DE102008039589B4

DE102008039589B4 - Auslegung eines elektrisch beheizten Katalysators mit eingebetteter Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102008039589B4
Application number: DE102008039589A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Mark R. Chapman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: DE102008039589A1; CN101418710B; CN101418710A

Abstract

Abgasanlage, die durch eine Brennkraftmaschine erzeugtes Abgas aufbereitet, umfassend: einen Katalysator, der das Abgas von der Brennkraftmaschine aufnimmt, wobei ein stromabwärts befindliches Ende des Katalysators Abgas von dem Katalysator freisetzt und wobei eine stromabwärts befindliche Außenfläche des Katalysators maschinell gefertigte Kerben umfasst; und ein Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial, das in die maschinell gefertigten Kerben der stromabwärts befindlichen Außenfläche des Katalysators eingesetzt ist und das selektiv Abgas erwärmt, das durch das Gitter tritt.

Description

Erklärung von Regierungsrechten
Diese Erfindung 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.
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme zum Beheizen von Katalysatoren.
Hintergrund
Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Dieselbrennkraftmaschinen weisen aufgrund eines erhöhten Verdichtungsverhältnisses und einer höheren Energiedichte von Dieselkraftstoff typischerweise einen höheren Wirkungsgrad als Benzinbrennkraftmaschinen auf. Ein Dieselverbrennungszyklus erzeugt Partikel, die typischerweise durch einen Partikelfilter (PF), der in dem Abgasstrom angeordnet ist, aus Dieselabgas gefiltert werden. Im Laufe der Zeit wird der PF voll und die zurückgehaltenen Dieselpartikel müssen entfernt werden. Während Regeneration werden die Dieselpartikel in dem PF verbrannt.
Herkömmliche Regenerationsverfahren spritzen nach dem Hauptverbrennungsvorgang Kraftstoff in den Abgasstrom. Der nach der Verbrennung eingespritzte Kraftstoff wird über einem oder mehreren Katalysatoren, die in dem Abgasstrom positioniert sind, verbrannt. Die während der Kraftstoffverbrennung an den Katalysatoren freigesetzte Wärme erhöht die Abgastemperatur, was die zurückgehaltenen Rußpartikel in dem PF verbrennt. Dieser Ansatz kann aber zu höheren Temperaturauslenkungen als erwünscht führen, was für Abgasanlagenkomponenten, einschließlich des PF, abträglich sein kann.
Abgasanlagen mit Katalysatoren, Partikelfiltern und Heizelementen zur Erwärmung des Abgases sind aus den Druckschriften US 2007/0 220 869 A1 , EP 1 167 708 A2 und DE 34 03 564 A1 bekannt.
Zusammenfassung
Erfindungsgemäß ist eine Abgasanlage, die von einer Brennkraftmaschine erzeugtes Abgas aufbereitet, vorgesehen. Die Abgasanlage umfasst im Allgemeinen: einen Katalysator, der das Abgas von der Brennkraftmaschine aufnimmt, wobei ein stromabwärts befindliches Ende des Katalysators Abgas von dem Katalysator freisetzt und wobei eine stromabwärts befindliche Außenfläche des Katalysators maschinell hergestellte Kerben umfasst; und ein Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial, das in die maschinell hergestellten Kerben der stromabwärts befindlichen Außenfläche des Katalysators eingesetzt ist und selektiv durch das Gitter tretendes Abgas erwärmt.
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 eines beispielhaften Fahrzeugs mit einem Partikelfilter und einer Partikelfilterregenerationsanlage nach verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Querschnittansicht eines beispielhaften Wandstrom-Monolith-Partikelfilters mit einem eingebetteten Widerstandsgitter.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Partikelfilters von 2 mit maschinell hergestellten Kerben.
4 umfasst perspektivische Vorderansichten von beispielhaften Gittern, die verschiedene Muster von Widerstandsbahnen veranschaulichen.
5 ist eine perspektivische Seitenansicht eines beispielhaften Katalysators und Partikelfilters mit einem eingebetteten Widerstandsgitter.
6 umfasst eine perspektivische Ansicht eines Katalysators mit maschinell hergestellten Kerben.
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), 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.
Unter Bezug nun auf 1 ist ein beispielhaftes Fahrzeug 10, das ein Dieselbrennkraftmaschinensystem 11 umfasst, gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Es versteht sich, dass das Dieselbrennkraftmaschinensystem 11 lediglich beispielhafter Natur ist und dass das hierin beschriebene Partikelfilterregenerationssystem in verschiedenen Brennkraftmaschinensystemen umgesetzt sein kann, die einen Partikelfilter einsetzen. 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 11 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 11 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, versteht sich, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung in Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern ausgeführt sein können, einschließlich, aber nicht ausschließlich bei 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 Kraftstoffeinspritzventile 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 (Katalysator) 32 und einen Partikelfilter (PF) 34. 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 Katalysator 32 und den PF 34. Der Katalysator 32 oxidiert das Abgas auf der Grundlage des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nach der Verbrennung. Der PF 34 empfängt Abgas von dem Katalysator 32 und filtert jegliche in dem Abgas vorhandene Partikel heraus.
