ist, um mindestens einen Teil des Abgasflusses von einer Stelle zwischen dem ersten Partikelfilter und dem zweiten Partikelfilter abzuziehen und diesen Teil des Abgasflusses in das Lufteinleitungssystem zu leiten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Abgasbehandlungssystem und insbesondere auf ein Abgasbehandlungssystem mit Partikelfiltern.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren, die Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere in der Technik bekannte Motoren aufweisen, können eine komplexe Mischung von Luftverunreinigungen ausstoßen. Die Luftverunreinigungen können aus gasförmigen Stoffen bestehen, die Stickoxide (NOx) und Festpartikelstoffe aufweisen können, die unverbrannte Kohlenstoffpartikel aufweisen können, die Ruß genannt werden.

Aufgrund einer vermehrten Beachtung der Umwelt, sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden, und die Menge der gasförmigen Stoffe, die in die Atmosphäre aus einem Motor ausgelassen werden, kann abhängig von der Art des Motors, von der Größe des Motors und/oder der Klasse des Motors geregelt sein. Ein Verfahren, das von Motorherstellern eingerichtet worden ist, um in Übereinstimmung mit den Regelungen für diese Motoremissionen zu kommen, ist die Abgasrückzirkulation (AGR). Abgasrückzirkulationssysteme zirkulieren die Abgasnebenprodukte in die Einlassluftversorgung des Verbrennungsmotors zurück. Das Abgas, welches zum Motorzylinder geleitet wird, reduziert die Konzentration des Sauerstoffs innerhalb des Zylinders, was wiederum die maximale Verbrennungstemperatur innerhalb des Zylinders absenkt. Die verringerte maximale Verbrennungstemperatur kann die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses verlangsamen und die Bildung von NOx verringern.

Bei vielen Abgasrückzirkulationsanwendungen wird das Abgas direkt von der Abgassammelleitung durch ein Abgasrückzirkulationsventil abgeleitet. Jedoch können die Partikelstoffe in dem zurück zirkulierten Abgas nachteilig die Leistung und die Haltbarkeit des Verbrennungsmotors und des Abgasrückzirkulationssystems beeinflussen. Wie im US-Patent 6 526 753 (dem '753-Patent), das an Bailey am 3. März 2003 ausgegeben wurde, kann ein Filter verwendet werden, um Partikelstoffe aus dem Abgas zu entfernen, welches zurück zum Einlassluftstrom zur Rückzirkulation gespeist wird. Insbesondere offenbart das '753-Patent ein Abgasregenerator/Partikelaufnahme-System, welches einen ersten Partikelfilter und einen zweiten Partikelfilter aufweist. Ein Regeneratorventil arbeitet zwischen einer ersten Position, wo ein Abgasrückzirkulationseinlassanschluss strömungsmittelmäßig einen Teil des Abgasflusses mit dem ersten Partikelfilter verbindet, und einer zweiten Position, wo der Abgasrückzirkulationseinlassanschluss strömungsmittelmäßig den Teil des Abgasflusses mit dem zweiten Partikelfilter verbindet. Die gefilterten Abgasrückzirkulationsgase werden dann zur Vermischung mit komprimierter Luft vor oder während dem Einlass in die Einlasssammelleitung geliefert.

