DE102008037269A1

DE102008037269A1 - Elektrisch beheizter Partikelfilter mit verminderter mechanischer Spannung

Info

Publication number: DE102008037269A1
Application number: DE102008037269A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2028-08-12
Also published as: CN101367021A; US20120192717A1; US8388741B2; DE102008037269B4; CN101367021B

Abstract

Ein System umfasst einen Partikelmaterial(PM)-Filter mit einem Einlass zum Aufnehmen von Abgas. Ein in Zonen aufgeteiltes Heizelement ist in dem Einlass vorgesehen und umfasst ein Widerstandsheizelement mit N Zonen, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist. Jede der N Zonen umfasst M Unterzonen, wobei M eine ganze Zahl größer als eins ist. Ein Steuermodul aktiviert selektiv eine der N Zonen, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und deaktiviert andere der N Zonen.

Description

Erklärung von Regierungsrechten
Diese Offenbarung wurde gemäß U.S.-Regierungsauftrag Nr. DE-FC-04-03 AL67635 mit dem Energieministerium (DoE) entwickelt. Die U.S.-Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht Nutzen aus der am 14. August 2007 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/955,743.
Diese Anmeldung ist mit den US-Patentanmeldungen Nr. 11/561,100, eingereicht am 17. November 2006, 11/561,108, eingereicht am 17. November 2006, und 11/557,715, eingereicht am 8. November 2006, verwandt. Die Offenbarungen der vorstehenden Anmeldungen werden hiermit durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Partikelmaterial(PM)-Filter und insbesondere Aschereduzierungssysteme für PM-Filter.
Hintergrund
Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Brennkraftmaschinen wie Dieselbrennkraftmaschinen erzeugen Partikelmaterial (PM), das durch einen PM-Filter aus Abgas gefiltert wird. Der PM-Filter ist in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordnet. Der PM-Filter senkt die PM-Emission, die während Verbrennung erzeugt wird.
Im Laufe der Zeit wird der PM-Filter voll. Während Regeneration kann das PM in dem PM-Filter verbrannt werden. Die Regeneration kann das Erwärmen des PM-Filters auf eine Verbrennungstemperatur des PM umfassen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten des Durchführens von Regeneration, einschließlich Abwandeln von Brennkraftmaschinensteuerung, Verwenden eines Kraftstoffbrenners, Verwenden eines katalytischen Oxidationsmittels zum Anheben der Abgastemperatur nach Einspritzung von Kraftstoff, Verwenden von Widerstandsheizspulen und/oder Verwenden von Mikrowellenenergie.
Diesel-PM verbrennt, wenn Temperaturen über einer Verbrennungstemperatur, beispielsweise 600°C, erreicht werden. Der Start der Verbrennung bewirkt einen weiteren Temperaturanstieg. Während fremdgezündete Brennkraftmaschinen typischerweise niedrige Sauerstoffwerte im Abgasstrom aufweisen, weisen Dieselbrennkraftmaschinen signifikant höhere Sauerstoffwerte auf. Während die erhöhten Sauerstoffwerte eine schnelle Regeneration des PM-Filters möglich machen, können sie auch einige Probleme aufwerfen.
PM-Reduktionssysteme, die Kraftstoff verwenden, pflegen die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu mindern. Viele auf Kraftstoff beruhende PM-Reduktionssysteme mindern die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zum Beispiel um 5%. Elektrisch beheizte PM-Reduktionssysteme mindern die Kraftstoffwirtschaftlichkeit um einen vernachlässigbaren Betrag. Eine Langlebigkeit der elektrisch beheizten PM-Reduktionssysteme ist aber schwierig zu verwirklichen.
Zusammenfassung
Ein System umfasst einen Partikelmaterial(PM)-Filter, der einen Einlass zum Aufnehmen von Abgas umfasst. Ein in Zonen aufgeteiltes Heizelement ist in dem Einlass angeordnet und umfasst ein Widerstandsheizelement mit N Zonen, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist. Jede der N Zonen umfasst M Unterzonen, wobei M eine ganze Zahl größer als eins ist. Ein Steuermodul aktiviert selektiv eine der N Zonen, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und deaktiviert andere der N Zonen.
Bei anderen Merkmalen sehen die anderen der N Zonen Zonen zur Minderung von mechanischer Spannung vor. Die N Zonen sind in einem mittleren Teil angeordnet, wobei ein erster umlaufender Teil sich radial außerhalb des mittleren Teils befindet und ein zweiter umlaufender Teil sich radial außerhalb des ersten umlaufenden Teils befindet. Der mittlere Teil umfasst eine erste Zone. Der zweite umlaufende Teil umfasst die erste Zone, eine zweite Zone und eine dritte Zone. Die erste, zweite und dritte Zone wechseln sich um den zweiten umlaufenden Teil ab. Der erste umlaufende Teil umfasst vierte und fünfte Zonen, die sich abwechseln.
