DE102005057456A1

DE102005057456A1 - Regenerations-Managementsystem für eine Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102005057456A1
Application number: DE102005057456A
Authority: DE
Inventors: Cornelius N. Peoria Opris
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2006-08-10
Also published as: US20060168951A1; JP2006214438A

Abstract

Ein Regenerationssystem (100) für eine Arbeitsmaschine (10) kann eine Energiequelle (16) besitzen, welche die Erzeugung einer Ausgangsleistung ermöglicht. Das Regenerationssystem kann dabei ein Abgaselement (114) aufweisen, das eine Vielzahl getrennt voneinander regenerierbarer Filterabschnitte (202, 204, 206) umfasst. Eine Regenerationseinrichtung (106) kann mit der Energiequelle gekoppelt und derart ausgebildet sein, dass sie den Einsatz wenigstens eines Teils der Ausgangsleistung zur Regeneration eines oder mehrerer Filterabschnitte des Abgaselements ermöglicht. Das Regenerationssystem kann darüber hinaus eine Steuereinrichtung (104) besitzen, welche zur Bestimmung eines für die Regeneration des Abgaselements verfügbaren Anteils an der Ausgangsleistung dient. Die Steuereinrichtung kann des Weiteren zur Bestimmung einer Zahl an Filterabschnitten dienen, welche sich auf der Basis des für eine Regeneration verfügbaren Anteils an der Ausgangsleistung regenerieren lassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Beschreibung ist auf die Regeneration von Abgas-Systemkomponenten gerichtet und, insbesondere, auf Systeme und Verfahren zur Regeneration von Abgas-Systemkomponenten auf der Basis eines Leistungsanteils, welcher zur Regeneration zur Verfügung steht.

Hintergrund

Arbeitsmaschinen einschließlich Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere bekannte Motoren erzeugen Luftschadstoffe. Diese Luftschadstoffe können aus gasförmigen und festen Materialien bestehen, die ihrerseits Feststoffteilchen enthalten. Solche Feststoffteilchen können unverbrannte Kohlenstoffpartikel enthalten, die man auch mit Ruß bezeichnet. Darüber hinaus können solche Feststoffteilchen Asche enthalten, welche zur Reduzierung des Säuregehalts von Öl in Motorenölen eingesetzt werden kann.

Die entstandenen Feststoffteilchen können aus einem Abgasstrom herausgefiltert werden. Zum Herausfiltern von Feststoffteilchen aus einem Abgasstrom lassen sich die unterschiedlichsten Technologien anwenden. Eine dieser Technologien sieht die Verwendung eines Abgaselements, z.B. eines Partikelfilters vor. Partikelfilter fangen die in einem Abgasstrom befindlichen Partikel in einer Weise auf, dass der Abgasstrom sauberer ist, wenn er in die Luft ausgestoßen wird im Vergleich zu seinem Zustand, wenn er aus der Arbeitsmaschine austritt. Es gibt bekannte Partikelfilter der unterschiedlichsten Ausführung. Einige Filter enthalten dabei poröses Filtermaterial oder, alternativ Drahtgeflecht. Die Poren bzw. das Drahtgeflecht lassen das Einfangen von Feststoffteilchen im Abgasstrom zu, wenn dieser Abgasstrom vom Eingang zum Ausgang eines Filters hindurch strömt.

Die im Filter festgehaltenen Feststoffteilchen können letztendlich zu einem Verstopfen des Filters und zur Reduzierung der Betriebseffizienz der Arbeitsmaschine führen. Wenn das Filter verstopft, dann erhöht sich der Abgasdruck auf die Arbeitsmaschine. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Arbeitsmaschine mehr Benzin verbraucht, um die selbe Leistung zu erbringen, die sie bei nicht verstopftem Filter erbringen kann.

Diese und andere Probleme lassen sich durch periodische Reinigung des Filters vermeiden. Es sind unterschiedliche Verfahren zur Filterreinigung bekannt. Ein Verfahren zur Filterreinigung sieht vor, dass die Feststoffteilchen auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der sie verbrennen oder verdampfen. Diese Art von Filterreinigung kann man auch mit Regeneration bezeichnen.

Es wurden unterschiedliche Regenerationssysteme zur Regeneration eines Abgaselements vorgeschlagen. Viele dieser bekannten Systeme sehen das Anheben der Temperatur im Abgaselement vor, um bei der Regeneration behilflich zu sein. Im U.S. Patent Nr. 6,422,001 im Namen von Sherman et al („das '001 Patent"), welches am 23. Juli 2002 erteilt worden ist, ist z.B. ein Verfahren zur Regeneration von Partikelfiltern durch Anpassung der Motorparameter in Bezug auf eine Erhöhung der Abgastemperatur beschrieben. Wenn der Abgasdruck im Filter eine vorgegebene Schwelle überschreitet, dann wird bei diesem Verfahren die Motorengeschwindigkeit gedrosselt und die Last auf den Motor wird vergrößert. Dies führt dazu, dass die Temperatur des aus dem Motor ausströmenden Abgasstroms sich erhöht und, als Folge davon, die Temperatur des Filters ansteigt. Dieser Anstieg in der Filtertemperatur trägt offensichtlich zur Regeneration des Filters bei.

Das System nach dem '001 Patent lässt sich zwar zur Regeneration eines Abgaselements einsetzen, das bekannte Verfahren hat jedoch mehrere Nachteile. Das System ist z.B. nicht in der Lage, die zur Regeneration verfügbare Leistung in effizienter Weise einzusetzen. Unter gewissen Bedingungen kann lediglich ein Teil des Abgaselements einer Regeneration bedürfen, nicht aber das gesamte Abgaselement. Das System nach dem '001 Patent kann jedoch nicht den Anteil an Leistung bestimmen, welcher zur Regeneration des gesamten oder eines Teils des Abgaselements erforderlich ist. Schließlich fehlt diesem System die Fähigkeit zur Bestimmung, wie viel Leistung zur Regeneration verfügbar ist sowie die Fähigkeit, lediglich einen Teil des Abgaselements zu regenerieren.