Obwohl das Abgasregenerator/Partikelaufnahme-System des '753-Patentes den Motor vor schädlichen Partikelstoffen schützen kann, kann es komplex und schwierig zu packen sein. Weil beispielsweise das Abgasregenerator/Partikelaufnahme-System des '753-Patentes den Abgasfluss zwischen den ersten und zweiten Partikelfiltern abwechseln muss, um eine Verstopfung zu vermeiden, können zusätzliche Rohrleitungen, Ventilanordnungen und Steuerstrategien erforderlich sein. Diese zusätzlichen Komponenten, die mit dem Raum gekoppelt sind, der erforderlich ist, um die Komponenten innerhalb des Motorabteils zu montieren und aufzunehmen, können die Kosten des Abgasregenerator/Partikelaufnahme-Systems steigern, und die Schwierigkeit, das Abgasregenerator/Partikelaufnahme-System bei älteren Fahrzeugen nachzurüsten. Zusätzlich kann der Teil das Abgases, der nicht durch das Abgasregenerator/Partikelaufnahme-System des '753-Patentes fließt, vollständig ungefiltert und unbehandelt sein. Das offenbarte Abgasbehandlungs system ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Abgasbehandlungssystem für eine Leistungsquelle gerichtet, das ein Lufteinleitungssystem und ein Abgassystem aufweist. Das Abgassystem weist einen ersten Partikelfilter und einen zweiten Partikelfilter auf, der in Reihe mit dem ersten Partikelfilter angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem weist auch ein Rückzirkulationssystem auf, das konfiguriert ist, um mindestens einen Teil eines Abgasflusses von zwischen dem ersten Partikelfilter und dem zweiten Partikelfilter zu ziehen und zumindest diesen Teil des Abgasflusses zu dem Lufteinleitungssystem zu leiten.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Abgasbehandlungssystem für eine Leistungsquelle gerichtet, die ein Lufteinleitungssystem mit mindestens einem Kompressor aufweist. Das Abgasbehandlungssystem weist auch ein Abgassystem mit einem Partikelfilter und mit mindestens einer Turbine auf, die mit dem mindestens einen Kompressor verbunden ist. Die mindestens eine Turbine ist stromabwärts des Partikelfilters angeordnet. Das Abgasbehandlungssystem weist weiter ein Rückzirkulationssystem auf, das konfiguriert ist, um mindestens einen Teil eines Abgasflusses von einer Stelle stromabwärts von der mindestens einen Turbine abzuziehen und zumindest diesen Teil des Abgasflusses zu dem Lufteinleitungssystem stromaufwärts von dem mindestens einen Kompressor zu leiten.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems gerichtet. Das Verfahren weist auf, Luft in die Leistungsquelle mit einem Lufteinleitungssystem zu leiten und Abgas weg von der Leistungsquelle zu leiten. Das Verfahren weist weiterhin das Ausfiltern von Partikeln, die in dem Abgasfluss mitgeführt werden, mit einem ersten Partikelfilter auf, weiter das Leiten eines ersten Teils des Abgasflusses von einer Stelle stromabwärts des ersten Partikelfilters in die Leistungsquelle, das Leiten eines zweiten Teils des Abgasflusses von einer Stelle stromabwärts des ersten Partikelfilters zu einem zweiten Partikelfilter und das Filtern von Partikeln aus dem Abgasfluss mit dem zweiten Partikelfilter.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige Darstellung eines Motors mit einem Abgasbehandlungssystem gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht eine Leistungsquelle 10 mit einem beispielhaften Abgasbehandlungssystem 12. Die Leistungsquelle 10 kann einen Motor aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor oder irgendeinen anderen Motor, der dem Fachmann offensichtlich ist. Die Leistungsquelle 10 kann alternativ eine andere Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise einen Ofen oder irgendeine andere Leistungsquelle, die in der Technik bekannt ist. Das Abgasbehandlungssystem 12 kann ein Lufteinleitungssystem 14, ein Auslasssystem 16 und ein Rückzirkulationssystem 18 aufweisen.
Das Lufteinleitungssystem 14 kann konfiguriert sein, um aufgeladene Luft in eine (nicht gezeigte) Brennkammer der Leistungsquelle 10 einzuleiten. Das Lufteinleitungssystem 14 kann ein Einleitungsventil 20 und einen Kompressor 22 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Komponenten in dem Lufteinleitungssystem 14 vorgesehen sein können, wie beispielsweise ein oder mehrere Luftkühler, zusätzliche Ventilanordnungen, eine oder mehrere Luftreinigungsvorrichtungen, eine oder mehrere Ableitungsklappen, ein Steuersystem und andere Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
Das Einleitungsventil 20 kann strömungsmittelmäßig mit dem Kompressor 22 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 24 verbunden sein und konfiguriert sein, um den Fluss der atmosphärischen Luft zur Leistungsquelle 10 zu regeln. Das Einleitungsventil 20 kann ein Kolbenventil sein, ein Verschlussventil, ein Klappen- bzw. Butterfly-Ventil, ein Rückschlagventil, ein Membranventil, ein Klappenventil, ein Shuttle- bzw. Schiebeventil, ein Kugelventil, ein Kreisventil oder irgendein anderes Ventil, das in der Technik bekannt ist. Das Einleitungsventil 20 kann elektromagnetbetrieben, hydraulisch betrieben, pneumatisch betrieben oder in irgendeiner anderen Weise betrieben sein. Das Einleitungsventil 20 kann in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung sein, und kann selektiv ansprechend auf einen oder mehrere vorbestimmte Bedingungen betätigt werden.
