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Technisches Gebiet
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Das
Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst die Regeneration
von Dieselpartikelfiltern.
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Hintergrund
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Dieselbrennkraftmaschinen
weisen aufgrund des erhöhten
Verdichtungsverhältnisses
des Dieselverbrennungsprozesses und der höheren Energiedichte von Dieselkraftstoff
einen höheren
Wirkungsgrad als Benzinbrennkraftmaschinen auf. Eine Dieselbrennkraftmaschine
bietet daher verbesserten Benzinverbrauch gegenüber einer gleich groß bemessenen
Benzinbrennkraftmaschine.
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Der
Dieselverbrennungszyklus erzeugt Ruß (Dieselpartikel), der typischerweise
aus den Abgasen gefiltert wird. Ein Dieselpartikelfilter (DPF) ist
für gewöhnlich entlang
des Abgasstroms angeordnet, um den Ruß aus dem Abgas zu filtern.
Bei einer Art von DPF ist der Filter ein Wabenfilter. Im Laufe der
Zeit baut sich in dem DPF Ruß auf
und der DPF muss regelmäßig regeneriert
werden, um den zurückgehaltenen
Ruß zu
entfernen. Ein Regenerationsverfahren ist das Abbrennen des Rußes in dem
DPF, um es dem DPF zu ermöglichen,
seine Filterfunktion weiter auszuüben.
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Die
Temperatur von Dieselabgas während normalen
Betriebs, zum Beispiel 150–250°C, ist beträchtlich
niedriger als zum thermischen Regenerieren eines gesättigten
DPF erforderlich. Zum Einleiten eines sich selbst ausbreitenden
Partikelverbrennungsvorgangs müssen
Temperaturen in dem ungefähren
Bereich von 550–850°C erreicht
werden. Folglich muss während
des Regenerationszyklus irgendein Verfahren zum Anheben der DPF-Temperatur über die
im Abgas auftretende Temperatur eingesetzt werden.
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Einige
aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Anheben der DPF-Temperatur
umfassen das indirekte Anheben der Temperatur des DPF durch Anheben
der Temperatur des Abgases, zum Beispiel durch katalytische Oxidation
von überschüssigem Kraftstoff
oder durch elektrisches Beheizen eines Elements stromaufwärts des
DPF. Bei jeder dieser beiden Vorgehensweisen wird jedoch nicht die ganze
auf das Abgas übertragene
Wärme auf
den DPF übertragen.
Viel von dem Abgas tritt mit unvollständiger Wärmeübertragung durch den DPF, was eine
große
Unwirtschaftlichkeit erzeugt. Zudem wird bei dem Kraftstoffbrenner
die Unwirtschaftlichkeit durch das Erzeugen zusätzlicher Partikel- und Kohlenwasserstoffemissionen,
eine niedrigere Abgassauerstoffkonzentration und eine kürzere Lebensdauer
für den
DPF aufgrund von Rissbildung durch Wärmegefälle verschlimmert.
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Ein
anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Anheben
der Temperatur des DPF auf die Partikelverbrennungstemperatur ist durch
Mikrowellenbeheizen eines DPF, der aus einem in geeigneter Weise
absorbierenden Keramikmaterial besteht. Um dies zu verwirklichen, muss/müssen entweder
der gesamte DPF oder zumindest ausgewählte Bereiche des DPF aus einem Material
bestehen, das Mikrowellenenergie bei der Betriebsfrequenz absorbieren
kann. Der gesamte DPF kann zum Beispiel aus einem teuren, Mikrowellen
absorbierenden Keramikmaterial wie SiC bestehen, oder ein üblicher
Cordierit-DPF kann selektiv mit einem absorbierenden Material beschichtet
werden. In beiden Fällen
senkt eine parasitäre
Absorption von Mikrowellenenergie durch die Partikel effektiv den Regenerationswirkungsgrad
auf einen unannehmbaren Wert.
