DE102009012728A1

DE102009012728A1 - Elektrisch beheizter Partikelmaterialfilter mit zurückgesetzten Einlassendstopfen

Info

Publication number: DE102009012728A1
Application number: DE102009012728A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Frank Troy Ament
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-11-12
Also published as: CN101537285A; US8118908B2; US20090229467A1

Abstract

Ein Partikelmaterial(PM)-Filter umfasst Filterwände mit Einlassenden und Auslassenden. Erste benachbarte Paare der Filterwände bilden Einlasskanäle aus. Zweite benachbarte Paare der Filterwände bilden Auslasskanäle aus. Auslassendstopfen sind in den Einlasskanälen benachbart zu den Ausgangsenden angeordnet. Einlassendstopfen sind in den Auslasskanälen beabstandet von den Einlassenden angeordnet.

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.
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 17. März 2008 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/037,181, die hierin durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Partikelmaterial(PM)-Filter.
Hintergrund
Die hierin vorgesehene Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck des allgemeinen Darstellens des Kontexts der Offenbarung.
Dieselmotoren verbrennen bei Vorhandensein von Luft Kraftstoff, um Leistung zu erzeugen. Die Verbrennung von Kraftstoff erzeugt Abgas, das Partikelmaterial (PM) enthält. Das PM kann mit Hilfe eines PM-Filters aus dem Abgas gefiltert werden. Im Laufe der Zeit kann sich das PM in dem PM-Filter ablagern und das Strömen von Abgas durch den PM-Filter beschränken. PM, das sich in dem PM-Filter gesammelt hat, kann durch einen als Regeneration bezeichneten Prozess entfernt werden. Während der Regeneration kann 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 Motorsteuerung, Verwenden eines Kraftstoffbrenners, Verwenden eines katalytischen Oxidationsmittels zum Anheben der Abgastemperatur mit Nacheinspritzung von Kraftstoff, Verwenden von Widerstandsheizspulen und/oder Verwenden von Mikrowellenenergie.
Diesel-PM verbrennt, wenn Temperaturen über einer Verbrennungstemperatur, beispielsweise 600°C, erreicht werden. Der Start der Verbrennung bewirkt einen weiteren Temperaturanstieg. Sobald das PM entzündet wird, kann das brennende PM zum Regenerieren des Rests des Filters verwendet werden. Eine sich kaskadenartig ausbreitende Flammenfront bewegt sich mit anderen Worten von dem Einlass zu dem Auslass des PM-Filters. Während fremdgezündete Motoren typischerweise niedrige Sauerstoffwerte im Abgasstrom aufweisen, weisen Dieselmotoren signifikant höhere Sauerstoffwerte auf. Während die erhöhten Sauerstoffwerte eine schnelle Regeneration des PM-Filters möglich machen, können sie auch einige Probleme aufwerfen.
Unter Bezug nun auf 1 ist ein PM-Filtersystem 10 zum Regenerieren eines PM-Filters gezeigt. Das PM-Filtersystem 10 umfasst eine Heizung 12. Das PM-Filtersystem 10 umfasst weiterhin einen Partikelmaterialfilter 14, der Wände 16-1, 16-2, ... und 16-6 (kollektiv Wände 16) umfasst. Einige Paare der benachbarten Wände 16 bilden Auslasskanäle aus und können einen Einlassendstopfen umfassen. Andere Paare von benachbarten Wänden bilden Einlasskanäle aus und können einen Auslassendstopfen umfassen.
Insbesondere bilden benachbarte Wände 16-1 und 16-2, 16-3 und 16-4 sowie 16-5 und 16-6 Auslasskanäle aus und umfassen Einlassendstopfen 18-1, 18-2 bzw. 18-3 (kollektiv Einlassendstopfen 18). Benachbarte Wände 16-2 und 16-3, 16-4 und 16-5 umfassen bilden Einlasskanäle aus und umfassen Auslassendstopfen 20-1 bzw. 20-2 (kollektiv Auslassendstopfen 20).
Bei Einsatz strömt Abgas durch die Heizung 12 und in Einlasskanäle des Filters 14. Das Abgas strömt von den Einlasskanälen durch die Wände 16 in benachbarte Auslasskanäle. PM wird gefiltert, wenn das Abgas durch die Wände 16 tritt, und baut sich an den Wänden 16 in den Einlasskanälen auf. PM baut sich auch in den Einlasskanälen in Bereichen um die Auslassendstopfen 20 auf.
