DE102006044503A1 - Regenerierung eines Dieselpartikelfilters (DPF) durch elektrisches Erwärmen von Widerstandsbeschichtungen - Google Patents
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Abstract
Ein Abgassystem, das Abgase verarbeitet, die durch einen Motor erzeugt werden, umfasst ein Dieselpartikelfilter (DPF), das stromabwärts des Motors angeordnet ist und das Partikel aus dem Abgas filtert. Eine elektrische Heizeinrichtung ist an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs einstückig ausgebildet 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 von Partikeln in dem DPF hervor.
Description
- Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika hat Rechte an dem durch das US-Energieministerium unterstützten Projekt DE-FC-04-03AL67635.
- 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 an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs einstückig ausgebildet 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 von Partikeln in dem DPF hervor.
- Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung eine Widerstandsheizung.
- Bei einer anderen Ausführungsform sind Schichten der Widerstandsheizung durch Wände des DPFs getragen.
- Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die elektrische Heizeinrichtung eine Widerstandsschicht und leitfähige Schichten, die an beiden Seiten der Widerstandsschicht angeordnet sind.
- Bei noch einer anderen Ausführungsform umfasst das Abgassystem des Weiteren ein Steuermodul, das selektiv einen Stromfluss zu der elektrischen Heizeinrichtung aktiviert. Das Steuermodul ermittelt eine geschätz te Menge von 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 von2 , 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 ähnliche 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 Dieselmotorsystem10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es sei angemerkt, dass das Dieselmotorsystem10 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 Dieselmotorsystem10 umfasst einen Dieselmotor12 , einen Einlasskrümmer14 , ein Kraftstoffeinspritzsystem16 mit gemeinsamer Kraftstoffleitung (common rail) und ein Abgassystem18 . Der beispielhafte Motor12 umfasst sechs Zylinder20 , die in benachbarten Zylinderreihen22 ,24 in einer V-Anordnung ausgebildet sind. Obwohl1 sechs Zylinder (N = 6) zeigt, sei angemerkt, dass der Motor12 zusätzliche oder weniger Zylinder20 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 Einlasskrümmer14 in die Zylinder20 gesaugt und darin komprimiert. Kraftstoff wird durch das Einspritzsystem16 mit gemeinsamer Kraftstoffleitung in die Zylinder20 eingespritzt, und die Wärme der komprimierten Luft entzündet das Gemisch aus Luft/Kraftstoff. Die Abgase entweichen aus den Zylindern20 in das Abgassystem18 . Bei einigen Beispielen kann das Dieselmotorsystem10 einen Turbolader26 umfassen, der zusätzliche Luft für eine Verbrennung mit dem Kraftstoff und der Luft, die von dem Einlasskrümmer14 angesaugt wird, in die Zylinder20 pumpt. - Das Abgassystem
18 umfasst Auslasskrümmer28 ,30 , Abgasleitungen29 ,31 , einen Katalysator38 , ein Dieselpartikelfilter (DFP)40 mit einer einstückig ausgebildeten Widerstandsheizung41 . Erste und zweite Abgassegmente sind durch die ersten und zweiten Zylinderreihen22 ,24 definiert. Die Auslasskrümmer28 ,30 leiten die Abgassegmente von den entsprechenden Zylinderreihen22 ,24 in die Abgasleitungen29 ,31 . Das Abgas wird in den Turbolader22 geleitet, um den Turbolader22 anzutreiben. Ein kombinierter Abgasstrom strömt von dem Turbolader22 über den Katalysator38 und die Heizeinrichtung41 zu dem DPF40 . Das DPF40 filtert Partikel aus dem kombinierten Abgasstrom, wenn er in die Atmosphäre strömt. Die Heizeinrichtung41 erwärmt selektiv den Abgasstrom, der dort hindurch strömt, um das DPF40 zu regenerieren, wie nachstehend ausführlicher erklärt ist. - Ein Steuermodul