Die vorliegende Beschreibung erklärt, in welcher Weise eines oder mehrere der Probleme vermeidbar sind, die bei den Regenerationssystemen nach dem Stand der Technik bestehen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung umfasst ein Regenerationssystem. Dieses Regenerationssystem kann eine Energiequelle umfassen, welche eine bestimmte Ausgangsleistung erzeugt. Das Regenerationssystem kann darüber hinaus ein Abgaselement aufweisen, welches mehrere, getrennt voneinander regenerierbare Filterabschnitte besitzt. Eine Regenerationseinrichtung lässt sich dabei mit einer Energiequelle verknüpfen und in einer Weise einsetzen, dass zumindest ein Teil der Ausgangsleistung zur Regeneration eines oder mehrerer Filterabschnitte des Abgaselements verwendbar ist. Das Regenerationssystem kann auch eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu dient, einen Anteil an der Ausgangsleistung festzulegen, welcher zur Regeneration des Abgaselements verfügbar ist. Die Steuereinrichtung kann auch dazu dienen, dass sie die Zahl der Filterabschnitte festlegt, welche sich durch den zur Regeneration verfügbaren Leistungsanteil an der Ausgangsleistung regenerieren lassen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Steuerung der Regeneration eines Abgaselements. Dieses Verfahren sieht vor, dass Abgas durch eine Vielzahl getrennt voneinander regenerierbarer Filterabschnitte des Abgaselements hindurch fließt. Das Verfahren kann dabei auch auf der Basis einer oder mehrere Betriebskennlinien einer Energiequelle einen zur Regeneration verfügbaren Leistungsanteil bestimmen. Das Verfahren kann darüber hinaus die Anzahl an Filterabschnitten bestimmen, die aufgrund des zur einer Regeneration verfügbaren Leistungsanteils regeneriert werden können.

Ein weiterer Aspekt der Beschreibung betrifft eine Arbeitsmaschine. Diese Arbeitsmaschine besitzt einen Rahmen. Die Maschine weist des weiteren einen Motor auf, welcher auf dem Rahmen gelagert ist und welcher eine Ausgangsleistung sowie einen Abgasstrom erzeugt. Die Arbeitsmaschine kann des weiteren eine Abgasleitung besitzen, die zur Aufnahme und Beförderung des Abgasstroms dient. Die Arbeitsmaschine kann darüber hinaus eine Partikelfalle besitzen, die ihrerseits eine Vielzahl getrennt voneinander regenerierbarer Filterabschnitte aufweist und die mit der Abgasleitung in einer Weise gekoppelt ist, dass zumindest ein Teil des Abgasstroms durch diese Partikelfalle strömt. Die Arbeitsmaschine kann darüber hinaus eine Regenerationseinrichtung aufweisen, die mit der Partikelfalle gekoppelt ist. Schließlich kann die Arbeitsmaschine eine Steuereinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, einen Anteil an der Ausgangsleistung zu bestimmen, welcher zur Regeneration des Abgaselements verfügbar ist. Die Steuereinrichtung kann des weiteren derart gestaltet sein, dass sich damit die Zahl der Filterabschnitte bestimmen lässt, welche auf der Basis des zur Regeneration verfügbaren Anteils an der Ausgangsleistung regenerierbar sind. Die Steuereinrichtung kann auch dazu dienen, dass sie die Regeneration der verschiedenen Filterabschnitte veranlasst.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Arbeitsmaschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
2 zeigt ein Blockschaubild eines Regenerationssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgaselements gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels.
Ausführliche Beschreibung
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Arbeitsmaschine 10 gezeigt. Diese Arbeitsmaschine 10 kann eine Energiequelle 16 aufweisen, welche verschiedene Komponenten der Arbeitsmaschine 10 mit Leistung versorgt. Die Energiequelle 16 kann einen Motor 12 und/oder einen Leistungsverteiler 14 aufweisen. Der Motor 12 kann mit einem Abgassystem 18 gekoppelt sein.
Die Arbeitsmaschine 10 ist hier als Sattelzugmaschine dargestellt, es sind jedoch unterschiedlichste Maschinentypen als Arbeitsmaschine 10 denkbar. Bei der Arbeitsmaschine 10 kann es sich z.B. um einen Kettentraktor, einen Traktor mit Rädern, einen Muldenkipper, ein Kraftfahrzeug, ein Straßenfahrzeug, ein Geländefahrzeug, ein Kufenfahrzeug, einen stationärer Generator oder jede andere beliebige Einrichtung handeln, die einen Abgasstrom erzeugt.
Die Energiequelle 16 (beispielsweise der Motor 12 oder der Leistungsverteiler 14) kann jegliche Art von Energiequelle umfassen, welche dazu dient, eine oder mehrere Komponenten der Arbeitsmaschine 10 mit Leistung zu versorgen. Die Energiequelle 16 kann beispielsweise den Antrieb eines oder mehrer Antriebsräder 20 bewirken und einen nicht dargestellten Nebenantrieb, elektrische Komponenten oder jedes andere geeignete System mit Antriebsleistung versehen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Energiequelle 16 dazu dienen, dass sie Leistung zur Regeneration einer oder mehrere Komponenten des Abgassystems 18 zur Verfügung stellt.
