DE102007013833A1

DE102007013833A1 - Dieselpartikelfilterregeneration über Widerstandsoberflächenerwärmung

Info

Publication number: DE102007013833A1
Application number: DE102007013833A
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: 2006-03-24
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US8549846B2; DE102007013833B4; US20070220869A1; CN101070770B; CN101070770A

Abstract

Es wird ein Abgassystem zur Verfügung gestellt, welches durch eine Maschine erzeugtes Abgas verarbeitet. Das System umfasst: einen Partikelfilter (PF), der Partikel aus dem Abgas herausfiltert, wobei ein stromaufwärts gelegenes Ende des PF Abgas von der Maschine empfängt; und ein Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial, welches auf eine stromaufwärts gelegene Außenfläche des PF aufgebracht ist und welches Abgas, das durch das Gitter hindurchtritt, selektiv erwärmt, um eine Verbrennung von Partikeln in dem PF einzuleiten.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/786,059, die am 24. März 2006 eingereicht wurde. Die Offenbarung der obigen Anmeldung ist durch Bezugnahme hierin eingeschlossen.
ERKLÄRUNG ÜBER REGIERUNGSRECHTE
Bestimmtes des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung wurde unter dem Vertrag Nummer DE-FC-04-03AL67635, zuerkannt durch das Energieministerium, entwickelt. Der US-Regierung stehen bestimmte Rechte an dieser Erfindung zu.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren und Systeme zum Erwärmen von Partikelfiltern.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformation in Bezug auf die vorliegende Offenbarung zur Verfügung und stellen vielleicht keinen Stand der Technik dar.
Dieselmaschinen weisen typischerweise aufgrund eines erhöhten Verdichtungsverhältnisses und einer höheren Energiedichte des Dieselkraftstoffs einen höheren Wirkungsgrad auf als Benzinmaschinen. Ein Dieselverbrennungszyklus produziert Partikel, die typischerweise durch einen Partikelfilter (PF) aus dem Dieselabgas herausgefiltert werden, der in dem Abgasstrom angeordnet ist. Mit der Zeit wird der PF voll und die eingefangenen Dieselpartikel müssen entfernt werden. Während einer Regeneration werden die Dieselpartikel in dem PF verbrannt.
Herkömmliche Regenerationsverfahren spritzen nach dem Hauptverbrennungsvorgang Kraftstoff in den Abgasstrom ein. Der nach der Verbrennung eingespritzte Kraftstoff wird über einem oder mehreren Katalysatoren, die in dem Abgasstrom platziert sind, verbrannt. Die während der Kraftstoffverbrennung an den Katalysatoren freigesetzte Wärme erhöht die Abgastemperatur, welche die eingefangenen Rußpartikel in dem PF verbrennt. Dieser Ansatz kann jedoch höhere Temperaturauslenkungen als gewünscht zur Folge haben, die nachteilig für Abgassystemkomponenten einschließlich des PF sein können.
ZUSAMMENFASSUNG
Dementsprechend wird ein Abgassystem zur Verfügung gestellt, das durch eine Maschine erzeugtes Abgas verarbeitet. Das System umfasst: einen Partikelfilter (PF), der Partikel aus dem Abgas herausfiltert, wobei ein stromaufwärts gelegenes Ende des PF Abgas von der Maschine empfängt; und ein Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial, welches auf eine stromaufwärts gelegene Außenfläche des PF aufgebracht ist und welches Abgas, das durch das Gitter hindurchtritt, selektiv erwärmt, um eine Verbrennung der Partikel in dem PF einzuleiten.
Bei anderen Merkmalen wird ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (PF) eines Abgassystems zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst: ein Aufbringen eines Gitters aus elektrischem Widerstandsmaterial auf eine vordere Außenfläche des PF; ein Erwärmen des Gitters durch Zuführen von Strom an das elektrische Widerstandsmaterial; ein Herbeiführen einer Verbrennung von Partikeln, die an der Vorderfläche des PF vorhanden sind, über das erwärmte Gitter; und ein Leiten von Wärme, die durch die Verbrennung der Partikel erzeugt wurde, in den PF, um eine Verbrennung von Partikeln in dem PF herbeizuführen.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier gegebenen Beschreibung ersichtlich werden. Es sollte zu verstehen sein, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung gedacht sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen sind nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.