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Zusammenfassung beispielhafter
Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung umfasst einen Dieselpartikelfilter mit einer ersten
Stirnseite und einer zweiten Stirnseite; eine untere Elektrodenschicht,
die über
der ersten Stirnseite des Dieselpartikelfilters ausgebildet ist;
eine mittlere Widerstandsschicht, die über einem Teil der unteren
Elektrodenschicht ausgebildet ist; und eine obere Elektrodenschicht,
die über
einem Teil der mittleren Widerstandsschicht ausgebildet ist.
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Andere
beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung gehen aus der hierin nachstehend vorgesehenen eingehenden
Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und
spezifischen Beispiele, wenngleich sie die beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung zeigen, lediglich dem Zweck der Veranschaulichung
dienen und nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der eingehenden Beschreibung und der
Begleitzeichnungen besser verständlich.
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1 zeigt
einen Dieselpartikelfilter nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt
Kanäle
eines Dieselpartikelfilters nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt
einen Dieselpartikelfilter samt Gehäuse nach einer Ausführungsform
der Erfindung.
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4A zeigt
drei Schichten, die über
der ersten Stirnseite des Dieselpartikelfilters ausgebildet sind,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung.
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4B ist
eine vergrößerte Schnittansicht durch
einen verschlossenen Kanal über
der ersten Stirnseite des Dieselpartikelfilters nach einer Ausführungsform
der Erfindung.
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5A zeigt
einen Prozess zum Bilden einer ersten Schicht über der ersten Stirnseite des
Dieselpartikelfilters nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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5B zeigt
einen Prozess zum Bilden einer zweiten Schicht über der ersten Stirnseite des
Dieselpartikelfilters nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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5C zeigt
einen Prozess zum Bilden einer dritten Schicht über der ersten Stirnseite des
Dieselpartikelfilters nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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5D zeigt
ein Erzeugnis mit drei Schichten über der ersten Stirnseite des
Dieselpartikelfilters nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt
den Dieselpartikelfilter samt Gehäuse nach einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Eingehende Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende
Offenbarung, ihre Anwendung oder Nutzungsmöglichkeiten zu beschränken.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung kann der DPF 10 wie in 1 gezeigt
ein Wandstromfilter sein. Der DPF 10 kann im Handel erhältlich sein,
beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Duratrap von Corning.
Der Filter kann eine Wabenstruktur mit mehreren Kanälen 12 sein,
die über die
Länge der
Struktur verlaufen. Der Filter kann extrudierte Keramik, beispielsweise,
aber nicht ausschließlich
Cordierit oder Siliciumcarbid umfassen. Die Kanäle können quadratische oder rechteckige Querschnitte
aufweisen. In einer Ausführungsform sind
in etwa 4400 Kanäle
in dem DPF 10 ausgebildet. In einer Ausführungsform
weist die offene Fläche
der quadratischen Kanäle
die Maße
von ~0,080 Zoll (0,2032 cm) × 0,080
Zoll (0,2032 cm) auf, während die
Kanalwände
~0,017–0,020
Zoll (0,0432–0,0508 cm)
dick sind. Etwa die Hälfte
der Kanäle
können über einer
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 verschlossen sein,
und die andere Hälfte
der Kanäle
können über einer
zweiten Stirnseite 16 des DPF 10 verschlossen
sein, was ein Schachbrettmuster über
jeder von erster Stirnseite 14 und zweiter Stirnseite 16 des
DPF 10 bildet. Der DPF 10 weist eine Außenfläche 18 auf,
die zylindrisch sein kann.
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Wie
in 2 gezeigt umfassen die Kanäle 12 Wände 19 und
sind an manchen Enden mittels Stopfen 20 verschlossen.
Daher sind an der ersten Stirnseite 14 und der zweiten
Stirnseite 16 des DPF 10 abwechselnde ver stopfte
Kanäle
vorgesehen. Das Vorhandensein der Stopfen 20 zwingt Abgas, durch
die Wände
der Wabenstruktur zu strömen,
wodurch Partikel gefiltert werden.