Der Motor 12 kann die Form eines Dieselmotors, eines Benzinmotors, eines Elektromotors, einer Brennstoffzelle oder jeglicher anderer denkbarer leistungserzeugender Einrichtungen annehmen. Der Leistungsverteiler 14 lässt sich zur Verteilung der Antriebsleistung für unterschiedlichste Anwendungen einschließlich der Regeneration einsetzen. Der Leistungsverteiler 14 kann insbesondere zur Versorgung unterschiedlichster Einrichtungen, welche zur Regeneration Energie benötigen, mit elektrischer Leistung dienen, die von unterschiedlichen elektrischen Leistungserzeugern stammen. Der Leistungsverteiler 14 kann dabei aus Material bestehen, das elektrisch leitfähig ist. Solch ein Material ist in der Lage, elektrische Leitung zu übertragen. Der Leistungsverteiler 14 kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt sein. Während sich Aluminium oder Kupfer für die Herstellung des Leistungsverteilers 14 eignen, lassen sich selbstverständlich auch andere leitende Materialien gemäß dem Stande der Technik zum Bau eines solchen Leistungsverteilers 14 einsetzen.
Das Abgassystem 18 kann Komponenten umfassen, welche dazu dienen, dass von einem Motor oder einer sonstigen Einrichtung erzeugtes Abgas von dem Motor in die Atmosphäre entlassen wird. Das Abgassystem 18 kann beispielsweise eine Abgassammelleitung, ein Partikelfilter oder eine andere Filtereinrichtung, einen Abgaskatalysator oder eine sonstige Einrichtung mit Katalysator, einen Schalldämpfer und einen nicht dargestellten Auspuff aufweisen.
2 zeigt ein Blockschaubild eines Regenerationssystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Regenerationssystem 100 kann den Motor 12, den Leistungsverteiler 14, eine Steuereinrichtung 104, eine Regenerationseinrichtung 106 sowie eine Abgasleitung 108 besitzen. Des weiteren kann das Regenerationssystem 100 Drucksensoren 110 und 112 aufweisen. Mit dem Leistungsverteiler 14 können ein Generator 116, ein Hilfsaggregat („APU") 118 und jegliche andre Energiequellen 120 verbunden sein. Bei diesen anderen Energiequellen 120 kann es sich um eine oder mehrere Batterien handeln. In der Abgasleitung 108 wird ein Abgasstrom 122 transportiert.
Die Abgasleitung 108 dient zum Transport des Abgasstroms 122 vom Motor 12 zu einem Abgaselement 114. Die Abgasleitung 108 kann Röhren oder andere Bauelemente umfassen, welche die Bewegung des Abgasstroms 122 vom Motor 12 zum Abgaselement 114 erleichtern.
Das Abgaselement 114 kann beliebige Einrichtungen (wie beispielsweise eine Partikelfalle) aufweisen, mittels der vom Motor 12 erzeugter, im Abgasstrom 122 befindlicher Feststoffteilchen eingefangen werden können. Das Abgaselement 114 kann jeglichen Aufbau aufweisen, welcher dazu dient, dass damit im Abgasstrom 122 befindliche Teilchen eingefangen werden können. Bei einer Ausführungsform enthält das Abgaselement 114 eine poröse keramische Struktur, die dazu dient, im Abgasstrom 122 befindliche Feststoffteilchen einzufangen. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt das Abgaselement 114 ein Geflecht dergestalt, dass im Abgasstrom 122 enthaltene Feststoffteilchen festgehalten werden.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgaselements gemäß der beispielhaften Ausführungsform. Das Abgaselement 114 kann einen oder mehrere Filterabschnitte aufweisen. 3 zeigt z. B. ein Abgaselement 114 mit Filterabschnitten 202, 204 und 206. Jeder der Filterabschnitte 202, 204 und 206 kann für sich oder aber als Untergruppe, welche eine unterschiedliche Anzahl an Filterabschnitten umfasst, regenerierbar sein. Es sind unterschiedliche Verfahren anwendbar, um die Filterabschnitte jeweils für sich oder in einer Untergruppe zu regenerieren. Eine nicht näher dargestellte Ventilanordnung kann z.B. in einer Weise eingesetzt werden, dass sie den Abgasstrom 122 wahlweise am Zustrom zu einem oder mehreren der Filterabschnitte 202 oder 204 und 206 hindert. Die Regenerationseinrichtung 206 kann derart ausgebildet sein, dass sie zur Regeneration einzelner oder sämtlicher Filterabschnitte 202, 204 und 206 dient, welche vom Abgasstrom 122 abgeschnitten worden sind. In diesem Zusammenhang wurden zwar nur drei Filterabschnitte 202, 204 und 206 beschrieben, es versteht sich jedoch, dass das Abgaselement 114 jegliche beliebige Zahl an Filterabschnitten umfassen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Filterabschnitt ein Drahtgeflecht aufweisen, welches zum Einfangen von im Abgasstrom 122 vorhandenen Feststoffteilchen dient. Das Drahtgeflecht kann aus dem unterschiedlichsten Material hergestellt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Drahtgeflecht aus Material, welches elektrisch leitfähig ist. Wenn das Drahtgeflecht elektrisch leitfähig ist, dann lässt sich Spannung an das Drahtgeflecht legen. Dies führt dazu, dass die vom Drahtgeflecht in Folge seines Eigenliederstandes abgegebene Wärme zum Aufheizen der im Drahtgeflecht gefangenen Feststoffteilchen einsetzbar ist.