Weitere Gebiete der Anwendbarkeit gehen aus der hierin vorgesehenen Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezifischen Beispiele lediglich dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung beschränken sollen.
Zeichnungen
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zwecke der Veranschaulichung und sollen nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise beschränken.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Brennkraftmaschine, die einen elektrisch beheizten Partikelmaterial(PM)-Filter mit einem in Zonen aufgeteilten Einlassheizelement umfasst;
2 zeigt eine beispielhafte Zonenaufteilung des in Zonen aufgeteilten Einlassheizelements des elektrisch beheizten Partikelmaterial(PM)-Filters von 1 näher;
3 zeigt eine beispielhafte Zonenaufteilung des in Zonen aufgeteilten Einlassheizelements des elektrisch beheizten PM-Filters von 1 näher;
4 zeigt ein beispielhaftes Widerstandsheizelement in einer der Zonen des in Zonen aufgeteilten Heizelements von 3.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder die Nutzungsmöglichkeiten zu beschränken. Es versteht sich, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff Modul auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Die vorliegende Offenbarung nutzt Heizelementzonen, die im gesamten Einlass eines elektrisch beheizten PM-Filters verteilt sind. Die Heizelementzonen sind so beabstandet, dass Wärmespannung zwischen aktiven Heizelementen gemindert wird. Daher sind die Gesamtspannungskräfte aufgrund von Beheizen kleiner und sind über das Volumen des gesamten elektrisch beheizten PM-Filters verteilt. Diese Vorgehensweise ermöglicht Regeneration in größeren Segmenten des elektrisch beheizten PM-Filters, ohne Wärmespannungen zu erzeugen, die den elektrisch beheizten PM-Filter beschädigen.
Ein größter Temperaturgradient tritt an den Kanten der Heizelemente auf. Daher ermöglicht das Aktivieren eines Heizelements hinter der örtlich begrenzten Spannungszone eines anderen Heizelements ein aktiver beheiztes Regenerationsvolumen ohne Zunahme der Gesamtspannung. Dies pflegt die Möglichkeit der Regeneration in einem Fahrzyklus zu verbessern und verringert Kosten und Komplexität, da das System nicht so viele Zonen unabhängig regenerieren muss.
Unter Bezug nun auf 1 ist ein beispielhaftes Dieselbrennkraftmaschinensystem 10 schematisch gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Es versteht sich, dass das Dieselbrennkraftmaschinensystem 10 lediglich beispielhafter Natur ist und dass das hierin beschriebene zonenbeheizte Partikelfilterregenerationssystem in verschiedenen Brennkraftmaschinensystemen implementiert werden kann, die einen Partikelfilter verwenden. Solche Brennkraftmaschinensysteme können Brennkraftmaschinensysteme mit Benzindirekteinspritzung und Brennkraftmaschinensysteme mit homogener Kompressionszündung umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt. Zur Erleichterung der Erläuterung wird die Offenbarung im Zusammenhang mit einem Dieselbrennkraftmaschinensystem erläutert.
Ein turboaufgeladenes Dieselbrennkraftmaschinensystem 10 umfasst eine Brennkraftmaschine 12, die ein Luft- und Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Die Luft tritt durch Strömen durch einen Luftfilter 14 in das System ein. Luft dringt durch den Luftfilter 14 und wird in einen Turbolader 18 gesaugt. Der Turbolader 18 verdichtet die in das System 10 eintretende Frischluft. Je größer die Verdichtung der Luft allgemein ist, umso größer ist die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine 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, können die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung in Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern ausgeführt sein, einschließlich, aber nicht ausschließlich mit 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylindern. Es versteht sich auch, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung 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 die Abgasanlage ein.
Die Abgasanlage umfasst einen Abgaskrümmer 30, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 32 und einen Partikelfilter (PF) 34 mit einem in Zonen aufgeteilten Einlassheizelement 35. Optional führt ein AGR-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 aufgenommenen Frischluft. Das Abgas strömt aus dem Turbolader 18 durch den DOC 32, durch das in Zonen aufgeteilte Einlassheizelement 35 und in 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 vorhandenen Partikel heraus. Das in Zonen aufgeteilte Heizelement 35 erwärmt das Abgas auf eine Regenerationstemperatur, wie später beschrieben wird.