Ein Steuermodul 44 steuert die Brennkraftmaschine 12 und die PF-Regeneration auf der Grundlage verschiedener erfasster und/oder modellierter Informationen. Genauer gesagt schätzt das Steuermodul 44 die Partikelmaterialbeladung des PF 34. Wenn die geschätzte Partikelmaterialbeladung einen Schwellenwert erreicht (zum Beispiel 5 Gramm/Liter Partikelmaterial) 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 variiert auf der Grundlage der Menge an Partikelmaterial in dem PF 34. Es wird erwartet, dass der Regenerationsprozess zwischen 1–6 Minuten dauern kann. Elektrischer Strom wird jedoch nur während eines anfänglichen Teils des Regenerationsprozesses angelegt. Genauer gesagt erwärmt die elektrische Energie die Fläche des PF 34 für eine Schwellendauer (z. B. etwa 1–2 Minuten). Durch die Vorderfläche tretendes Abgas wird 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 34 hindurchtretende erwärmte Abgas verwirklicht.
Unter speziellem Bezug auf 2 ist der PF 34 vorzugsweise eine Monolith-Partikelfalle und umfasst abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle 50 und geöffnete Zellen/Kanäle 52. Die Zellen/Kanäle 50, 52 weisen typischerweise quadratische Querschnitte auf, wobei sie axial durch das Teil hindurch laufen. Wände 58 des PF 34 umfassen vorzugsweise eine poröse keramische Bienenwabenwand aus Cordieritmaterial. Es versteht sich, dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung 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 Abgas tritt durch die geöffneten Kanäle 52 aus. Partikelmaterial 59 strömt in den PF 34 und wird darin festgehalten.
Unter Bezug auf 3 und unter fortgesetztem Bezug auf 2 werden zu Regenerationszwecken ein oder mehrere Abschnitte einer vorderen oder stromaufwärts befindlichen Außenfläche (auch als Vorderfläche bezeichnet) des PF 34 maschinell bearbeitet oder gefräst, um Kerben 62 zu bilden. Wie in 3 gezeigt ist, sind die Kerben 62 so maschinell gefertigt, dass sie ein ein elektrisches Widerstandsmaterial umfassendes Gitter 64 aufnehmen. Die Kerben 62 können in verschiedenen Mustern maschinell gefertigt werden, um einem Muster des Gitters 64 zu entsprechen. Wie sich versteht, kann das Widerstandsmaterial des Gitters 64 in verschiedenen Einzel- oder Mehrfachbahn-Mustern ausgebildet sein. Das Gitter 64 kann durch Einsetzen des Gitters 64 in die Kerben 62 an der Vorderfläche des PF 34 angebracht werden. An Ort und Stelle tragen die Kerben 62 dazu bei, die Position des Gitters 64 zu wahren, und das Gitter 64 befindet sich in laminarer Strömung mit dem PF 34.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine Tiefe der Kerben 62 so beschaffen sein, dass bei Anbringen des Gitters 64 an dem PF 34 ein Spalt 66 zwischen dem PF 34 und dem Gitter 64 vorliegt, wie in 2 gezeigt wird. Der Spalt 66 lässt eine thermische Ausdehnung zu, wenn das Gitter 64 beheizt wird (wie nachstehend näher erläutert wird). In verschiedenen Ausführungsformen besteht das Gitter 64 aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, das zu geringer thermischer Ausdehnung fähig ist (beispielsweise INVAR 42, das 42% Nickel und 58% Eisen enthält).
Unter Bezug auf 5 und 6 können bei verschiedenen anderen Ausführungsformen, wenn das Fahrzeug 10 einen Katalysator 32 umfasst, ein oder mehrere Abschnitte einer hinteren oder stromabwärts befindlichen Außenfläche (auch als Rückfläche bezeichnet) des Katalysators 32 maschinell bearbeitet oder gefräst werden, um Kerben 68 zu bilden. Wie in 6 gezeigt ist, sind die Kerben 68 so maschinell gefertigt, dass sie das Gitter 64 aufnehmen. Die Kerben 68 können wie vorstehend erläutert in verschiedenen Mustern maschinell gefertigt werden, um dem Muster des Gitters 64 zu entsprechen. Das Gitter 64 kann durch Einsetzen des Gitters 64 in die Kerben 68 der Rückfläche des Katalysators 32 zwischen dem Katalysator 32 und dem PF 34 eingesetzt werden. An Ort und Stelle tragen die Kerben 68 dazu bei, die Position des Gitters 64 zu wahren, und das Gitter 64 befindet sich in laminarer Strömung mit dem PF 34.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine Tiefe der Kerben 68 so beschaffen sein, dass bei Anbringen des Gitters 64 an dem Katalysator 32 ein Spalt (ähnlich dem bei 66 in 2 gezeigten) zwischen dem Katalysator 32 und dem Gitter 64 vorliegt. Der Spalt lässt eine thermische Ausdehnung zu, wenn das Gitter 64 beheizt wird (wie nachstehend näher erläutert wird). In verschiedenen Ausführungsformen besteht das Gitter 64 aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, das zu geringer thermischer Ausdehnung fähig ist (beispielsweise INVAR 42, das 42% Nickel und 58% Eisen enthält).
Bei jeder der vorstehend erwähnten Ausführungsformen wird dem Gitter 64 elektrischer Strom zugeführt, um das Gitter 64 zu beheizen. Durch das Gitter 64 tretendes Abgas trägt die durch das Gitter 64 erzeugte Wärmeenergie eine kurze Strecke die Kanäle 50, 52 des PF 34 hinab. Das Einbetten des Gitters 64 in dem PF 34 oder dem Katalysator 32 beschränkt den Abstrahlungswärmeverlust. Die Wärmeenergie zündet das nahe der Vorderseite des PF 34 vorhandene Partikelmaterial. Die aus der Verbrennung der Partikel erzeugte Wärme wird dann durch den PF 34 geleitet, um eine Verbrennung der verbleibenden Partikel in dem PF 34 herbeizuführen.
Fachleute können nun der vorangegangenen Beschreibung entnehmen, dass die breite Lehre der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Formen ausgeführt sein kann. Wenngleich diese Offenbarung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben wurde, sollte daher der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt sein, da dem Fachmann andere Abwandlungen bei Prüfen der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offenkundig werden.