Es wird nunmehr erneut auf 2 Bezug genommen. Der Zeitpunkt, zu dem die Regeneration gestartet oder beendet wird, kann von dem im Abgaselement 114 beobachteten Druckabfall abhängig gemacht werden. Die Drucksensoren 110 und 112 lassen sich zur Bestimmung des Druckabfalls über das Abgaselement 114 einsetzen. Im Regenerationssystem 100 sind die unterschiedlichsten bekannten Drucksensoren verwendbar. Bei den Drucksensoren 110 und 112 kann es sich beispielsweise um Differential-Drucksensoren oder Messorgan-Drucksensoren handeln. Die Drucksensoren 110 und 112 lassen sich an jeder beliebigen Stelle der Arbeitsmaschine 10 anordnen. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor 110 dem Abgaselement 114 vorgeschaltet, während der Drucksensor 112 diesem nachgeschaltet ist. Der Unterschied zwischen dem vom Drucksensor 110 und dem Drucksensor 112 ermittelten Druck lässt sich zur Ermittlung eines beobachteten Druckabfalls über das Abgaselement 114 heranziehen.
Die Regenerationseinrichtung 106 lässt sich zur Regeneration des Abgaselements 114 einsetzen, wobei sie jegliche Art von Einrichtung umfassen kann, die in der Lage ist, Leistung in Hitze umzusetzen, die ihrerseits zur Regeneration wenigstens eines Teils des Abgaselements 114 genügt. Als Regenerationseinrichtung 106 lässt sich beispielsweise ein Wärmetauscher, ein Brenner oder ein Widerstandselement verwenden. Bei der dargestellten Ausführungsform können eines oder mehrere Widerstandsheizelemente als Teil der Regenerationseinrichtung 106 vorgesehen sein. Vom Leistungsverteiler 14 stammende, an die Widerstandsheizelemente angelegte variable Leistung kann zum Aufheizen dieser Elemente verwendet werden. Die von den Widerstandsheizelementen abgegebene Hitze kann zur Regeneration des Abgaselements 114 verwendet werden. Die von den Widerstandsheizelementen abgestrahlte Hitze kann insbesondere die Temperatur der im Abgaselement 114 gesammelten Feststoffteilchen auf eine Temperatur erhöhen, bei der diese Feststoffteilchen verbrennen oder verdampfen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung umfasst die Leistung solche Leistung, welche zur Erhöhung der Temperatur der im Abgaselement 114 angesammelten Feststoffteilchen verwendet wird sowie jegliche Energie, die in Leistung zur Erhöhung der Temperatur der im Abgaselement 114 angesammelten Feststoffteilchen umgewandelt werden kann.
Der Leistungsverteiler 14 kann für eine Regeneration des Abgaselements 114 die Regenerationseinrichtung 106 mit Leistung versorgen. Unterschiedliche elektrische Energiequellen/Energiespeichereinrichtungen lassen sich mit dem Leistungsverteiler 14 verbinden. Ein Generator 116, die APU 118 oder jede andere beliebige Energiequelle 120 (z.B. eine oder mehrere Batterien) können mit dem Leistungsverteiler 14 verbunden sein.
Der Generator 116 kann mit dem Motor 12 verbunden sein und zur Konvertierung von mechanischer Energie des Motors 12 in elektrische Energie dienen. Die vom Generator 116 erzeugte Leistung kann dem Leistungsverteiler 14 zugeführt werden. Der Motor 12 kann so ausgelegt sein, dass er variable Ausgangsleistung zur Regeneration des Abgaselements 114 erzeugt. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Ausgangsleistung des Motors 12, welcher von der Geschwindigkeit des Motors 12 abhängig sein kann, zur Regeneration eingesetzt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann Leistung der APU 118 zur Verwendung bei der Regeneration dem Leistungsverteiler 14 zugeführt werden. Bei der APU 118 kann es sich um eine Kombination eines kleinen Dieselmotors mit einem Generator oder einem Brennstoffzellengenerator handeln. Bei einem Ausführungsbeispiel lässt sich die APU 118 zur Erzeugung elektrischer Leistung einsetzen, wenn der Motor 12 mit geringer Drehzahl läuft oder wenn der der Motor 12 still steht. Von der APU 118 erzeugte elektrische Energie lässt sich mittels des Leistungsverteilers 14 der Regenerationseinrichtung 106 zuführen.
Zusätzlich lässt sich jede andere Energiequelle 120 mit dem Leistungsverteiler 14 verbinden, um die Regenerationseinrichtung 106 mit Energie zu versorgen. Beispielsweise lassen sich eine oder mehrere Batterien mit dem Leistungsverteiler 14 verbinden.
Die Steuereinrichtung 104 können Baugruppen enthalten, welche den Einsatz von Software ermöglichen. Die Steuereinrichtung 104 kann beispielsweise eine CPU, ein RAM oder I/O Module enthalten. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Steuereinrichtung 104 um eine Einheit handeln, welche zur Steuerung der Regeneration des Abgaselements 114 bestimmt ist. Alternativ kann die 104 Teil einer elektronischen Steuereinrichtung (ECU) der Arbeitsmaschine 10 sein oder mit dieser kooperieren.
Die Steuereinrichtung 104 lässt sich zur Steuerung des Betriebs unterschiedlichster Komponenten der Arbeitsmaschine 10 einsetzen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung 104 zur Steuerung des Betriebs der Regenerationseinrichtung 106 dienen. Die Steuereinrichtung 104 kann dabei beispielsweise zur Bestimmung des Startzeitpunkts für den Regenerationsprozess herangezogen werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Steuereinrichtung 104 den Betrieb der Regenerationseinrichtung 106 in Gang setzen. Die Steuereinrichtung 104 kann des weiteren zur Bestimmung des Zeitpunkts dienen, zu dem der Regenerationsprozess beendet werden soll. Ist dieser Zeitpunkt erreicht, dann kann die Steuereinrichtung 104 den Betrieb der Regenerationseinrichtung 106 außer Kraft setzen. Die Steuereinrichtung 104 kann derart ausgebildet sein, dass sie die Steuerung des Betriebs der Regenerationseinrichtung 106 mit der Hilfe eines oder mehrer elektronisch steuerbarer Elemente (nicht dargestellt) ermöglicht.