Unter Bezug nun auf 2–4 ist Regeneration in dem PM-Filtersystem 10 gezeigt. Wenn in 2 die Heizung 12 eingeschaltet ist, beginnt zu der Heizung benachbartes PM in einer Verbrennungszone zu brennen. Die Substrattemperatur in Bereichen jenseits der Verbrennungszone kann unter der PM-Zündtemperatur liegen. Daher findet zu diesem Zeitpunkt in diesen Bereichen keine Regeneration statt.
In 3 bewegt sich die Verbrennungszone entlang der Länge des PM-Filters 14. Die Regeneration des PM setzt sich fort, solange die Temperatur der Verbrennungszone über der PM-Zündtemperatur liegt. Wenn in 4 die Temperatur der Verbrennungszone unter die PM-Zündtemperatur fällt, wird der Filter 14 nicht vollständig regeneriert. PM kann mit anderen Worten in Abschnitten des Filters 14 zurückbleiben, die zu den Auslassendstopfen 20 benachbart sind.
Um diese Situation zu vermeiden kann die Heizung 12 eingeschaltet werden, um den PM-Filter auf eine höhere anfängliche Temperatur zu erwärmen. Die höheren Temperaturen können die Haltbarkeit des PM-Filters tendenziell mindern.
Zusammenfassung
Ein Partikelmaterial(PM)-Filter umfasst Filterwände mit Einlassenden und Auslassenden. Erste benachbarte Paare der Filterwände bilden Einlasskanäle aus. Zweite benachbarte Paare der Filterwände bilden Auslasskanäle aus. Auslassendstopfen sind in den Einlasskanälen benachbart zu den Ausgangsenden angeordnet. Einlassendstopfen sind in den Auslasskanälen beabstandet von den Einlassenden angeordnet.
Bei anderen Merkmalen strömt das Abgas in die Einlasskanäle, durch die Filterwände der Einlasskanäle zu den Auslasskanälen. Abgas strömt auch in Abschnitte der Auslasskanäle zwischen den Einlassenden der Wände und den Einlassendstopfen. PM baut sich während des Betriebs in den Abschnitten auf.
Ein System umfasst den PM-Filter und umfasst weiterhin eine Heizung, die benachbart zu den Einlassenden der Filterwände angeordnet ist. Ein Steuermodul aktiviert selektiv die Heizung, um den PM-Filter zu regenerieren.
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.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung wird anhand der eingehenden Beschreibung und der Begleitzeichnungen besser verständlich. Hierbei zeigen:
1 eine Seitenquerschnittansicht einer PM-Filteranordnung nach dem Stand der Technik;
2 eine Seitenquerschnittansicht des PM-Filters von 1 und einen Graphen der Regenerationstemperatur während eines ersten Zeitraums nach Beginn der Regeneration;
3 eine Seitenquerschnittansicht des PM-Filters von 1 und einen Graphen der Regenerationstemperatur während eines zweiten Zeitraums nach Beginn der Regeneration;
4 eine Seitenquerschnittansicht des PM-Filters von 1 und einen Graphen der Regenerationstemperatur während eines dritten Zeitraums nach Beginn der Regeneration;
5 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motor- und Abgassystems nach der vorliegenden Offenbarung;
6 eine Seitenquerschnittansicht einer PM-Filteranordnung mit zurückgesetzten Einlassendstopfen nach der vorliegenden Offenbarung;
7 eine Seitenquerschnittansicht des PM-Filters von 6 und einen Graphen der Regenerationstemperatur während eines ersten Zeitraums nach Beginn der Regeneration;
8 eine Seitenquerschnittansicht des PM-Filters von 6 und einen Graphen der Regenerationstemperatur während eines zweiten Zeitraums nach Beginn der Regeneration; und
9 eine Seitenquerschnittansicht des PM-Filters von 6 und einen Graphen der Regenerationstemperatur während eines dritten Zeitraums nach Beginn der Regeneration.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Nutzungsmöglichkeiten zu beschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Systeme und Verfahren zum Verbessern der Regeneration von vorne beheizten Wandstrom-PM-Filtern. Der offenbarungsgemäße PM-Filter nutzt zurückgesetzte Einlassendstopfen zum örtlichen Begrenzen und Steigern von PM-Ablagerung in diesen Bereichen. Das abgelagerte PM verbessert die Regeneration des PM-Filters.