1 ist ein Funktionsblockschaltbild eines Fahrzeugs, das einen Partikelfilter umfasst.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Wandstrom-Monolith-Partikelfilters.
3 umfasst Perspektivansichten von Vorderflächen des PFs, welche verschiedene Muster von Widerstandspfaden veranschaulichen.
4 ist eine Perspektivansicht einer Vorderfläche des PF und eines Heizvorrichtungseinsatzes.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des PF von 2 einschließlich einer leitfähigen Beschichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder den Nutzen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppen-) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Nun auf 1 Bezug nehmend ist ein beispielhaftes Dieselmaschinensystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es ist einzusehen, dass das Dieselmaschinensystem 10 lediglich beispielhafter Natur ist und dass das hier beschriebene Partikelfilterregenerationssystem in verschiedenen Maschinensystemen ausgeführt sein kann, die einen Partikelfilter anwenden. Derartige Maschinensysteme können Benzindi rekteinspritzungsmaschinensysteme und Maschinensysteme mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Maschinensysteme) umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Zur Erleichterung der Diskussion wird die Offenbarung im Zusammenhang mit einem Dieselmaschinensystem diskutiert werden.
Ein turboaufgeladenes Dieselmaschinensystem 10 umfasst eine Maschine 12, die ein Luft- und Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Luft tritt durch Hindurchtreten durch einen Luftfilter 14 in das System ein. Die Luft tritt durch den Luftfilter 14 und wird in einen Turbolader 18 eingesaugt. Der Turbolader 18 verdichtet die in das System 10 eintretende Frischluft. Je größer die Verdichtung der Luft ist, umso größer ist allgemein die Ausgangsleistung der Maschine 12. Die verdichtete Luft tritt dann durch einen Luftkühler 20, bevor sie in einen Ansaugkrümmer 22 eintritt.
Die Luft in dem Ansaugkrümmer 22 wird in Zylinder 26 verteilt. Obwohl vier Zylinder 26 dargestellt sind, ist es einzusehen, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung in Maschinen mit mehreren Zylindern ausgeführt sein können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylinder. Es ist auch einzusehen, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung in einer V-Zylinderkonfiguration ausgeführt sein können. Kraftstoff wird durch Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28 in die Zylinder 26 eingespritzt. Wärme von der verdichteten Luft zündet das Luft-/Kraftstoff-Gemisch. Eine Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemischs erzeugt Abgas. Das Abgas tritt aus den Zylindern 26 in das Abgassystem ein.
Das Abgassystem umfasst einen Abgaskrümmer 30, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 32 und einen Partikelfilter (PF) 34. Optional führt ein EGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Teil des Abgases wieder in den Ansaugkrümmer 22 zurück. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 18 geleitet, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine erleichtert die Verdichtung der von dem Luftfilter 14 empfangenen Frischluft. Das Abgas strömt aus dem Turbolader 18 durch den DOC 32 und den PF 34. Der DOC 32 oxidiert das Abgas auf der Grundlage des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nach der Verbrennung. Das Ausmaß der Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases. Der PF 34 empfängt Abgas von dem DOC 32 und filtert jegliche in dem Abgas vorhandene Rußpartikel heraus.
Ein Steuermodul 44 steuert die Maschine und die PF-Regeneration auf der Grundlage verschiedener erfasster Informationen. Insbesondere schätzt das Steuermodul 44 die Beladung des PF 34. Wenn die geschätzte Beladung ein Schwellenniveau erreicht (zum Beispiel 5 Gramm/Liter Partikelmaterial) und die Abgasströmungsrate in einem gewünschten Bereich liegt, wird über eine Stromquelle 46 ein Strom an den PF 34 geleitet, um den Regenerationsprozess einzuleiten. Die Dauer des Regenerationsprozesses variiert auf der Grundlage der Menge an Partikelmaterial in dem PF 34. Es wird erwartet, dass der Regenerationsprozess zwischen 4–6 Minuten dauern kann. Ein Strom wird jedoch nur während eines anfänglichen Teils des Regenerationsprozesses angelegt. Genauer gesagt erwärmt die elektrische Energie die Fläche des PF für eine Schwellendauer (z.B. 1–2 Minuten). Das Abgas, das durch die Vorderfläche hindurchtritt, wird erwärmt. Der Rest des Regenerationsprozesses wird unter Verwendung der Wärme, die durch Verbrennung von Partikelmaterial, das nahe der erwärmten Fläche des PF 34 vorhanden ist, oder durch das durch den PF hindurchtretende erwärmte Abgas vollbracht.
