DE102010045203A1

DE102010045203A1 - Oxidierender Partikelfilter

Info

Publication number: DE102010045203A1
Application number: DE102010045203A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Michael J. Howell Paratore jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2011-05-05
Also published as: CN102022160A; US20110067386A1

Abstract

Eine Partikelfilteranordnung zur Anwendung auf ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors umfasst einen Abgaspartikelfilter, der derart konfiguriert ist, dass er Abgas von einem Abgassystem aufnimmt und filtert. Eine Oxidationskatalysatorverbindung ist an einem äußeren radialen Bereich des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert, dass sie eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt, wodurch Temperaturen in dem radial äußeren Abschnitt auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln darin beizubehalten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein effizientes System, um eine vollständige Regeneration eines Abgaspartikelfilters sicherzustellen.
HINTERGRUND
Das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, ausgestoßene Abgas ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen enthält, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”HC”) und Stickoxide (”NOx”) wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe), die Partikelmaterial bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder – substraten angeordnet sind, sind in einem Dieselmotorabgassystem vorgesehen, um bestimmte oder alle von diesen Abgasbestandteilen in nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Eine Abgasbehandlungstechnologie im Gebrauch für hohe Niveaus an Partikelmaterialreduktion ist die Dieselpartikelfiltervorrichtung (”DPF”). Es existieren verschiedene bekannte Filterstrukturen, die in DPFs verwendet sind und eine Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials aus dem Abgas gezeigt haben, wie keramische wabenförmige Wanddurchflussfilter, Filter mit gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern etc. Keramische Wanddurchflussfilter haben bei Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren.
Der Filter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und somit besitzt das Sammeln von gefilterten Partikeln die Wirkung, dass der Abgassystemgegendruck, dem der Motor ausgesetzt ist, zunimmt. Um Gegendruckzunahmen, die durch die Ansammlung von Abgaspartikeln bewirkt werden, zu berücksichtigen, wird der DPF periodisch gereinigt oder regeneriert. Eine Regeneration eines DPF bei Fahrzeuganwendungen erfolgt typischerweise automatisch und wird durch einen Motor- oder anderen Controller auf Grundlage von Signalen gesteuert, die durch Motor- und Abgassystemsensoren erzeugt werden. Das Regenerationsereignis betrifft die Erhöhung der Temperatur des DPF auf Niveaus, die oftmals über 600°C liegen, um die angesammelten Partikel zu verbrennen.
Ein Verfahren zur Erzeugung der Temperaturen, die in dem Auspuff- bzw. Abgassystem zur Regeneration des DPF erforderlich sind, besteht darin, nicht verbranntes HC an eine stromaufwärts des DPF angeordnete Oxidationskatalysatorvorrichtung zu liefern. Der HC kann durch Injektion von Kraftstoff direkt in das Abgassystem geliefert werden oder kann durch ”übermäßige Kraftstoffbelieferung” des Motors erreicht werden. Das HC wird in der Oxidationskatalysatorvorrichtung oxidiert, was in einer exothermen Reaktion resultiert, die die Temperatur des Abgases anhebt. Das erwärmte Abgas gelangt stromabwärts zu dem DPF und verbrennt die Partikelansammlung. Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Temperaturen, die zur Regeneration des DPF ausreichend sind, hat die Anordnung einer elektrischen Heizung benachbart einer stromaufwärtigen Seite des Filters betroffen. Bei Beaufschlagung mit Leistung dient die elektrische Heizung dazu, Wärmeenergie an die stromaufwärtige Seite des Filters zu liefern, die zum Zünden der gefilterten Partikel ausreichend ist.
