DE102008046924A1

DE102008046924A1 - Isolierung für eine Heizvorrichtung eines elektrisch beheizten Partikelfilters

Info

Publication number: DE102008046924A1
Application number: DE102008046924A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Michael J. Howell Paratore Jr.; Kevin W. Calabasas Hills Kirby; Amanda Malibu Phelps
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2009-04-16
Also published as: US20110259190A1; US8252077B2; CN101392673A; CN101392673B

Abstract

Ein System umfasst einen Partikelmaterial(PM)-Filter, der ein stromaufwärts befindliches zum Aufnehmen von Abgas und ein stromabwärts befindliches Ende umfasst. Eine in Zonen aufgeteilte Widerstandsheizvorrichtung ist beabstandet von dem stromaufwärts befindlichen Ende angeordnet und umfasst N Zonen, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, wobei jede der N Zonen M Unterzonen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer als oder gleich eins ist, und wobei die in Zonen aufgeteilte Heizvorrichtung ein elektrisch isolierendes Material enthält. Ein Steuermodul aktiviert selektiv mindestens eine ausgewählte der N Zonen, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und deaktiviert nicht ausgewählte der N Zonen.

Description

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.
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 17. September 2007 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/972,946. Diese Anmeldung ist mit den US-Patentanmeldungen Nr. xx/xxx,xxx, eingereicht am _ (GM Aktenzeichen P002045-PTE-CD), 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 elektrisch beheizte 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 Emission von PM, das 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. Die Widerstandsheizspulen sind typischerweise in Kontakt mit dem PM-Filter angeordnet, um ein Beheizen sowohl durch Leitung als auch Konvektion zu ermöglichen.
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 im Allgemeinen einen Partikelmaterial(PM)-Filter, der ein stromaufwärts befindliches Ende zum Aufnehmen von Abgas und ein stromabwärts befindliches Ende umfasst. Eine in Zonen aufgeteilte Widerstandsheizvorrichtung ist von dem stromaufwärts befindlichen Ende beabstandet angeordnet und umfasst N Zonen, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, wobei jede der N Zonen M Unterzonen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer als oder gleich eins ist und wobei die Heizvorrichtung ein elektrisch isolierendes Material enthält. Ein Steuermodul aktiviert selektiv mindestens eine ausgewählte der N Zonen, um Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und deaktiviert nicht ausgewählte der N Zonen.
Ein Verfahren umfasst das Vorsehen eines Partikelmaterial(PM)-Filters, der ein stromaufwärts befindliches Ende zum Aufnehmen von Abgas und ein stromabwärts befindliches Ende umfasst, das Anordnen einer in Zonen aufgeteilten Widerstandsheizvorrichtung, die von dem stromaufwärts befindlichen Ende beabstandet ist, die 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 oder gleich eins ist, und wobei die Heizvorrichtung ein elektrisch isolierendes Material enthält; und das selektive Aktivieren der mindestens einer ausgewählten der N Zonen, um Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und deaktiviert nicht ausgewählte der N Zonen.
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 mit einem Partikelmaterial(PM)-Filter mit einer in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung, die von dem PM-Filter beabstandet ist;
2 zeigt eine beispielhafte Zonenaufteilung der in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung des elektrisch beheizten Partikelmaterial(PM)-Filters von 1 näher;
3A zeigt eine zweite beispielhafte Zonenaufteilung der in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung des elektrisch beheizten PM-Filters von 1 näher;
3B zeigt eine beispielhafte Widerstandsheizvorrichtung in einer der Zonen der in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung von 3A;
4A zeigt eine zweite beispielhafte Zonenaufteilung der in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung des elektrisch beheizten PM-Filters von 1 näher;
4B zeigt eine beispielhafte Widerstandsheizvorrichtung in einer der Zonen der in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung von 4A;
5 zeigt den elektrisch beheizten PM-Filter mit einer in Zonen aufgeteilten elektrischen Heizvorrichtung, die von dem PM-Filter beabstandet ist;
6 zeigt Beheizen in der in Zonen aufgeteilten elektrischen Heizvorrichtung;
7 ist ein Flussdiagramm, das von dem Steuermodul ausgeführte Schritte zum Regenerieren des PM-Filters zeigt;
8 zeigt ein Gitter der in Zonen aufgeteilten Widerstandsheizvorrichtung;
9 zeigt ein Gitter der in Zonen aufgeteilten Widerstandsheizvorrichtung, das ein Isoliermaterial umfasst; und
10 zeigt ein Gitter der in Zonen aufgeteilten Widerstandsheizvorrichtung, das einen Isolierpuffer umfasst.
