DE102006021834A1

DE102006021834A1 - Abgasbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102006021834A1
Application number: DE102006021834A
Authority: DE
Inventors: Cornelius N. Peoria Opris; John P. Chillicothe Timmons; Mari Lou Chillicothe Balmer-Millar; Cho Y. Henderson Liang; Anil Chillicothe Raina
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CN1880736A; US7107764B1; US20060288692A1

Abstract

Ein Abgasbehandlungssystem einer Leistungsquelle weist Filtermittel mit einem Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass auf. Das Abgasbehandlungssystem weist auch Regenerationsmittel auf, die außerhalb des Gehäuses der Filtermittel angeordnet sind und strömungsmittelmäßig mit dem Einlass des Gehäuses verbunden sind. Das Abgasbehandlungssystem weist weiter eine Abgasleitung auf, die konfiguriert ist, um dabei zu helfen, einen Teil eines gefilterten Abgasflusses aus dem Auslass zur Leistungsquelle zu leiten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Abgasbehandlungssystem und insbesondere auf ein Abgasbehandlungssystem mit einer Regenerationsvorrichtung.

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 Zusammensetzungen bestehen, die Stickoxide (NOx) und feste Partikelstoffe aufweisen können, die unverbrannte Kohlenstoffpartikel aufweisen können, die Ruß genannt werden.

Auf Grund gesteigerter Rücksichtnahme auf die Umwelt sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden, und die Menge der gasförmigen Verbindungen, die in die Atmosphäre aus einem Motor ausgestoßen werden, können abhängig von der Art des Motors, abhängig von der Größe des Motors und/oder von der Klasse des Motors geregelt werden. Ein Verfahren, welches von Motorherstellern verwendet worden ist, um die Regelungen dieser Abgasemissionen zu erfüllen, ist die Abgasrückzirkulation (AGR). Abgasrückzirkulationssysteme zirkulieren die Abgasnebenprodukte in die Einlassluftversorgung des Verbrennungsmotors. Das Abgas, welches zum Motorzylinder geleitet wird, verringert die Konzentration des Sauerstoffes innerhalb des Zylinders und steigert die spezifische Wärme der Luft/Brennstoff-Mischung, wodurch die maximale Verbrennungstemperatur in dem Zylinder abgesenkt wird. Die abgesenkte maximale Verbrennungstemperatur und die reduzierte Sauerstoffkonzentration können die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses verlangsamen und die Bildung von NOx verringern.

Bei vielen Abgasrückzirkulationsanwendungen wird das Abgas durch einen Partikelfilter und einen Katalysator geleitet, der Edelmetalle enthält. Der Partikelfilter kann einen Teil der festen Partikelstoffe aufnehmen, die von dem Abgas mitgeführt werden. Nach einer Periode der Anwendung kann der Partikelfilter gesättigt werden und eine Reinigung durch einen Regenerationsprozess erfordern, wobei die Partikelstoffe aus dem Filter gespült werden. Zusätzlich kann der Katalysator einen Teil der unverbrannten Kohlenstoffpartikel oxidieren, die in dem Abgas enthalten sind, und kann Schwefel, der im Abgas vorhanden ist, in Sulfat (SO₃) umwandeln.

Wie im US-Patent 6 427 436 (dem '436-Patent) gezeigt, kann ein Filtersystem verwendet werden, um Partikelstoffe aus einem Fluss von Motorabgas zu entfernen, bevor ein Teil des Gases zurück zu einem Einlassluftstrom des Motors geleitet wird. Insbesondere offenbart das '436-Patent einen Motorabgasfilter, der einen Katalysator und ein Filterelement enthält. Ein Teil des gefilterten Abgases wird stromabwärts des Filters herausgezogen und zu einem Einlass des Motors durch eine Rückzirkulationsschleife geleitet.

Obwohl das Filtersystem des '436-Patentes den Motor vor schädlichen Partikelstoffen schützen kann, kann der Katalysator Schwefel, der im Abgas vorhanden ist, in Sulfat umwandeln. Wie oben erwähnt, kann die Bildung von Sulfat verursachen, dass die Partikelemissionen die festgelegten Niveaus überschreiten.

Das offenbarte Abgasbehandlungssystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung weist ein Abgasbehandlungssystem einer Leistungsquelle einen Filter mit einem Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass auf, und eine Regenerationsvorrichtung, die außerhalb des Gehäuses des Filters angeordnet ist. Die Regenera tionsvorrichtung ist strömungsmittelmäßig mit dem Einlass des Gehäuses verbunden. Das Abgasbehandlungssystem weist auch eine Abgasleitung auf, die konfiguriert ist, um dabei zu helfen, einen Teil eines gefilterten Flusses des Abgases aus dem Filterauslass zur Leistungsquelle zu leiten.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung weist ein Abgasbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors einen Filter und eine Regenerationsvorrichtung auf, die strömungsmittelmäßig mit dem Filter verbunden ist. Die Regenerationsvorrichtung ist konfiguriert, um selektiv dabei zu helfen, die Temperatur eines gesamten Abgasflusses des Verbrennungsmotors bis zu einer erwünschten Temperatur zu steigern. Das Abgasbehandlungssystem weist weiter eine Abgasleitung auf, die konfiguriert ist, um einen Teil eines gefilterten Flusses des Abgases vom Filter zum Verbrennungsmotor zu leiten.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zur Entfernung von Stoffen aus einem Filter eines Verbrennungsmotors auf, den Druck eines Abgasflusses des Motors zu reduzieren und eine brennbare Substanz in dem Abgasfluss stromaufwärts des Filters einzuleiten. Das Verfahren weist auch auf, die brennbare Substanz zu zünden, den Abgasfluss zu filtern und zumindest einen Teil des gefilterten Flusses zu einem Einlass des Motors zu leiten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine diagrammartige Veranschaulichung eines Motors mit einem Abgasbehandlungssystem gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

2 ist eine diagrammartige Darstellung eines Motors mit einem Abgasbehandlungssystem gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht eine Leistungsquelle 12 mit einem beispielhaften Abgasbehandlungssystem 10. Die Leistungsquelle 12 kann einen Motor aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor oder irgendeinen anderen Motor, der dem Fachmann offensichtlich ist. Die Leistungsquelle 12 kann alternativ irgendeine andere Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise einen Ofen, oder irgendeine andere in der Technik bekannte Leistungsquelle.