Unter spezieller Bezugnahme auf 2 ist der PF 34 vorzugsweise eine Monolith-Partikelfalle, und er umfasst abwechselnd geschlossene Zel len/Kanäle 50 und geöffnete Zellen/Kanäle 52. Die Zellen/Kanäle 50, 52 weisen typischerweise rechteckige Querschnitte auf und verlaufen axial durch das Teil hindurch. Wände 58 des PF 34 umfassen vorzugsweise eine poröse keramische Bienenwabenwand aus Cordieritmateial. Es ist einzusehen, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ein beliebiges keramisches Wabenmaterial in Erwägung gezogen wird. Benachbarte Kanäle sind abwechselnd an jedem Ende verstopft, wie bei 56 gezeigt ist. Dies zwingt das Dieselaerosol durch die porösen Substratwände hindurch, welche als ein mechanischer Filter wirken. Partikelmaterial wird in den geschlossenen Kanälen 50 abgelagert und das Abgas tritt durch die geöffneten Kanäle 52 aus. Rußpartikel 59 strömen in den PF 34 und werden darin eingefangen.
Zu Regenerationszwecken ist ein Gitter 64, das ein elektrisches Widerstandsmaterial umfasst, an der vorderen Außenfläche befestigt, die als die Vorderfläche des PF 34 bezeichnet wird. Strom wird dem Widerstandsmaterial zugeführt, um thermische Energie zu erzeugen. Es ist einzusehen, dass eine Dickschichterwärmungstechnologie verwendet werden kann, um das Gitter 64 an dem PF 34 zu befestigen. Zum Beispiel kann ein Heizmaterial, wie zum Beispiel Silber oder Nichrom, aufgetragen und dann geätzt oder mit einer Maske auf die Vorderfläche des PF 34 aufgebracht werden. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen ist das Gitter aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, zusammengesetzt und unter Verwendung eines Keramik-Klebstoffs an dem PF befestigt.
Es ist auch einzusehen, dass das Widerstandsmaterial wie in 3 gezeigt in verschiedenen Einzel- oder Mehrfachpfadmustern aufgebracht sein kann. Segmente aus Widerstandsmaterial können entfernt werden, um die Bahnen zu erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann ein perforierter Heizvorrichtungseinsatz 70 wie in 4 gezeigt an der Vorderfläche des PF 34 befestigt sein. Bei jeder der oben erwähnten Ausführungsformen trägt das Abgas, das durch den PF 34 hindurchtritt, thermische Energie, die an der Vorderfläche des PF 34 erzeugt wurde, eine kurze Strecke die Kanäle 50, 52 hinab. Die erhöhte thermische Energie entzündet Partikelmaterial, das nahe dem Einlass des PF 34 vorhanden ist. Die durch die Verbrennung der Partikel erzeugte Wärme wird dann durch den PF hindurchgeleitet, um eine Verbrennung der restlichen Partikel in dem PF herbeizuführen.
Unter spezieller Bezugnahme auf 5 kann zusätzlich eine thermisch leitfähige Beschichtung 72 an den Einlässen 62 der Kanäle 50, 52 aufgebracht sein. Die Beschichtung 72 kann sich eine kurze Strecke die geöffneten Enden der geschlossenen Kanäle 50 hinab erstrecken. Bei verschiedenen Ausführungsformen erstreckt sich die leitfähige Beschichtung innerhalb eines Inches (2,54 cm) der Vorderfläche des PF. Das Widerstandsmaterial des Gitters 64 kontaktiert die leitfähige Beschichtung 72. Thermische Energie wird an die leitfähige Beschichtung 72 übertragen, wenn elektrische Energie durch das Widerstandsmaterial hindurchtritt. Wärme aus der leitfähigen Beschichtung 72 entzündet Partikelmaterial, das nahe dem Einlass des PF 34 vorhanden ist.
Fachleute können nun aus der vorangegangenen Beschreibung einsehen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Formen ausgeführt sein können. Deshalb sollte, während diese Offenbarung in Verbindung mit bestimmten Beispielen davon beschrieben wurde, der wahre Umfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt sein, da andere Modifikationen dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche deutlich werden.

