DE102006038922A1

DE102006038922A1 - Elektrische Regenerierung eines Dieselpartikelfilters (DPF)

Info

Publication number: DE102006038922A1
Application number: DE102006038922A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Frank Troy Ament
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2007-03-15
Also published as: US20070044460A1; CN1920267B; CN1920267A; US8615988B2

Abstract

Ein Abgassystem, das Abgase verarbeitet, die durch einen Motor erzeugt werden, umfasst ein Dieselpartikelfilter (DPF), das stromabwärts des Motors angeordnet ist und Partikel aus dem Abgas filtert. Eine elektrische Heizeinrichtung ist stromaufwärts des DPFs angeordnet und erwärmt selektiv das Abgas, um eine Verbrennung der Partikel in dem Abgas zu initiieren, wenn das Abgas durch die Heizeinrichtung strömt. Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, ruft eine Verbrennung der Partikel in dem DPF hervor.

Description

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika hat Rechte an dem durch das US-Energieministerium unterstützten Projekt DE-FC04-03AL67635.
Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren und insbesondere eine Dieselpartikelfilter-Regenerierung (DPF-Regenerierung).

Dieselmotoren weisen aufgrund des erhöhten Kompressionsverhältnisses des Dieselverbrennungsprozesses und der höheren Energiedichte von Dieselkraftstoff einen höheren Wirkungsgrad als Benzinmotoren auf. Als ein Ergebnis liefert ein Dieselmotor einen besseren spezifischen Kraftstoffverbrauch als ein Benzinmotor mit äquivalenter Größe.

Der Dieselverbrennungszyklus erzeugt Partikel, die typischerweise aus den Abgasen gefiltert werden. Ein Dieselpartikelfilter (DPF) ist für gewöhnlich entlang des Abgasstroms angeordnet, um die Dieselpartikel von dem Abgas zu filtern. Mit der Zeit füllt sich jedoch das DPF, und es muss regeneriert werden, um die eingeschlossenen Dieselpartikel zu entfernen. Während der Regenerierung werden die Dieselpartikel in dem DPF verbrannt, um dem DPF zu ermöglichen, mit seiner Filterfunktion fortzufahren.

Ein herkömmliches Regenerierungsverfahren spritzt nach dem Hauptverbrennungsereignis Kraftstoff in den Abgasstrom ein. Der nach der Verbrennung eingespritzte Kraftstoff wird über Katalysatoren verbrannt, die in dem Abgasstrom angeordnet sind. Die Wärme, die während der Kraftstoffverbrennung an den Katalysatoren freigegeben wird, erhöht die Abgastemperatur, was die eingeschlossenen Rußpartikel in dem DPF verbrennt. Dieser Ansatz kann jedoch zu höheren Temperaturabweichungen führen, als gewünscht ist, was für Abgassystemkomponenten, die das DPF umfassen, nachteilig sein kann.

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Abgassystem bereit, das durch einen Motor erzeugte Abgase verarbeitet. Das Abgassystem umfasst ein Dieselpartikelfilter (DPF), das stromabwärts des Motors angeordnet ist und das Partikel aus dem Abgas filtert. Eine elektrische Heizeinrichtung ist stromaufwärts des DPFs angeordnet und erwärmt selektiv das Abgas, um eine Verbrennung der Partikel in dem Abgas zu initiieren, wenn das Abgas durch die Heizeinrichtung strömt. Die Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, ruft eine Verbrennung der Partikel in dem DPF hervor.

Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung um einen Abstand zu dem DPF versetzt.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung ein Heizwiderstand.

Bei noch einer anderen Ausführungsform umfasst das Abgassystem des Weiteren ein Steuermodul, das selektiv einen Stromfluss zu der elektrischen Heizeinrichtung aktiviert. Das Steuermodul bestimmt eine abgeschätzte Menge an Feststoffen in dem DPF und initiiert eine DPF-Regenerierung, wenn die Menge eine Schwellenwertmenge überschreitet. Das Steuermodul aktiviert den Stromfluss für eine anfängliche Dauer eines DPF-Regenerierungszyklus.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sei angemerkt, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erklären, nur Erläuterungszwecken dienen und nicht beabsichtigen, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

