DE102010046123A1

DE102010046123A1 - System für Dieselpartikelfiltration (DPF)

Info

Publication number: DE102010046123A1
Application number: DE102010046123A
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Novi Zhang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2011-06-09
Also published as: CN201953446U; US20110067388A1

Abstract

Eine faserpapierbasierte Vorrichtung für Dieselpartikelfiltration (DPF), die hohen Filtrationswirkungsgrad und eine hohe Porosität besitzt, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Walzen umfasst, die mit Hilfe eines gesteuerten Motors über Rotoren drehen können und Faserpapier an dem Abgaseinlass zuführen können. Wenn sich das Abgas über das von einer der Walzen zugeführte Faserpapier bewegt, wird der Ruß allmählich an dem Faserpapier aufgenommen und steigert den Gegendruck daran weiter. In dem Moment, da der Gegendruck über einen Grenzwert steigt, wird der beladene Abschnitt des Faserpapiers durch frisches Faserpapier von der anderen Walze ersetzt. Die beladene Faser wird zur Regeneration zu einer externen Regenerationseinrichtung geschickt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft allgemein Abgasbehandlungssysteme und insbesondere Systeme für Dieselpartikelfiltration (DPF).
Hintergrund
Wie im Stand der Technik bekannt ist, umfassen die meisten Dieselabgasbehandlungssysteme heute einen DOC (Dieseloxidationskatalysator, kurz vom engl. Diesel Oxidation Catalyst) gefolgt von einem DPF (Dieselpartikelfilter). Der DPF umfasst ein Substrat (manchmal als Substratbrick oder Brick bezeichnet), wobei das Auslassende an dem Einlasskanal geschlossen ist und das Einlassende an dem Auslasskanal geschlossen ist. Abgas strömt durch den Einlasskanal, durchquert die Wand von Zellen und tritt dann durch den Auslasskanal aus. In dem Einlasskanal werden die Partikel gefiltert.
Wie ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist, werden Partikelfilter in den Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen verwendet, insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen, um Partikelmaterial (Ruß), das vorrangig aus kohlenstoffbasiertem Material gebildet wird, zurückzuhalten und zu entfernen. Wenn das Brennkraftmaschinenabgas durch den DPF tritt, werden die Partikel in dem Filter zurückgehalten und sammeln sich im Laufe der Zeit. Dies führt zu einem Anstieg des Widerstands des Abgasstroms durch den DPF und daher zu einem Anstieg des Gegendrucks auf die Brennkraftmaschine. Dieser Anstieg des Gegendrucks hat eine nachteilige Wirkung auf den Brennkraftmaschinenbetrieb und insbesondere auf den Kraftstoffverbrauch. Um den Gegendruck auf annehmbare Werte zu verringern, wird der DPF regelmäßig durch Abbrennen der gesammelten Partikel, von denen die meisten brennbar sind, regeneriert.
Wie ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist, muss ein herkömmliches Cordierit- oder SiC-DPF-System einen Regenerationsprozess durchlaufen, um Ruß (d. h. Dieselpartikel), der sich an der Wandoberfläche des DPF gesammelt hat, abzubrennen. Mit diesem Vorgehen sind ein paar Probleme verbunden: 1. Ein Kraftstoffmehrverbrauch, da Dieselkraftstoff entweder durch Nacheinspritzung oder Einspritzung in das so genannte Downpipe eingespritzt wird, um hohe Abgastemperatur zu erzeugen. Für gewöhnlich liegt der Kraftstoffmehrverbrauch in dem Bereich von 3 bis 5%; 2. Ungleichmäßig verteilter Ruß infolge von mangelhafter Strömungsgleichmäßigkeit führt zu einem hohen Temperaturgradienten in dem DPF-Substrat und verursacht ein Haltbarkeitsproblem, beispielsweise Defekt aufgrund eines durchtrennenden Risses; und 3. Während DPF-Regeneration findet sich ein sehr niedriger oder sogar negativer NOx-Umwandlungswirkungsgrad, dauert für gewöhnlich mehr als 10 Minuten. Dies wird beim Erfüllen der Emissionsbestimmungen der Stufe III zu einem Problem.
