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ERKLÄRUNG VON REGIERUNGSRECHTEN
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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 Offenbarung.
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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/972,517,
eingereicht am 14. September 2007.
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Diese
Anmeldung ist verwandt mit den US-Patentanmeldungen Nr. 11/959,753,
eingereicht am 19. Dezember 2007, 11/956,722, eingereicht am 14.
Dezember 2007, 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. Die Offenbarungen der vorstehenden Anmeldungen
werden hierin durch Erwähnung
in ihrer Gesamtheit aufgenommen
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GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Partikelmaterial(PM)-Filter und insbesondere
das Verringern von Stirnseitenrissen in elektrisch beheizten PM-Filtern.
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HINTERGRUND
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Die
Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen
bezüglich
der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den
Stand der Technik dar.
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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.
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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. Die
Widerstandsheizspulen sind typischerweise in Kontakt mit dem PM-Filter
angeordnet, um ein Beheizen sowohl durch Leitung als auch durch
Konvektion zu ermöglichen.
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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.
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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.
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Stirnseitenrisse
stellten bei den elektrisch beheizten PM-Filtern ein Problem dar.
Diese Risse werden durch große
thermische Expansionskräfte, die
durch den verbrennenden Ruß nahe
einem hinteren Endstopfenbereich des PM-Filters erzeugt werden,
hervorgerufen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
System umfasst einen Partikelmaterial(PM)-Filter, welcher ein stromaufwärts befindliches Ende
zum Aufnehmen von Abgas, ein stromabwärts befindliches Ende und mindestens
einen Abschnitt umfasst. Ein Steuermodul löst die Verbrennung von PM in
dem PM-Filter mit Hilfe eines Heizelements aus und stellt die Sauerstoffwerte
des Abgases selektiv ein bzw. passt diese an, um eine Verbrennungstemperatur
benachbart dem mindestens einen Abschnitt des PM-Filters einzustellen
bzw. anzupassen.
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Ein
Verfahren umfasst das Vorsehen eines Partikelmaterial(PM)-Filters,
der ein stromaufwärts befindliches
Ende zum Aufnehmen von Abgas, ein stromabwärts befindliches Ende und mindestens
einen Abschnitt umfasst; das Beheizen des PM-Filters mit einem Heizelement;
das Auslösen
von Verbrennung von PM in dem PM-Filter, das selektive Anpassen
von Sauerstoffwerten des Abgases, um eine Verbrennungstemperatur
benachbart dem mindestens einen Abschnitt des PM-Filters anzupassen.
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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.
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ZEICHNUNGEN
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Die
hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zwecke der
Veranschaulichung und sollen nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung
in irgendeiner Weise beschränken.
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1 ist
ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Brennkraftmaschine,
die einen Partikelmaterial(PM)-Filter mit einem in Zonen aufgeteilten
Einlassheizelement, das von dem PM-Filter beabstandet ist, umfasst;
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2 zeigt
eine beispielhafte Zonenaufteilung des in Zonen aufgeteilten Einlassheizelements des
elektrisch beheizten Partikelmaterial(PM)-Filters von 1 näher;
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3 zeigt
eine beispielhafte Zonenaufteilung des in Zonen aufgeteilten Einlassheizelements des
elektrisch beheizten PM-Filters
von 1 näher;
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4 zeigt
ein beispielhaftes Widerstandsheizelement in einer der Zonen des
in Zonen aufgeteilten Heizelements von 3;
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5 zeigt
den elektrisch beheizten PM-Filter mit einem in Zonen aufgeteilten
elektrischen Heizelement, das von dem PM-Filter beabstandet ist;
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6 zeigt
Beheizung in dem in Zonen aufgeteilten elektrischen Heizelement;
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7 ist
ein Flussdiagramm, das durch das Steuermodul ausgeführte Schritte
zum Regenerieren des PM-Filters zeigt;
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8 ist
ein Graph, der Rußdicke
als Funktion axialer Position für
verschiedene Sauerstoffwerte zeigt;
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9 ist
ein Graph, der Spitzentemperatur als Funktion von axialer Position
für verschiedene Sauerstoffwerte
zeigt;
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10 ist
ein Graph, der die Anpassung von Sauerstoffwerten für einen
vorgegebenen Durchfluss zeigt; und
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11 ist
ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zum Steuern einer
Temperatur einer sich kaskadenartig ausbreitenden Flammenfront zum
Verringern von Verbrennungstemperaturen nahe Komponenten des PM-Filters
zeigt.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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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.