Claims

Abgassystem, das durch eine Maschine erzeugtes Abgas verarbeitet, umfassend: einen Partikelfilter (PF), der Partikel aus dem Abgas herausfiltert, wobei ein stromaufwärts gelegenes Ende des PF Abgas von der Maschine empfängt; und ein Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial, welches auf eine stromaufwärts gelegene Außenfläche des PF aufgebracht ist und welches Abgas, das durch das Gitter hindurchtritt, selektiv erwärmt, um eine Verbrennung von Partikeln in dem PF einzuleiten.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter aus rostfreiem Stahl besteht und wobei das Gitter unter Verwendung eines Keramik-Klebstoffs auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche des PF aufgebracht ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter unter Verwendung einer Dickschichterwärmung auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche aufgebracht ist.
Abgassystem nach Anspruch 3, wobei das Gitter aus Silber und/oder Nichrom zusammengesetzt ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Gitter einen elektrischen Eingang und einen elektrischen Ausgang umfasst und wobei über den elektrischen Eingang und den elektrischen Ausgang Strom durch das Gitter hindurchgeführt wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter eine leitfähige Beschichtung umfasst, die auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche des PF aufgebracht ist, wobei das elektrische Widerstandsmaterial des Gitters die leitfähige Beschichtung kontaktiert und wobei das elektrische Widerstandsmaterial thermische Energie an die leitfähige Beschichtung überträgt, um eine Verbrennung von Partikeln, die auf der leitfähigen Beschichtung vorhanden sind, einzuleiten.
System nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter eine Wand-Monolith-Partikelfalle ist, die mehrere geöffnete Kanäle und mehrere geschlossene Kanäle umfasst.
System nach Anspruch 7, wobei das Gitter perforiert ist, so dass Öffnungen in dem Gitter, wenn es auf dem PF aufgebracht ist, mit den geöffneten Kanälen des Partikelfilters zusammenpassen.
System nach Anspruch 7, wobei der Partikelfilter eine leitfähige Beschichtung umfasst, die auf Einlässe der mehreren geöffneten und geschlossenen Kanäle aufgebracht ist, wobei sich die leitfähige Beschichtung einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt der geöffneten Kanäle hinab erstreckt und wobei das elektrische Widerstandsmaterial thermische Energie an die leitfähige Beschichtung überträgt, um eine Verbrennung von Partikeln, die in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des PF vorhanden sind, einzuleiten.
System nach Anspruch 1, wobei das Gitter Bahnen aus elektrischem Widerstandsmaterial umfasst, die in einem Einzelpfadmuster gebildet sind.
System nach Anspruch 1, wobei das Gitter Bahnen aus elektrischem Widerstandsmaterial umfasst, die in einem Mehrfachpfadmuster gebildet sind.
System nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Steuermodul, das den dem Gitter zugeführten Strom steuert, um während eines anfänglichen Zeitabschnitts eines PF-Regenerationszyklus zu bestehen.
System nach Anspruch 12, wobei das Steuermodul eine Menge von Partikeln in dem PF schätzt und wobei die Energie zugeführt wird, wenn die Menge eine Schwellenmenge übersteigt.
Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (PF) eines Abgassystems, umfassend: ein Aufbringen eines Gitters aus elektrischem Widerstandsmaterial auf eine vordere Außenfläche des PF; ein Erwärmen des Gitters durch Zuführen von Strom an das elektrische Widerstandsmaterial; ein Herbeiführen einer Verbrennung von Partikeln, die an der vorderen Oberfläche des PF vorhanden sind, über das erwärmte Gitter; und ein Leiten der durch die Verbrennung der Partikel erzeugten Wärme in den PF, um eine Verbrennung von Partikeln in dem PF herbeizuführen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Beschichten von Einlässen des PF mit einem leitfähigen Material, und wobei das Aufbringen ferner umfasst, dass das Gitter derart aufgebracht wird, dass das Widerstandsmaterial die leitfähige Beschichtung kontaktiert und thermische Energie an diese überträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Beschichten von Einlässen ferner ein Beschichten eines stromaufwärts gelegenen Abschnitts der geöffneten Kanäle des PF umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufbringen ein Aufbringen eines Gitters umfasst, welches ein Widerstandsmaterial aufweist, das in einem Einzelpfadmuster auf einer vorderen Außenfläche des PF definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufbringen ein Aufbringen eines Gitters umfasst, welches ein Widerstandsmaterial aufweist, das in einem Mehrfachpfadmuster auf einer vorderen Außenfläche des PF definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Erwärmen des Gitters während eines anfänglichen Zeitabschnitts eines PF-Regenerationszyklus auftritt.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Schätzen einer Menge von Partikeln in dem PF, und wobei das Erwärmen des Gitters auftritt, wenn die Menge eine Schwellenmenge übersteigt.