Zusammenfassung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein System für Dieselpartikelfiltration (DPF) vorgesehen, das aufweist: einen Vorrat an Dieselpartikelfiltermaterial, wobei ein erster Teil des Materials in einem Weg von Abgasen angeordnet ist, die durch das System treten, um Dieselpartikel in den Abgasen aufzunehmen, und einen Motor zum Bewegen des ersten Teils des Materials aus dem Weg, während ein zweiter Teil des Materials von dem Vorrat in den Weg gezogen wird.
In einer Ausführungsform ist der Vorrat an Material Papier.
In einer Ausführungsform liegt das Material in einer Endlosrolle vor.
In einer Ausführungsform umfasst das System ein Steuersystem zum Betreiben des Motors, um das Material als Funktion von gemessenem Gegendruck zu bewegen.
In einer Ausführungsform arbeitet der Motor, um das Material zu bewegen, wenn der gemessene Gegendruck einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
In einer Ausführungsform ist ein System für Dieselpartikelfiltration (DPF) vorgesehen, welches umfasst: einen in einem Vorratsbereich angeordneten Vorrat an Material; einen Aufnahmebereich; und ein elektromechanisches System zum Befördern des Materials in dem Vorratsbereich zu dem Aufnahmebereich, wobei Teile des Materials zwischen dem Vorratsbereich und dem Aufnahmebereich durch einen Bereich befördert werden, der den Einlassabschnitt von dem Auslassabschnitt trennt.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Entfernen von Ruß aus Abgasen einer Brennkraftmaschine vorgesehen, welches umfasst: Einbringen eines ersten Teils eines Ruß filternden Materials aus einem Vorrat des Materials in einen Weg von Abgasen, um den Ruß an dem Ruß filternden Material aufzunehmen; und anschließend Bewegen des ersten Teils des Materials aus dem Weg, während ein zweiter Teil des Materials von dem Vorrat in den Weg bewegt wird.
In einer Ausführungsform ist ein System für Dieselpartikelfiltration (DPF) vorgesehen, das aufweist: eine Zufuhrwalze und eine Aufnahmewalze; einen an der Zufuhrwalze angeordneten Filter, der ein mit dem Zufuhrwalze verbundenes Ende aufweist; wobei Teile des Filters zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze durch Abgase treten, die durch das System treten; und einen Motor zum Bewegen der Teile des Filters zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze.
In einer Ausführungsform ist der Filter ein Faserpapier mit einer hohen Porosität von etwa 80% und einem hohen Filtrationswirkungsgrad von etwa 99%. Wenn das Abgas durch das DPF-System tritt, wird der Ruß an einer stromaufwärts liegenden Seite des Faserpapiers aufgenommen.
In einer Ausführungsform eine faserpapierbasierte Vorrichtung für Dieselpartikelfiltration (DPF), die hohen Filtrationswirkungsgrad und eine hohe Porosität aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Walzen umfassen, die mit Hilfe eines gesteuerten Motors über Rotoren drehen können und an dem Abgaseinlass Faserpapier zuführen können. Wenn sich das Abgas über das von einer der Walzen zugeführte Faserpapier bewegt, wird der Ruß allmählich an dem Faserpapier aufgenommen und steigert ständig den Gegendruck daran. In dem Moment, da der Gegendruck über einen Grenzwert steigt, wird der beladene Abschnitt des Faserpapiers durch frisches Faserpapier von der anderen Walze ersetzt. Die beladene Faser wird zur Regeneration zu einer externen Regenerationseinrichtung geschickt.