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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.
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft in Zonen aufgeteilte und nicht
in Zonen aufgeteilte Heizelemente für PM-Filter. Das elektrische
Heizelement kann in Kontakt mit dem PM-Filter stehen oder von diesem
beabstandet sein. Das Heizelement beheizt selektiv den gesamten
PM-Filter oder Teile desselben. Der PM-Filter kann in Kontakt mit
oder nahe genug an der Stirnseite des PM-Filters angebracht sein, um
das Heizmuster zu steuern. Die Länge
des Heizelements zum Optimieren der Abgastemperatur festgelegt werden.
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Wärmeenergie
wird von dem Heizelement zu dem PM-Filter übertragen. Der PM-Filter kann
durch Konvektion und/oder Leitung beheizt werden. Das elektrische
Heizelement kann in Zonen unterteilt sein, um die zum Beheizen des
PM-Filters erforderliche elektrische Leistung zu verringern. Die
Zonen beheizen auch ausgewählte
stromabwärts
befindliche Teile in dem PM-Filter. Durch Beheizen nur der ausgewählten Teile
des Filters wird die Größenordnung der
Kräfte
in dem Substrat aufgrund thermischer Ausdehnung verringert. Dadurch
können
höhere örtlich begrenzte
Rußtemperaturen
während
Regeneration verwendet werden, ohne den PM-Filter zu beschädigen.
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Der
PM-Filter kann durch selektives Beheizen einer oder mehrerer der
Zonen vor dem PM-Filter und durch Zünden des Rußes mit Hilfe des erwärmten Abgases
regeneriert werden. Wenn eine ausreichende Stirnseitentemperatur
erreicht ist, kann das Heizelement abgeschaltet werden und der brennende
Ruß wandert
dann kaskadenartig die Länge
des PM-Filterkanals
hinab, was einer brennenden Zündschnur
bei Feuerwerkskörpern ähnelt.
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Anders
gesagt muss das Heizelement nur lange genug aktiviert werden, um
die Rußzündung zu starten,
und wird dann abgeschaltet. Andere Regenerationssysteme verwenden
typischerweise sowohl Leitung als auch Konvektion und halten die
Leistung zu dem Heizelement (bei niedrigeren Temperaturen wie zum
Beispiel 600°C)
während
des gesamten Rußverbrennungsprozesses
aufrecht. Dadurch pflegen diese Systeme mehr Leistung zu verbrauchen als
das in der vorliegenden Erklärung
vorgeschlagene System.
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Der
brennende Ruß ist
der Kraftstoff, der die Regeneration fortsetzt. Dieser Prozess wird
für jede Heizzone
fortgesetzt, bis der PM-Filter vollständig regeneriert ist.
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Die
vorliegende Offenbarung verwendet eine Steuerstrategie, die dafür ausgelegt
ist, die Wärmespannung
durch Verringern der Verbrennungstemperatur zu beschränken, wenn
sich die kaskadenartig ausbreitende Flammfront ausgewählten Abschnitten des
PM-Filters nähert.
Die grundlegende Strategie von elektrisch beheizten PM-Filtern besteht
darin, eine Temperatur einer Verbrennungszone zwecks Robustheit
und Rußentfernung
zu maximieren, aber die Temperatur in Bereichen zu beschränken, die leicht
beschädigt
werden.
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Die
hinteren Endstopfen an dem PM-Filter sind ein Bereich, in dem eine
Temperatursteuerung erforderlich sein kann. Die vorliegende Offenbarung verringert
die Temperatur an den hinteren Endstopfen des PM-Filters durch Überwachen
der Position der sich kaskadenartig ausbreitenden Flammenfront und
unter Verwenden einer Abgassauerstoffsteuerung zum Verringern der
Temperatur, wenn die Verbrennungszone sich den hinteren Endstopfen
oder anderen ausgewählten
Komponenten nähert.
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Viele
Methoden könnten
verwendet werden, um die Abgassauerstoffkonzentration zu beschränken. Nur
zum Beispiel kann die Temperatursteuerung erreicht werden, indem
Kraftstoff in einen heißen
Katalysator (Kraftstoffnacheinspritzung) eingespritzt, die AGR (Abgasrückführung) angehoben
und/oder die Brennkraftmaschine gedrosselt wird.
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Die
Heizzonen können
so beabstandet sein, dass die 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.