Die erfolgreiche Regeneration des vorne beheizten PM(PM)-Filters hängt von dem auf einen Einlass eines Wandstromsubstrats ausgeübten Wärmebetrag ab. Die Spitzentemperatur bestimmt, ob ein PM-Anspringen ausgelöst wird. Der Betrag thermischer Masse bestimmt, ob der Regenerationsprozess die gesamte Substratlänge hinab abläuft. Die auf den Einlass des PM-Filters ausgeübte Wärme beruht mit anderen Worten auf (Abgaswärme) plus (örtlich begrenzter exothermer PM-Wärme) plus (einer externen Wärmequelle).
Zurückgesetzte Einlassendstopfen gemäß der vorliegenden Offenbarung sehen eine PM-Ablagerung an dem Einlassende des PM-Filters benachbart zu dem Heizungselement vor. Diese Ablagerung erhöht verglichen mit den nicht zurückgesetzten Einlassendstopfen die örtlich begrenzte exotherme PM-Wärme am Einlass. Die vermehrte Energie kann die Wahrscheinlichkeit steigern, dass sich der Abbrand die Länge des PM-Filters hinab ausbreitet. Dieses Vorgehen kann tendenziell den durch die Heizung gelieferten Wärmebetrag verringern.
Die auf den Einlass des PM-Filters ausgeübte Wärme beruht mit anderen Worten auf (Abgaswärme (die gleich der in 1 ist)) plus (örtlich begrenzter exothermer PM-Wärme (die aufgrund des abgelagerten PM in den zurückgesetzten Einlassendstopfen erhöht ist) + (externer Wärme (die verringert werden kann)).
Wie sich versteht, kann die externe Wärme durch jedes geeignete Verfahren zugeführt werden. Lediglich zum Beispiel kann Wärme durch Abwandeln von Motorsteuerung, Verwenden eines Kraftstoffbrenners, Verwenden eines katalytischen Oxidationsmittels zum Anheben der Abgastemperatur mit Nacheinspritzung von Kraftstoff, Verwenden von Widerstandsheizspulen und/oder Verwenden von Mikrowellenenergie zugeführt werden. Die Widerstandsheizspulen können in Zonen aufgeteilt oder nicht in Zonen aufgeteilt sein.
In 5 ist ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motor- und Abgassystems 100 für ein Fahrzeug gezeigt. Das Motor- und Abgassystem 100 kann ein Dieselmotorsystem 102 umfassen. Während das Dieselmotorsystem 102 gezeigt ist, ist die vorliegende Offenbarung auf Benzinmotorsysteme, Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung und/oder andere Motorsysteme übertragbar.
Das Dieselmotorsystem 102 umfasst einen Motor 104 und ein Abgassystem 106. Der Motor 104 verbrennt ein Gemisch aus Luft und Dieselkraftstoff, um Leistung (z. B. Drehmoment) zu erzeugen. Die Verbrennung des Luft- und Kraftstoffgemisches erzeugt Abgas, das aus dem Motor 104 in das Abgassystem 106 ausgestoßen werden kann. Das von dem Motor 104 erzeugte Abgas kann eine Mischung aus gasförmigen Verbindungen und PM enthalten, die in das Abgassystem eindringt und darin vor dem Austreten aus dem Abgassystem 106 behandelt werden kann.
Das Abgassystem 106 kann eine Abgaskrümmeranordnung 108, eine Zwischenrohranordnung 110, eine PM-Filteranordnung 112 und eine Schalldämpferanordnung 114 umfassen. Die PM-Filteranordnung kann eine Heizung 124 umfassen, die zum Steigern der Wärme des PM-Filters während der Regeneration verwendet werden kann.
Von dem Motor 104 erzeugtes Abgas strömt über die Zwischenrohranordnung 110 durch die Abgaskrümmeranordnung 108 zu der PM-Filteranordnung 112. Aus der PM-Filteranordnung 112 austretendes Abgas strömt durch die Schalldämpferanordnung 114 und wird durch ein Endrohr 118 an die Atmosphäre abgelassen. Die Zwischenrohranordnung 110 kann Abgasnachbehandlungssysteme umfassen, beispielsweise aber nicht ausschließlich eine Dieseloxidationskatalysator-Anordnung (DOC, kurz vom engl. Diesel Oxidation Catalyst) und eine Anordnung für selektive katalytische Reduktion (SCR, kurz vom engl. Selektive Catalytic Reduktion).
Die PM-Filteranordnung 112 filtert PM aus dem durch die PM-Filteranordnung 112 strömenden Abgas. PM kann sich während eines als Beladen bezeichneten Prozesses in der PM-Filteranordnung ablagern und dadurch das Strömen von Abgas durch die PM-Filteranordnung 112 beschränken. PM, das sich in der PM-Filteranordnung 112 abgelagert hat, kann durch Regeneration entfernt werden. Während der Regeneration wird Wärme zum Verbrennen des in der PM-Filteranordnung 112 vorhandenen PM verwendet.