Die Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Dieselmotorsystems, das ein Dieselpartikelfilter-Regenerierungssystem (DPF-Regenerierungssystem) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 einen schematischen Querschnitt eines DPFs mit einer Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 einen schematischen Querschnitt eines Abschnitts des DPFs von 2, das in einer Regenerierungsbetriebsart arbeitet; und
4 ein Flussdiagramm, das die DPF-Regenerierungssteuerung der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und beabsichtigt auf keine Weise, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken. Zu Klarheitszwecken werden gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet, um ähnli che Elemente zu identifizieren. Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck Modul auf einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC von application specific integrated circuit), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, zugeordnet oder gruppiert) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einen Schaltkreis mit kombinatorischer Logik oder andere geeignete Bauteile, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
In Bezug auf 1 ist ein beispielhaftes Dieselmotorsystem 10 schematisch gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es sei angemerkt, dass das Dieselmotorsystem 10 lediglich beispielhafter Natur ist, und dass das Dieselpartikelfilter-Regenerierungssystem (DPF-Regenerierungssystem), das hierin beschrieben ist, in verschiedenen Dieselmotorsystemen, die ein DPF implementieren, realisiert sein kann. Das Dieselmotorsystem 10 umfasst einen Dieselmotor 12, einen Einlasskrümmer 14, ein Kraftstoffeinspritzsystem 16 mit gemeinsamer Kraftstoffleitung (common rail) und ein Abgassystem 18. Der beispielhafte Motor 12 umfasst sechs Zylinder 20, die in benachbarten Zylinderreihen 22, 24 in einer V-Anordnung ausgebildet sind. Obwohl 1 sechs Zylinder (N = 6) zeigt, sei angemerkt, dass der Motor 12 zusätzliche oder weniger Zylinder 20 umfassen kann. Zum Beispiel werden Motoren mit 2, 4, 5, 8, 10, 12 und 16 Zylindern in Betracht gezogen. Es sei auch angemerkt, dass die DPF-Regenerierungssteuerung der vorliegenden Erfindung in einer Reihenzylinderanordnung realisiert sein kann, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
Luft wird über eine Drosseleinrichtung (nicht gezeigt) in den Einlasskrümmer 14 angesaugt. Die Luft wird von dem Einlasskrümmer 14 in die Zylinder 20 gesaugt und darin komprimiert. Kraftstoff wird durch das Einspritzsystem 16 mit gemeinsamer Kraftstoffleitung in die Zylinder 20 eingespritzt, und die Wärme der komprimierten Luft entzündet das Gemisch aus Luft/Kraftstoff. Die Abgase entweichen aus den Zylindern 20 in das Abgassystem 18. Bei einigen Beispielen kann das Dieselmotorsystem 10 einen Turbolader 26 umfassen, der zusätzliche Luft für eine Verbrennung mit dem Kraftstoff und der Luft, die von dem Einlasskrümmer 14 angesaugt wird, in die Zylinder 20 pumpt.
Das Abgassystem 18 umfasst Auslasskrümmer 28, 30, Abgasleitungen 29, 31, einen Katalysator 38, ein Dieselpartikelfilter (DFP) 40 und eine Heizeinrichtung 41. Erste und zweite Abgassegmente sind durch die ersten und zweiten Zylinderreihen 22, 24 definiert. Die Auslasskrümmer 28, 30 leiten die Abgassegmente von den entsprechenden Zylinderreihen 22, 24 in die Abgasleitungen 29, 31. Das Abgas wird in den Turbolader 22 geleitet, um den Turbolader 22 anzutreiben. Ein kombinierter Abgasstrom strömt von dem Turbolader 22 über den Katalysator 38 und die Heizeinrichtung 41 zu dem DPF 40. Das DPF 40 filtert Partikel aus dem kombinierten Abgasstrom, wenn er in die Atmosphäre strömt. Die Heizeinrichtung 41 erwärmt selektiv den Abgasstrom, der dort hindurch strömt, um das DPF 40 zu regenerieren, wie nachstehend ausführlicher erklärt ist.
Ein Steuermodul 42 regelt den Betrieb des Dieselmotorsystems 10 gemäß der DPF-Regenerierungssteuerung der vorliegenden Erfindung. Spezieller kommuniziert das Steuermodul 42 mit einem Einlasskrümmerabsolutdrucksensor (MAP-Sensor von manifold absolute pressure sensor) 44 und einem Motordrehzahlsensor 46. Der MAP-Sensor 44 erzeugt ein Signal, das den Luftdruck in dem Einlasskrümmer 14 angibt, und der Motordrehzahlsensor 46 erzeugt ein Signal, das die Motordrehzahl angibt. Das Steuermodul 42 bestimmt eine Motorlast auf der Grundlage der Motordrehzahl und Kraftstoffzufuhrraten. Die Kraftstoffzufuhrrate wird allgemein als Kraftstoffvolumen pro Verbrennungsereignis gemessen. Die Motorausgangsleistung wird über die Kraftstoffzufuhrrate gesteuert.