Der Kompressor 22 kann konfiguriert sein, um die Luft, die in die Leistungsquelle 10 fließt, auf einen vorbestimmten Druck zu komprimieren. Der Kompressor 22 kann strömungsmittelmäßig mit der Leistungsquelle 10 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 26 verbunden sein. Der Kompressor 22 kann einen Kompressor mit fester Geometrie, einen Kompressor mit variabler Geometrie oder irgendeine andere Art von Kompressor aufweisen, die in der Technik bekannt ist. Es wird in Betracht gezogen, dass mehr als ein Kompressor 22 in paralleler Beziehung oder in Reihenbeziehung vorgesehen und angeordnet werden kann. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Kompressor 22 weggelassen werden kann, wenn ein System zur Einleitung von nicht unter Druck gesetzter Luft erwünscht ist.
Das Auslasssystem 16 kann konfiguriert sein, um den Auslassfluss bzw. Abgasfluss aus der Leistungsquelle 10 zu leiten. Das Abgas- bzw. Auslasssystem 16 kann einen ersten Partikelfilter 28, eine Turbine 30 und einen zweiten Partikelfilter 32 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Emissionssteuervorrichtungen in dem Auslasssystem 16 vorgesehen sein können.
Der erste Partikelfilter 28 kann mit der Leistungsquelle 10 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 34 und mit der Turbine 30 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 36 verbunden sein. Der erste Partikelfilter 30 kann elektrisch leitende grobe Gittermittel aufweisen, die unter Druck zusammengesintert worden sind. Die Gitterelemente können ein eisenbasiertes Material aufweisen, wie beispielsweise Fecralloy^®. Es wird in Betracht gezogen, dass Gitterelemente ebenfalls vorgesehen werden könnten, die aus einem elektrisch leitenden Material geformt sind, das ein anderes als Fecralloy^® ist, wie beispielsweise ein nickelbasiertes Material, wie beispielsweise Inconel^® oder Hastelloy^® oder ein anderes in der Technik bekanntes Material. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der erste Partikelfilter 28 alternativ elektrisch nicht leitende grobe Gitterelemente aufweisen kann, wie beispielsweise poröse Elemente, die aus einem Keramikmaterial oder einem Hochtemperaturpolymer geformt sind.
Der erste Partikelfilter 28 kann grobe Gitterelemente bzw. Filterelemente aufweisen, um die Rückflussbeschränkung in der Leistungsquelle 10 zu reduzieren, die nachteilig die Leistung der Leistungsquelle 10 beeinflussen kann. Die Gittergröße des ersten Partikelfilters 28 kann derart sein, dass der Partikelauffangwirkungsgrad des ersten Partikelfilters 28 ungefähr 40% oder geringer ist. Es wird in Betracht gezogen, dass der erste Partikelfilter 28 alternativ einen Partikelauffangwirkungsgrad von mehr als 40% haben kann.
Der erste Partikelfilter 28 kann entweder einen Katalysator zur katalytischen Behandlung der Partikelstoffe aufweisen, die von dem ersten Partikelfilter 28 eingefangen wurden (was eine Zündungstemperatur der Partikelstoffe reduzieren kann), oder Mittel zur Regeneration der Partikelstoffe, die in dem ersten Partikelfilter 28 eingefangen wurden, oder sowohl einen Katalysator als auch Mittel zur Regeneration. Weil der Katalysator, der in dem ersten Partikelfilter 28 vorgesehen ist, direkt strömungsmittelmäßig mit der Leistungsquelle 10 verbunden ist, kann der Katalysator hohe Temperaturen erfahren, die die Verringerung von Kohlenwasserstoffen (HC), von Kohlendioxid (CO₂) und/oder Partikelstoffen unterstützen. Der Katalysator kann beispielsweise ein Basismetalloxid, ein geschmolzenes Salz und/oder Edelmetalle aufweisen, die katalytisch mit HC-, CO- und/oder Partikelstoffen reagieren. Die Mittel zur Regeneration können unter anderem einen mit Brennstoff angetriebenen Brenner, eine mit elektrischem Widerstand beheizte Heizung, eine Motorsteuerstrategie oder irgendwelche anderen Regenerationsmittel aufweisen, die in der Technik bekannt sind.