Das Fahrzeug kann ein Steuermodul 130 umfassen, das Sensoren 132, beispielsweise Ansauglufttemperatur (IAT), Krümmerunterdruck (MAP), Luftmassenstrom (MAF), Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur, Drosselklappenstellung und andere Betriebsparameter, überwacht. Das Steuermodul 130 passt Aktuatoren 134, beispielsweise ein Zündsystem, eine elektrische Drosselklappe, ein Kraftstoffeinspritzsystem und andere Motorsysteme, an. Das Steuermodul 130 kann auch ermitteln, wann der PM-Filter einer Regeneration bedarf, und die Heizung 124 aktivieren.
Unter Bezug nun auf 6 ist eine PM-Filteranordnung 210 zum Regenerieren eines PM-Filters gezeigt. Die PM-Filteranordnung 210 umfasst eine Heizung 212. Lediglich zum Beispiel kann die Heizung 212 eine Widerstandsheizung umfassen. Die Heizung kann durch das Steuermodul ein- und ausgeschaltet werden. Die PM-Filteranordnung 210 umfasst weiterhin einen PM-Filter 214, der Wände 216-1, 216-2, ... und 216-6 (kollektiv Wände 216) umfasst. Die Wände 216 können benachbart und im Allgemeinen parallel zu einander angeordnet sein.
Insbesondere bilden benachbarte Wände 216-1 und 216-2, 216-3 und 216-4 sowie 216-5 und 216-6 Auslasskanäle aus und umfassen zurückgesetzte Einlassendstopfen 218-1, 218-2 bzw. 218-3 (kollektiv zurückgesetzte Einlassendstopfen 18). Benachbarte Wände 216-2 und 216-3, 216-4 und 216-5 bilden Einlasskanäle aus und umfassen Auslassendstopfen 220-1 bzw. 220-2 (kollektiv Auslassendstopfen 220). Die zurückgesetzten Einlassendstopfen 18 können von den Einlassenden der Wände 216 um eine beliebige geeignete Strecke zurückgesetzt sein, um während eines Sollregenerationsintervalls eine Sollmenge von PM-Aufbau zu erreichen. Die Strecke kann zum Teil durch die entsprechende Verringerung der Wandfläche beschränkt sein, die dem Abgas zum Wechseln von dem Einlasskanal zu dem Auslasskanal zur Verfügung steht.
Bei Einsatz strömt Abgas durch die Heizung 212 und in durch Wände 216 gebildete Einlasskanäle, die keine zurückgesetzten Einlassendstopfen 218 aufweisen. Ferner strömt Abgas in Abschnitte 219 der durch Wände 216 gebildeten Auslasskanäle, die zurückgesetzte Einlassendstopfen 218 aufweisen. Dadurch lagert sich PM in den Abschnitten 219 der Auslasskanäle ab.
Das Abgas strömt von den Einlasskanälen in benachbarte Auslasskanäle. Das Abgas strömt auch in die Abschnitte 219 der Auslasskanäle und dann in die Einlasskanäle. PM wird gefiltert, wenn das Abgas durch die Wände 216 tritt, und baut sich an den Wänden 216 auf. PM baut sich auch in Bereichen um die Auslassendstopfen 220 auf.
Unter Bezug nun auf 7–9 ist Regeneration in dem PM-Filtersystem 210 gezeigt. Wenn in 7 die Heizung 212 eingeschaltet ist, beginnt zu der Heizung 212 benachbartes PM in einer Verbrennungszone zu brennen. Das PM in den Abschnitten 219 trägt zu der Regenerationswärme in der Verbrennungszone bei. Dadurch muss von der Heizung für eine vorgegebene Zielregenerationstemperatur weniger externe Wärme aufgebracht werden.
Die Substrattemperatur in Bereichen jenseits der Verbrennungszone kann niedriger als die PM-Zündtemperatur sein. In 8 bewegt sich die Verbrennungszone und erzeugt eine Wellenfront entlang der Länge des PM-Filters. Die Regeneration des PM setzt sich fort, solange die Verbrennungszonentemperatur über der PM-Zündtemperatur liegt. Da sich in 9 die Verbrennungszone weiter die Länge des PM-Filters hinab ausbreitet, wird der Filter 214 vollständig regeneriert. Vor Beendigung der Regeneration kann die Heizung 212 abgeschaltet werden.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Systems und Verfahrens umfassen verbesserte Regenerationsrobustheit gegenüber Motorbetriebsbedingungen. Es besteht auch das Potential verringerter Heizanforderungen der Heizung, da das in den zurückgesetzten Einlassendstopfen der Auslasskanäle abgelagerte PM zum Steigern der Regenerationswärme verwendet werden kann, während externe Wärme von der Heizung verringert werden kann. Durch Verringern der Wärme von der externen Heizung kann die Haltbarkeit des PM-Filters tendenziell zunehmen.