42 regelt den Betrieb des Dieselmotorsystems10 gemäß der DPF-Regenerierungssteuerung der vorliegenden Erfindung. Insbesondere kommuniziert das Steuermodul42 mit einem Einlasskrümmerabsolutdrucksensor (MAP-Sensor von manifold absolute pressure sensor)44 und einem Motordrehzahlsensor46 . Der MAP-Sensor44 erzeugt ein Signal, das den Luftdruck in dem Einlasskrümmer14 angibt, und der Motordrehzahlsensor46 erzeugt ein Signal, das die Motordrehzahl angibt. Das Steuermodul42 ermittelt 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 und3 ist das DPF40 eine monolithische Partikelfalle, und umfasst das DPF40 abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle50 und offene Zellen/Kanäle52 . Die Heizeinrichtung41 ist an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs40 einstückig ausgebildet, wie nachstehend ausführlicher erklärt ist. Abgase, wie beispielsweise jene, die durch den Motor12 erzeugt werden, werden durch die Heizeinrichtung41 geleitet, wenn sie in die Kanäle50 mit geschlossenem Ende gelangen. Feststoffe54 werden in den geschlossenen Kanälen50 abgeschieden, und das Abgas gelangt durch die offenen Kanäle52 hinaus. Stopfen56 werden verwendet, um die Enden der Kanäle50 ,52 zu verschließen. Wände58 des DPFs40 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. Rußpartikel59 strömen in das DPF40 und werden darin eingeschlossen. - Weiterhin Bezug nehmend auf
2 ist die Heizeinrichtung41 an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs40 einstückig ausgebildet. Die Heizeinrichtung41 ist vorzugsweise eine Widerstandsheizung, die eine Widerstandsschicht60 umfasst, die zwischen mit elektrischen Anschlüssen64 verbundenen leitfähigen Schichten62 angeordnet ist. Die elektrischen Anschlüsse64 sind mit einer Energiequelle66 verbunden (siehe1 ). - Beim Ausbilden der Heizeinrichtung
41 werden die stromaufwärtigen inneren Enden der Kanäle zuerst mit einer Schicht aus einem Material eines elektrischen Widerstands (d.h. Heizeinrichtungsmaterial) beschichtet. Kontakte zu der Widerstandsschicht60 werden durch Abscheiden der elektrisch leitfähigen Schichten62 (d.h. Schichten mit einer wesentlich höheren Leitfähigkeit als jene der Widerstandsschicht) an den benachbarten Seiten (d.h. den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten) der Widerstandsschicht60 ausgebildet. Auf diese Weise stellen die Wände58 des DPFs40 ein tragendes Substrat für die Widerstandsschichten60 und die leitfähigen Schichten62 bereit. Wenn eine Spannung zwischen den Kontakten angelegt wird, fließt Strom durch die Widerstandsschicht60 . Der Strom bewirkt, dass sich die Widerstandsschicht60 erwärmt und die Widerstandsschicht60 die Zündtemperatur der Feststoffe59 erreicht. Die Schichten der Heizeinrichtungen41 können dadurch abgeschieden werden, dass das stromaufwärtige Ende des DPFs41 durch die Widerstandsschicht60 mit einer Tauchbeschichtung beschichtet wird, die Widerstandsschicht30 zumindest teilweise beschichtet wird und die elektrisch leitfähigen Schichten62 durch eine Bandbeschichtung ausgebildet werden. Andere Verfahren, um das DPF zu beschichten, werden für Fachleute ersichtlich. Die leitfähigen Schichten müssen über dem DPF41 kontinuierlich sein. Daher muss das leitfähige Material durch die Poren der Cordieriet-Wände des DPFs dringen. - Ein Vorteil der Beschichtungsgeometrie der vorliegenden Erfindung ist, dass alle einzelnen Kanäle elektrisch parallel sind. Auf diese Weise werden sogar alle Kanäle erwärmt, wenn die verschiedenen Schichten nicht absolut einheitlich sind. Wenn z.B. ein Kanal geringfügig mehr Schichtmaterial aufweist als ein anderer, führt er mehr Wärme ab (d.h. gleiche Spannung, höhere Stromdichte). Wenn er sich erwärmt, steigt sein Widerstand, wodurch der Unterschied von einem Kanal zum nächsten reduziert wird. Der Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials kann durch diesen Mechanismus entworfen werden, um eine Einheitlichkeit zu optimieren.