Das Abgasbehandlungssystem 10 kann konfiguriert sein, um Abgase aus der Leistungsquelle 12 zu leiten, die Gase zu behandeln und einen Teil der behandelten Gase in einen Einlass 21 der Leistungsquelle 12 einzuleiten. Das Abgasbehandlungssystem 10 kann eine Energieextraktionsanordnung 22 aufweisen, eine Regenerationsvorrichtung 20, einen Filter 16, einen Katalysator 18, eine Rückzirkulationsleitung 24, die strömungsmittelmäßig zwischen dem Filter 16 und dem Katalysator 18 angeschlossen ist, und einen Flusskühler 26. Das Abgasbehandlungssystem 10 kann weiter einen Flusssensor 28 aufweisen, ein Mischventil 30, eine Verdichtungsanordnung 32 und einen Nachkühler 34.
Ein Fluss des Abgases, der durch die Leistungsquelle 12 erzeugt wird, kann von der Leistungsquelle 12 zu Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10 durch Flussleitungen 15 geleitet werden. Die Flussleitungen 15 können Rohre, Schläuche, und/oder andere einen Abgasfluss führende Mittel aufweisen, die in der Technik bekannt sind. Die Flussleitungen 15 können aus Legierungen von Stahl, Aluminium, und/oder anderen in der Technik bekannten Materialien gemacht sein. Die Flussleitungen 15 können starr oder flexibel sein und können sicher Hochtemperatur-Abgasflüsse mit sich führen, wie beispielsweise Flüsse mit Temperaturen über 700 Grad Celsius (ungefähr 1292 Grad Fahrenheit).
Die Energieextraktionsanordnung 22 kann konfiguriert sein, um Energie aus den Abgasen herauszuziehen und den Druck der Abgase zu reduzieren, die von der Leistungsquelle 12 erzeugt werden. Die Energieextraktionsanordnung 22 kann strömungsmittelmäßig mit der Leistungsquelle 12 durch eine oder mehrere Flussleitungen 15 verbunden sein und kann den Druck der Abgase auf irgendeinen erwünschten Druck reduzieren. Die Energieextraktionsanordnung 22 kann eine oder mehrere Turbinen 14, Diffusohren oder andere Energieextraktionsvorrichtungen aufweisen, die in der Technik bekannt sind. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, wo die Energieextraktionsanordnung 22 mehr als eine Turbine 14 aufweist, kann die Vielzahl von Turbinen 14 in einer parallelen Beziehung oder in einer Reihenbeziehung angeordnet sein. Es sei auch bemerkt, dass in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Energieextraktionsanordnung 22 alternativ weggelassen werden kann. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Leistungsquelle 12 beispielsweise einen natürlich beatmeten Motor aufweisen. Wie genauer unten besprochen wird, kann eine Komponente der Energieextraktionsanordnung 22 in gewissen Ausführungsbeispielen konfiguriert sein, um eine Komponente der Kompressions- bzw. Verdichtungsanordnung 32 anzutreiben.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Regenerationsvorrichtung 20 strömungsmittelmäßig mit der Energieextraktionsanordnung 22 über die Flussleitung 15 verbunden sein, und kann konfiguriert sein, um die Temperatur eines gesamten Flusses des Abgases, welches von der Leistungsquelle 12 erzeugt wird, auf eine erwünschte Temperatur zu steigern. Die erwünschte Temperatur kann beispielsweise eine Regenerationstemperatur des Filters 16 sein. Entsprechend kann die Regenerationsvorrichtung 20 konfiguriert sein, um dabei zu helfen, den Filter 16 zu regenerieren. Alternativ kann in einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel die Regenerationsvorrichtung 20 konfiguriert sein, um die Temperatur von nur einem Teil des gesamten Flusses von Abgasen zu steigern, der von der Leistungsquelle 12 erzeugt wird. Die Regenerationsvorrichtung 20 kann beispielsweise eine Brennstoffeinspritzvorrichtung und eine (nicht gezeigte) Zündungsvorrich tung, (nicht gezeigte) Heizungsspulen und/oder andere in der Technik bekannte Wärmequellen aufweisen. Solche Wärmequellen können in der Regenerationsvorrichtung 20 angeordnet sein und konfiguriert sein, um dabei zu helfen, die Temperatur des Abgasflusses durch Konvektion, durch Verbrennung und/oder andere Verfahren zu steigern. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, bei dem die Regenerationsvorrichtung 20 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung und eine Zündungsvorrichtung aufweist, sei bemerkt, dass die Regenerationsvorrichtung 20 eine Lieferung einer brennbaren Substanz und eine Lieferung von Sauerstoff aufnehmen kann, um die Verbrennung in der Regenerationsvorrichtung 20 zu erleichtern. Die brennbare Substanz kann beispielsweise Benzin, Dieselbrennstoff, reformierter Brennstoff und/oder andere in der Technik bekannte brennbare Substanzen sein. Die Sauerstofflieferung kann zusätzlich zu dem Abgasfluss mit relativ niedrigem Druck vorgesehen sein, der zu der Regenerationsvorrichtung 20 durch die Flussleitung 15 geliefert wird. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Sauerstofflieferung von einem Gasfluss mitgeführt werden, der zu der Regenerationsvorrichtung 20 von einem Punkt stromabwärts der Verdichtungsanordnung 32 über eine Versorgungsleitung 40 geleitet wird. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Gasfluss beispielsweise rückzirkuliertes Abgas und Umgebungsluft aufweisen. Es sei bemerkt, dass in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Versorgungsleitung 40 strömungsmittelmäßig mit einem Auslass der Verdichtungsanordnung 32 verbunden sein kann. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Regenerationsvorrichtung 20 dimensioniert und/oder in anderer Weise konfiguriert sein, um in einem Motorabteil oder in einem anderen Abteil einer (nicht gezeigten) Arbeitsmaschine aufgenommen zu werden, an der die Leistungsquelle 12 angebracht ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Regenerationsvorrichtung 20 wünschenswerterweise beispielsweise in Verbindung mit dem Filter 16, der Energieextraktionsanordnung 22, dem Katalysator 18 und/oder der Leistungsquelle 12 kalibriert sein. Die Kalibrierung der Regenerationsvorrichtung 20 kann beispielsweise unter anderem die Einstellung der Rate, des Winkels und/oder der Zerstäubung aufweisen, mit der Brennstoff in die Regenerationsvorrich tung 20 eingespritzt wird, weiter die Einstellung der gelieferten Sauerstoffflussrate, die Einstellung der Intensität und/oder des Zündungsmusters der Zündungsvorrichtung und die Einstellung der Länge, des Durchmessers, des Befestigungswinkels und/oder von anderen Konfigurationen eines Gehäuses der Regenerationsvorrichtung 20. Eine solche Kalibrierung kann die Zeit reduzieren, die erforderlich ist, um den Filter 16 zu regenerieren, und die Brennstoffmenge oder andere brennbare Substanzen, die zur Regeneration benötigt werden. Irgendeines dieser Ergebnisse kann den Gesamtwirkungsgrad des Abgasbehandlungssystems 10 verbessern. Es sei bemerkt, dass der Wirkungsgrad der Abgasbehandlungssysteme 10,100, die hier beschrieben werden, durch eine Vielzahl von Faktoren gemessen werden kann, was unter anderem die Brennstoffmenge mit einschließt, die zur Regeneration verwendet wird, weiter die Länge der Regenerationsperiode und die Menge (ppm) der in die Atmosphäre abgegebenen Verunreinigungen.
Wie in 1 gezeigt, kann der Filter 16 stromabwärts der Regenerationsvorrichtung 20 angeschlossen sein. Der Filter 16 kann ein Gehäuse 25 haben, welches einen Einlass 23 und einen Auslass 31 aufweist. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Regenerationsvorrichtung 20 außerhalb des Gehäuses 25 angeordnet sein und kann strömungsmittelmäßig mit dem Einlass 23 des Gehäuses 25 verbunden sein. In einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Regenerationsvorrichtung 20 in dem Gehäuse 25 des Filters 16 angeordnet sein. Der Filter 16 kann irgendeine Filterart sein, die in der Technik bekannt ist, die Stoffe aus einem Gasfluss heraus ziehen kann. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Filter 16 beispielsweise ein Partikelstofffilter sein, der positioniert ist, um Partikel aus einem Abgasfluss der Leistungsquelle 12 heraus zu ziehen. Der Filter 16 kann beispielsweise ein Keramiksubstrat, ein Metallgitter, einen Schaum oder irgendein anderes in der Technik bekanntes poröses Material aufweisen. Diese Materialien können beispielsweise eine Honeycomb- bzw. Wabenstruktur in dem Gehäuse 25 des Filters 16 bilden, um die Entfernung von Partikeln zu erleichtern. Die Partikel können beispielsweise Ruß sein.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann ein Teil des Abgases, welches von dem Verbrennungsprozess erzeugt wird, über die Kolbenringe in ein (nicht gezeigtes) Kurbelgehäuse der Leistungsquelle 12 lecken. Dieser Teil des Abgases kann sich mit der Zeit in dem Kurbelgehäuse aufbauen, wodurch der Druck innerhalb des Kurbelgehäuses gesteigert wird. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann eine Entlüftungs- bzw. Ventilationsleitung 42 strömungsmittelmäßig mit dem Kurbelgehäuse der Leistungsquelle 12 verbunden sein. Die Ventilationsleitung 42 kann eine Rohrleitung, einen Schlauch und/oder andere einen Abgasfluss führende Mittel aufweisen, die in der Technik bekannt sind, und die strukturell ähnlich den oben beschriebenen Flussleitungen 15 sind. Die Ventilationsleitung 42 kann konfiguriert sein, um beispielsweise den Teil des Abgases von dem Kurbelgehäuse zu einem Anschluss 46 der Flussleitung 15 zu leiten. Der Anschluss 46 kann in der Flussleitung 15 irgendwo stromaufwärts des Filters 16 gelegen sein. Beispielsweise kann die Ventilationsleitung 42 dabei helfen, den Teil des Abgases aus dem Kurbelgehäuse zu einem Anschluss 46 zu leiten, der stromaufwärts der Regenerationsvorrichtung 20 angeordnet ist. Die Ventilationsleitung 42 kann beispielsweise ein Rückschlagventil 44 und/oder irgendeine andere in der Technik bekannte Ventilanordnung aufweisen. Das Rückschlagventil 44 kann konfiguriert sein, um dabei zu helfen, steuerbar einen Fluss des Strömungsmittels durch die Ventilationsleitung 42 zu regeln.