Während diese Verfahren zum Erwärmen des DPF beide zur Regeneration eines nicht katalysierten Partikelfängers effektiv sind, ist herausgefunden worden, dass ein Wärmeverlust von der Außenfläche des DPF in einer unvollständigen Verbrennung des Partikelmaterials in Bereichen des Filters resultieren kann, die sich nahe benachbart seiner Außenfläche befinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Partikelfilteranordnung zur Anwendung auf ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors einen Abgaspartikelfilter, der derart konfiguriert ist, dass er Kohlenstoff und Partikel von durch ein Abgassystem strömendem Abgas aufnimmt und filtert. Eine Oxidationskatalysatorverbindung ist an einem äußeren radialen Bereich des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert, dass sie eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt, wodurch Temperaturen in dem äußeren radialen Bereich auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln darin aufrecht zu erhalten.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgaspartikelfiltersystem für einen Verbrennungsmotor eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit einem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt, eine Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung verbunden ist und in Fluidkommunikation mit dieser steht, um einen Kohlenwasserstoff daran zu liefern und ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch darin zu bilden, eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts von der Kohlenwasserstoffversorgung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, um dadurch das Abgas zu erwärmen, und eine Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Oxidationsvorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie das erwärmte Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt. Die Partikelfilteranordnung umfasst einen Abgaspartikelfilter, der in der Partikelfilteranordnung zur Entfernung von Partikeln von dem Abgas angeordnet ist, und eine Oxidationskatalysatorverbindung, die an einem äußeren radialen Bereich des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert ist, dass sie eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt, wodurch Temperaturen in dem äußeren radialen Bereich auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln beizubehalten.
Gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor einen Verbrennungsmotor und eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems leitet. Eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die zur Reduktion von Komponenten von NO_x in dem Abgas konfiguriert ist, ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung angeordnet. Ein Kohlenwasserstoffinjektor ist mit der Abgasleitung verbunden und steht in Fluidkommunikation mit dem Abgas, um Kohlenwasserstoff daran zu liefern und ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch darin zu bilden. Eine Oxidationsvorrichtung ist stromabwärts von dem Kohlenwasserstoffinjektor angeordnet und derart konfiguriert, dass sie das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird. Eine Partikelfilteranordnung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Oxidationsvorrichtung und ist derart konfiguriert, dass sie das erwärmte Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt. Die Partikelfilteranordnung umfasst einen Abgaspartikelfilter, der in der Partikelfilteranordnung zur Entfernung von Partikeln von dem Abgas angeordnet ist, und eine Oxidationskatalysatorverbindung, die an einem äußeren radialen Bereich des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert ist, dass sie eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus einer Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt, wodurch Temperaturen in dem äußeren radialen Bereich auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln darin beizubehalten.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor ist;
2 eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Dieselpartikelfiltervorrichtung ist, die Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert; und
3 eine perspektivische Ansicht des Dieselpartikelfilters von 2 entlang der Schnittlinie 3-3 ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung bzw. den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors 12, gerichtet. Es sei angemerkt, dass der Dieselmotor 12 lediglich beispielhafter Natur ist und dass die hier beschriebene Erfindung in verschiedenen Motorsystemen, die einen Partikelfilter implementieren, implementiert sein kann. Derartige Motorsysteme können Benzin-Direkteinspritz-Motorsysteme sowie Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Der Einfachheit der Beschreibung und Diskussion halber wird die Offenbarung im Kontext eines Dieselmotors diskutiert.
Ein Abgasbehandlungssystem umfasst eine Abgasleitung 14, die verschiedene Segmente umfassen kann, die dazu dienen, Abgas 16 von dem Dieselmotor 12 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 zu transportieren. Die Abgasbehandlungsvorrichtungen können eine erste Dieseloxidationskatalysatorvorrichtung (”DOC1”) 18 enthalten. Die DOC1 kann ein Durchfluss-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat 20 aufweisen, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in eine Schale oder einen Kanister 21 aus Edelstahl gepackt ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist. Das Substrat 20 besitzt eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt), die daran angeordnet ist. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Metalle der Platingruppe enthalten, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus. Der DOC1 18 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger KW und CO nützlich, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Eine Vorrichtung 22 für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) kann stromabwärts des DOC1 18 angeordnet sein. Auf eine Weise, die dem DOC1 ähnlich ist, kann der SCR 22 auch ein Durchfluss-Keramik- oder Metall-Monolithsubstrat 24 umfassen, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in eine Edelmetallschale oder einen Edelmetallkanister 25 mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt ist. Das Substrat 24 besitzt eine darauf aufgetragene SCR-Katalysatorzusammensetzung (nicht gezeigt). Die SCR-Katalysatorzusammensetzung enthält bevorzugt einen Zeolith und eine oder mehrere Unedelmetallkomponenten, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”), die funktionsfähig sind, NOx-Bestandteile in dem Abgas 16 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak (”NH₃”), effektiv umzuwandeln. Das NH₃-Reduktionsmittel 23, das von dem Reduktionsmittelliefertank 19 durch die Leitung 17 geliefert wird, kann in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts des SCR 22 unter Verwendung eines Injektors 26 in Fluidkommunikation mit der Leitung 17 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels an das Abgas 16 injiziert werden. Das Reduktionsmittel kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen und kann mit Luft in dem Injektor 26 gemischt werden, um die Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen. Ein Mischer oder ein Turbulator 27 kann auch in der Abgasleitung 14 in nächster Nähe zu dem Injektor 26 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas 16 weiter zu unterstützen.