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Ein
größter Temperaturgradient
pflegt an den Kanten der Heizelemente aufzutreten. 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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Abgasanlage umfasst einen Abgaskrümmer 30, einen Dieseloxidationskatalysator
(DOC) 32 und eine Partikelfilter(PM-Filter)-Anordnung 34 mit einem
Einlassheizelement 35. Das Heizelement (HTR) 35 kann
in Zonen aufgeteilt sein. 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 Heizelement 35 und in die PM-Filteranordnung 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. Die PM-Filteranordnung 34 empfangt
Abgas von dem DOC 32 und filtert jegliche in dem Abgas
vorhandenen Rußpartikel
heraus. Das Einlassheizelement 35 steht mit der PM-Filteranordnung 34 in
Kontakt oder ist von dieser beabstandet und erwärmt das Abgas auf eine Regenerationstemperatur,
wie später
beschrieben wird.
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Ein
Steuermodul 44 steuert die Brennkraftmaschine und die PM-Filter-Regeneration auf
der Grundlage verschiedener erfasster Informationen. Genauer gesagt
schätzt
das Steuermodul 44 die Beladung der PM-Filter anordnung 34.
Wenn die geschätzte
Beladung einen vorbestimmen Wert erreicht und der Abgasdurchfluss
innerhalb eines Sollbereichs liegt, kann über eine Stromquelle 46 elektrischer
Strom zu der PM-Filteranordnung 34 geleitet werden, um
den Regenerationsprozess einzuleiten. Die Dauer des Regenerationsprozesses
kann auf der Grundlage der geschätzten
Menge an Partikelmaterial in der PM-Filteranordnung 34 verändert werden.
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Elektrischer
Strom wird während
des Regenerationsprozesses an dem Heizelement 35 angelegt.
Genauer gesagt kann die Energie ausgewählte Zonen des Heizelements 35 der
PM-Filteranordnung 34 jeweils über vorbestimmte Zeitspannen
erwärmen.
Durch das Heizelement 35 tretendes Abgas wird durch die
aktivierten Zonen erwärmt.
Das erwärmte
Abgas strömt
zu dem stromabwärts
befindlichen Filter der PM-Filteranordnung 34 und beheizt den
Filter durch Konvektion und/oder Leitung. Der Rest des Regenerationsprozesses
wird unter Verwendung der Wärme,
die durch das durch den PM-Filter tretende erwärmte Abgas erzeugt wird, verwirklicht.
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Unter
Bezug nun auf 2 wird ein beispielhaftes in
Zonen aufgeteiltes Einlassheizelement 35 für die PM-Filteranordnung 34 näher gezeigt.
Die elektrisch beheizte PM-Filteranordnung 34 ist beabstandet
von oder in Kontakt mit der PM-Filteranordnung 34 angeordnet.
Die PM-Filteranordnung 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 können während unterschiedlicher jeweiliger
Zeiträume
aktiviert werden.
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Wenn
Abgas durch die aktivierten Zonen des Heizelements strömt, kommt
es zu Regeneration in den entsprechenden Teilen des PM-Filters,
die zunächst
das erwärmte
Abgas aufnahmen (z. B. Bereiche stromabwärts der aktivierten Zonen),
oder in stromabwärts
befindlichen Bereichen, die durch kaskadenartig abbrennenden Ruß gezündet werden.
Die entsprechenden Teile des PM-Filters, 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unter
Bezug nun auf 5 wird die PM-Filteranordnung 34 näher gezeigt.
Die PM-Filteranordnung 34 umfasst ein Gehäuse 200,
einen Filter 202 und das in Zonen aufgeteilte Heizelement 35.
Der Filter 202 kann einen hinteren Endstopfen 208 umfassen.
Das Heizelement 35 kann zwischen einem laminaren Strömelement 210 und
einem Substrat des Filters 202 angeordnet sein. Ein elektrischer
Steckverbinder 211 kann den Zonen der PM-Filteranordnung 34 wie
vorstehend beschrieben elektrischen Strom liefern.
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Wie
sich versteht, kann das Heizelement 35 mit dem Filter 202 in
Kontakt stehen oder von diesem beabstandet sein, so dass das Beheizen
Konvektions- und/oder Leitungsbeheizen ist. Zwischen dem Heizelement 35 und
dem Gehäuse 200 kann
eine Isolierung 212 angeordnet sein. Von einem stromaufwärts befindlichen
Einlass 214 dringt Abgas in die PM-Filteranordnung 34 ein
und wird durch eine oder mehrere Zonen der PM-Filteran ordnung 34 erwärmt. Das
erwärmte
Abgas wird von dem Filter 202 aufgenommen.