Das Abgasbehandlungssystem 10 kann weiter einen Katalysator 18 aufweisen, der stromabwärts des Filters 16 angeordnet ist. Der Katalysator 18 kann Katalysatormaterialien enthalten, die nützlich beim Sammeln, Absorbieren, Adsorbieren und/oder beim Speichern von Kohlenwasserstoffen, Schwefeloxiden und/oder Stickoxiden sind, die in einem Fluss enthalten sind. Solche Katalysatormaterialien können beispielsweise Aluminium, Platin, Palladium, Rhodium, Barium, Zer und/oder Alkali-Metalle, Alkali-Erden-Metalle, seltene Erden-Metalle oder Kombinationen davon aufweisen. Die Katalysatormaterialien können in dem Katalysator 18 gelegen sein, um den Oberflächenbe reich zu maximieren, der beispielsweise für die Aufnahme von Kohlenwasserstoffen verfügbar ist. Der Katalysator 18 kann beispielsweise ein Keramiksubstrat, ein Metallgitter, einen Schaum oder irgendwelches anderes in der Technik bekanntes poröses Material aufweisen, und die Katalysatormaterialien können beispielsweise auf einem Substrat des Katalysators 18 gelegen sein.
Wie in 2 veranschaulicht, kann bei einem zusätzlichen beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ein Filter 36 des Abgasbehandlungssystems 100 Katalysatormaterialien aufweisen, die nützlich beim Sammeln, Absorbieren, Adsorbieren und Speichern von Kohlenwasserstoffen, Schwefeloxiden und/oder Stickoxiden sind, die in einem Fluss enthalten sind. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Katalysator 18 (1) weggelassen werden. Die Katalysatormaterialien können beispielsweise irgendeines der oben mit Bezug auf den Katalysator 18 (1) besprochenen Katalysatormaterialien aufweisen. Die Katalysatormaterialien können in dem Filter 36 gelegen sein, um den Oberflächenbereich zu maximieren, der zur Absorption, zur Adsorption und/oder Speicherung verfügbar ist. Die Katalysatormaterialien können an einem Substrat des Filters 36 gelegen sein. Die Katalysatormaterialien können zum Filter 36 durch irgendwelche herkömmlichen Mittel hinzugefügt werden, wie beispielsweise Beschichtung oder Sprühen, und das Substrat des Filters 36 kann teilweise oder vollständig mit den Materialien beschichtet sein. Es sei bemerkt, dass die Anwesenheit von Katalysatormaterialien, wie beispielsweise Platin und/oder Palladium, stromaufwärts der Rückzirkulationsleitung 24 die Bildung von Sulfat in dem Abgasbehandlungssystem 100 zur Folge haben kann. Um die Schwefelmenge zu minimieren, die in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 2 gebildet wird, können entsprechend nur minimale Mengen von Katalysatormaterialien in dem Filter 36 vorgesehen sein.
Es sei auch bemerkt, dass die oben mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Katalysatormaterialien Kohlenwasserstoffe unter gewissen Bedingungen oxidieren können. Somit kann bei dem in 1 gezeigten Aus führungsbeispiel ein Teil der Kohlenwasserstoffe, die in dem Abgasfluss enthalten sind, zurück zur Leistungsquelle 12 laufen, ohne durch die Katalysatormaterialien oxidiert zu werden. Es sei weiter bemerkt, dass, obwohl die oben besprochenen Katalysatormaterialien bei der Bildung von Sulfat helfen können, das Vorhandensein von diesen Katalysatormaterialien, entweder an einem Substrat des Filters 36 (2) oder in dem Katalysator 18 (1) die gesamten Emissionscharakteristiken des Abgasbehandlungssystems 10, 100 durch Entfernung von Kohlenwasserstoffen von dem behandelten Abgasfluss verbessern kann.
Wiederum mit Bezug auf 1 kann das Abgasbehandlungssystem 10 weiter eine Rückzirkulationsleitung 24 aufweisen, die strömungsmittelmäßig stromabwärts des Filters 16 angeschlossen ist. Die Rückzirkulationsleitung 24 kann zwischen dem Filter 16 und dem Katalysator 18 angeordnet sein und kann konfiguriert sein, um dabei zu helfen, einen Teil des Abgasflusses vom Filter 16 zum Einlass 21 der Leistungsquelle 12 zu leiten. Die Rückzirkulationsleitung 24 kann eine Rohrleitung, Schläuche und/oder andere einen Abgasfluss führende Mittel aufweisen, die in der Technik bekannt sind, und kann strukturell den Flussleitungen 15 ähnlich sein, die oben beschrieben werden. In einem Ausführungsbeispiel, in dem das Abgasbehandlungssystem 100 (2) einen Filter 36 aufweist, der Katalysatormaterialien enthält, kann die Rückzirkulationsleitung 24 stromabwärts des Filters 36 und stromaufwärts eines Abgassystemauslasses 17 angeordnet sein.