Bezug nehmend auf die 1, 2 und 3 ist eine Abgaspartikelfilteranordnung, in diesem beispielhaften Fall eine Dieselpartikelfiltervorrichtung (”DPF”) 28, in dem Abgasbehandlungssystem 10 stromabwärts des DOC1 18 und des SCR 22 angeordnet und dient dazu, das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Der DPF 28 kann unter Verwendung eines Abgaspartikelfilters, wie eines keramischen Wanddurchfluss-Monolithfilters 30, aufgebaut sein, der in eine intumeszente Matte 33 gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei der Filter gesichert und isoliert wird, der in eine Schale oder einen Kanister 31 aus Edelstahl gepackt ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist. Der keramische Wanddurchfluss-Monolith umfasst eine Mehrzahl sich in Längsrichtung erstreckender Durchgänge 32, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände 34 definiert sind. Die Durchgänge 32, 2, umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen 36, die ein offenes Einlassende 38 und ein geschlossenes Auslassende 40 besitzen, und einen Untersatz von Auslassdurchgängen 42, die ein geschlossenes Einlassende 44 und ein offenes Auslassende 46 aufweisen. Abgas 16, das in den Filter 30 durch die Einlassenden 38 der Einlassdurchgänge 36 eintritt, wird zum Durchgang durch benachbarte, sich in Längsrichtung erstreckende Wände 34 zu den Auslassdurchgängen 42 getrieben. Durch diesen Wanddurchflussmechanismus wird das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln 48 gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich in Längsrichtung erstreckenden Wänden 34 der Einlassdurchgänge 36 abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, dem der Dieselmotor 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der Keramik-Wanddurchfluss-Monolithfilter 30 lediglich beispielhafter Natur ist und dass der DPF andere Abgaspartikelfilter aufweisen kann, wie Filter aus gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfordert die Zunahme des Abgasgegendrucks, die durch die Ansammlung von Partikelmaterial 48 bewirkt wird, dass der DPF 28 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel 48 typischerweise in einer Umgebung mit hoher Temperatur (> 600°C). Zu Regenerationszwecken kann eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung (”EHC”) 50 in dem Kanister 31 des DPF 28 angeordnet sein. Die EHC 50 kann aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein, das elektrisch leitend ist, wie ein Monolith 52 aus gewundenem oder gestapeltem Metall. Eine elektrische Leitung 54, die mit einem elektrischen System, wie einem elektrischen Fahrzeugsystem, verbunden ist, liefert Elektrizität an die EHC 50, wodurch die Vorrichtung erwärmt wird, wie nachfolgend weiter beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt) auf den ECH 50 als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Metalle der Platingruppe, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, aufweisen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der Keramik-Wanddurchfluss-Monolithfilter 30 eine Oxidationskatalysatorverbindung 58, die um deren Umfang angeordnet ist. Die Oxidationskatalysatorverbindung 58 erstreckt sich von der äußersten Fläche des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 radial einwärts um eine Distanz (”r”). Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Metalle der Platingruppe enthalten, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. Das Aufbringen der Oxidationskatalysatorverbindung 58 kann durch einen Präzisionsbeschichtungsprozess erfolgen, bei dem eine Form des Einlassendes des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 hergestellt wird und durch die der Katalysator maschinell abgegeben oder über Vakuum aufgetragen oder beides wird. Einfachere Beschichtungstechniken können ein Maskieren des Zentralabschnittes 60 des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 aufweisen, wobei jedoch derartige Verfahren für Produktionen mit geringerem Volumen besser geeignet sind. Das Aufbringen der Oxidationskatalysatorverbindung 58 auf den