Insbesondere Bezug nehmend auf 2 und 3 ist das DPF 40 eine monolithische Partikelfalle, und umfasst das DPF 40 abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle 50 und offene Zellen/Kanäle 52. Abgase, wie beispielsweise jene, die durch den Motor 12 erzeugt werden, werden durch Kanäle 53 der Heizeinrichtung 41 geleitet, gelangen in die Kanäle 50 mit geschlossenem Ende, wobei Feststoffe 54 abgeschieden werden, und gelangen durch die offenen Kanäle 52 hinaus. Stopfen 56 werden verwendet, um die Enden der Kanäle 50, 52 zu verschließen. Wände 58 des DPFs 40 umfassen vorzugsweise eine poröse keramische wabenartige Wand aus Cordierit-Material. Es sei angemerkt, dass jedes keramische Wabenmaterial als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet wird. Rußpartikel 59 strömen in das DPF 40 und werden darin eingeschlossen.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2 ist die Heizeinrichtung 41 um einen Abstand X zu dem DPF 40 versetzt, und befindet sich die Heizeinrichtung 41 stromaufwärts des DPFs 40. Die Heizeinrichtung 41 ist vorzugsweise ein Heizwiderstand, der eine Vielzahl von Widerstandselementen 60 und elektrische Anschlüsse 62 umfasst. Die elektrischen Anschlüsse 62 sind mit einer Energiequelle 66 verbunden (siehe 1). Bei einem Betrieb in einer Regenerierungsbetriebsart fließt elektrischer Strom selektiv über die Heizeinrichtung 41, was ein Erwärmen der Widerstandselemente 60 hervorruft. Genauer gesagt wird, wenn eine DPF-Regenerierung erwünscht ist, den Widerstandselementen 60 ein elektrischer Strom zugeführt, um Wärme zu erzeugen.
Bezug nehmend auf 3 wird während des DPF-Regenerierungsprozesses Wärme auf die Rußpartikel 59 übertragen, die durch die Kanäle 53 strömen. Es wird ausreichend Wärme übertragen, um eine exotherme Verbrennung der Rußpartikel 59 hervorzurufen, wodurch zusätzliche Wärme freigegeben wird. Die Wärme strömt in das DPF 40 und erwärmt die Rußpartikel 59 darin. Als ein Ergebnis wird ein Kaskadeneffekt über das DPF 40 erreicht, wodurch Wärme, die durch eine Verbrennung von Rußpartikeln 59 stromaufwärts erzeugt wird, eine Verbrennung von Rußpartikeln 59 stromabwärts hervorruft. Mit anderen Worten dient die Wärmeeinrichtung 41 als ein Zündkatalysator, der die Rußpartikel 59 stromaufwärts zündet oder abbrennt (light off), wobei deren Verbrennungswärme wiederum die Rußpartikel 59 stromabwärts abbrennt. Auf diese Weise werden alle Rußpartikel 59 in dem DPF 40 verbrannt, um das DPF 40 zu regenerieren.
Der DPF-Regenerierungsprozess wird periodisch initiiert, um das DPF 40 zu regenerieren. Genauer gesagt schätzt das Steuermodul 42 die Beladung des DPFs ab. Wenn die abgeschätzte Beladung einen Schwellenwertpegel (z.B. 5 Gramm/Liter Feststoffe) erreicht und die Abgasströmungsrate innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, wird der Heizeinrichtung 41 ein Strom zugeführt, um den Regenerierungsprozess zu initiieren. Die Dauer des Regenerierungsprozesses variiert auf der Grundlage der Menge an Feststoffen in dem DPF 40. Es sei angemerkt, dass der Regenerierungsprozess zwischen 4–6 Minuten dauern kann. Die elektrische Heizeinrichtung 41 wird jedoch nur während eines Anfangsteils des Regenerierungsprozesses betrieben. Genauer gesagt erwärmt die elektrische Heizeinrichtung 41 das Abgas, das dort hindurch strömt, für eine Schwellenwertdauer (z.B. 1–2 Minuten). Der Rest des Regenerierungsprozesses wird unter Verwendung der Wärme erreicht, die durch die Verbrennung in dem DPF 40 erzeugt wird.
Bezug nehmend auf 4 erläutert ein Flussdiagramm die DPF-Regenerierungssteuerung der vorliegenden Erfindung. In Schritt 100 bestimmt die Steuerung, ob die DPF-Regenerierung ausgeführt werden soll. Wie oben beschrieben wird die DPF-Regenerierung initiiert, wenn eine Partikelmenge in dem DPF 40 eine Schwellenwertmenge überschreitet und die Abgasströmungsrate eine Schwellenwertströmungsrate überschreitet. Wenn die Steuerung bestimmt, dass die DPF-Regenerierung nicht ausgeführt werden soll, springt die Steuerung in einer Schleife zurück. Wenn die Steuerung bestimmt, dass die DPF-Regenerierung ausgeführt werden soll, liefert die Steuerung der elektrischen Heizeinrichtung 41 in Schritt 102 einen Strom. Wie es oben ausführlich beschrieben ist, erwärmt die elektrische Heizeinrichtung 41 das Abgas, das dort hindurch strömt, um eine Verbrennung des Abgases zu initiieren. Die Wärme, die durch den Verbrennungsprozess erzeugt wird, ruft des Weiteren eine Verbrennung der Rußpartikel in dem DPF 40 hervor, um das DPF 40 zu regenerieren. In Schritt 104 schaltet die Steuerung den Strom für die Heizeinrichtung ab, nachdem eine Schwellenwertdauer abgelaufen ist (z.B. 1–2 Minuten), und die Steuerung endet.
Das DPF-Regenerierungssystem der vorliegenden Erfindung liefert gegenüber dem Stand der Technik unverkennbare Vorteile. Genauer gesagt verhindert das DPF-Regenerierungssystem extreme Temperaturabweichungen, die für die Abgassystemkomponenten nachteilig sein könnten. Im Vergleich zu anderen auf elektrischer Energie basierden DPF-Regenerierungssystemen ist das DPF-Regenerierungssystem der vorliegenden Erfindung effizienter (ungefähr 80–90 % Wirkungsgrad).
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Abgassystem, das Abgase, die durch einen Motor erzeugt werden, verarbeitet und ein Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst, das stromabwärts des Motors angeordnet ist und Partikel aus dem Abgas filtert. Eine elektrische Heizeinrichtung ist stromaufwärts des DPFs angeordnet und erwärmt selektiv das Abgas, um eine Verbrennung der Partikel in dem Abgas zu initiieren, wenn es das Abgas durch die Heizeinrichtung strömt. Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, ruft eine Verbrennung der Partikel in dem DPF hervor.