Der Flusskühler 26 kann strömungsmittelmäßig mit dem Filter 16 über die Rückzirkulationsleitung 24 verbunden sein und kann konfiguriert sein, um den Teil des Abgasflusses zu kühlen, der durch die Rückzirkulationsleitung 24 läuft. Der Flusskühler 26 kann einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher, einen Luft-Luft-Wärmetauscher oder irgendeine andere Art eines Wärmetauschers aufweisen, die in der Technik zur Kühlung eines Abgasflusses bekannt ist. In einem alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Flusskühler 26 weggelassen werden.
Das Mischventil 30 kann strömungsmittelmäßig mit dem Flusskühler 26 über die Rückzirkulationsleitung 24 verbunden sein und kann konfiguriert sein, um dabei zu helfen, den Fluss des Abgases durch die Rückzirkulationsleitung 24 zu regeln. Es sei bemerkt, dass in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ein (nicht gezeigtes) Rückschlagventil strömungsmittelmäßig stromaufwärts des Flusskühlers 26 angeschlossen sein kann; um weiter dabei zu helfen, den Fluss des Abgases durch die Rückzirkulationsleitung 24 zu regeln. Das Mischventil 30 kann ein Kolbenventil, ein Verschlussventil, ein Butterfly- bzw. Drosselventil, ein Rückschlagventil, ein Membranventil, ein Klappenventil, ein Wechselventil, ein Kugelventil, ein Kreisventil oder irgendein anderes in der Technik bekanntes Ventil sein. Das Mischventil 30 kann manuell, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder in irgendeiner anderen in der Technik bekannten Weise betätigt werden. Das Mischventil 30 kann in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung sein und kann selektiv ansprechend auf eine oder mehrerer vorbestimmte Bedingungen betätigt werden.
Das Mischventil 30 kann auch strömungsmittelmäßig mit einem Umgebungslufteinlass 29 des Abgassbehandlungssystems 10 verbunden sein. Somit kann das Mischventil 30 konfiguriert sein, um die Menge des Abgasflusses zu steuern, die in eine Flussrichtung 27 eintritt, und zwar im Verhältnis zur Menge der Umgebungsluft, die in die Flussleitung 27 eintritt. Wenn beispielsweise die Menge des Abgasflusses, der durch das Mischventil 30 läuft, wünschenswerterweise gesteigert wird, kann die Menge des Umgebungsluftflusses, die durch das Mischventil 30 läuft in umgekehrter Weise proportional verringert werden.
Wie in 1 gezeigt, kann der Flusssensor 28 strömungsmittelmäßig mit der Rückzirkulationsleitung 24 stromabwärts des Flusskühlers 26 verbunden sein. Der Flusssensor 28 kann irgendeine Art eines Luftmassenflusssensors sein, wie beispielsweise ein Heißdraht-Anemometer oder ein Venturisensor. Der Flusssensor 28 kann konfiguriert sein, um die Menge des Abgasflusses abzufühlen, die durch die Rückzirkulationsleitung 24 läuft. Es sei bemerkt, dass der Flusskühler 26 dabei helfen kann, Fluktuationen der Temperatur des Anteils des Abgasflusses zu reduzieren, der durch die Rückzirkulationsleitung 24 läuft. Das Reduzieren von Temperaturfluktuationen kann auch dabei helfen, Fluktuationen in dem Volumen zu verringern, welches durch einen Abgasfluss eingenommen wird, da eine Gasmasse mit hoher Temperatur ein größeres Volumen einnimmt als die gleiche Gasmasse von einem Gas mit niedriger Temperatur. Somit kann das Abfühlen der Menge des Abgasflusses durch die Rückzirkulationsleitung 24 an Positionen stromabwärts von dem Flusskühler 26 (das heißt auf einer relativ gesteuerten Temperatur) genauere Flussmessungen zur Folge haben als Messungen, die stromaufwärts des Flusskühlers 26 aufgenommen wurden. Es sei weiter bemerkt, dass der Flusssensor 28 auch beispielsweise einen (nicht gezeigten) Temperaturfühler oder eine andere Vorrichtung aufweisen kann, um die Temperatur des Abgasflusses abzufühlen.
Die Flussleitung 27 stromabwärts des Mischventils 30 kann die Mischung aus Umgebungsluft und Abgasfluss zur Verdichtungsanordnung 32 leiten. Die Verdichtungsanordnung 32 kann einen Kompressor 13 aufweisen, der konfiguriert ist, um den Druck eines Gasflusses auf einen erwünschten Druck zu steigern. Der Kompressor 13 kann einen Kompressor mit fester Geometrie, einen Kompressor mit variabler Geometrie oder irgendeine andere Art eines Kompressors aufweisen, die in der Technik bekannt ist. In dem in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Verdichtungsanordnung 32 mehr als einen Kompressor 13 aufweisen, und die mögliche Vielzahl von Kompressoren 13 kann in paralleler Beziehung oder in Reihenbeziehung angeordnet sein. Ein Kompressor 13 der Verdichtungsanordnung 32 kann mit einer Turbine 14 der Energieextraktionsanordnung 22 verbunden sein, und die Turbine 14 kann konfiguriert sein, um den Kompressor 13 anzutreiben. Insbesondere wenn heiße Abgase aus der Leistungsquelle 12 austreten und gegen (nicht gezeigte) Schaufeln der Turbine 14 expandieren, können Komponenten der Turbine 14 sich drehen und den angeschlossenen Kompressor 13 antreiben. Alternativ kann in irgendeinem Ausführungsbeispiel, in dem die Turbine 14 weggelassen wird, der Kompressor 13 beispielsweise von der Leistungsquelle 12 oder von irgendeiner anderen in der Technik bekannten Vorrichtung angetrieben werden. Es sei auch bemerkt, dass in einem System mit Einleitung von nicht unter Druck gesetzter Luft die Verdichtungsanordnung 32 weggelassen werden kann.