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.
Die vorliegende Offenbarung nutzt eine Heizvorrichtung mit Zonen. Die elektrische Heizvorrichtung ist von dem PM-Filter beabstandet. Die elektrische Heizvorrichtung befindet sich anders ausgedrückt vor dem PM-Filter, steht aber nicht in Kontakt mit dem stromabwärts befindlichen PM-Filter. Die Heizvorrichtung beheizt selektiv Teile des PM-Filters. Die PM-Heizvorrichtung kann nahe genug an der Vorderseite des PM-Filters angebracht sein, um das Heizmuster zu steuern. Die Länge der Heizvorrichtung wird so festgelegt, dass die Abgastemperatur optimiert wird.
Durch das Abgas wird Wärmeenergie von der Heizvorrichtung zu dem PM-Filter übertragen. Daher wird der PM-Filter vorrangig durch Konvektion beheizt. Die elektrische Heizvorrichtung ist in Zonen unterteilt, 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 von Wärmeausdehnung verringert. Dadurch können höhere örtlich begrenzte Rußtemperaturen während der Regeneration verwendet werden, ohne den PM-Filter zu beschädigen.
Der PM-Filter wird durch selektives Beheizen einer oder mehrerer der Zonen vor dem PM-Filter und durch Zünden des Rußens mit Hilfe des erwärmten Abgases regeneriert. Sobald eine ausreichende Stirnseitentemperatur erreicht ist, wird die Heizvorrichtung abgeschaltet und der brennende Ruß wandert dann kaskadenartig die Länge des PM-Filterkanals hinab, was dem Abbrennen einer Zündschnur an einem Feuerwerkskörper ähnelt. Die Heizvorrichtung muss mit anderen Worten nur lange genug aktiviert werden, um die Rußentzündung zu starten, und wird dann abgeschaltet. Andere Regenerationssysteme verwenden typischerweise sowohl Leitung als auch Konvektion und halten die Leistung zu der Heizvorrichtung (bei niedrigeren Temperaturen wie z. B. 600°C) während des gesamten Rußverbrennungsprozesses aufrecht. Dadurch pflegen diese Systeme mehr Leistung als das in der vorliegenden Offenbarung vorgeschlagene System zu verbrauchen.
Der brennende Ruß ist der Kraftstoff, der die Regeneration fortsetzt. Dieser Prozess wird für jede Heizzone fortgesetzt, bis der PM-Filter vollständig regeneriert ist.
Die Heizvorrichtungszonen sind so beabstandet, dass zwischen aktiven Heizvorrichtungen die Wärmespannung gemindert wird. Daher sind die Gesamtspannungskräfte aufgrund des Beheizens kleiner und 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 Kanten der Heizvorrichtungen auf. Daher ermöglicht das Aktivieren einer Heizvorrichtung hinter der örtlich begrenzten Spannungszone einer anderen Heizvorrichtung ein aktiver beheiztes Regenerationsvolumen ohne Anstieg der Gesamtspannung. Dies pflegt die Regenerationsmöglichkeit 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 umgesetzt sein kann, die einen Partikelfilter anwenden. 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 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 (DOC) 32 und eine Partikelfilter(PM-Filter)-Anordnung 34 mit einer in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung (HTR) 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 die in Zonen aufgeteilte Heizvorrichtung 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 hebt die Temperatur des Abgases an. Die PM-Filteranordnung 34 empfängt Abgas von dem DOC 32 und filtert jegliche in dem Abgas vorhandene Partikel heraus. Die in Zonen aufgeteilte Einlassheizvorrichtung 35 ist von der PM-Filteranordnung 34 beabstandet und erwärmt das Abgas auf eine Regenerationstemperatur, wie nachstehend beschrieben wird.