äußeren radialen Bereich 56 des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 dient dem Zweck der Unterstützung bei der Regeneration des Kohlenstoffs und anderer Partikel 48, die nahe der Außenfläche des DPF 28 in Bereichen abgefangen sind, die Wärmeübertragungsraten von dem Kanister 31 ausgesetzt sein können, die die Regenerationstemperaturen auf ein Niveau senken können, unterhalb dem die Partikel nicht verbrennen. Die radiale Distanz ”r” oder Dicke der Auftragung der Oxidationskatalysatorverbindung 58 wie auch die axiale Ausdehnung, in der die Oxidationskatalysatorverbindung 58 auf den Wanddurchfluss-Monolithfilter 30 aufgetragen wird, werden auf Grundlage der Wärmeübertragungscharakteristiken einer gegebenen Konfiguration des DPF 28 gewählt. In einigen Fällen kann es notwendig sein, die Katalysatorverbindung 58 entlang der gesamten Länge des äußeren radialen Bereiches 56 des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 und in anderen aufzutragen; eine partielle oder axial in Zonen eingeteilte Auftragung ist für eine vollständige Verbrennung der Partikel 58 geeignet.
Wieder Bezug nehmend auf 1 ist stromaufwärts des DPF 28 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 16 in der Abgasleitung 14 ein HC- oder Kraftstoffinjektor 62 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 62 ist in Fluidkommunikation mit dem HC 65 in dem Kraftstoffversorgungstank 63 durch die Kraftstoffleitung 61 derart konfiguriert, dass nicht verbrannter HC 65 in den Abgasstrom zur Lieferung an den DPF 28 eingeführt wird. Ein Mischer oder ein Turbulator 64 kann auch in der Abgasleitung 14 in nächster Nähe zu dem HC-Injektor 62 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen des HC mit dem Abgas 16 weiter zu unterstützen.
Ein Controller, wie ein Fahrzeugcontroller 66, ist funktional mit dem Abgasbehandlungssystem 10 durch Signalkommunikation mit einem oder mehreren Sensoren verbunden und überwacht dieses. Der hier verwendete Begriff ”Controller” kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten aufweisen, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt ein Gegendrucksensor 68, der stromaufwärts des DPF 28 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem Keramik-Wanddurchfluss-Monolithfilter 30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck des Abgassystems ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den DPF 28 zu regenerieren, aktiviert der Controller 66 den EHC 50 und hebt die Temperatur des EHC auf ein für eine schnelle HC-Oxidation geeignetes Niveau an. Ein Temperatursensor 70, der in der Schale 31 des DPF 28 angeordnet ist, überwacht die Abgastemperatur stromabwärts des EHC 50. Wenn der EHC 50 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, aktiviert der Controller 66 den HC-Injektor 62, um Kraftstoff in die Abgasleitung 14 zum Mischen mit dem Abgas 16 zu liefern. Das Kraftstoff/Abgasgemisch tritt in den DPF 28 ein und strömt durch den erwärmten EHC 50, der eine schnelle Oxidationsreaktion und resultierende Exotherme bewirkt, wodurch die Abgastemperatur auf ein Niveau (> 600°C) angehoben wird, die zur Regeneration des Kohlenstoffs und des Partikelmaterials 48 in dem keramischen Wanddurchfluss-Monolithfilter 30 geeignet ist. Nach seinem Austritt von dem EHC 50 strömt das erwärmte Abgas 16 stromabwärts durch den keramischen Wanddurchfluss-Monolithfilter 30, wo es effektiv den Kohlenstoff und die anderen Partikel 48, die darin abgefangen sind, verbrennt. Während des Regenerationsereignisses wird Kohlenstoff (”C”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O₂”) oxidiert, um Kohlendioxid (”CO₂”) und Kohlenmonoxid (”CO”) zu erzeugen: C + O₂ → CO₂ + CO
In dem äußeren radialen Bereich 56 des Wanddurchfluss-Monolithen 30, in dem der Ring der Oxidationskatalysatorverbindung 58 aufgetragen worden ist, wird das Kohlenmonoxid (”CO”), das aus der Oxidation der Kohlenstoffpartikel 48 erzeugt wird, durch die Oxidationskatalysatorverbindung 58 in einer exothermen Reaktion oxidiert, um Kohlendioxid (”CO₂”) zu erzeugen: CO + O₂ → CO₂ + Thermische Exotherme