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Unter
Bezug nun auf 3 ist der DPF in einer Verkleidung
oder einem Gehäuse 22 mit
einem ersten Ende 24 und einem zweiten Ende 26 vorgesehen.
Das erste Ende 24 kann mit einem Brennkraftmaschinenauslass
verbunden sein. Zwischen einer Innenfläche 30 des Gehäuses 22 und
der Außenfläche 18 des
DPF 10 kann ein Mattenmaterial 28 für Wärmeisolierung
vorgesehen sein. Das Mattenmaterial 28 kann eine Dicke
von etwa 10 mm bis etwa 15 mm aufweisen. Ein erstes Abgasrohr 32 ist
mit dem ersten Ende 24 des Gehäuses 22 verbunden.
Ein zweites Abgasrohr 34 ist mit dem zweiten Ende 26 des
Gehäuses 22 verbunden.
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Wie
in 4A gezeigt umfasst der DPF 10 in einer
Ausführungsform
der Erfindung mindestens eine Schicht über der ersten Stirnseite 14 des
DPF 10. In einer Ausführungsform
sind über
der ersten Stirnseite 14 des DPF 10 drei Schichten
ausgebildet. Die drei Schichten können eine untere Elektrodenschicht 36,
eine mittlere Widerstandsschicht 38 und eine obere Elektrodenschicht 40 umfassen.
Diese Geometrie nach einer Ausführungsform
der Erfindung erzeugt zwei äquipotentielle
Flächen
in der Wabenstruktur des DPF 10, die als positive Elektrode und
negative Elektrode dienen. 4B ist
eine vergrößerte Schnittansicht
durch das Ende eines verstopften Kanals über der ersten Stirnseite 14 des DPF 10 sowie
die untere Elektrodenschicht 36, die mittlere Widerstandsschicht 38 und
die obere Elektrodenschicht 40.
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Die
untere Elektrodenschicht 36 kann ein Material mit niedrigem
spezifischen Widerstand sein. Ein Beispiel für eine geeignete untere Elektrodenschicht
ist ein Metall, beispielsweise kolloides Silber. Die mittlere Wider standsschicht 38 kann
ein Widerstandsmaterial sein, das zum Aufheizen auf eine Solltemperatur,
beispielsweise zwischen etwa 550°C und
etwa 850°C,
geeignet ist, wenn ein Schwachstrom, zum Beispiel weniger als 42
V, durch dieses geleitet wird. Die mittlere Widerstandsschicht 38 kann
ein Metall oder ein halbleitendes Material sein Ein Beispiel für eine geeignete
mittlere Widerstandsschicht 38 ist Indiumzinnoxid. Die
obere Elektrodenschicht 40 kann ein Material mit niedrigem
spezifischen Widerstand sein. Die obere Elektrodenschicht 40 kann
ein Metall, beispielsweise kolloides Silber, sein.
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Unter
Bezug nun auf 4B kann die mittlere Widerstandsschicht 38 so
ausgebildet sein, dass die mittlere Widerstandsschicht 38 über einem
Teil der unteren Elektrodenschicht 36 liegt. Die obere Elektrodenschicht 40 kann
so ausgebildet sein, dass die obere Elektrodenschicht 40 über einem
Teil der mittleren Widerstandsschicht 38 liegt. In verschiedenen
Ausführungsformen
kann die obere Elektrodenschicht 40 eine Dicke aufweisen,
die von 50 μm
bis 500 μm
reicht, die mittlere Widerstandsschicht 38 kann eine Dicke
aufweisen, die von 100 μm
bis 500 μm
reicht, und die untere Elektrodenschicht 36 kann eine Dicke
aufweisen, die von 50 μm
bis 500 μm reicht.