Die Steuereinrichtung 104 kann derart ausgebildet sein, dass mit ihr der Zeitpunkt für den Beginn und der Zeitpunkt für das Ende der Regeneration auf der Basis einer oder mehrerer Betriebsparameter des Motors und einer oder mehrerer Eigenschaften des Abgaselements festgelegt werden kann. Der Zeitpunkt für den Beginn der Regeneration und die Dauer der Regeneration kann beispielsweise vom Druckabfall über das Abgaselement 114 oder von der Ansammlung von Feststoffteilchen im Abgaselement 114 abhängig gemacht werden.
Die Steuereinrichtung 104 kann derart ausgebildet sein, dass mit ihr die Regeneration des Abgaselements 114 begonnen wird, wenn der über das Abgaselement 114 beobachtete Druckabfall einen geschätzten Druckabfall übersteigt. Hierbei ist zu beachten, dass es sich bei dem geschätzten Druckabfall um den erwarteten Druckabfall handelt, welcher sich berechnen lässt, wenn eine oder mehrere Betriebsbedingungen des Motors 12 und einer oder mehrere mit dem Abgaselement 114 verknüpfte Parameter bekannt sind. Die Steuereinrichtung 104 kann derart ausgestaltet sein, dass sie Ausgangssignale der Drucksensoren 110 und 112 empfängt, welche sich auf einen beobachteten Druckabfall über das Abgaselement 114 beziehen. Der geschätzte Druckabfall lässt sich auf der Basis einer oder mehrerer Betriebsbedingungen des Motors 12 und eines oder mehrerer mit dem Abgaselement 114 verbundener Parameter bestimmen. Beispielsweise lässt sich der geschätzte Druckabfall ΔP mittels folgender Gleichung ermitteln:
darin ist mit L = die Länge der Filterabschnitte 202, 204 und 206, mit Q = der Volumendurchsatz des Motor 12 stammenden Abgases, mit N = die Zahl der Filterabschnitte, mit H = die Breite eines jeden Filterabschnitts 202, 204 und 206 und mit μ die dynamische Viskosität des Abgases bezeichnet ist, und
wobei mit w die Standstärke der Filterabschnitte 202, 204 und 206 und mit k₀ die Wanddurchlässigkeit der Filterabschnitte 202, 204 und 206 bezeichnet ist. Es versteht sich, dass die Gleichung [1] eine Methode zur Bestimmung des geschätzten Druckabfalls über das Abgaselement 114 darstellt, dass aber auch andere geeignete Gleichungen eingesetzt werden können.
Mit der Steuereinrichtung 104 kann die Regeneration auf der Basis eines Vergleichs des geschätzten Druckabfalls zum beobachteten Druckabfall über das Abgaselement 114 gesteuert werden. Ist der geschätzte Druckabfall geringer als der beobachtete Druckabfall, dann dient dies als Indiz dafür, dass die Ansammlung von Feststoffteilchen im Abgaselement 114 einen derartigen Wert erreicht hat, dass die zusätzliche Ansammlung von Feststoffteilchen die Effizienz des Motors 12 beeinträchtigt. Die Steuereinrichtung 104 kann die Regeneration des Abgaselements 114 beispielsweise dann in Gang setzen, wenn der geschätzte Druckabfall ΔP geringer ist als der beobachtete Druckabfall über das Abgaselement 114.
Die Steuereinrichtung lässt sich auch dahingehend ausbilden, dass mit ihr die Regeneration des Abgaselements 114 beendet wird, wenn, z.B., der geschätzte Druckabfall den beobachteten Druckabfall über das Abgaselement 104 übersteigt. Ist der geschätzte Druckabfall ΔP beispielsweise größer als der beobachtete, von den Drucksensoren 110 und 112 ermittelte Druckabfall, dann kann die Steuereinrichtung 104 derart ausgebildet sein, dass sie die Regeneration des Abgaselements 114 beendet.
Alternativ kann die Steuereinrichtung 104 in einer Weise ausgebildet sein, dass sie den Beginn und das Ende der Regeneration des Abgaselements 114 in Abhängigkeit von den im Abgaselement 114 gesammelten Feststoffteilchen veranlasst. Die Steuereinrichtung 104 kann dabei die Eigenschaft besitzen, dass sie einen geschätzten Grad an Ansammlung von Feststoffteilchen im Abgaselement 114 bestimmt und zwar auf Basis von einer oder mehrerer Betriebsbedingungen des Motors 12 und einem oder mehrerer mit dem Abgaselement 114 verknüpfter Parameter. Es ist hier festzuhalten, dass es sich bei dem geschätzten Grad an Ansammlung von Feststoffteilchen im Abgaselement 114 um den erwarteten Grad an Ansammlung von Feststoffteilchen handelt, welcher berechnet wird, wenn eine oder mehrere Betriebsbedingungen des Motors 12 und einer oder mehrere dem Abgaselement 114 zugeordnete Parameter bekannt sind. Die im Abgaselement 114 während der Zeitdauer (Δt) angesammelte Menge an Feststoffteilchen lässt sich beispielsweise mit folgender Gleichung bestimmen:
darin ist mit m₀ die Masse der im Abgaselement 114 zum Zeitpunkt t = t₁ vorhandenen Feststoffteilchen bezeichnet, wobei die Integrationsgrenzen t₁ und t₂ in Bezug zur Zeitspanne Δt stehen, wobei mit η die Filtereffizienz des Abgaselements bezeichnet ist, mit ξ die Porosität der Filterabschnitte im Abgaselement 114, mit C_in die Konzentration an Feststoffteilchen in dem Abgaselement 114 vorgelagerten Abgasstrom, mit Q der Volumendurchsatz des Abgasstroms und mit RR₀ die gesamte Verbrennungs-Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb des Motors bezeichnet ist. Es versteht sich, dass es sich bei der Gleichung [3] um eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ansammlung an Feststoffteilchen im Abgaselement 114 handelt, dass sich jedoch auch andere geeignete Gleichungen zur Bestimmung eines Anteils an Feststoffteilchen, welche in einem Abgaselement 114 angesammelt sind, eingesetzt werden können.