Die Turbine 30 kann mit dem Kompressor 22 verbunden sein und kann konfiguriert sein, um den Kompressor 22 anzutreiben. Insbesondere, wenn sich die heißen Abgase, die aus der Leistungsquelle 10 austreten, gegen die (nicht gezeigten) Schaufeln der Turbine 30 ausdehnen, kann die Turbine 30 sich drehen und den angeschlossenen Kompressor 22 antreiben. Es wird in Betracht gezogen, dass mehr als eine Turbine 30 in dem Auslasssystem 16 vorgesehen sein kann und parallel oder in Reihenbeziehung angeordnet sein kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Turbine 30 alternativ weggelassen werden kann, und dass der Kompressor 22 von der Leistungsquelle 10, mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder in irgendeiner anderen in der Technik bekannten Weise angetrieben werden kann.
Im Gegensatz zum ersten Partikelfilter 28 kann der zweite Partikelfilter 32 stromabwärts der Turbine 30 angeordnet sein. Insbesondere kann der zweite Partikelfilter 32 strömungsmittelmäßig mit der Turbine 30 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 38 verbunden sein. Ähnlich wie beim ersten Partikelfilter 28 kann der zweite Partikelfilter 32 elektrisch leitende Gitter- bzw. Filterelemente aufweisen, die unter Druck zusammengesintert worden sind. Die Gitterelemente können ein eisenbasiertes Material aufweisen, wie beispielsweise Fecralloy^®. Es wird in Betracht gezogen, dass die Gitterelemente bzw. Filterelemente auch so eingerichtet werden können, dass sie aus einem elektrisch leitenden Material geformt werden, das ein anderes als Fecralloy^® ist, wie beispielsweise ein nickelbasiertes Material, wie beispielsweise Inconel^® oder Hastelloy^®, oder ein anderes in der Technik bekanntes Material. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der zweite Partikelfilter 32 alternativ elektrisch nicht leitende Gitterelemente bzw. Filterelemente auf weisen kann, wie beispielsweise poröse Elemente, die aus einem Keramikmaterial oder einem Hochtemperaturpolymer geformt sind.
Der zweite Partikelfilter 32 kann Gitterelemente aufweisen, die eine kleinere Gittergröße haben als die Gitterelemente des ersten Partikelfilters. Die Gittergröße des zweiten Partikelfilters 32 kann so sein, dass der Partikelauffangwirkungsgrad des zweiten Partikelfilters 32 ungefähr 80% oder mehr ist. Es wird in Betracht gezogen, dass der Partikelauffangwirkungsgrad des zweiten Partikelfilters 32 alternativ geringer als 80% sein kann.
Ähnlich dem ersten Partikelfilter 28 kann der zweite Partikelfilter 32 entweder einen Katalysator aufweisen, der eine Zündungstemperatur der Partikelstoffe reduzieren kann, die vom zweiten Partikelfilter 32 eingefangen wurden, oder Mittel zur Regeneration der Partikelstoffe, die von dem zweiten Partikelfilter 32 eingefangen wurden, oder sowohl einen Katalysator als auch Mittel zur Regeneration. Der Katalysator kann die Reduktion von HC-, CO- und/oder Partikelstoffen unterstützen. Der Katalysator kann beispielsweise ein Basismetalloxid, geschmolzenes Salz und/oder ein Edelmetall aufweisen. Die Mittel zur Regeneration können unter anderem einen mit Brennstoff angetriebenen Brenner, eine durch elektrischen Widerstand angetriebene Heizung, eine Motorsteuerstrategie oder irgendwelche anderen Mittel zur Regeneration aufweisen, die in der Technik bekannt sind.