Während
diese Maße
bevorzugt sind, versteht sich, dass Schichtdicken außerhalb
dieser Maße
in keiner Weise die Absicht oder den Zweck der Erfindung andern.
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Elektrischer
Strom fließt
von einer Elektrodenschicht durch die mittlere Widerstandsschicht
zu der anderen Elektrodenschicht. In einer Ausführungsform kann die untere
Elektrodenschicht 36 die positive Elektrode sein, und die
obere Elektrodenschicht 40 kann die negative Elektrode
sein. In einer anderen Ausführungsform
kann die untere Elektrodenschicht 36 die negative Elektrode
sein, und die obere Elektrodenschicht 40 kann die positive
Elektrode sein. Durch die mittlere Widerstands schicht 38 tretender
elektrischer Strom kann Joulsches Erwärmen erzeugen, das proportional
zu dem Produkt von (elektrischem Strom)2 und
Widerstand ist.
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Unter
Bezug nun auf 5A umfasst eine Ausführungsform
der Erfindung ein Verfahren zum Bilden mindestens einer Schicht über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10. Die erste Stirnseite 14 des DPF 10 kann
auf eine vorbestimmte erste Tiefe in eine erste Lösung 42 getaucht
werden, wobei die erste Lösung 42 das
untere Elektrodenschichtmaterial umfasst. Die erste Lösung 42 kann
eine metallische Farbe oder Aufschlämmung umfassen. Das flüssige Bindemittel
und die Viskosität
der ersten Lösung 42 können so
gewählt
werden, dass ein Blockieren der Kanäle 12 durch die erste
Lösung 42 verhindert
wird. Die Viskosität
der ersten Lösung
kann zum Beispiel bei etwa 1 bis 25 Centipoise (cP) liegen. In einer
Ausführungsform
kann ein blockierter Kanal 12 durch einen den Kanal 12 hinunter
gezwungenen Luftstrom frei gemacht werden. Bei Trocknen und Verfestigen kann
das Eintauchen in die erste Lösung 42 zu
einer gleichmäßigen unteren
Elektrodenschicht 36 über der
ersten Stirnseite 14 de DPF 10 und in den offenen Kanälen über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 führen. In
einer Ausführungsform
kann sich die untere Elektrodenschicht 36 über eine
erste Strecke 46 von der ersten Stirnseite 14 des
DPF 10 entlang der Außenfläche 18 des
DPF 10 erstrecken. Die erste Strecke 46 kann zum
Beispiel etwa 3 cm bis 4 cm lang sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Die
Dicke der unteren Elektrodenschicht 36 kann ausreichend sein,
so dass ein gleichmäßiges Potential über der gesamten
Fläche
erreicht wird, wenn eine Punktkontaktspannung an einer beliebigen
Stelle entlang der Oberfläche
angelegt wird.
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Wie
in 5B gezeigt ist, kann die erste Stirnseite 14 des
DPF 10 auf eine vorbestimmte zweite Tiefe in eine zweite
Lösung 44 getaucht
werden, wo bei die zweite Lösung 44 das
mittlere Widerstandsschichtmaterial umfasst. In einer Ausführungsform
kann die zweite Lösung 44 ein
halbleitendes Material, beispielsweise Indiumzinnoxid, umfassen, ist
aber nicht hierauf beschränkt.
Das flüssige
Bindemittel und die Viskosität
der zweiten Lösung 44 können so
gewählt
werden, dass ein Blockieren der Kanäle 12 durch die zweite
Lösung 44 verhindert
wird. Die Viskosität
der zweiten Lösung
kann zum Beispiel bei etwa 1 bis 25 cP liegen. In einer Ausführungsform ist
die zweite Lösung 44 so
beschaffen, dass bei Trocknen und Verfestigen eine gleichmäßige mittlere Widerstandsschicht 38 über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 und in den Kanälen 12 über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 gebildet wird.