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Unter
Bezug nun auf 6 wird das Beheizen in der PM-Filteranordnung 34 näher gezeigt.
Das Abgas 250 tritt durch das Heizelement 35 und
wird durch eine oder mehrere Zonen des Heizelements 35 erwärmt. Bei
Beabstandung von dem Filter 202 strömt das erwärmte Abgas eine Strecke „d" und wird dann von
dem Filter 202 aufgenommen. Die Strecke „d" kann ½ Zoll
(1,27 cm) oder weniger sein. Der Filter 202 kann einen
mittleren Einlass 240, einen Kanal 242, ein Filtermaterial 244 und
einen Auslass 246 aufweisen, der radial außerhalb
des Einlasses angeordnet ist. Der Filter kann katalysiert sein.
Das erwärmte
Abgas bewirkt ein Verbrennen des PM in dem Filter, was den PM-Filter
regeneriert. Das Heizelement 35 überträgt die Wärme durch Konvektion und/oder
Leitung, um einen vorderen Teil des Filters 202 zu entzünden. Wenn
der Ruß in
den Stirnseitenteilen eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, wird
das Heizelement abgeschaltet. Die Verbrennung von Ruß breitet
sich dann kaskadenartig einen Filterkanal 254 hinab aus,
ohne dass die Leistung zum Heizelement aufrechterhalten werden muss.
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Unter
Bezug nun auf 7 werden Schritte zum Regenerieren
des PM-Filters gezeigt.
Bei Schritt 300 beginnt die Steuerung und rückt zu Schritt 304 vor.
Wenn die Steuerung bei 304 ermittelt, dass Regeneration
erforderlich ist, wählt
die Steuerung bei Schritt 308 eine oder mehrere Zonen aus
und aktiviert das Heizelement in Schritt 312 für die gewählte Zone.
Bei Schritt 316 schätzt
die Steuerung beruhend auf mindestens einem von: elektrischem Strom, elektrischer
Spannung, Abgasstrom und Abgastemperatur einen Heizzeitraum, der
zum Erreichen einer Mindesttemperatur der Filterstirnseite ausreicht.
Die Mindesttemperatur der Stirnseite sollte ausreichen, um die Rußverbrennung
zu starten und eine Kaska denwirkung zu erzeugen. Lediglich beispielhaft
kann die Mindesttemperatur der Stirnseite auf 700°C oder mehr
gesetzt werden. In einem zu Schritt 316 alternativen Schritt 320 schätzt die
Steuerung beruhend auf einem vorbestimmten Heizzeitraum, auf Abgasstrom und
Abgastemperatur einen elektrischen Strom und eine elektrische Spannung,
die zum Erreichen der Mindesttemperatur der Filterstirnseite erforderlich sind.
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Bei
Schritt 324 ermittelt die Steuerung, ob der Heizzeitraum
beendet ist. Wenn Schritt 324 bejaht wird, ermittelt die
Steuerung bei Schritt 326, ob zusätzliche Zonen regeneriert werden
müssen. Wenn
Schritt 326 bejaht wird, kehrt die Steuerung zu Schritt 308 zurück. Ansonsten
endet die Steuerung.
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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 oder mehrere
der Zonen, um eine Regeneration in dem zugeordneten stromabwärts befindlichen
Teil des PM-Filters auszulösen. Nachdem
die Zone/die Zonen regeneriert wurde(n), werden ein oder mehrere
andere Zonen 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.
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Die
vorliegende Offenbarung kann den Kraftstoffmehrverbrauch erheblich
verringern, die Endrohrtemperaturen senken und die Robustheit des Systems
aufgrund der kürzeren
Regenerationszeit verbessern.
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Unter
Bezug nun auf 8 wird Rußdicke als Funktion von axialer
Position für
verschiedene Sauerstoffwerte gezeigt. Es versteht sich, dass es
einen Kompromiss zwischen Rußdicke
und Sauerstoffwerten gibt. Wenn der Sauerstoffwert ansteigt (von 7%
auf 9% auf 11% auf 14%), nimmt die Rußdicke nach der Regeneration
ab. Die Rußwerte
werden jedoch mehr bei 9% als bei 7% über 50% reduziert. Analog werden
die Rußwerte
mehr bei 11% als bei 9% über
50% reduziert.