Das Rückzirkulationssystem 18 kann konfiguriert sein, um einen Teil des Abgasflusses der Leistungsquelle 10 vom Abgassystem 16 in das Lufteinleitungssystem 14 zurückzuleiten. Das Rückzirkulationssystem 18 kann einen Einlassanschluss 40, einen Rückzirkulationspartikelfilter 42, einen Kühler 44, ein Rückzirkulationsventil 46 und einen Auslassanschluss 48 aufweisen.
Der Einlassanschluss 40 kann mit dem Auslasssystem 16 verbunden sein und konfiguriert sein, um zumindest einen Teil des Abgasflusses aus der Leistungsquelle 10 aufzunehmen. Insbesondere kann der Einlassanschluss 40 stromabwärts vom Filter 28 und der Turbine 30 angeordnet sein, und stromaufwärts vom zweiten Partikelfilter 32. Es wird in Betracht gezogen, dass der Einlassanschluss 40 irgendwo sonst in dem Auslasssystem 16 gelegen sein kann.
Der Rückzirkulationspartikelfilter 42 kann mit dem Einlassanschluss 40 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 50 verbunden sein und kann konfiguriert sein, um Partikelstoffe von dem Teil des Abgasflusses zu entfernen, der durch den Einlassanschluss 40 geleitet wird. Ähnlich wie die ersten und zweiten Partikelfilter 28, 30 kann der Rückzirkulationspartikelfilter 42 elektrisch leitende grobe Gitterelemente bzw. Filterelemente aufweisen, die unter Druck zusammengesintert worden sind. Die Gitterelemente bzw. Filterelemente können ein eisenbasiertes Material aufweisen, wie beispielsweise Fecralloy^®. Es wird in Betracht gezogen, dass die Gitterelemente auch so eingerichtet bzw. aufgebaut sein könnten, dass sie aus einem elektrisch leitenden Material geformt sind, das ein anderes als Fecralloy^® ist, wie beispielsweise ein nickelbasiertes Material, wie Inconel^® oder Hastelloy^® oder irgendein anderes in der Technik bekanntes Material. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Rückzirkulationspartikelfilter 42 alternativ elektrisch nicht leitende grobe Gitterelemente bzw. Filterelemente aufweisen könnte, wie beispielsweise poröse Elemente, die aus einem Keramikmaterial oder einem Hochtemperaturpolymer geformt sind.
Ähnlich wie die ersten und zweiten Partikelfilter 28, 32 kann der Rückzirkulationspartikelfilter 42 entweder einen Katalysator aufweisen, der eine Zündungstemperatur der Partikelstoffe reduzieren kann, die von dem Rückzirkulationspartikelfilter 42 eingefangen werden, oder Mittel zur Regeneration der Partikelstoffe, die von dem Rückzirkulationspartikelfilter 42 gefangen wurden, oder sowohl einen Katalysator als auch Mittel zur Regeneration. Der Katalysator kann die Reduktion von NC-, CO- und/oder Partikelstoffen unterstützen. Der Katalysator kann beispielsweise ein Basismetalloxid, ein geschmolzenes Salz und/oder ein Edelmetall aufweisen. Die Mittel zur Regeneration können unter anderem einen mit Brennstoff angetriebenen Brenner, eine mit elektrischem Widerstand angetriebene Heizung, eine Motorsteuerstrategie oder irgendwelche anderen Mittel zur Regeneration aufweisen, die in der Technik bekannt sind. Es wird in Betracht gezogen, dass der Rückzirkulationspartikelfilter 42 weggelassen werden kann, falls erwünscht.
Der Kühler 44 kann strömungsmittelmäßig mit dem Rückzirkulationspartikelfilter 42 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 52 verbunden sein und konfiguriert sein, um den Teil des Abgases zu kühlen, der durch den Einlassanschluss 40 fließt. Der Kühler 44 kann einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher, einen Luft-Luft-Wärmetauscher oder irgendeine andere Bauart eines Wärmetauschers aufweisen, die in der Technik zur Kühlung eines Abgasflusses bekannt ist. Es wird in Betracht gezogen, dass der Kühler 44 weggelassen werden kann, falls erwünscht.