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Unter
Bezug nun auf 5C kann sich in einer Ausführungsform
die mittlere Widerstandsschicht 38 über eine zweite Strecke 50 von
der ersten Stirnseite 14 des DPF 10 entlang der
Außenfläche 18 des DPF 10 erstrecken.
Die zweite Strecke 50 kann zum Beispiel etwa 2 cm bis 3
cm lang sein, ist aber nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform
ist die zweite Strecke 50 kleiner als die erste Strecke 46. Die
mittlere Widerstandsschicht 38 ist dadurch über mindestens
einem Teil der unteren Elektrodenschicht 36 ausgebildet.
Die mittlere Widerstandsschicht 38 sollte insoweit frei
von porösen
Defekten sein, dass ein angelegter elektrischer Strom nicht bevorzugt durch
die Poren statt durch die Dicke der mittleren Widerstandsschicht 38 fließen würde, um
Kurzschlüsse
während
des Betriebs zu vermeiden. Zum Erreichen der entsprechenden Qualität und Dicke
der mittleren Widerstandsschicht 38, kann es erforderlich sein,
das Eintauchen der ersten Stirnseite 14 des DPF 10 in
die zweite Lösung 44 mehr
als einmal zu wiederholen. In einer Ausführungsform ist die mittlere Widerstandsschicht 38 nicht über der
gesamten unteren Elektrodenschicht 36 ausgebildet. In einer
Ausführungsform
ist die zweite Strecke 50 so, dass ein Teil der unteren
Elektrodenschicht 36 freiliegt, um das Herstellen eines
isolierten elektrischen Kontakts nur zur unteren Elektrodenschicht 36 zu
ermöglichen.
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Wie
in 5C gezeigt ist, kann die erste Stirnseite 14 des
DPF 10 auf eine vorbestimmte dritte Tiefe in eine dritte
Lösung 48 getaucht
werden, wobei die dritte Lösung 48 eine
metallische Farbe oder Aufschlämmung
umfasst. Das flüssige
Bindemittel und die Viskosität
der dritten Lösung 48 können so
gewählt
werden, dass ein Blockieren der Kanäle 12 durch die dritte
Lösung 48 verhindert
wird. Die Viskosität
der dritten Lösung 48 kann
zum Beispiel bei etwa 1 bis 25 cP liegen. Die dritte Lösung 48 sollte
so beschaffen sein, dass bei Trocknen und Verfestigen eine gleichmäßige obere
Elektrodenschicht 40 über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 und in den Kanälen 12 über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 gebildet wird.
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Unter
Bezug nun auf 5D kann sich in einer Ausführungsform
die obere Elektrodenschicht 40 über eine dritte Strecke 52 von
der ersten Stirnseite 14 des DPF 10 entlang der
Außenfläche 18 des
DPF 10 erstrecken. Die dritte Strecke 52 kann
zum Beispiel etwa 1 cm bis 2 cm lang sein, ist aber nicht darauf
beschränkt.
Die obere Elektrodenschicht 40 kann über mindestens einem Teil der
mittleren Widerstandsschicht 38 ausgebildet sein. In einer
Ausführungsform
ist die dritte Strecke 52 kleiner als die zweite Strecke 50.
In einer anderen Ausführungsform werden
die untere Elektrodenschicht 36, die mittlere Widerstandsschicht 38 und
die obere Elektrodenschicht 40 durch ein geeignetes Verfahren
gebildet, das eine Alternative zum Eintauchen ist.
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In
einer in 6 gezeigten anderen Ausführungsform
kann der DPF 10 mit drei Schichten über der ersten Stirnseite 14 des
DPF 10 in der Verkleidung bzw. dem Gehäuse 22 mit einem ersten
Ende 24 und einem zweiten Ende 26 vorgesehen sein.