Infolge der exothermen Reaktion in dem äußeren radialen Bereich 56 des Wanddurchfluss-Monolithen 30 werden die Temperaturen, die erforderlich sind, um eine vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel 48 zu erreichen, beibehalten und der DPF 28 wird über seinen gesamten Querschnitt vollständig regeneriert.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist es vorstellbar, dass in einigen Fällen auf den Kraftstoffinjektor 62 zugunsten einer Motorsteuerung der HC-Niveaus in dem Abgas 16 verzichtet werden kann. In einem solchen Fall ist der Controller, wie der Fahrzeugcontroller 66, funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem 10 durch Signalkommunikation mit einer Anzahl von Sensoren, wie dem Gegendrucksensor 68, verbunden und überwacht dieses. Der Gegendrucksensor erzeugt ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung 48 in dem keramischen Wanddurchfluss-Monolithfilter 30 angibt, und bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den DPF 28 zu regenerieren, aktiviert der Controller 66 den EHC 50 und hebt die Temperatur des EHC 50 auf ein Niveau an, das für eine schnelle HC-Oxidation (etwa 450°C) geeignet ist. Der Temperatursensor 70 überwacht die Abgastemperatur stromabwärts des EHC 50, und wenn der EHC 50 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, stellt der Controller 66 die zeitliche Steuerung des Motors wie auch die Rate/Frequenz der Kraftstofflieferung ein, um überschüssiges, nicht verbranntes HC in die Abgasleitung 14 zum Mischen mit dem Abgas 16 zu liefern. Die in der vorhergehenden Diskussion beschriebenen Reaktionen bleiben jedoch gleich. In jedem Fall kann der Controller 66 die Temperatur der exothermen Oxidationsreaktion in dem EHC 50 und des keramischen Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 durch den Temperatursensor 70 überwachen und die HC-Lieferrate des Injektors 62 einstellen, um eine vorbestimmte Temperatur beizubehalten.
Die Verwendung einer Oxidationskatalysatorverbindung 58, die in einem begrenzten Bereich des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30, insbesondere dem äußeren radialen Bereich 56 des Filters, angeordnet ist, sorgt für eine vollständige Regeneration des Filters 30, während die Menge an Edelmetallen, die zum Auftragen auf jeden DPF 28 notwendig sind, minimiert oder eingespart wird. Zusätzlich ist der radial innere Bereich 60 des Wanddurchfluss-Monolithfilters 30 vor thermischen Extremen geschützt, die in dem Fall einer Auftragung der Oxidationskatalysatorverbindung 58 auf den gesamten Filter 30 resultieren würden und zu einer suboptimalen Haltbarkeit oder sogar einem Ausfall führen könnten.
Während die Erfindung unter Verwendung einer elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung (”EHC”) 50 beschrieben worden ist, um die Oxidation des Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches auszulösen, um das Abgas 16 auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreichend ist, um den DPF 28 zu regenerieren, ist es vorstellbar, dass auch andere Oxidationsvorrichtungen, wie eine passive stromaufwärtige Oxidationskatalysatorvorrichtung (beispielsweise DOC1 18) ebenfalls für denselben Zweck verwendet werden können, ohne von dem Schutzumfang oder der Absicht der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher sei beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen, umfasst.

Claims

Partikelfilteranordnung zur Anwendung auf ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen Abgaspartikelfilter, der derart konfiguriert ist, dass er Kohlenstoff und Partikel von einem durch ein Abgassystem strömenden Abgas aufnimmt und filtert und den Kohlenstoff und die Partikel darin verbrennt; und eine Oxidationskatalysatorverbindung, die an einem äußeren radialen Bereich des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert ist, dass sie eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt, wodurch Temperaturen in dem äußeren radialen Bereich auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln darin beizubehalten.