Das Rückzirkulationsventil 46 kann strömungsmittelmäßig mit dem Kühler 44 über den Strömungsmitteldurchlassweg 54 verbunden sein und konfiguriert sein, um den Abgasfluss durch das Rückzirkulationssystem 18 zu regeln. Das Rückzirkulationsventil 46 kann ein Kolbenventil, ein Verschlussventil, ein Butterfly- bzw. Klappenventil, ein Rückschlagventil, ein Membranventil, ein Klappenventil, ein Shuttle- bzw. Schiebeventil, ein Kugelventil, ein Kreisventil oder ein anderes in der Technik bekanntes Ventil sein. Das Rückzirkulationsventil 46 kann elektromagnetbetätigt, hydraulisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen Weise betätigt sein. Das Rückzirkulationsventil 46 kann in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung sein und selektiv ansprechend auf eine oder mehrere vorbestimmte Bedingungen betätigt werden.
Eine Flusscharakteristik des Rückzirkulationsventils 46 kann in Beziehung mit einer Flusscharakteristik des Einleitungsventils 20 sein. Insbesondere können das Rückzirkulationsventil 46 und das Einleitungsventil 20 beide so gesteuert werden, dass eine Abgasflussmenge, die in das Lufteinleitungssystem 14 über das Rückzirkulationsventil 46 eintritt, mit einer Luftflussmenge in Beziehung stehen kann, die in das Lufteinleitungssystem 14 über das Einleitungsventil 20 eintritt. Wenn beispielsweise der Fluss des Abgases durch das Rückzirkulationsventil 46 zunimmt, kann der Luftfluss durch das Einleitungsventil 20 proportional abnehmen. Genauso kann der Luftfluss durch das Einleitungsventil 20 proportional zunehmen, wenn der Fluss des Abgases durch das Rückzirkulationsventil 46 abnimmt.
Der Auslassanschluss 48 kann strömungsmittelmäßig mit dem Rückzirkulationsventil 46 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 56 verbunden sein und konfiguriert sein, um den Abgasfluss, der von dem Rückzirkulationsventil 46 reguliert wird, in das Lufteinleitungssystem 14 zu leiten. Insbesondere kann der Auslassanschluss 48 mit dem Lufteinleitungssystem 14 stromaufwärts vom Kompressor 22 verbunden sein, wobei der Kompressor 22 den Abgasfluss aus dem Auslassanschluss 40 zieht.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte Abgasbehandlungssystem kann auf irgendeine Verbrennungsvorrichtung anwendbar sein, wie beispielsweise auf einen Motor, einen Ofen oder auf irgendeine andere in der Technik bekannte Vorrichtung, wobei die Rückzirkulation des Gases mit reduzierten Partikeln in ein Lufteinleitungssystem erwünscht ist. Das Abgasbehandlungssystem 12 kann eine einfache, kostengünstige und kompakte Lösung zur Verringerung der Menge der Abgasemissionen sein, die in die Umgebung ausgelassen werden, während es die Verbrennungsvorrichtung vor schädlichen Partikelstoffen und/oder schlechter Leistung schützt, die von den Partikelstoffen verursacht wird. Der Betrieb des Abgasbehandlungssystems 12 wird nun erklärt.
Atmosphärenluft kann in das Lufteinleitungssystem 14 über das Einleitungsventil 20 zum Kompressor 22 gezogen werden, wo sie auf ein vorbestimmtes Niveau unter Druck gesetzt wird, bevor sie in die Brennkammer der Leistungsquelle 10 eintritt. Brennstoff kann mit der unter Druck gesetzten Luft vor oder nach dem Eintritt in die Brennkammer vermischt werden. Diese Brennstoff-Luft-Mischung kann dann von der Leistungsquelle 10 zur Erzeugung von mechanischer Arbeit und einem Abgasfluss verbrannt werden, der gas förmige Komponenten und feste Partikelstoffe enthält. Der Abgasfluss kann über den Strömungsmitteldurchlassweg 34 von der Leistungsquelle 10 durch den ersten Partikelfilter 28 geleitet werden, wo ein Teil der Partikelstoffe, der in dem Abgas mitgeführt wird, aus dem Abgasfluss heraus gefiltert werden kann. Weil der erste Partikelfilter 28 grobe Gitterelemente bzw. Filterelemente aufweist, die ungefähr 40% oder weniger der gesamten Partikelstoffe entfernen können, die von der Leistungsquelle 10 erzeugt werden, kann der gesteigerte Rückdruck aufgrund des ersten Partikelfilters 28 minimal sein.