Bei einem solchen System und Verfahren wird bei Treten des Abgases durch das DPF-System der Ruß oben auf dem Filterpapier aufgenommen. Wenn die in dem Filterpapier aufgenommene Rußmasse zunimmt, steigt der Gegendruck über seiner Oberfläche allmählich. An diesem Punkt wird der beladene Abschnitt des Filterpapiers durch einen gesteuerten Motor gerollt und wird für Rußaufnahme durch frisches Faserpapier ersetzt. Der beladene Filter kann zum Abbrennen des aufgenommenen Rußes zu einer Regenerationseinrichtung gebracht werden.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Offenbarung werden in den Begleitzeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Offenbarung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaubild einer Brennkraftmaschine, hier einer Dieselbrennkraftmaschine, die mit einem Abgasbehandlungssystem verbunden ist, das hier ein Dieselpartikelfiltrationssystem gemäß der Offenbarung umfasst;
2 ist eine schaubildliche Skizze in Draufsicht eines inneren Teils des in 1 gezeigten Dieselpartikelfiltrationssystems gemäß der Offenbarung, wobei diese Skizze Abdeckungen für eine Zufuhrwalze und eine Aufnahmewalze, kleine Führungswalzen und Seitenführungen für das Material zeigt;
3 ist eine Seitenansicht, die Seitenführungen für das Filtermaterial, das in dem in 1 gezeigten Dieselpartikelfiltrationssystem verwendet wird, gemäß der Offenbarung zeigt;
4 ist eine Skizze einer eines Paars von Führungswalzen, die in dem in 1 gezeigten Dieselpartikelfiltrationssystem verwendet werden, gemäß der Offenbarung; und
5 ist ein Schaubild, das einen Vorrat an Filtermaterial gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung zeigt.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleiche Elemente an.
Eingehende Beschreibung
Unter Bezug nun auf 1 ist eine Brennkraftmaschine 10, hier eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasbehandlungssystem, hier einem Dieselpartikelfiltrationssystem 12, verbunden. Das Dieselpartikelfiltrationssystem 12 weist ein Gehäuse 13 mit einem Einlassabschnitt 14, der wie gezeigt von einem Auslassabschnitt 16 durch einen Teil 18a eines Filtermaterials 18 von Länge L getrennt ist, zum Entfernen von Ruß aus Abgasen von 19 der Brennkraftmaschine 10 auf. Das Filtermaterial 18 ist hier zum Beispiel ein Faserpapier mit einer Porosität von Faserpapier, die zum Beispiel größer als 80% sein kann, und mit einem Filtrationswirkungsgrad, der bei 99,9 liegt. Aufgrund des Eliminierens aktiver DPF-Regeneration liegt die Abgastemperatur unter allen Betriebsbedingungen unter 650 C. Das Fasermaterial kann Glasfasern oder Keramikfasern sein, die einer Temperatur von bis zu 700 C standhalten können.
Das faserpapierbasierte System 12 für Dieselpartikelfiltration (DPF), das einen hohen Filtrationswirkungsgrad und eine hohe Porosität besitzt, und umfasst mindestens zwei Walzen: eine Zufuhrwalze 20 und eine Aufnahmewalze 22, die den Teil 18a des Faserpapiers 18 in dem Weg des Abgases mit Hilfe eines elektromechanischen Systems, hier eines Elektromotors 24, der von einem Motorsteuergerät 26 als Reaktion auf einen gemessenen Gegendruck in dem Einlassabschnitt 14, der von einem in dem Einlassabschnitt 14 angeordneten Drucksensor 28 erfasst wird, gesteuert wird, zuführen kann. Wenn sich das Abgas über den Teil 18a des von der Zufuhrwalze 20 zugeführten Faserpapiers 18 bewegt, wird Ruß in den Abgasen 19 allmählich an dem Teil 18a des Faserpapiers 18 aufgenommen, was zu einem Steigern von Gegendruck in dem Einlassabschnitt 14 führt. In dem Moment, da der Gegendruck über einen Grenzwert steigt, treibt der Motor 24 die Aufnahmewalze 22 an, hier wie durch den Pfeil 30 gezeigt gegen den Uhrzeigersinn, und der Teil 18a des Papiers 18 wird vorbewegt, hier um eine Länge L nach rechts, und der Teil des Papiers zwischen dem Einlassabschnitt 14 und dem Auslassabschnitt 16 wird durch einen neuen Teil 18a frischen Faserpapiers 18 von der Zufuhrwalze 20 ersetzt. Sobald das gesamte Papier verbraucht ist, wird die Aufnahmewalze 22 mit dem verbrauchten Papier 18 zur Regeneration zu einer externen Regenerationseinrichtung geschickt.