Der Nachkühler 34 kann strömungsmittelmäßig mit der Leistungsquelle 12 über die Flussleitung 27 verbunden sein und kann konfiguriert sein, um einen Abgasfluss zu kühlen, der durch die Flussleitung 27 läuft. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann dieser Gasfluss die oben besprochene Mischung aus Umgebungsluft und Abgasfluss sein. Der Nachkühler 34 kann einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher, einen Luft-Luft-Wärmetauscher oder irgendeine andere Bauart eines Flusskühlers oder Wärmetauschers aufweisen, die in der Technik bekannt ist. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, kann der Nachkühler 34 weggelassen werden, falls erwünscht.
Das Abgasbehandlungssystem 10 kann weiter einen Kondensatabfluss 38 aufweisen, der strömungsmittelmäßig mit dem Nachkühler 34 verbunden ist. Der Kondensatabfluss 38 kann konfiguriert sein, um ein Strömungsmittel, wie beispielsweise Wasser oder Kondensat zu sammeln, welches sich am Nachkühler 34 bildet. Es sei bemerkt, dass solche Strömungsmittel beispielsweise auch aus kondensiertem Wasserdampf bestehen können, der in dem rückzirkulierten Abgas und/oder der Umgebungsluft enthalten ist. In einem solchen beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Kondensatablauf 38 einen (nicht gezeigten) entfernbar anzubringenden Strömungsmitteltank aufweisen, der sicher das kondensierte Strömungsmittel aufnehmen kann. Der Strömungsmitteltank kann konfiguriert sein, um entfernt zu werden, sicher ausgeleert zu werden, und mit dem Kondensatablauf 38 wieder verbunden zu werden. In einem weitern beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Kondensatablauf 38 konfiguriert sein, um das kondensierte Strömungsmittel zu einem (nicht gezeigten) Strömungsmittelbehälter und/oder zu einer anderen Komponente oder Stelle an der Arbeitsmaschine zu leiten. Alternativ kann der Kondensatablauf 38 konfiguriert sein, um das Strö mungsmittel in die Atmosphäre oder zu der Oberfläche zu leiten, von der die Arbeitsmaschine getragen wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Abgasbehandlungssysteme 10, 100 der vorliegenden Offenbarung können bei irgendeiner Verbrennungsvorrichtung verwendet werden, wie beispielsweise einem Motor, einem Ofen oder irgendeiner anderen in der Technik bekannten Vorrichtung, wo die Rückzirkulation von Abgas mit verringertem Partikelanteil in einen Einlass der Vorrichtung erwünscht ist. Die Abgasbehandlungssysteme 10, 100 können nützlich bei der Verringerung der Menge der schädlichen Abgasemissionen sein, die in die Umgebung ausgelassen werden, und können die Menge des Sulfates reduzieren oder im wesentlichen eliminieren, die während der Behandlung des Abgases erzeugt wird. Die Abgasbehandlungssysteme 10, 100 können auch die Teile des Abgases, die durch Komponenten des Systems aufgenommen werden, durch einen Regenerationsprozess reinigen.
Wie oben besprochen, kann der Verbrennungsprozess eine komplexe Mischung von Luftverunreinigungen erzeugen. Diese Verunreinigungen können in fester, flüssiger und/oder gasförmiger Form vorhanden sein. Im Allgemeinen können die festen und flüssigen Verunreinigungen drei Kategorien, Ruß, ein lösbarer organischer Anteil und Sulfate, fallen. Der während der Verbrennung erzeugte Ruß kann Kohlenstoffmaterialien aufweisen, und der lösbare organische Anteil kann unverbrannte Kohlenwasserstoffe aufweisen, die auf dem Ruß abgelagert sind oder in anderer Weise chemisch damit verbunden sind. Die Sulfate, die in dem Verbrennungsprozess erzeugt werden, können aus Schwefelmolekühlen gebildet werden, die in dem Brennstoff enthalten sind, und können in Form von SO₂ abgegeben werden. Dieses SO₂ kann mit Sauerstoffmolekühlen reagieren, die in dem Abgasfluss enthalten sind, um SO₃ zu bilden. Wie oben erklärt, kann es SO₂ auch in SO₃ beispielsweise in Anwesenheit von Platin, Palladium und/oder anderen Seltenen-Erden-Metallen umgewandelt werden, die als Katalysatormaterialien in herkömmlichen Katalysatoren verwendet werden. Es sei bemerkt, dass der Verbrennungsprozess auch kleinen Mengen von SO₃ erzeugen kann.
In einem herkömmlichen Abgasbehandlungssystem kann ein Teil des erzeugten SO₃ in die Atmosphäre durch einen Auslass des Abgassystems abgegeben werden. Die Abgasbehandlungssysteme 10, 100 der vorliegenden Offenbarung können jedoch im wesentlichen die Bildung von Sulfaten reduzieren, und zwar durch minimieren der verwendeten Menge von Platin, Palladium und/oder anderen Wertvollen-Erden-Metallen. Der Betrieb der Abgasbehandlungssysteme 10, 100 wird nun im Detail erklärt. Außer wenn dies anders bemerkt wird, wird für die Dauer der Offenbarung auf das Abgasbehandlungssystem 10 der 1 Bezug genommen.