Unter Verwendung der Gleichung [3] kann die Steuereinrichtung 104 derart ausgebildet sein, dass sie die Regeneration des Abgaselementes 114 in Gang setzt, wenn der geschätzte Grad an Ansammlung von Feststoffteilchen, (m(Δt)), im Abgaselement 114 einen vorgeschriebenen maximalen Schwellenwert übersteigt. Die Steuereinrichtung kann auch derart ausgestaltet sein, dass sie die Regeneration beendet, wenn der geschätzte Grad an Ansammlung von Feststoffteilchen im Abgaselement unter einen vorgegebenen minimalen Schwellenwert fällt. Der maximale Schwellenwert kann dabei im Bezug stehen zu einem Wert, bei dem der Anteil an Feststoffteilchen, welche im Abgaselement angesammelt sind, dazu führt, dass die Leistungscharakteristik des Motors 12 dadurch beeinträchtigt wird. Gleichermaßen kann der minimale Schwellenwert einem Wert entsprechen, bei dem die Menge an im Abgaselement angesammelten Feststoffteilchen dazu führt, dass die Leistungscharakteristik des Motors 12 nicht weiter negativ beeinflusst wird.
Zusätzlich zur Bestimmung des Zeitpunkts, an dem die Regeneration des Abgaselements 114 eingeleitet wird, kann die Steuereinrichtung 104 auch derart gestaltet sein, das sie die Bestimmung der Zahl an Filterabschnitten 202, 204 und 206 zulässt, die auf der Basis der für eine Regeneration verfügbaren Leistung regeneriert werden. Um das zu bewerkstelligen, kann die Steuereinrichtung 104 derart ausgebildet sein, dass sie die Bestimmung der Leistung zulässt, welche zur Regeneration eines einzelnen Filterabschnittes erforderlich ist. Dabei kann die Steuereinrichtung 104 auch für eine Bestimmung der zur Regeneration verfügbaren Leistung ausgebildet sein. Auf der Basis der für eine Regeneration verfügbaren Leistung und der zur Regeneration eines einzelnen Filterabschnittes erforderlichen Leistung kann die Steuereinrichtung 104 auch zur Bestimmung der Zahl an Filterabschnitten, die regeneriert werden können, herangezogen werden. Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung, welche hier lediglich mit drei Filterabschnitten 202, 204 und 206 beschrieben ist, derart ausgestaltet sein kann, dass sich mit ihr jegliche Zahl an Filterabschnitten bestimmen lässt, welche auf der Basis der verfügbaren Leistung regeneriert werden können.
Die Steuereinrichtung 104 kann derart aufgebaut sein, dass sich mit ihr die für eine Regeneration des Abgaselements 114 erforderliche Gesamtleistung auf der Basis der Zahl an Filterabschnitten, welche regeneriert werden sollen, und des zur Regeneration eines jeden Filterabschnittes erforderlichen Leistungsanteils bestimmen lässt. Die zur Regeneration eines jeden Filterabschnittes 202, 204, 206 etc. erforderliche Leistung lässt sich anhand des zur Regeneration eingesetzten Mechanismus bestimmen. Jeder Mechanismus kann beispielsweise eine ihm zugeordnete Regenerationstemperatur aufweisen, wobei die zur Regeneration erforderliche Leistung auf der Basis einer Temperatur bestimmbar ist.
Ist alternativ der Volumendurchsatz des Abgasstroms des Motors 12 bekannt, dann lässt sich die zur Regeneration der Filterabschnitte 202, 204 und 206 erforderliche Energie durch die nachfolgende Gleichung bestimmen: Er = QmCp[Tr –Tc] [4]dabei ist mit E_r die für eine Regeneration erforderliche Energie bezeichnet, mit Q_m der Massendurchsatz des Abgasstroms, mit C_p die spezifische Hitze der Feststoffteilchen, mit T_r diejenige Temperatur, bei der die Regeneration stattfindet, und mit T_c die augenblickliche Temperatur des Filterabschnittes.
Die Steuereinrichtung 104 kann derart ausgebildet sein, dass sich mit ihr ein für die Regeneration eines Abgaselements 114 verfügbarer Leistungsanteil bestimmen lässt, in dem man die Differenz zwischen einem von der Energiequelle 16 erzeugten Leistungsanteil und eine auf diese Energiequelle 16 wirkenden Last ermittelt. Die von der Energiequelle 16 erzeugte Leistung lässt sich auf der Basis der Betriebsbedingungen des Motors und der Kennwerte der Energiequelle 16 bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Energiequelle 16 einen Motor 12 aufweist, kann die Steuereinrichtung 104 in einer Weise ausgebildet sein, dass sich mit ihr eine maximal verfügbare Leistung des Motors 12 auf der Basis einer vorgegebenen Motordrehzahl bestimmen lässt. Die Steuereinrichtung 104 kann diese Daten von der Leistungskurve des Motors 12 ableiten. Die Leistungskurve des Motors 12 gibt für eine vorgegebene Motordrehzahl die vom Motor 12 erzeugte Leistung an.
Die Steuereinrichtung 104 kann des weiteren derart ausgestaltet sein, dass sich die Last auf den Motor 12 bestimmen lässt. Viele Faktoren können zusammenwirken, um eine Last auf den Motor auszuüben. Beispielsweise können der Betrieb von Arbeitsgeräten, der Betrieb von Fahrantrieben (zur Bewegung der Arbeitsmaschine), Heizung-/Kühlsysteme, Hilfssysteme einschließlich an Bord befindlicher elektronischer Einrichtungen, usw. alle in einer Weise zusammenwirken, dass eine Last auf den Motor 12 entsteht. Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Drehmomenteneinrichtung zur Messung der Last auf den Motor 12 eingesetzt werden.