Ein Steuermodul 44 steuert die Brennkraftmaschine 12 und die PM-Filterregeneration auf der Grundlage verschiedener erfasster Informationen. Genauer gesagt schätzt das Steuermodul 44 die Beladung der PM-Filteranordnung 34. Wenn die geschätzte Beladung bei einem vorbestimmten Wert liegt und der Abgasdurchfluss innerhalb eines Sollbereichs liegt, wird über eine Stromquelle 46 elektrischer Strom zu der PM-Filteranordnung 34 geleitet, um den Regenerationsprozess einzuleiten. Die Dauer des Regenerationsprozesses kann auf der Grundlage der geschätzten Menge an Partikelmaterial in der PM-Filteranordnung 34 schwanken.
Elektrischer Strom wird während des Regenerationsprozesses an der in Zonen aufgeteilten Heizvorrichtung 35 angelegt. Genauer gesagt erwärmt die Energie ausgewählte Zonen der Heizvorrichtung 35 der PM-Filteranordnung 34 für jeweils vorbestimmte Zeiträume. Durch die Heizvorrichtung 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. Der Rest des Regenerationsprozesses wird unter Verwendung der Wärme, die durch das durch den PM-Filter hindurchtretende erwärmte Abgas erzeugt wird, verwirklicht.
Unter Bezug nun auf 2 wird eine beispielhafte in Zonen aufgeteilte Einlassheizvorrichtung 35 für die PM-Filteranordnung 34 näher gezeigt.
Die in Zonen aufgeteilte Einlassheizvorrichtung 35 ist von der PM-Filteranordnung 34 beabstandet angeordnet. Die PM-Filteranordnung 34 umfasst mehrere beabstandete Heizvorrichtungszonen, 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.
Wenn Abgas durch die aktivierten Zonen der Heizvorrichtung 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 sich kaskadenartig ausbreitenden brennenden 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.
Während des Erwärmens und Abkühlens dehnen sich die entsprechenden Teile des PM-Filters stromabwärts der aktiven Heizvorrichtungs-Unterzonen 1A, 1B und 1C thermisch aus und ziehen sich thermisch zusammen. Die Spannungsminderungs-Unterzonen 2A und 3A, 2B und 3B sowie 2C und 3C mindern Spannung, die durch das Ausdehnen und Zusammenziehen der Heizvorrichtungs-Unterzonen 1A, 1B und 1C verursacht wurde. Nachdem Zone 1 die Regeneration beendet hat, kann Zone 2 aktiviert werden und Zonen 1 und 3 dienen als Spannungsminderungszonen. Nachdem 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 3A wird eine andere beispielhafte Anordnung einer in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung gezeigt. Ein zentraler Teil kann von einem mittleren Teil umgeben sein, der 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 zentrale 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 3B ist ein beispielhaftes Widerstandsheizelement 100 gezeigt, das benachbart zu einer der Zonen (z. B. Zone 3) aus dem ersten umlaufenden Band von Zonen in 3A angeordnet ist. Das Widerstandsheizelement 100 kann eine oder mehrere Spulen umfassen, die die jeweilige Zone bedecken, um ausreichendes Beheizen vorzusehen.
Unter Bezug nun auf 4A wird eine andere beispielhafte Anordnung einer in Zonen aufgeteilten Einlassheizvorrichtung gezeigt. Ein zentraler Teil kann von einem äußeren Teil umgeben sein, der ein umlaufendes Band von Zonen umfasst. In diesem Beispiel umfasst der zentrale Teil die Zone 1. Das umlaufende Band von Zonen umfasst die Zonen 2, 3, 4 und 5. Wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden stromabwärts von aktiven Zonen befindliche Teile regeneriert, während stromabwärts von inaktiven Zonen befindliche Teile Spannungsminderung vor sehen. Wie erkennbar ist, kann jeweils eine der Zonen 1, 2, 3, 4 und 5 aktiviert sein. Die anderen der Zonen bleiben deaktiviert. Bei anderen Umsetzungen können mehrere Zonen gleichzeitig aktiviert werden. Zum Beispiel können sich ergänzende Zonen (z. B. Zonen 2 und 4 oder Zonen 3 und 5) gleichzeitig aktiviert werden.
Unter Bezug nun auf 4B ist ein beispielhaftes Widerstandsheizelement 110 gezeigt, das benachbart zu einer der Zonen (z. B. Zone 2) aus dem ersten umlaufenden Band von Zonen in 4A angeordnet ist. Das Widerstandsheizelement 110 kann eine oder mehrere Spulen umfassen, die die jeweilige Zone bedecken, um ausreichendes Beheizen vorzusehen.