Ein Steuermodul 44 steuert die Brennkraftmaschine und die PF-Regeneration auf der Grundlage verschiedener erfasster Informationen. Genauer gesagt schätzt das Steuermodul 44 die Beladung des PF 34. Wenn die geschätzte Beladung einen vorbestimmen Wert erreicht und die Abgasströmrate innerhalb eines Sollbereichs liegt, wird über eine Stromquelle 46 elektrischer Strom zum PF 34 geleitet, um den Regenerationsprozess einzuleiten. Die Dauer des Regenerationsprozesses kann auf der Grundla ge der geschätzten Menge an Partikelmaterial in dem PF 34 verändert werden.
Elektrischer Strom wird während des Regenerationsprozesses an dem in Zonen aufgeteilten Einlassheizelement 35 angelegt. Genauer gesagt erwärmt die elektrische Energie ausgewählte Teile des in Zonen aufgeteilten Einlassteils 35 des PF 34 jeweils über vorbestimmte Zeitspannen. Durch die Vorderfläche tretendes Abgas wird durch die aktivierten Zonen erwärmt. Der Rest des Regenerationsprozesses wird unter Verwendung der Wärme, die durch Verbrennung von Partikelmaterial erzeugt wird, das nahe der erwärmten Fläche des PF 34 vorhanden ist, oder durch das durch den PF hindurchtretende erwärmte Abgas verwirklicht.
Unter Bezug nun auf 2 wird ein beispielhaftes in Zonen aufgeteiltes Einlassheizelement 35 für den PM-Filter 34 näher gezeigt. Der elektrisch beheizte PM-Filter 34 umfasst mehrere beabstandete Heizelementzonen, die Zone 1 (mit Unterzonen 1A, 1B und 1C), Zone 2 (mit Unterzonen 2A, 2B und 2C) und Zone 3 (mit Unterzonen 3A, 3B und 3C) umfassen. Die Zonen 1, 2 und 3 werden während unterschiedlicher jeweiliger Zeiträume aktiviert.
Wenn Abgas durch die aktivierten Zonen strömt, kommt es zu Regeneration in den entsprechenden Teilen des PF, die sich stromabwärts der aktivierten Zonen befinden. Die entsprechenden Teile des PF, die sich nicht stromabwärts einer aktivierten Zone befinden, dienen als Spannungsminderungszonen. In 2 sind zum Beispiel die Unterzonen 1A, 1B und 1C aktiviert und die Unterzonen 2A, 2B, 2C, 3A, 3B und 3C dienen als Spannungsminderungszonen.
Während des Beheizens und Abkühlens dehnen sich die entsprechenden Abschnitte des PM-Filters stromabwärts der aktiven Heizelement-Unterzonen 1A, 1B und 1C thermisch aus und ziehen sich thermisch zusammen. Die Spannungsminderungsunterzonen 2A und 3A, 2B und 3B sowie 2C und 3C mindern eine durch das Ausdehnen und Zusammenziehen der Heizelement-Unterzonen 1A, 1B und 1C bewirkte mechanische Spannung. Nachdem Zone 1 die Regeneration beendet hat, kann die Zone 2 aktiviert werden, und die Zonen 1 und 3 dienen als Spannungsminderungszonen. Nachdem die Zone 2 die Regeneration beendet hat, kann die Zone 3 aktiviert werden, und die Zonen 1 und 2 dienen als Spannungsminderungszonen.
Unter Bezug nun auf 3 wird eine andere beispielhafte Anordnung eines in Zonen aufgeteilten Einlassheizelements gezeigt. Ein mittlerer Teil kann von einer mittleren Zone umgeben sein, die ein erstes umlaufendes Band von Zonen umfasst. Der mittlere Teil kann von einem äußeren Teil umgeben sein, der ein zweites umlaufendes Band von Zonen umfasst.
In diesem Beispiel umfasst der mittlere Teil Zone 1. Das erste umlaufende Band von Zonen umfasst die Zonen 2 und 3. Das zweite umlaufende Band von Zonen umfasst die Zonen 1, 4 und 5. Wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden stromabwärts von aktiven Zonen befindliche Teile regeneriert, während stromabwärts von inaktiven Zonen befindliche Teile eine Spannungsminderung vorsehen. Wie erkennbar ist, kann jeweils eine der Zonen 1, 2, 3, 4 und 5 aktiviert sein. Die anderen der Zonen bleiben deaktiviert.
Unter Bezug nun auf 4 wird ein beispielhaftes Widerstandsheizelement 200 gezeigt, das zu einer der Zonen (z. B. Zone 3) aus dem ersten umlaufenden Band von Zonen in 3 benachbart angeordnet gezeigt wird. Das Widerstandsheizelement 200 kann ein oder mehrere Spulen umfassen, die die jeweilige Zone bedecken, um ausreichendes Beheizen vorzusehen.
Bei Einsatz ermittelt das Steuermodul, wann der PM-Filter einer Regeneration bedarf. Alternativ kann die Regeneration regelmäßig oder beruhend auf einem Ereignis ausgeführt werden. Das Steuermodul kann schätzen, wann der gesamte PM-Filter einer Regeneration bedarf oder wann Zonen in dem PM-Filter einer Regeneration bedürfen. Wenn das Steuermodul ermittelt, dass der gesamte PM-Filter einer Regeneration bedarf, aktiviert das Steuermodul nacheinander jeweils eine der Zonen, um eine Regeneration in dem zugeordneten stromabwärts befindlichen Teil des PM-Filters auszulösen. Nachdem eine Zone regeneriert wurde, wird eine andere Zone aktiviert, während die anderen deaktiviert sind. Diese Vorgehensweise wird fortgeführt, bis alle Zonen aktiviert sind. Wenn das Steuermodul ermittelt, dass eine der Zonen einer Regeneration bedarf, aktiviert das Steuermodul die Zone, die dem zugeordneten stromabwärts befindlichen Teil des PM-Filters entspricht, der einer Regeneration bedarf.