Die Leistungsquelle 12 kann eine Mischung aus Brennstoff, rückzirkuliertem Abgas und Umgebungsluft verbrennen, um mechanische Arbeit und einen Abgasfluss zu erzeugen, der die oben besprochenen gasförmigen Verbindungen enthält. Der Abgasfluss kann über die Flussleitung 15 von der Leistungsquelle 12 durch die Energieextraktionsanordnung 22 geleitet werden. Der heiße Abgasfluss kann sich an den Schaufeln der Turbinen 14 der Energieextraktionsanordnung 22 ausdehnen, und diese Ausdehnung bzw. Entspannung kann den Druck des Abgasflusses reduzieren, während sie dabei hilft, die Turbinenschaufeln zu drehen.
Der Abgasfluss mit reduziertem Druck kann durch die Regenerationsvorrichtung 20 zum Filter 16 laufen. Die Regenerationsvorrichtung 20 kann während des normalen Betriebs der Leistungsquelle 12 deaktiviert sein. Wenn der Abgasfluss durch den Filter 16 läuft, kann ein Teil der Partikelstoffe, die mit dem Abgasfluss mitgeführt werden, von dem Substrat, einem Gitter und/oder von anderen Strukturen in dem Filter 16 aufgenommen werden.
Ein Teil des gefilterten Abgasflusses kann stromabwärts des Filters 16 und stromaufwärts des Katalysators 18 heraus gezogen werden. Der herausgezogene Anteil des Abgasflusses kann in die Rückzirkulationsleitung 24 ein treten und kann zurück zur Leistungsquelle 12 zirkuliert werden. Der Rest des gefilterten Abgasflusses kann durch den Katalysator 18 laufen. Die Katalysatormaterialien, die in dem Katalysator enthalten sind, können dabei helfen, die Kohlenwasserstoffe und den lösbaren organischen Anteil zu oxidieren, die von dem gefilterten Fluss mitgeführt werden. Nach dem Durchlauf durch den Katalysator 18 kann der Rest des gefilterten Abgasflusses aus dem Abgasbehandlungssystem 10 durch einen Abgassystemauslass 17 austreten.
Das Ausführungsbeispiel des Abgasbehandlungssystems 10, welches in 1 veranschaulicht ist, kann für herkömmliche Systeme vorzuziehen sein, da, obwohl das Abgasbehandlungssystem 10 einen getrennten Katalysator 18 enthält, der Katalysator 18 stromabwärts der Rückzirkulationsleitung 24 ist. Als eine Folge tritt irgendein Anteil des SO₃, welches durch die Seltenen-Erden-Metalle erzeugt wird, die in dem Katalysator 18 enthalten sind, durch den Auslass 17 aus und wird nicht durch das Abgasbehandlungssystem 10 rückzirkuliert. Es sei jedoch bemerkt, dass, da der Katalysator 18 stromabwärts der Rückzirkulationsleitung 24 ist, ein Teil der Kohlenwasserstoffe, die während des Verbrennungsprozesses erzeugt werden, zur Leistungsquelle 12 rückzirkuliert werden können.
In dem in 2 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Filter 36 kleine Mengen von Katalysatormaterialien enthalten, wie beispielsweise Platin. Die Katalysatormaterialien können an einem Substrat des Filters 36 angeordnet sein und können im wesentlichen die Kohlenwasserstoffe und den lösbaren organischen Anteil oxidieren, die in dem Abgasfluss enthalten sind. Eine solche Konfiguration kann die Erzeugung von wesentlich weniger Sulfat in dem rückzirkulierten gefilterten Abgasfluss zur Folge haben, als bei herkömmlichen Abgasbehandlungssystemen, die einen getrennten Katalysator stromaufwärts eines Filters enthalten.
Wiederum mit Bezug auf 1 kann der rückzirkulierte Anteil des Abgasflusses durch den Flusskühler 26 laufen. Der Flusskühler 26 kann die Tem peratur des Anteils des Abgasflusses reduzieren, bevor der Teil in die Flussleitung 27 eintritt. Das Mischventil 30 kann konfiguriert sein, um das Verhältnis des rückzirkulierten Abgasflusses zur Einlassluft aus der Umgebung zu regeln, welches durch die Flussleitung 27 läuft. Wie oben beschrieben, kann der Flusssensor 28 dabei helfen, dieses Verhältnis zu regeln.
Das Mischventil 30 kann gestatten, dass die Mischung aus Umgebungsluft und Abgasfluss zur Verdichtungsanordnung 32 läuft, wo die Kompressoren 13 den Druck des Flusses steigern können, wodurch die Temperatur des Flusses gesteigert wird. Der komprimierte Fluss kann durch die Flussleitung 27 zum Nachkühler 34 laufen, der die Temperatur des Flusses reduzieren kann, bevor der Fluss in den Einlass 21 der Leistungsquelle 12 eintritt.