Unter Bezug nun auf 5 wird die PM-Filteranordnung 34 näher gezeigt. Die PM-Filteranordnung 34 umfasst ein Gehäuse 200, einen Filter 202 und die in Zonen aufgeteilte Heizvorrichtung 35. Die Heizvorrichtung 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.
Wie sich versteht, kann die Heizvorrichtung 35 von dem Filter 202 beabstandet sein, so dass das Beheizen vorrangig Konvektionsbeheizen ist. Zwischen der Heizvorrichtung 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-Filteranordnung 34 erwärmt. Das erwärmte Abgas legt eine Strecke zurück und wird von dem Filter 202 aufgenommen. Die Heizvorrichtung 35 kann von dem Filter 202 beabstandet sein und nicht mit ihm in Kontakt stehen.
Unter Bezug nun auf 6 wird das Beheizen in der PM-Filteranordnung 34 näher gezeigt. Das Abgas 250 tritt durch die Heizvorrichtung 35 und wird durch eine oder mehrere Zonen der Heizvorrichtung 35 erwärmt. Das erwärmte Abgas legt eine Strecke „d" zurück 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 von PM in dem Filter, was den PM-Filter regeneriert. Die Heizvorrichtung 35 überträgt Wärme durch Konvektion, um einen vorderen Teil des Filters 202 zu entzünden. Wenn der Ruß in den Stirnseitenteilen eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, wird die Heizvorrichtung abgeschaltet. Die Verbrennung von Ruß breitet sich dann kaskadenartig einen Filterkanal 254 hinab aus, ohne dass die Leistung zu der Heizvorrichtung aufrechterhalten werden muss.
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 die Heizvorrichtung in Schritt 312 für die ausgewählte 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 Kaskadenwirkung 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 Abgastempe ratur einen elektrischen Strom und eine elektrische Spannung, die zum Erreichen der Mindesttemperatur der Filterstirnseite erforderlich sind.
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.
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 oder 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.
Unter Bezug nun auf 8 ist ein in Zonen aufgeteiltes Widerstandsheizvorrichtungsgitter 400 gezeigt, das der in Zonen aufgeteilten Einlasswärmeanordnung von 4A entspricht. Das Heizvorrichtungsgitter 400 umfasst einen zentralen Teil 402, der Zone 1 entspricht, und einen äußeren Teil 404, der den Zonen 2, 3, 4 und 5 entspricht. Die Zonen des Heizvor richtungsgitters 400 können wie vorstehend bezüglich 1–7 beschrieben selektiv aktiviert und deaktiviert werden.
Widerstandsspulen in einzelnen Zonen des Heizvorrichtungsgitters 400 können sich in aktiviertem Zustand (d. h. aufgrund von thermischer Ausdehnung) ausdehnen. Folglich kann sich eine ausgewählte (aktivierte) Zone ausdehnen und mit benachbarten nicht ausgewählten (deaktivierten) Zonen in Kontakt kommen. Zum Beispiel kann sich ein Teil des Heizvorrichtungsgitters 400, der Zone 2 entspricht, ausdehnen und mit einer oder mehreren der Zonen 1, 4 und 5 in Kontakt kommen. Wenn eine aktivierte Zone mit einer benachbarten deaktivierten Zone in Kontakt kommt, fließt der an der aktivierten Zone angelegte elektrische Strom in die benachbarte deaktivierte Zone. Die aktivierte Zone wird mit anderen Worten kurzgeschlossen. Wenn die aktivierte Zone kurzgeschlossen ist, erreicht die entsprechende Zone des Filters nicht die erwünschte Mindesttemperatur der Filterstirnseite und eine ordnungsgemäße Filterregeneration wird verhindert.