Insbesondere auch unter Bezug auf 2 und 3 weist das Gehäuse 13 ein Paar Seitenführungen 31, eine vordere Führung 32 und eine hintere Führung 34 zum Entgegennehmen des Papiers 18 auf, wenn das Papier durch das Gehäuse 13 tritt. Das Filterpapier 18 ist an der Zufuhrwalze 20 angeordnet und weist eine Endzuführung durch die vordere Führung 32 auf, die Seiten des Zuführungspapiers treten dann durch das Paar von Seitenführungen 31 und dann durch die hintere Führung 34 und das Ende wird dann mit der Aufnahmewalze 22 verbunden. Wie in 4 für Rotor 36a gezeigt ist ein Paar kleiner Führungsrotoren 36a, 36b vorhanden. Gezeigt sind auch Abdeckungen 32 für die Zufuhrwalze 20 und die Aufnahmewalze 22.
Wie vorstehend erwähnt beseitigen Teile 18a des Papiers 18 zwischen der Zufuhrwalze 20 und der Aufnahmewalze 22 Ruß oder Dieselpartikel in den Abgasen 19, die durch das System (von dem Einlassabschnitt 14 zu dem Auslassabschnitt 16) treten. Der Motor 24 bewegt den Teil 18a des Papiers 18 zwischen der Zufuhrwalze 20 und der Aufnahmewalze 22 unter der Steuerung eines Motorsteuergeräts 26. Der Drucksensor 28 ist in dem Einlassabschnitt 14 vorgesehen, um Gegendruck in dem Einlassabschnitt 14 zu messen, wobei dieser Gegendruck steigt, wenn die Rußmenge an dem Teil 18a des Filterpapiers zunimmt. Das Motorsteuergerät 26 betreibt den Motor 24, um den Teil 18a des Papiers 18 zwischen der Zufuhrwalze 20 und der Aufnahmewalze 22 als Funktion von Gegendruck in dem System, der hier durch den Drucksensor 28 gemessen wird, zu bewegen. Insbesondere arbeitet das Motorsteuergerät 26, um den Teil 18a des Papiers 18 zwischen der Zufuhrwalze 20 und der Aufnahmewalze 22 zu bewegen, wenn der gemessene Gegendruck in dem System einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt, der durch einen vorbestimmten Druckschwellenwert festgelegt ist. Somit wird der Teil 18a des Papiers zwischen der Zufuhrwalze 20 und der Aufnahmewalze 22 mit frischem Papier 18 von der Zufuhrwalze 20 versorgt.
Der Prozess des Vorbewegens des Filterpapierteils 18a von der Zufuhrwalze 20 zu der Aufnahmewalze 22 läuft weiter, bis das gesamte Faserpapier 18 auf der Zufuhrwalze 20 aufgebracht ist. Dann wird die Aufnahmewalze 22 für die Papierwarenregenerationseinrichtung zum Abbrennen des Rußes entfernt und die Zufuhrwalze 20 wird ersetzt. Es kann ein weiteres Vorgehen zum Beseitigen von Asche durch Zurückwalzen der Walze 22 zur Walze 20 mit Windkraft zum Wegblasen von Asche verwendet werden. Die Walze 20 kann wiederverwendet werden. Die Begrenzung von Gegendruck kann durch die Auswahl des Druckschwellenwerts einfach angepasst werden, um einen niedrigeren Gegendruck für höhere Kraftstoffwirtschaftlichkeit sicherzustellen.