Partikelfilteranordnung zur Anwendung auf ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Oxidationsvorrichtung stromaufwärts des Abgaspartikelfilters, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird, um den Kohlenstoff und Partikel in dem Abgaspartikelfilter zu verbrennen.
Partikelfilteranordnung zur Anwendung auf ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, wobei die Oxidationsvorrichtung eine elektrisch beheizte Vorrichtung umfasst.
Partikelfilteranordnung zur Anwendung auf ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Oxidationskatalysatorverbindung ein Metall der Platingruppe umfasst, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder ein anderer geeigneter oxidierender Katalysator oder eine Kombination daraus.
Abgaspartikelfiltersystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit einem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt; eine Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung und dem Abgas verbunden ist und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und dem Abgas steht, um einen Kohlenwasserstoff daran zu liefern und ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch darin zu bilden; eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts von der Kohlenwasserstoffversorgung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird; eine Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Oxidationsvorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie das erwärmte Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt, wobei die Partikelfilteranordnung umfasst: einen Abgaspartikelfilter, der in der Partikelfilteranordnung zur Entfernung von Partikeln von dem Abgas angeordnet ist; und eine Oxidationskatalysatorverbindung, die an einem äußeren radialen Abschnitt des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert ist, dass eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt wird, wodurch Temperaturen in dem äußeren radialen Abschnitt auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln beizubehalten.
Abgaspartikelfiltersystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei die Oxidationskatalysatorverbindung ein Metall der Platingruppe aufweist, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder ein anderer geeigneter oxidierender Katalysator oder eine Kombination daraus.
Abgaspartikelfiltersystem nach Anspruch 5, wobei die Oxidationsvorrichtung eine elektrisch beheizte Vorrichtung umfasst, die stromaufwärts des Abgaspartikelfilters angeordnet ist.
Abgaspartikelfiltersystem nach Anspruch 5, wobei der Abgaspartikelfilter ferner umfasst: einen keramischen Monolithen mit sich hindurch erstreckenden Abgasströmungsdurchgängen, die durch sich in Längsrichtung erstreckende poröse Wände dazwischen definiert sind, wobei die Abgasströmungsdurchgänge umfassen: einen ersten Untersatz von Einlassdurchgängen mit einem offenen Einlassende und einem geschlossenen Auslassende; und einem zweiten Untersatz von Auslassdurchgängen mit einem geschlossenen Einlassende und einem offenen Auslassende, wobei der keramische Monolith derart konfiguriert ist, dass er das Abgas durch die Einlassdurchgänge aufnimmt und das Abgas durch die sich in Längsrichtung erstreckenden porösen Wände zu den Auslassdurchgängen führt und Partikel von dem Abgas entfernt.
Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Verbrennungsmotor; eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems leitet, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die zur Reduktion von Komponenten von Stickoxiden in dem Abgas konfiguriert ist und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung angeordnet ist; einen Kohlenwasserstoffinjektor, der mit der Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden ist; eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts von dem Kohlenwasserstoffinjektor, die derart konfiguriert ist, dass sie das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird; eine Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Oxidationsvorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie das erwärmte Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt, wobei die Partikelfilteranordnung umfasst: einen Abgaspartikelfilter, der in der Partikelfilteranordnung zur Entfernung von Partikeln von dem Abgas angeordnet ist; und eine Oxidationskatalysatorverbindung, die an einem äußeren radialen Bereich des Abgaspartikelfilters angeordnet und derart konfiguriert ist, dass sie eine Oxidation von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln bewirkt, wodurch Temperaturen in dem äußeren radialen Bereich auf einem Niveau beibehalten werden, das ausreichend ist, um die Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln darin beizubehalten.
Abgaspartikelfiltersystem nach Anspruch 9, wobei die Oxidationsvorrichtung eine elektrisch beheizte Vorrichtung umfasst, die stromaufwärts des Abgasfilters angeordnet ist.