Unter Bezug nun auf 9 sind Widerstandsspulen des in Zonen aufgeteilten Widerstandsheizvorrichtungsgitters 400 mit einem Isoliermaterial 410 beschichtet. Das Isoliermaterial 410 verhindert, dass die Widerstandsspulen einer ausgewählten Zone benachbarte Zonen kontaktieren. Selbst wenn mit anderen Worten die Widerstandsspulen eine thermische Ausdehnung erfahren, verhindert das Isoliermaterial 410 ein Kurzschließen in der ausgewählten Zone. Das Isoliermaterial 410 ist wärmeleitfähig, damit die Wärme von dem Heizvorrichtungsgitter 400 das Abgas erwärmen kann. Umgekehrt ist das Isoliermaterial 410 nicht elektrisch leitfähig. Somit wird verhindert, dass ein durch die Widerstandsspule einer ausgewählten Zone fließender elektrischer Strom in eine benachbarte Zone fließt. Ferner kann das Isoliermaterial 410 so gewählt werden, dass es sich bei einer Geschwindigkeit thermisch ausdehnt, die mit der thermischen Ausdehnung des Heizvorrichtungsgitters 400 übereinstimmt. Lediglich zum Beispiel kann das Isoliermaterial 410 Aluminiumoxid enthalten.
Unter Bezug nun auf 10 umfasst das in Zonen aufgeteilte Widerstandsheizvorrichtungsgitter 400 einen Isolierpuffer 420. Der Isolierpuffer 420 befindet sich zwischen jeder der Zonen des Heizvorrichtungsgitters 400. Zum Beispiel kann der Isolierpuffer 420 einen zentralen Teil 422, der Zone 1 des Heizvorrichtungsgitters 400 umgibt, sowie mehrere Speichen 424 umfassen, die von dem zentralen Teil 422 nach außen verlaufen. Jede der mehreren Speichen verläuft zwischen benachbarten der Zonen in dem äußeren Teil des Heizvorrichtungsgitters 400.
Wie vorstehend bezüglich 9 beschrieben ist der Isolierpuffer 420 wärmeleitfähig, aber nicht elektrisch leitfähig. Daher wird verhindert, dass durch die Widerstandsspule einer ausgewählten Zone fließender elektrischer Strom in eine benachbarte Zone fließt, und Kurzschließen wird verhindert. Lediglich zum Beispiel kann der Isolierpuffer 420 Aluminiumoxid enthalten.
In einer anderen Umsetzung kann das Steuermodul 44 (wie in 1 gezeigt) Kurzschlüsse aufgrund von Wärmeausdehnung detektieren. Das Steuermodul 44 kann zum Beispiel Kurzschlüsse detektieren, wenn das in Zonen aufgeteilte Widerstandsheizvorrichtungsgitter 400 nicht eines von: dem Isoliermaterial 410 und dem Isolierpuffer 410 enthält und/oder wenn eines von: dem Isoliermaterial 410 und dem Isolierpuffer 420 beschädigt ist. Das Steuermodul 44 kann zum Beispiel eine elektrische Spannung über mindestens einem Teil von nicht ausgewählten (deaktivierten) Zonen des Heizvorrichtungsgitters 400 messen. Wenn eine elektrische Spannung detektiert wird (z. B. wenn die elektrische Spannung über einer oder meh reren der deaktivierten Zonen größer als ein Schwellenwert ist), ermittelt das Steuermodul 44, dass die aktivierte Zone mit einer benachbarten der deaktivierten Zonen in Kontakt steht und somit kurzgeschlossen ist. Folglich kann das Steuermodul 44 die aktivierte Zone deaktivieren und eine nicht benachbarte Zone aktivieren. Wenn zum Beispiel ein Kurzschluss detektiert wird, wenn Zone 2 aktiviert ist, kann das Steuermodul 44 Zone 2 deaktivieren und Zone 3 aktivieren. Weiterhin kann das Steuermodul 44 einen Fehler anzeigen, der darauf hinweist, dass eines von Heizvorrichtungsgitter 400, Isoliermaterial 410 und Isolierpuffer 420 ersetzt werden muss.
Die vorliegende Offenbarung kann den Kraftstoffmehrverbrauch erheblich verringern, die Endrohrtemperaturen senken und die Robustheit des Systems aufgrund der kürzeren Regenerationszeit verbessern.

Claims

System umfassend: einen Partikelmaterial(PM)-Filter, der ein stromaufwärts befindliches Ende zum Aufnehmen von Abgas und ein stromabwärts befindliches Ende umfasst; eine in Zonen aufgeteilte Widerstandsheizvorrichtung, die von dem stromaufwärts befindlichen Ende beabstandet angeordnet ist und 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 oder gleich eins ist, und wobei die Heizvorrichtung ein elektrisch isolierendes Material enthält; und ein Steuermodul, das selektiv mindestens eine ausgewählte der N Zonen aktiviert, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und nicht ausgewählte der N Zonen deaktiviert.