Es wurden eine Reihe von Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben. Dennoch versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können andere Arten von Filtermaterial verwendet werden. Des Weiteren muss der Materialvorrat nicht auf einer Walze vorliegen, sondern kann in Lagen geschichtet sein, wie in 5 gezeigt ist. Weiterhin können der Vorrat und die Aufnahme in dem Gehäuse enthalten sein. Demgemäß liegen andere Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

System für Dieselpartikelfiltration (DPF), welches umfasst: einen Vorrat an Dieselpartikel filterndem Material, wobei ein erster Teil des Materials in einem Weg von Abgasen angeordnet ist, die durch das System treten, um Dieselpartikel in den Abgasen aufzunehmen; und einen Motor zum Bewegen des ersten Teils des Dieselpartikel filternden Materials aus dem Weg, während ein zweiter Teil des Dieselpartikel filternden Materials aus dem Vorrat in den Weg gezogen wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Papier ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrat an Materialpapier in einer Endlosrolle vorliegt.
System nach Anspruch 3, welches ein Steuersystem zum Betreiben des Motors umfasst, um das Material als Funktion von gemessenem Gegendruck zu bewegen.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor arbeitet, um das Material zu bewegen, wenn der gemessene Gegendruck einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
Verfahren zum Entfernen von Ruß aus Abgasen einer Brennkraftmaschine, welches umfasst: Einbringen eines ersten Teils eines Filtermaterials aus einem Vorrat des Filtermaterials in einen Weg von Abgasen, um den Ruß an dem Material aufzunehmen; und anschließend Bewegen des ersten Teils des Materials aus dem Weg, während ein zweiter Teil des Materials aus dem Vorrat in den Weg bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrat eine Endlosrolle des Materials ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material als Funktion von gemessenem Gegendruck bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bewegt wird, wenn der gemessene Gegendruck einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
System für Dieselpartikelfiltration (DPF), welches umfasst: eine Zufuhrwalze und eine Aufnahmewalze; ein an der Zufuhrwalze angeordnetes Filtermaterial, das ein mit der Zufuhrwalze verbundenes Ende aufweist; wobei Teile des Materials zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze durch Abgase treten, die durch das System treten; und einen Motor zum Bewegen der Teile des Materials zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze.
System nach Anspruch 10, welches ein Steuersystem zum Betreiben des Motors umfasst, um die Teile des Materials zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze als Funktion von gemessenem Gegendruck in dem System zu bewegen.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor arbeitet, um die Teile des Materials zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze zu bewegen, wenn der gemessene Gegendruck in dem System einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass den Teilen des Materials zwischen der Zufuhrwalze und der Aufnahmewalze frisches Material von der Zufuhrwalze zugeführt wird.
System für Dieselpartikelfiltration (DPF), welches umfasst: einen Vorrat von Filtermaterial, wobei ein erster Teil des Materials in einem Weg von Abgasen angeordnet ist, die durch das System treten, um Ruß in den Abgasen aufzunehmen; und einen Motor zum Bewegen des ersten Teils des Materials aus dem Weg, während ein zweiter Teil des Materials aus dem Vorrat in den Weg gezogen wird.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrat an Material in einer Endlosrolle vorliegt.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Faserpapiermaterial ist.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Faserpapier mit einer hohen Porosität von etwa 80% ist.
System nach Anspruch 14, welches ein Steuersystem zum Betreiben des Motors umfasst, um das Material als Funktion von gemessenem Gegendruck zu bewegen.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor arbeitet, um das Material zu bewegen, wenn der gemessene Gegendruck einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Faserpapiermaterial ist.
System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Faserpapier mit einer hohen Porosität von etwa 80% ist.
System für Dieselpartikelfiltration (DPF), welches umfasst: einen in einem Vorratsbereich angeordneten Vorrat an Material, einen Aufnahmebereich, ein elektromechanisches System zum Befördern des Materials in dem Vorratsbereich zu dem Aufnahmebereich, wobei Teile des Materials zwischen dem Vorratsbereich und dem Aufnahmebereich durch einen Bereich befördert werden, der den Einlassabschnitt von dem Auslassabschnitt trennt.
System nach Anspruch 22, welches ein Steuersystem zum Betreiben des elektromechanischen Systems umfasst, um das Material als Funktion von gemessenem Gegendruck zu bewegen.
System nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische System arbeitet, um das zu bewegen, wenn der gemessene Gegendruck einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.