Die Partikelstoffe können passiv und/oder aktiv regeneriert werden, wenn sie auf den groben Gitterelementen des ersten Partikelfilters 28 abgelagert sind. Wenn sie passiv regeneriert werden, können die auf den groben Gitterelementen abgelagerten Partikelstoffe chemisch mit einem Katalysator reagieren, der in dem ersten Partikelfilter 28 vorgesehen ist, um die Zündungstemperatur der Partikelstoffe zu senken. Weil der erste Partikelfilter 28 direkt stromabwärts des Abgasflusses von der Leistungsquelle 10 gelegen ist, können die Temperaturen des Abgasflusses, der in den ersten Partikelfilter 28 eintritt, hoch genug sein, um in Kombination mit dem Katalysator die passive Regeneration zu erleichtern. Wenn sie aktiv regeneriert werden, kann Wärme auf die Partikelstoffe aufgebracht werden, die auf den groben Gitterelementen abgelagert sind, um die Temperatur der Partikelstoffe auf die Zündungstemperatur der gefangenen Partikelstoffe anzuheben. Eine Kombination der passiven und aktiven Regeneration kann sowohl die katalytische Absenkung der Zündungstemperatur der Partikelstoffe als auch das Aufbringen von Wärme auf die Gitterelemente aufweisen.
Zusätzlich zu den Partikelstoffen innerhalb des Abgasflusses können HC und CO auch teilweise innerhalb des ersten Partikelfilters 28 katalytisch behandelt werden. Das Hochtemperaturabgas, das direkt zum Katalysator des ersten Partikelfilters 38 geleitet wird, kann ausreichende katalytische Bedingungen vorsehe Der Fluss des teilweise gefilterten Abgases aus dem ersten Partikelfilter 28, der mit der Expansion von den heißen Abgasen gekoppelt ist, kann bewirken, dass die Turbine 30 sich dreht, wodurch sich der Kompressor 22 dreht und die Einlassluft komprimiert. Nach dem Austritt aus der Turbine 30 kann der Abgasfluss in zwei Flüsse aufgeteilt werden, einen ersten Fluss, der zu einem Lufteinleitungssystem 14 zurückgeleitet wird, und einen zweiten Fluss, der zum zweiten Partikelfilter 32 geleitet wird.
Wenn das Abgas durch den Einlassanschluss 40 des Rückzirkulationssystems 18 fließt, kann es durch den Rückzirkulationsfilter 42 gefiltert werden, um zusätzliche Partikelstoffe vor der Verbindung mit dem Kühler 44 zu entfernen. Die Partikelstoffe können, wenn sie auf den Gitterelementen des Rückzirkulationspartikelfilters 42 abgelagert sind, passiv und/oder aktiv regeneriert werden.
Der Fluss des Abgasflusses mit verringerten Partikeln aus dem Rückzirkulationspartikelfilter 42 kann vom Kühler 44 auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt werden und dann durch das Rückzirkulationsventil 44 geleitet werden, um zurück in das Lufteinleitungssystem 14 durch den Kompressor 22 gezogen zu werden. Der rückzirkulierte Abgasfluss kann dann mit der Luft vermischt werden, die in die Brennkammer eintritt. Wie oben beschrieben, reduziert das Abgas, welches zur Brennkammer geleitet wird, die Konzentration des Sauerstoffes darin, was wiederum die maximale Verbrennungstemperatur innerhalb des Zylinders absenkt. Die verringerte maximale Verbrennungstemperatur verlangsamt die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses, wodurch die Bildung von Stickoxiden verringert wird. In dieser Weise kann die gasförmige Verunreinigung, die von der Leistungsquelle 10 erzeugt wird, ohne die Erfahrung von schädlichen Effekten und schlechter Leistung reduziert werden, die dadurch verursacht werden, dass übermäßig viel Partikelstoffe in die Leistungsquelle 10 geleitet werden.