Claims

Abgasanlage, die durch eine Brennkraftmaschine erzeugtes Abgas aufbereitet, umfassend: einen Katalysator, der das Abgas von der Brennkraftmaschine aufnimmt, wobei ein stromabwärts befindliches Ende des Katalysators Abgas von dem Katalysator freisetzt und wobei eine stromabwärts befindliche Außenfläche des Katalysators maschinell gefertigte Kerben umfasst; und ein Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial, das in die maschinell gefertigten Kerben der stromabwärts befindlichen Außenfläche des Katalysators eingesetzt ist und das selektiv Abgas erwärmt, das durch das Gitter tritt.
Anlage nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen stromabwärts des Katalysators angeordneten Partikelfilter (PF), der Partikel aus dem Abgas filtert, und wobei das erwärmte Abgas von dem Gitter eine Verbrennung von Partikeln in dem PF herbeiführt.
Anlage nach Anspruch 1, wobei die maschinell gefertigten Kerben in einem ersten Muster ausgebildet sind, wobei das Gitter aus elektrischem Widerstandsmaterial in einem zweiten Muster ausgebildet ist und wobei das erste Muster dem zweiten Muster entspricht.
Anlage nach Anspruch 3, wobei das zweite Muster ein Einzelbahn-Muster ist.
Anlage nach Anspruch 3, wobei das zweite Muster ein Mehrfachbahn-Muster ist.
Anlage nach Anspruch 1, wobei die maschinell gefertigten Kerben eine Tiefe aufweisen, die bei Einsetzen des Gitters in die maschinell gefertigten Kerben einen Spalt zwischen dem Gitter und dem Katalysator belässt.
Anlage nach Anspruch 1, wobei das elektrische Widerstandsmaterial aus einem Material geringer thermischer Ausdehnung besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Eisen und Nickel gewählt ist.
Anlage nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: ein Steuermodul, das elektrischen Strom so zu dem Gitter steuert, dass er während eines Anfangszeitraums eines PF-Regenerationszyklus anliegt.
Anlage nach Anspruch 8, wobei das Steuermodul eine Partikelmenge in dem PF schätzt und wobei der elektrische Strom gesteuert wird, wenn die Menge eine Schwellenmenge übersteigt.