Da die untere Elektrodenschicht 36, die mittlere Widerstandsschicht 38 und
die obere Elektrodenschicht 40 über der ersten Stirnseite 14 des
DPF 10 gleichmäßig ausgebildet
werden können,
können
während
der Regeneration kalte Stellen über
dem DPF eliminiert werden und der Regenerationsprozess kann maximiert
werden. Eine elektrisch leitende Dichtung 54 kann in einem
Band um jede von oberer Elektrodenschicht 36 und unterer
Elektrodenschicht 40 vorgesehen werden, um elektrischen
Kontakt zu fördern.
Die elektrisch leitende Dichtung 54 kann eine elektrisch leitende
Hochtemperaturdichtung sein, beispielsweise eine Grafoil-Dichtung,
die von American Seal and Packing erhältlich ist. Das Mattenmaterial 28 kann
für Wärmeisolierung
zwischen der Innenfläche 30 des Gehäuses 22 und
der Außenfläche 18 des
DPF vorgesehen werden. Das Mattenmaterial 28 kann eine Dicke
von etwa 2 mm bis etwa 5 mm aufweisen. An jeder von oberer Elektrodenschicht 36 und
unterer Elektrodenschicht 40 können elektrische Anschlüsse 56 angebracht
sein. Die elektrischen Anschlüsse 56 können die
Regeneration des DPF 10 mit Strom versorgen und auslösen.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Regenerieren des DPF 10 zum Abbrennen
des Rußes
vorgesehen, der sich in dem DPF 10 gesammelt hat. Die erste
Stirnseite 14 des DPF 10 kann auf die Rußverbrennungstemperatur
elektrisch erwärmt werden.
Die mittlere Widerstandsschicht 38 wird beheizt, wenn elektrischer
Strom von einer Elektrodenschicht zu der anderen Elektrodenschicht
fließt.
Das Abgas von der Dieselbrennkraftmaschine kann durch das erste
Abgasrohr 32 und durch die offenen Kanäle 12 über der
ersten Stirnseite 14 des DPF 10 in den DPF 10 eindringen.
Wärme aus
der exothermen Verbrennung des Rußes nahe der ersten Stirnseite 14 des
DPF 10 weitet den Rußverbrennungsvorgang
jeden Kanal 12 des DPF hinunter aus. Das Abgas und das
Gas aus der Partikelverbrennung tritt durch die Wände 19 der
Kanäle 14,
während
der in dem Abgas enthaltene Ruß nicht
durch die Wände 19 tre ten kann.
Der Ruß wird
von den Wanden 19 zurückgehalten.
Das gereinigte Abgas strömt
durch die offenen Kanäle 14 über der
zweiten Stirnseite 16 des DPF 10 und tritt durch
das zweite Abgasrohr 34 aus dem DPF 10 aus.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
kann die Widerstandsschicht Indiumzinnoxid (ITO) sein und die Probenelektroden
können
kolloides Silber sein. In anderen Ausführungsformen kann die Widerstandsschicht
jedes Material sein, das während Durchlassen
elektrischen Stroms ein signifikantes Joulsches Erwärmen aufweist.
In einer Ausführungsform
wird das DPF-Regenerationssystem bei einem Fahrzeug verwendet. Bei
Kraftfahrzeuganwendungen kann die Leistung durch einen standardmäßigen elektrischen
Generator vorgesehen werden, der zwischen 12 V und 42 V arbeitet.
Wenn bei dieser Spannungsbedingung die beschichtete Fläche des
DPF in der Größenordnung
von 1.500–2.000
cm2 liegt und die mittlere Widerstandsschicht 38 etwa
100 μm dick ist,
kann der erforderliche spezifische Widerstand für das Material der Widerstandsschicht
bei etwa 1–100 Ω-cm2 liegen. Es können viele Materialien oder
Kombinationen von Materialien formuliert werden, um diese und andere
erforderliche Eigenschaften für
die Widerstandsschicht vorzusehen.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und
somit sind Abänderungen derselben
nicht als Abweichen von dem Wesen und Schutzumfang der Erfindung
zu sehen.