Das Verhältnis des gekühlten Abgases und des Abgases mit reduzierten Partikeln aus dem Rückzirkulationssystem 18 im Verhältnis zur Einlassluft kann durch das Rückzirkulationsventil 46 und das Einleitungsventil 20 geregelt werden. Wie oben beschrieben, kann die Flussposition des Rückzirkulationsventils 46 und des Einleitungsventils 20 in Beziehung stehen. Wenn der Fluss der Einlassluft in die Leistungsquelle 10 über das Einleitungsventil 20 zunimmt, nimmt der Fluss des gekühlten Abgases mit verringerten Partikeln in die Leistungsquelle 10 ab. Wenn der Fluss der Einlassluft in die Leistungsquelle 10 über das Einleitungsventil 20 abnimmt, steigt in ähnlicher Weise der Fluss des gekühlten Abgases mit reduzierten Partikeln in die Leistungsquelle 10.
Wenn der zweite Abgasfluss die Turbine 30 verlässt, kann er durch den zweiten Partikelfilter 32 gefiltert werden, um zusätzliche Partikelstoffe zu entfernen. Ähnlich wie der erste Partikelfilter 28 und der Rückzirkulationsfilter 42 kann der zweite Partikelfilter 32 auch passiv und/oder aktiv regeneriert werden, um die Menge von HC-, CO- und/oder Partikelstoffen zu reduzieren, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Abgasbehandlungssystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und bei der praktischen Ausführung des offenbarten Abgasbehandlungssystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Abgasbehandlungssystem (12) für eine Leistungsquelle (10), das Folgendes aufweist: ein Lufteinleitungssystem (14); ein Auslasssystem (16), das Folgendes aufweist: einen ersten Partikelfilter (28); und einen zweiten Partikelfilter (32), der in Reihe mit dem ersten Partikelfilter angeordnet ist; und ein Rückzirkulationssystem (18), das konfiguriert ist, um mindestens einen Teil eines Abgasflusses von einer Stelle zwischen dem ersten Partikelfilter und dem zweiten Partikelfilter abzuziehen und zumindest diesen Teil des Abgasflusses zum Lufteinleitungssystem zu leiten.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Rückzirkulationssystem weiter einen Rückzirkulationspartikelfilter (42) aufweist, der konfiguriert ist, um Partikel aus mindestens einem Teil des Abgasflusses zu entfernen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Partikelfilter ein grobes Gitter bzw. einen groben Filter aufweist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Partikelfilter einen größeren Partikelauffangwirkungsgrad als der erste Partikelfilter hat.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Lufteinleitungssystem weiter mindestens einen Kompressor (22) aufweist; das Auslasssystem weiter mindestens eine Turbine (30) aufweist, die mit dem mindestens einen Kompressor verbunden ist und stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordnet ist; und wobei das Rückzirkulationssystem zumindest den Teil eines Abgasflusses von einer Stelle stromabwärts der mindestens einen Turbine abzieht und mindestens einen Teil des Abgasflusses zum Lufteinleitungssystem stromaufwärts des mindestens einen Kompressors leitet.
Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems (12) für eine Leistungsquelle (10), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Einleiten von Luft in die Leistungsquelle; Leiten eines Abgasflusses weg von der Leistungsquelle; Ausfiltern von Partikeln, die in dem Abgasfluss eingeschlossen sind, über einen ersten Partikelfilter (28); Leiten eines ersten Teils des Abgasflusses von einer Stelle stromabwärts des ersten Partikelfilters in die Leistungsquelle; Leiten eines zweiten Teils des Abgasflusses von einer Stelle stromabwärts des ersten Partikelfilters in einen zweiten Partikelfilter (32); und Filtern von Partikeln aus dem Abgasfluss mit dem zweiten Partikelfilter.
Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter das Regulieren des Flusses der ersten Teils des Abgasflusses aufweist, der in die Leistungsquelle geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter das Filtern des ersten Teils des Abgasflusses mit einem Rückzirkulationspartikelfilter (42) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Partikelfilter einen größeren Partikelauffangwirkungsgrad hat als der erste Partikelfilter.
Leistungssystem, das Folgendes aufweist: eine Leistungsquelle (10), die betreibbar ist, um einen Abgasfluss zu erzeugen; und ein Abgasbehandlungssystem (12) nach einem der Ansprüche 1-5, das konfiguriert ist, um den Abgasfluss aufzunehmen.