DE102007013833B4

DE102007013833B4 - Abgassystem

Info

Publication number: DE102007013833B4
Application number: DE102007013833.6A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Frank 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: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US20070220869A1; US8549846B2; DE102007013833A1; CN101070770B; CN101070770A

Abstract

Abgassystem, das durch eine Maschine (12) erzeugtes Abgas verarbeitet, umfassend:
einen Partikelfilter (PF, 34), der Partikel aus dem Abgas herausfiltert, wobei ein stromaufwärts gelegenes Ende des Partikelfilters (34) Abgas von der Maschine (12) empfängt; und
ein Gitter (64) aus elektrischem Widerstandsmaterial, welches auf eine stromaufwärts gelegene Außenfläche des Partikelfilters (34) aufgebracht ist und welches Abgas, das durch das Gitter (64) hindurchtritt, selektiv erwärmt, um eine Verbrennung von Partikeln in dem Partikelfilter (34) einzuleiten,
wobei der Partikelfilter (34) eine thermisch leitfähige Beschichtung (72) umfasst, die derart auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche des Partikelfilters (34) aufgebracht ist, dass das elektrische Widerstandsmaterial des Gitters (64) die thermisch leitfähige Beschichtung (72) kontaktiert und das elektrische Widerstandsmaterial thermische Energie an die thermisch leitfähige Beschichtung (72) überträgt, um eine Verbrennung von Partikeln, die auf der thermisch leitfähigen Beschichtung (72) vorhanden sind, einzuleiten.

Description

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.
In der US 4 505 726 A ist ein Partikelfilter für die Abgasanlage eines Dieselmotors offenbart, auf dessen vordere Stirnseite ein Film aus Widerstandsmaterial aufgebracht ist. Durch Stromzufuhr kann der Film erhitzt und so angesammeltes Partikelmaterial in dem Filter entzündet werden.
Die US 4 516 993 A offenbart einen beheizbaren Partikelfilter, an dessen Eingangsseite mehrere elektrische Heizdrähte vorgesehen sind. Um eine gleichmäßige Regeneration zu ermöglichen, wird zunächst ein Heizdraht mit hoher Leistungsdichte aktiviert, während bei fortschreitender Rußverbrennung benachbarte Heizdrähte mit geringer Leistungsdichte aktiviert werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die elektrisch eingeleitete Verbrennung von angesammeltem Ruß in Partikelfiltern effektiver zu gestalten.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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. Der Partikelfilter umfasst eine thermisch leitfähige Beschichtung, die derart auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche des PF aufgebracht ist, dass das elektrische Widerstandsmaterial des Gitters die thermisch leitfähige Beschichtung kontaktiert und das elektrische Widerstandsmaterial thermische Energie an die thermisch leitfähige Beschichtung überträgt, um eine Verbrennung von Partikeln, die auf der thermisch leitfähigen Beschichtung vorhanden sind, einzuleiten.
Figurenliste

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
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 Benzindirekteinspritzungsmaschinensysteme 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 Zellen/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 Mehrfachpfadmustem 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.

Claims

Abgassystem, das durch eine Maschine (12) erzeugtes Abgas verarbeitet, umfassend: einen Partikelfilter (PF, 34), der Partikel aus dem Abgas herausfiltert, wobei ein stromaufwärts gelegenes Ende des Partikelfilters (34) Abgas von der Maschine (12) empfängt; und ein Gitter (64) aus elektrischem Widerstandsmaterial, welches auf eine stromaufwärts gelegene Außenfläche des Partikelfilters (34) aufgebracht ist und welches Abgas, das durch das Gitter (64) hindurchtritt, selektiv erwärmt, um eine Verbrennung von Partikeln in dem Partikelfilter (34) einzuleiten, wobei der Partikelfilter (34) eine thermisch leitfähige Beschichtung (72) umfasst, die derart auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche des Partikelfilters (34) aufgebracht ist, dass das elektrische Widerstandsmaterial des Gitters (64) die thermisch leitfähige Beschichtung (72) kontaktiert und das elektrische Widerstandsmaterial thermische Energie an die thermisch leitfähige Beschichtung (72) überträgt, um eine Verbrennung von Partikeln, die auf der thermisch leitfähigen Beschichtung (72) vorhanden sind, einzuleiten.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter (64) aus rostfreiem Stahl besteht und wobei das Gitter (64) unter Verwendung eines Keramik-Klebstoffs auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche des Partikelfilters (34) aufgebracht ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter (64) unter Verwendung einer Dickschichterwärmung auf die stromaufwärts gelegene Außenfläche aufgebracht ist.
Abgassystem nach Anspruch 3, wobei das Gitter (64) aus Silber und/oder Nichrom zusammengesetzt ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter (64) einen elektrischen Eingang und einen elektrischen Ausgang umfasst und wobei über den elektrischen Eingang und den elektrischen Ausgang Strom durch das Gitter (64) hindurchgeführt wird.
Abgasystem nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter (34) eine Wand-Monolith-Partikelfalle ist, die mehrere Kanäle (50, 52) umfasst, welche an einem Ende geöffnet und an einem Ende geschlossen sind, wobei benachbarte Kanäle (50, 52) an entgegengesetzten Enden geschlossen sind.
Abgassystem nach Anspruch 6, wobei das Gitter (64) perforiert ist, so dass Öffnungen in dem Gitter (64), wenn es auf dem Partikelfilter (34) aufgebracht ist, mit geöffneten Enden der Kanäle (50) des Partikelfilters (34) zusammenpassen.
Abgassystem nach Anspruch 6, wobei die thermisch leitfähige Beschichtung (72) an geöffneten Enden der Kanäle (50) auf Einlässe (62) der Kanäle aufgebracht ist und sich einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt der Kanäle (50) hinab erstreckt.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter (64) Bahnen aus elektrischem Widerstandsmaterial umfasst, die in einem single path-Muster gebildet sind.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Gitter (64) Bahnen aus elektrischem Widerstandsmaterial umfasst, die in einem multi path-Muster gebildet sind.
Abgassystem nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Steuermodul (44), das den dem Gitter (64) zugeführten Strom derart steuert, dass er während eines anfänglichen Zeitabschnitts eines Partikelfilter-Regenerationszyklus fließt.
Abgassystem nach Anspruch 11, wobei das Steuermodul (44) eine Menge von Partikeln in dem Partikelfilter (34) schätzt und wobei die Energie zugeführt wird, wenn die Menge eine Schwellenmenge übersteigt.