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Unter
Bezug nun auf 9 wird Spitzentemperatur als
Funktion von axialer Position für
verschiedene Sauerstoffwerte (einschließlich 7% auf 9% auf 11% auf
14%) gezeigt. Die Spitzentemperatur der verschiedenen Sauerstoffwerte
sind anfänglich ähnlich.
Wenn die axiale Position zunimmt, weichen die Temperaturen voneinander
ab. Niedrigere Sauerstoffwerte tendieren zu niedrigeren Spitzentemperaturen.
Für die
beispielhaften Werte von 7%, 9%, 11% und 14% liegt der Temperaturbereich
bei 7 Zoll (17,78 cm) zwischen ungefähr 790°C und 870°C. Somit kann ein Kompromiss
zwischen der Rußreduktion und
der Spitzentemperatur erfolgen. Es versteht sich, dass die Sauerstoffwerte
gesteuert (z. B. gesenkt) werden können, wenn sich die kaskadenartig
ausbreitende Flammenfront empfindlichen Komponenten nähert.
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Unter
Bezug nun auf 10 können Sauerstoffwerte des Abgases
während
der Regeneration angepasst werden, um die sich ergebende Temperatur
der sich kaskadenartig ausbreitenden Flammenfront zu andern, wenn
sie die empfindlichen Komponenten des PM-Filters erreicht. Zum Beispiel
können die
Sauerstoffwerte angepasst werden, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern,
dass die Flammenfront die hinteren Endstopfen des PM-Filters beschädigt. Dazu
können
die Sauerstoffwerte anfänglich
hoch festgelegt werden, um das Beheizen einer stromaufwärts befindlichen
Fläche
einzuleiten. Nach einem vorbestimmten Zeitraum, der ausreicht, dass
die Flammenfront die empfindlichen Komponenten erreichen kann, kann
der Sauerstoffwert reduziert werden, um eine Temperatur des brennenden
Rufes zu reduzieren.
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Unter
Bezug nun auf 11 beginnt die Steuerung mit
Schritt 400. Bei Schritt 404 ermittelt die Steuerung,
ob Regeneration aktiviert wurde. Wenn Schritt 404 bejaht
wird, geht die Steuerung weiter zu Schritt 412 und ermittelt,
ob die Verbrennungszonenposition sich in einem Stirnseitenrissbereich
oder einem anderen empfindlichen Bereich befindet. Wenn Schritt 412 verneint
wird, geht die Steuerung zurück zu
Schritt 412. Wenn Schritt 412 bejaht wird, macht die
Steuerung mit Schritt 416 weiter und ermittelt, ob die
Verbrennungszonentemperatur bei einem aktuellen Sauerstoffwert höher sein
wird als eine erste vorbestimmte Temperatur TTH1.
Die Verbrennungszonentemperatur kann gemessen oder geschätzt werden.
Zum Beispiel kann die Verbrennungszonentemperatur basierend auf
Durchflüssen,
Sauerstoffwerten in dem Abgasstrom und verstrichener Zeit seit Beginn
der Regeneration ermittelt werden.
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Wenn
Schritt 416 bejaht wird, verringert die Steuerung den Sauerstoff
in dem Abgasstrom bei Schritt 420. Der Sauerstoffwert in
dem Abgas kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Ansatzes
angepasst werden. Nur zum Beispiel kann der Sauerstoffwert in dem
Abgas unter Verwendung von Kraftstoffnacheinspritzung, Abgasregeneration (AGR),
Drosselklappe oder anderer geeigneter Anpassungen angepasst werden.
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Wenn
Schritt 416 verneint wird, fährt die Steuerung mit Schritt 421 fort
und ermittelt, ob die Verbrennungszonentemperatur bei einem aktuellen Sauerstoffwert
niedriger als eine zweite vorbestimmte Temperatur TTH2 sein
wird. Wird dies bejaht, hebt die Steuerung den Sauerstoff in dem
Abgas bei Schritt 422 an. Die Steuerung geht von den Schritten 420, 422 und 421 (wenn
verneint) weiter zu Schritt 424. Bei Schritt 424 ermittelt
die Steuerung, ob die Zone fertig ist. Wenn nicht, geht die Steuerung
zurück
zu Schritt 412. Wenn Schritt 424 verneint wird, fährt die
Steuerung mit Schritt 426 fort, wo die Steuerung ermittelt,
ob eine weitere Zone einer Regeneration bedarf. Wenn Schritt 426 bejaht
wird, geht die Steuerung zurück
zu Schritt 412. Andernfalls endet die Steuerung.