Die Steuereinrichtung 104 kann derart ausgebildet sein, dass mit ihr der vom Motor 12 erzeugbare Leistungsanteil bestimmbar ist, der zur Handhabung der auf den Motor 12 wirkenden Last bei einer vorgegebenen Motordrehzahl eingesetzt wird. Die Steuereinrichtung 104 kann diese Information beispielsweise durch Zugang zu Daten erreichen, welche den Leistungsanteil in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Last auf den Motor 12 angeben. Die Steuereinrichtung 104 kann dabei die Differenz zwischen der vom Motor 12 erzeugten Leistung bestimmen und daraus den Leistungsanteil ermitteln, welcher vom Motor 12 zur Regeneration des Abgaselements 114 zur Verfügung steht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel lässt sich die Leistung, welche von den verschiedenen mit dem Leistungsverteiler 14 verbundenen leistungserzeugenden Einrichtungen (beispielsweise APU 118 sowie andere Energiequellen 120) verbraucht wird, und ihre entsprechenden Nennleistungen zur Bestimmung des Leistungsanteils heranziehen, welcher von diesen Einrichtungen zur Regeneration zur Verfügung steht. Ist z.B. eine Batterie (nicht dargestellt) mit dem Leistungsverteiler 14 verbunden, dann kann der von der Batterie entnommene Strom von der Steuereinrichtung 104 überwacht und zur Bestimmung der Leistung herangezogen werden, die von der Batterie auf den Leistungsverteiler 14 wirkt. Ist die APU 18 als Energiequelle für den Leistungsverteiler 14 alternativ verfügbar, dann kann der von der APU 18 abfliesende Strom von der Steuereinrichtung 104 überwacht und zur Bestimmung der Leistung herangezogen werden, welche von der APU 18 dem Leistungsverteiler 14 zugeführt wird. Unter Einsatz dieser Information und bekannter Leistungskennrichtlinienwerte für jede einzelne der leistungserzeugenden Einrichtungen, kann die Steuereinrichtung 104 den Leistungsanteil bestimmen, welcher von diesen Einrichtungen zur Regeneration zur Verfügung steht.
Die Steuereinrichtung 114 kann derart ausgebildet sein, dass sich mit ihr ein Wert für die Effizienz der Regeneration berechnen lässt. Dieser Wert für die Effizienz der Regeneration kann auf die Zahl an Filterabschnitten, welche regeneriert werden, und einen Leistungsanteil, der zur Regeneration eingesetzt wird, basiert werden. Darüber hinaus kann der Anteil an Feststoffteilchen, welcher nach der Regeneration in den regenerierten Filterabschnitten zurück bleibt, ebenfalls zur Bestimmung der Effizienzrate für die Regeneration herangezogen werden. Der Betrag an Feststoffteilchen, welche sich im Abgaselement 114 ansammeln, lässt sich auf Basis der Differenz zwischen den im Abgaselement 114 vorhandenen Feststoffteilchen und dem während der Regeneration oxidierten Anteil an Feststoffteilchen bestimmen. Der Betrag an oxidierten Feststoffteilchen während der Regeneration eines Abgaselements 114 lässt sich auf der Basis der Reaktionskinetik der für die Regeneration eingesetzten Technologie bestimmen. Wird z.B. ein Widerstandsheizelement als Regenerationseinrichtung 106 verwendet, dann lässt sich die Oxidations- Reaktionsrate durch bekannte Gleichungen (wie beispielsweise die Arrhenius-Gleichung) ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel lässt sich der Wirkungsgrad ermitteln als:
Dabei ist mit η der Wirkungsgrad der Regeneration, mit So der Betrag an Feststoffteilchen, welche während der Regeneration oxidieren, und mit S_a der Betrag an im Abgaselement 114 gefangenen Feststoffteilchen bezeichnet.
Die Zahl an regenerierten Filterabschnitten, der Betrag an Feststoffteilchen, welcher nach Regeneration in den regenerierten Filterabschnitten zurück bleibt, und die für eine Regeneration eingesetzte Gesamtleistung lassen sich demzufolge zur Bestimmung des Regenerationswirkungsgrades einsetzen.
Industrielle Anwendbarkeit
Das hier beschriebene Regenerationssystem lässt sich zum Einsatz in jedem beliebigen System verwenden, welches von der Regeneration eines Abgaselements profitiert. Durch Berechnung der in einer Arbeitsmaschine zur Regeneration verfügbaren Leistung und durch Regeneration eines Teils oder des gesamten Abgaselements, auf der Basis der verfügbaren Leistung, verwendet das hier beschriebene System die maschinenseitig verfügbare Leistung in besonderes effizienter Weise.
Durch Einsatz des hier beschriebenen Regenerationssystems kann eine Arbeitsmaschine zur Regeneration eines Abgaselementes immer dann eingesetzt werden, wenn zur Regeneration eines Teils des Abgaselementes genügend Leistung zur Verfügung steht. Hierdurch lässt sich die Standzeit des Abgaselementes verlängern, weil es häufiger regeneriert werden kann. Das System kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass immer dann, wenn zur Regeneration ausreichend Leistung vorhanden ist, wenigsten einer oder mehrere Filterabschnitte vollständig oder teilweise regeneriert werden können. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Filterelement verstopft, wird demzurfolge reduziert. Des weiteren lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Abgaselement ausfällt, weil es durch Feststoffteilchen verstopft ist, reduzieren.