Der Fachmann kann nun anhand der vorstehenden Beschreibung würdigen, dass die breite Lehre der Offenbarung in verschiedenen Formen umgesetzt werden kann. Während diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, sollte daher der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt werden, da dem Fachmann bei genauer Prüfung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche andere Abwandlungen offenkundig werden.

Claims

Partikelmaterial(PM)-Filter umfassend: Filterwände mit Einlassenden und Auslassenden, wobei erste benachbarte Paare der Filterwände Einlasskanäle ausbilden und wobei zweite benachbarte Paare der Filterwände Auslasskanäle ausbilden; Auslassendstopfen, die in den Einlasskanälen benachbart zu den Ausgangsenden angeordnet sind; und Einlassendstopfen, die in den Auslasskanälen beabstandet von den Einlassenden angeordnet sind.
PM-Filter nach Anspruch 1, wobei das Abgas in die Einlasskanäle durch die Filterwände der Einlasskanäle zu den Auslasskanälen strömt und wobei das Abgas in Abschnitte der Auslasskanäle zwischen den Einlassenden der Wände und den Einlassendstopfen strömt.
PM-Filter nach Anspruch 2, wobei sich während dem Betrieb PM in den Abschnitten aufbaut.
System, welches den PM-Filter nach Anspruch 1 umfasst und weiterhin umfasst: eine Heizung, die benachbart zu den Einlassenden der Filterwände angeordnet ist; und ein Steuermodul, das die Heizung selektiv aktiviert, um den PM-Filter zu regenerieren.
PM-Filter nach Anspruch 1, wobei die Filterwände parallel sind.
Verfahren zum Entfernen von Partikelmaterial (PM) von einem PM-Filter umfassend: Vorsehen von Filterwänden mit Einlassenden und Auslassenden; Ausbilden von Einlasskanälen unter Verwenden von ersten benachbarten Paaren der Filterwände; Ausbilden von Auslasskanälen unter Verwenden von zweiten benachbarten Kanälen der Filterwände; Anordnen von Auslassendstopfen in den Einlasskanälen benachbart zu den Ausgangsenden; und Anordnen von Einlassendstopfen in den Auslasskanälen beabstandet von den Einlasskanälen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Abgas in die Einlasskanäle und durch die Filterwände der Einlasskanäle zu den Auslasskanälen strömt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Abgas in Abschnitte der Auslasskanäle zwischen den Einlassenden der Wände und den Einlassendstopfen strömt.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: während des Betriebs Zulassen eines Aufbaus von PM in den Abschnitten; und Verbrennen des PM während einer Regeneration, um Wärme zu steigern.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: Verwenden einer Heizung, die benachbart zu den Einlassenden der Filterwände angeordnet ist, um den PM-Filter zu beheizen; und selektives Aktivieren der Heizung, um den PM-Filter zu regenerieren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Filterwände parallel sind.
Partikelmaterial(PM)-Filter umfassend: Filterwände mit Einlassenden und Auslassenden, wobei erste benachbarte Paare der Filterwände Einlasskanäle ausbilden und wobei zweite benachbarte Paare der Filterwände Auslasskanäle ausbilden; Auslassendstopfen, die in den Einlasskanälen benachbart zu den Ausgangsenden angeordnet sind; und Einlassendstopfen, die in den Auslasskanälen beabstandet von den Einlassenden angeordnet sind, wobei Abgas in Abschnitte der Auslasskanäle zwischen den Einlassenden der Filterwände und den Einlassendstopfen strömt und wobei sich PM während des Betriebs in den Abschnitten aufbaut.
PM-Filter nach Anspruch 12, wobei das Abgas in die Einlasskanäle, durch die Filterwände der Einlasskanäle zu den Auslasskanälen strömt.
System, welches den PM-Filter nach Anspruch 12 umfasst und weiterhin umfasst: eine Heizung, die benachbart zu den Einlassenden der Filterwände angeordnet ist; und ein Steuermodul, das die Heizung selektiv aktiviert, um den PM-Filter zu regenerieren.
PM-Filter nach Anspruch 12, wobei die Filterwände parallel sind.