- Insbesondere auf
3 Bezug nehmend wird während des DPF-Regenerierungsprozesses Wärme auf die Rußpartikel59 übertragen, die durch die Heizeinrichtung41 strömen. Es wird ausreichend Wärme übertragen, um eine exotherme Verbrennung der Rußpartikel59 hervorzurufen, wodurch zusätzliche Wärme freigegeben wird. Die Wärme strömt in das DPF40 und erwärmt die Rußpartikel59 darin. Als ein Ergebnis wird ein Kaskadeneffekt über das DPF40 erreicht, wodurch Wärme, die durch eine Verbrennung von Rußpartikeln59 stromaufwärts erzeugt wird, eine Verbrennung von Rußpartikeln59 stromabwärts hervorruft. Mit anderen Worten dient die Heizeinrichtung41 als ein Zündkatalysator, der die Rußpartikel59 stromaufwärts zündet oder abbrennt (light off), wobei deren Verbrennungswärme wiederum die Rußpartikel59 stromabwärts abbrennt. Auf diese Weise werden alle Rußpartikel59 in dem DPF40 verbrannt, um das DPF40 zu regenerieren. - Der DPF-Regenerierungsprozess wird periodisch initiiert, um das DPF
40 zu regenerieren. Genauer gesagt schätzt das Steuermodul42 die Beladung des DPFs ab. Wenn die geschätzte Beladung einen Schwellenwertpegel (z.B. 5 Gramm/Liter Feststoffe) erreicht und die Abgasströmungsrate innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, wird der Heizeinrichtung41 ein Strom zugeführt, um den Regenerierungsprozess zu initiieren. Die Dauer des Regenerierungsprozesses variiert auf der Grundlage der Menge von Feststoffen in dem DPF40 . Es sei angemerkt, dass der Regenerierungsprozess zwischen 4–6 Minuten dauern kann. Die elektrische Heizeinrichtung41 wird jedoch nur während eines Anfangsteils des Regenerierungsprozesses betrieben. Genauer gesagt erwärmt die elektrische Heizeinrichtung41 das Abgas, das dort hindurch strömt, für eine Schwellen wertdauer (z.B. 1–2 Minuten). Der Rest des Regenerierungsprozesses wird unter Verwendung der Wärme erreicht, die durch die Verbrennung in dem DPF40 erzeugt wird. - Bezug nehmend auf
4 erläutert ein Flussdiagramm die DPF-Regenerierungssteuerung der vorliegenden Erfindung. In Schritt100 ermittelt die Steuerung, ob die DPF-Regenerierung ausgeführt werden soll. Wie oben beschrieben wird die DPF-Regenerierung initiiert, wenn eine Partikelmenge in dem DPF40 eine Schwellenwertmenge überschreitet und die Abgasströmungsrate eine Schwellenwertströmungsrate überschreitet. Wenn die Steuerung ermittelt, dass die DPF-Regenerierung nicht ausgeführt werden soll, springt die Steuerung in einer Schleife zurück. Wenn die Steuerung ermittelt, dass die DPF-Regenerierung ausgeführt werden soll, liefert die Steuerung der elektrischen Heizeinrichtung41 in Schritt102 einen Strom. Wie es oben ausführlich beschrieben ist, erwärmt die elektrische Heizeinrichtung41 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 DPF40 hervor, um das DPF40 zu regenerieren. In Schritt104 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 verarbeitet, die durch einen Motor erzeugt werden, und ein Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst, das stromabwärts des Motors angeordnet ist und das Partikel aus dem Abgas filtert. Eine elektrische Heizeinrichtung ist an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs einstückig ausgebildet und erwärmt selektiv das Abgas, um eine Verbrennung von Partikeln in dem Abgas zu initiieren, wenn das Abgas durch die Heizeinrichtung strömt. Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wird, ruft eine Verbrennung von Partikeln in dem DPF hervor.
Claims (15)
- 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 an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs einstückig ausgebildet 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 von Partikeln in dem DPF hervorruft.
- Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung eine Widerstandsheizung ist.
- Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten der Widerstandsheizung durch Wände des DPFs getragen sind.
- Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung umfasst: eine Widerstandsschicht; und leitfähige Schichten, die an beiden Seiten der Widerstandsschicht angeordnet sind.
- Abgassystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Steuermodul, das selektiv einen Stromfluss zu der elektrischen Heizeinrichtung aktiviert.
- Abgassystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul eine geschätzte Menge von Feststoffen in dem DPF ermittelt und eine DPF-Regenerierung initiiert, wenn die Menge eine Schwellenwertmenge überschreitet.
- Abgassystem nach Anspruch 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 eine elektrische Heizeinrichtung an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs einstückig ausgebildet 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 von Partikeln in dem DPF hervorzurufen.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des einstückigen Ausbildens der elektrischen Heizeinrichtung umfasst, dass eine an Wänden des DPFs getragene Widerstandsschicht ausgebildet wird; und leitfähige Schichten an beiden Seiten der Widerstandsschicht ausgebildet werden, die an den Wänden des DPFs getragen werden.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erwärmens des Abgases für eine anfängliche Dauer eines DPF-Regenerierungszyklus auftritt.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von 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 eine elektrische Heizeinrichtung an einem stromaufwärtigen Ende des DPFs einstückig ausgebildet wird; Abgas, das Partikel umfasst, durch die 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 von Partikeln in dem DPF hervorzurufen.
- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des einstückigen Ausbildens der elektrischen Heizeinrichtung umfasst, dass eine an Wänden des DPFs getragene Widerstandsschicht ausgebildet wird; und leitfähige Schichten an beiden Seiten der Widerstandsschicht ausgebildet werden, die an den Wänden des DPFs getragen werden.
- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erwärmens des Abgases für eine anfängliche Dauer eines DPF-Regenerierungszyklus auftritt.
- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von Feststoffen in dem DPF abgeschätzt wird, wobei der Schritt des Erwärmens des Abgases auftritt, wenn die Menge eine Schwellenwertmenge überschreitet.
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