Claims

Abgassystem, das durch einen Motor erzeugtes Abgas verarbeitet und umfasst: ein Dieselpartikelfilter (DPF), das stromabwärts des Motors angeordnet ist und das Partikel aus dem Abgas filtert; und eine elektrische Heizeinrichtung, die stromaufwärts des DPFs angeordnet ist und die selektiv das Abgas erwärmt, um eine Verbrennung der Partikel in dem Abgas zu initiieren, wenn das Abgas durch die Heizeinrichtung strömt, wobei die Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, eine Verbrennung der Partikel in dem DPF hervorruft.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung um einen Abstand zu dem DPF versetzt ist.
Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung ein Heizwiderstand ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Steuermodul, das selektiv einen Stromfluss zu der elektrischen Heizeinrichtung aktiviert.
Abgassystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul eine abgeschätzte Menge an Feststoffen in dem DPF ermittelt und eine DPF-Regenerierung initiiert, wenn die Menge eine Schwellenwertmenge überschreitet.
Abgassystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul den Stromfluss für eine anfängliche Dauer eines DPF-Regenerierungszyklus aktiviert.
Verfahren zum Regenerieren eines Dieselpartikelfilters (DPF) eines Abgassystems, das umfasst, dass ein Abgas erzeugt wird, das Partikel darin umfasst; das Abgas stromaufwärts des DPFs unter Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung erwärmt wird, um eine Verbrennung der Partikel hervorzurufen; und Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, in das DPF geleitet wird, um eine Verbrennung der Partikel in dem DPF hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung um einen Abstand zu dem DPF versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung ein Heizwiderstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erwärmens des Abgases für eine anfängliche Dauer eines DPF-Regenerierungszyklus auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge an Feststoffen in dem DPF abgeschätzt wird, wobei der Schritt des Erwärmens des Abgases auftritt, wenn die Menge eine Schwellenwertmenge überschreitet.
Verfahren zum Regenerieren eines Dieselpartikelfilters (DPF) eines Abgassystems, das umfasst, dass Abgas, das Partikel umfasst, durch eine elektrische Heizeinrichtung geleitet wird; der elektrischen Heizeinrichtung Strom zugeführt wird; das Abgas stromaufwärts des DPFs unter Verwendung der elektrischen Heizeinrichtung erwärmt wird, um eine Verbrennung der Partikel hervorzurufen; und Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, in das DPF geleitet wird, um eine Verbrennung der Partikel in dem DPF hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung um einen Abstand zu dem DPF versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung ein Heizwiderstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erwärmens des Abgases für eine anfängliche Dauer eines DPF-Regenerierungszyklus auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge an Feststoffen in dem DPF abgeschätzt wird, wobei der Schritt des Erwärmens des Abgases auftritt, wenn die Menge eine Schwellenwertmenge überschreitet.