Durch Überwachung der Regenerationseffizienz, kann das hier beschriebene System dafür sorgen, dass die geräteseitig verfügbare Leistung in effizienter Weise zum Zwecke der Regeneration verwendet wird. Das System kann dabei den jeweiligen Wert an Regenerationseffizienz zur Bestimmung der Zahl der Filterabschnitte heranziehen, die beim nächsten Regenerationszyklus regeneriert werden, oder aber den Betrag an geräteseitiger Leistung, welche es für den nächsten Regenerationszyklus einsetzen würde. Ist beispielsweise der Betrag an Feststoffteilchen, welche in den regenerierten Filterabschnitten nach der Regeneration zurück geblieben sind, zu hoch, dann kann das System die Anzahl an Filterabschnitten, welche innerhalb des nächsten Regenerationszyklus regeneriert werden soll, reduzieren oder aber den Betrag an Leistung, welcher von der geräteseitig verfügbaren Leistung zur Regeneration innerhalb des nächsten Regenerationszyklus verwendet wird, erhöhen.
Zur Sicherstellung, dass die für eine Regeneration verfügbare Leistung verwendet wird, kann das beschriebene System dafür sorgen, dass die auf den Motor in Folge der Regeneration einwirkende Last reduziert wird. Dies wird dadurch bewirkt, dass das System immer nur dann eine Regeneration zulässt, wenn geräteseitig bereits ausreichend Leistung für eine Regeneration zur Verfügung steht. Ist einer derartige Leistung vorhanden, dann lässt das System, an Stelle die Last auf den Motor zu vergrößern, um Leistung für eine Regeneration verfügbar zu machen, keine derartige Regeneration zu. Diese Eigenschaft ins insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Last auf den Motor, welche durch andere Systeme bedingt ist, hoch ist. Wird das Abgaselement andererseits mit der für eine Regeneration verfügbaren Leistung regeneriert, dann macht das hier beschriebene System effizienten Gebrauch von der verfügbaren Überschussleistung, wenn die auf den Motor einwirkende Last gering ist.
Für den Duchschnittsfachmann ergibt sich dabei ohne weiteres, dass unterschiedliche Modifikationen und Variationen im hier beschriebenen Regenerationssystem denkbar sind, ohne dabei vom Offenbahrungsumfang abzuweichen. Darüber hinaus sind andere Ausführungsformen des beschriebenen Systems für solche Durchschnittsfachleute bei Kenntnis der Beschreibung denkbar. Die Beschreibung und die Beispiele sind lediglich als exemplarische Beispiele gedacht, wobei der wahre Schutzumfang durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre equivalenten Ausführungsformen abgedeckt ist.

Claims

Regenerationssystem (100), umfassend eine Energiequelle (16) die zur Erzeugung einer Ausgangsleistung dient; ein Abgaselement (114), welches eine Vielzahl getrennt voneinander regenerierbarer Filterabschnitte (202, 204, 206) besitzt; eine mit der Energiequelle gekoppelte Regenerationseinrichtung (106), mittels der zumindest ein Teil der Ausgangsleistung zur Regeneration eines oder mehrerer Filterabschnitte des Abgaselements einsetzbar ist; und eine Steuereinrichtung (104) dergestalt, dass sich mit ihr ein für eine Regeneration des Abgaselements verfügbarer Anteil an der Ausgangsleistung bestimmen lässt und eine Zahl an Filterabschnitten bestimmen lässt, die auf der Basis des für eine Regeneration verfügbaren Anteils an der Ausgangsleistung regeneriert werden können.
Regenerationssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung des weiteren derart ausgestaltet ist, dass sie für die Einleitung der Regeneration der Zahl an Filterabschnitten sorgt.
Regenerationssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung des weiteren derart ausgestaltet ist, dass sie die Berechnung eines Regenerations-Effizienzwerts zulässt und zwar auf der Basis der Zahl an Filterabschnitten, die regeneriert werden, und eines für die Regeneration eingesetzten Leistungsanteils.
Regenerationssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung eines oder mehrerer Ventilelemente dient, so dass der auf die Vielzahl an Filterabschnitten während der Regeneration dieser Filterabschnitte einwirkende Luftstrom selektiv steuerbar ist.
Regenerationssystem gemäß Anspruch 1, wobei sich der für eine Regeneration verfügbare Anteil an der Ausgangsleistung auf der Basis der Differenz zwischen der Ausgangsleistung der Energiequelle und einer auf diese Energiequelle wirkenden Last bestimmen lässt.
Regenerationssystem gemäß Anspruch 1, wobei sich die Zahl der Filterabschnitte, die regeneriert werden können, bestimmen lässt auf der Basis eines zur Regeneration eines einzelnen Filterabschnittes erforderlichen Leistungsanteils.
Regenerationssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Energiequelle einen Motor (12) umfasst, der einen Abgasstrom erzeugt, welcher dem Abgaselement zugeführt wird.
Verfahren zur Steuerung der Regeneration eines Abgaselements (114) umfassend die Verfahrensschritte: Hindurchleiten eines Abgasstroms (122) durch eine Vielzahl getrennt voneinander regenerierbarer Filterabschnitte (202, 204, 206) des Abgaselements; Bestimmung des für eine Regeneration verfügbaren Leistungsanteils auf der Basis eines oder mehrerer Betriebsparameter einer Energiequelle (16); und Bestimmung einer Zahl an Filterabschnitten, welche regeneriert werden können, auf der Basis des für eine Regeneration verfügbaren Leistungsanteils.
Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt der Einleitung der Regeneration der Zahl an Filterabschnitten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Verfahrensschritt der Bestimmung des für eine Regeneration verfügbaren Leistungsanteils den Verfahrensschritt der Bestimmung einer zwischen der Ausgangsleistung der Energiequelle und der auf diese Energiequelle einwirkenden Last bestehenden Differenz umfasst.