Claims

System umfassend: einen Partikelmaterial(PM)-Filter mit einem Einlass zum Aufnehmen von Abgas; ein in Zonen aufgeteiltes Einlassheizelement, das in dem Einlass angeordnet ist und das ein Widerstandsheizelement mit N Zonen umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, wobei jede der N Zonen M Unterzonen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer als eins ist; und ein Steuermodul, das selektiv eine der N Zonen aktiviert, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und andere der N Zonen deaktiviert.
System nach Anspruch 1, wobei die anderen der N Zonen Spannungsminderungszonen vorsehen.
System nach Anspruch 1, wobei die N Zonen in einem mittleren Teil angeordnet sind, wobei ein erster umlaufender Teil sich radial außerhalb des mittleren Teils befindet und ein zweiter umlaufender Teil sich radial außerhalb des ersten umlaufenden Teils befindet.
System nach Anspruch 3, wobei der mittlere Teil eine erste Zone umfasst und der zweite umlaufende Teil die erste Zone, eine zweite Zone und eine dritte Zone umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei sich die erste, die zweite und die dritte Zone um den zweiten umlaufenden Teil abwechseln.
System nach Anspruch 4, wobei der erste umlaufende Teil vierte und fünfte Zonen umfasst, die sich abwechseln.
Elektrisch beheizter Partikelmaterial-Filter umfassend: einen Partikelmaterial(PM)-Filter mit einem Einlass zum Aufnehmen von Abgas; ein in Zonen aufgeteiltes Heizelement, das in dem Einlass angeordnet ist und das ein Widerstandsheizelement mit N Zonen umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, wobei jede der N Zonen M Unterzonen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer als eins ist, wobei jede der N Zonen unabhängig von anderen der N Zonen aktiviert werden kann.
System nach Anspruch 7, wobei die anderen der N Zonen Spannungsminderungszonen vorsehen.
System nach Anspruch 7, wobei die N Zonen in einem mittleren Teil angeordnet sind, wobei ein erster umlaufender Teil sich radial außerhalb des mittleren Teils befindet und ein zweiter umlaufender Teil sich radial außerhalb des ersten umlaufenden Teils befindet.
System nach Anspruch 9, wobei der mittlere Teil eine erste Zone umfasst und der zweite umlaufende Teil die erste Zone, eine zweite Zone und eine dritte Zone umfasst.
System nach Anspruch 10, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Zonen um den zweiten umlaufenden Teil abwechseln.
System nach Anspruch 10, wobei der erste umlaufende Teil vierte und fünfte Zonen umfasst, die sich abwechseln.
Verfahren umfassend: Vorsehen eines Partikelmaterial(PM)-Filters mit einem Einlass zum Aufnehmen von Abgas; Vorsehen eines in Zonen aufgeteilten Einlassheizelements, das in dem Einlass angeordnet ist und das ein Widerstandsheizelement mit N Zonen umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, wobei jede der N Zonen M Unterzonen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer als eins ist, und selektives Aktivieren einer der N Zonen, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, während die anderen der N Zonen deaktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die anderen der N Zonen Spannungsminderungszonen vorsehen.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Anordnen der N Zonen in einem mittleren Teil, wobei ein erster umlaufender Teil sich radial außerhalb des mittleren Teils befindet und ein zweiter umlaufender Teil sich radial außerhalb des ersten umlaufenden Teils befindet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der mittlere Teil eine erste Zone umfasst und der zweite umlaufende Teil die erste Zone, eine zweite Zone und eine dritte Zone umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Zonen um den zweiten umlaufenden Teil abwechseln.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der erste umlaufende Teil vierte und fünfte Zonen umfasst, die sich abwechseln.