Mit der Zeit kann sich Ruß, der vom Verbrennungsprozess erzeugt wird, im Filter 16 ansammeln und kann beginnen, die Fähigkeit des Filters 16 zur Aufnahme von Partikeln zu beeinträchtigen. Der Flusssensor 28 und andere (nicht gezeigte) Sensoren fühlen Parameter der Leistungsquelle 12 und/oder des Abgasbehandlungssystems 10 ab. Solche Parameter können beispielsweise die Motordrehzahl, die Motortemperatur, die Abgasflusstemperatur, den Abgasflussdruck und den Partikelstoffgehalt aufweisen. Eine (nicht gezeigte) Steuervorrichtung kann die Informationen, die von den Sensoren gesandt werden, in Verbindung mit einem Algorithmus oder mit anderen voreingestellten Kriterien verwenden, um zu bestimmen, ob der Filter 16 gesättigt worden ist und eine Regeneration benötigt. Sobald dieser Sättigungspunkt erreicht worden ist, kann die Steuervorrichtung geeignete Signale zu Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10 senden, um den Regenerationsprozess zu beginnen. Ein voreingestellter Algorithmus, der in der Steuervorrichtung gespeichert ist, kann bei dieser Bestimmung helfen und kann die abgefühlten Parameter als Eingangsgrößen verwenden. Alternativ kann eine Regeneration gemäß einem festgelegten Zeitplan basierend auf dem Brennstoffverbrauch, basierend auf den Betriebsstunden und/oder basierend auf anderen Variablen beginnen.
Die von der Steuervorrichtung gesandten Signale können die Position des Mischventils 30 verändern, um in wünschenswerter Weise das Verhältnis der Mischung aus Umgebungsluft und Abgasfluss zu verändern. Diese Signale können auch die Regenerationsvorrichtung 20 aktivieren. Auf eine Aktivierung hin können Sauerstoff und eine brennbare Substanz, wie beispielsweise Brennstoff, zur Regenerationsvorrichtung 20 geleitet werden. Die Regenerationsvorrichtung 20 kann den Brennstoff zünden und die Temperatur des Abgasflusses, der zum Filter 16 läuft, auf eine erwünschte Temperatur zur Regeneration steigern. Diese Temperatur kann über 700 Grad Celsius (ungefähr 1292 Grad Fahrenheit) bei manchen Anwendungen sein, und zwar abhängig von der Art und der Größe des Filters 16. Bei diesen Temperaturen kann Ruß, der im Filter 16 enthalten ist, weggebrannt werden, um die Aufnahmefähigkeiten des Filters 16 wieder herzustellen.
Andere Ausführungsbeispiele des offenbarten Abgasbehandlungssystems 10, 100 werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung offensichtlich werden. Beispielsweise kann das System 10, 100 zusätzliche Filter aufweisen, wie beispielsweise eine Schwefelfalle, die stromaufwärts des Filters 16 angeordnet ist. Die Schwefelfalle kann auch nützlich bei der Aufnahme von Schwefelmolekühlen sein, die von dem Abgasfluss mitgeführt werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gezeigt wird.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10, 100) einer Leistungsquelle 12, welches Folgendes aufweist: Filtermittel (16, 36) mit einem Gehäuse (25) mit einem Einlass (23) und einem Auslass (31); Regenerationsmittel (20), die außerhalb des Gehäuses (25) der Filtermittel (16, 36) angeordnet sind und strömungsmittelmäßig mit dem Einlass (23) des Gehäuses (25) verbunden sind; und eine Abgasleitung (24), die konfiguriert ist, um dabei zu helfen, einen Teil eines gefilterten Abgasflusses aus dem Auslass (31) zur Leistungsquelle (12) zu leiten.
System (10, 100) nach Anspruch 1, welches weiter Katalysatormittel (18) aufweist, die konfiguriert sind, um zumindest einen Teil eines gefilterten Flusses von den Filtermitteln (16, 36) aufzunehmen.
System (10, 100) nach Anspruch 2, wobei die Abgasleitung (24) strömungsmittelmäßig zwischen den Filtermitteln (16, 36) und den Katalysatormitteln (18) angeschlossen ist.
System (10, 100) nach Anspruch 1, wobei die Filtermittel (16, 36) ein Katalysatormaterial enthalten.
System (10, 100) nach Anspruch 1, wobei die Regenerationsmittel (20) konfiguriert sind, um die Temperatur eines Abgasflusses auf eine erwünschte Temperatur zu steigern.
System (10, 100) nach Anspruch 1, wobei die Regenerationsmittel (20) konfiguriert sind, um eine brennbare Substanz zu zünden, um bei der Steigerung der Temperatur eines Abgasflusses zu helfen.
System (10, 100) nach Anspruch 1, welches weiter Kühlmittel (26) und/oder eine Energieextraktionsanordnung (22) und/oder eine Verdichtungsanordnung (32) und/oder ein Mischventil (30) und/oder einen Flusssensor (28) aufweist.
Verfahren zur Entfernung von Stoffen aus einem Filter (16, 36) eines Verbrennungsmotors (12), welches Folgendes aufweist: Verringerung des Druckes eines Abgasflusses des Motors (12); Einspritzung einer brennbaren Substanz in den Abgasfluss stromaufwärts des Filters (16, 36); Zündung der brennbaren Substanz; und Filterung des Abgasflusses und Ableitung von zumindest einem Teil des gefilterten Flusses zu einem Einlass (21) des Motors (12).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druck des Abgasflusses stromaufwärts einer Regenerationsvorrichtung (20) reduziert wird, die konfiguriert ist, um dabei zu helfen, die brennbare Substanz einzuspritzen und die brennbare Substanz zu zünden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zündung der brennbaren Substanz dabei hilft, den Filter (16, 36) zu regenerieren.