System nach Anspruch 1, wobei jede der N Zonen der Heizvorrichtung eine Widerstandsspule umfasst, die mit Isoliermaterial beschichtet ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Isoliermaterial zwischen benachbarten der N Zonen angeordnet ist.
System nach Anspruch 3, wobei das Isoliermaterial einen zentralen Teil, der eine mittlere der N Zonen umgibt, sowie mehrere Speichen umfasst, die von der mittleren der N Zonen nach außen verlaufen und die zwischen benachbarten der N Zonen verlaufen.
System nach Anspruch 1, wobei das Isoliermaterial Aluminiumoxid enthält.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul ermittelt, ob die ausgewählte der N Zonen mit einer der nicht ausgewählten der N Zonen in Kontakt steht.
System nach Anspruch 6, wobei das Steuermodul das Ermitteln beruhend auf einer elektrischen Spannung über einer der nicht ausgewählten der N Zonen ausführt.
System nach Anspruch 6, wobei das Steuermodul die ausgewählte der N Zonen deaktiviert und eine der nicht ausgewählten der N Zonen aktiviert, die nicht zu der ausgewählten der N Zonen benachbart ist, wenn die ausgewählte der N Zonen mit einer der nicht ausgewählten der N Zonen in Kontakt steht.
System nach Anspruch 1, wobei die nicht ausgewählten der N Zonen Spannungsminderungszonen vorsehen.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul einen Heizzeitraum zum Beheizen eines Stirnseitenteils des PM-Filters auf eine Temperatur, die größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, schätzt und die Heizvorrichtung nach dem Heizzeitraum abschaltet.
System nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Temperatur 700°C beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei die Heizvorrichtung bei einem Abstand kleiner oder gleich ½ Zoll (1,27 cm) beabstandet ist.
Verfahren umfassend: Vorsehen eines Partikelmaterial(PM)-Filters, der ein stromaufwärts befindliches Ende zum Aufnehmen von Abgas und ein stromabwärts befindliches Ende umfasst; Anordnen einer in Zonen aufgeteilten Widerstandsheizvorrichtung, die von dem stromaufwärts befindlichen Ende beabstandet ist und die 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 oder gleich eins ist, und wobei die Heizvorrichtung ein elektrisch isolierendes Material enthält; und selektives Aktivieren der mindestens einen ausgewählten der N Zonen, um eine Regeneration in stromabwärts befindlichen Teilen des PM-Filters von der einen der N Zonen auszulösen, und deaktiviert nicht ausgewählte der N Zonen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei jede der N Zonen der Heizvorrichtung eine Widerstandsspule umfasst, die mit dem Isoliermaterial beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Isoliermaterial zwischen benachbarten der N Zonen angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Isoliermaterial einen zentralen Teil, der eine mittlere der N Zonen umgibt, und mehrere Speichen umfasst, die von der mittleren der N Zonen nach außen verlaufen und die zwischen benachbarten der N Zonen verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Isoliermaterial Aluminiumoxid enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Ermitteln, ob die ausgewählte der N Zonen mit einer der nicht ausgewählten der N Zonen in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Ermitteln beruhend auf einer elektrischen Spannung über einer der nicht ausgewählten der N Zonen ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: wenn die ausgewählte der N Zonen mit einer der nicht ausgewählten der N Zonen in Kontakt steht, Deaktivieren der ausgewählten der N Zonen und Aktivieren einer der nicht ausgewählten der N Zonen, die nicht zu der ausgewählten der N Zonen benachbart ist, wenn die ausgewählte der N Zonen mit einer der nicht ausgewählten der N Zonen in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die nicht ausgewählten der N Zonen Spannungsminderungszonen vorsehen.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Schätzen eines Heizzeitraums zum Beheizen eines Stirnseitenteils des PM-Filters auf eine Temperatur, die größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, und Abschalten der Heizvorrichtung nach dem Heizzeitraum.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die vorbestimmte Temperatur 700°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Heizvorrichtung bei einem Abstand kleiner als oder gleich ½ Zoll (1,27 cm) beabstandet ist.