DE102011013311A1

DE102011013311A1 - Partikelfiltersystem

Info

Publication number: DE102011013311A1
Application number: DE102011013311A
Authority: DE
Inventors: Asim Tewari; Garima Bhatia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-12-15
Also published as: US20110219753A1; CN102191973B; US8387372B2; CN102191973A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Filtern von Partikeln aus einem Abgaszustrom eines Verbrennungsmotors umfasst ein Filtersubstrat mit mehreren abwechselnd geschlossenen parallelen Strömungsdurchlässen mit porösen Wänden, die parallel zu einer Strömungsachse des Abgases zwischen einem Einlass und einem Auslass derselben ausgerichtet sind, wobei Untergruppen der Strömungsdurchlässe jeweiligen von mehreren Zonen zugeordnet sind, ein Strömungsteuerungsventil zum Steuern der Strömung von Abgas zu jeder der mehreren Zonen, ein mehrzoniges Heizelement, das mehrere einzeln aktivierte Heizelemente umfasst, die jeweils einer der mehreren Zonen entsprechen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Abgasnachbehandlungssysteme und insbesondere das Überwachen eines Partikelfilters eines Abgasnachbehandlungssystems.
HINTERGRUND
Die Darlegungen in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung dar und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Ein Nachbehandlungssystem zum Regulieren und Behandeln eines Abgaszustroms kann eine Partikelfiltervorrichtung umfassen, die Partikelmaterial, z. B. Kohlenstoffteilchenpartikel, aus dem Zustrom entfernt. Bekannte Anwendungen für eine Partikelfiltervorrichtung umfassen Verbrennungsmotoren, die überstöchiometrisch arbeiten, z. B. Kompressionszündungsmotoren (Dieselmotoren) und Fremdzündungsmotoren mit Magerverbrennung. Bekannte Partikelfiltervorrichtungen erfordern eine regelmäßige Regeneration, um das gefilterte Partikelmaterial zu oxidieren und aus der Partikelfiltervorrichtung zu entfernen. Die Regeneration kann Abläufe erfordern, die die Temperatur der Partikelfiltervorrichtung erhöhen. Das Anheben der Temperatur der Partikelfiltervorrichtung kann neben anderen Abläufen das Anheben der Temperatur des Abgaszustroms, einschließlich z. B. das Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter Betriebsbedingungen hoher Drehzahl/hoher Last, und das Einspritzen von Kohlenwasserstoffen in den Abgaszustrom stromaufwärts eines Oxidationskatalysators, der sich stromaufwärts der Partikelfiltervorrichtung befindet, umfassen. Solche Abläufe können mit verringerter Kraftstoffwirtschaftlichkeit einhergehen. Es ist auch bekannt, dass ein Betrieb der Partikelfiltervorrichtungen bei hoher Temperatur die Lebensdauer derselben verringern kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Vorrichtung zum Filtern von Partikeln aus einem Abgaszustrom eines Verbrennungsmotors umfasst ein Filtersubstrat mit mehreren abwechselnd geschlossenen parallelen Strömungsdurchlässen mit porösen Wänden, die parallel zu einer Strömungsachse des Abgases zwischen einem Einlass und einem Auslass derselben ausgerichtet sind, wobei Untergruppen der Strömungsdurchlässe jeweiligen von mehreren Zonen zugeordnet sind, ein Strömungssteuerungsventil zum Steuern der Strömung von Abgas zu jeder der mehreren Zonen, ein mehrzoniges Heizelement, das mehrere einzeln aktivierte Heizelemente umfasst, die jeweils einer der mehreren Zonen entsprechen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden beispielhaft ein oder mehrere Ausführungsformen unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
1–3 zweidimensionale schematische Diagramme eines Verbrennungsmotors, eines Abgasnachbehandlungssystems und von Elementen desselben gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
4 ein dreidimensionales schematisches Diagramm eines Abgasnachbehandlungssystems und von Elementen desselben gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
5 und 6 zweidimensionale schematische Diagramme von mehrzonigen Heizelementen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind; und
7–9 Datengraphen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte nur dem Zweck des Veranschaulichens bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck des Beschränkens derselben dient, veranschaulicht 1 schematisch ein Abgasnachbehandlungssystem 40 und ein zugehöriges Steuersystem, das in einem Steuermodul 10 ausgeführt ist, das gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung konstruiert ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 40 ist in einer Ausführungsform mit einem Abgaskrümmer 39 eines Verbrennungsmotors 240 fluidverbunden dargestellt, wenngleich die hierin beschriebenen Verfahren nicht darauf beschränkt sind. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in den Figuren auf gleiche Elemente.
In einer Ausführungsform ist der Motor 240 ein Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, um mechanische Leistung zu erzeugen, die zu einem Antriebsstrang übertragen werden kann. Ein Luftansaugsystem leitet Ansaugluft zu einem Ansaugkrümmer 29, der die Luft in einen Einlasskanal zu jedem Brennraum des Motors 10 leitet und verteilt. Das Luftansaugsystem umfasst Luftstromleitungen und -vorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Ansaugluftstroms des Motors. Die Vorrichtungen umfassen bevorzugt einen Luftmengenmesser 32 zum Überwachen von Luftmassenstrom durch den Motor 10 und von Ansauglufttemperatur. Andere Motorsteuervorrichtungen, z. B. ein Drosselventil, können den Luftstrom zu dem Motor 10 steuern. Der Motor 240 umfasst den Abgaskrümmer 39, der Abgase von dem Motor 10 mitführt und den Abgaszustrom zu dem Abgasnachbehandlungssystem 40 leitet.
Das Abgasnachbehandlungssystem 40 umfasst mindestens eine Partikelfilterbaugruppe 50, die konfiguriert ist, um Partikelmaterial aus dem Abgaszustrom zu entfernen. In einer in 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich eine erste Nachbehandlungsvorrichtung 45 stromaufwärts der Partikelfilterbaugruppe 50. In einer Ausführungsform umfasst die erste Nachbehandlungsvorrichtung 45 einen Oxidationskatalysator, der mit einer NOx-Reduzierungsvorrichtung gekoppelt ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 40 umfasst bevorzugt einen ersten Sensor 42, der konfiguriert ist, um einen Abgaszustrom aus dem Motor 240 zu überwachen, und der einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor oder einen Abgasbestandteilsensor umfassen kann. Das Abgasnachbehandlungssystem 40 umfasst bevorzugt einen zweiten Sensor 44, der konfiguriert ist, um den Abgaszustrom stromabwärts der Partikelfilterbaugruppe 50 zu überwachen, und der in einer Ausführungsform einen Abgasbestandteilsensor umfassen kann. Von dem Steuermodul 10 werden Signalausgänge der Erfassungsvorrichtung(en) für regelnde Überwachung und Diagnose überwacht. Die erste Nachbehandlungsvorrichtung 45 und die Partikelfilterbaugruppe 50 können zu Strukturen zusammengebaut werden, die fluidverbunden sind und in einen Motorraum und einen Fahrzeugunterbau montiert werden.
Das Steuersystem ist in dem Steuermodul 10 als Satz von Steueralgorithmen ausgeführt. Steuermodul, Modul, Steuergerät, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten eine geeignete von oder verschiedene Kombinationen von einer oder mehreren applikationsspezifischen integrierten Schaltung(en) (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), elektronischer Schaltung/elektronischen Schaltungen, zentraler Recheneinheit/zentralen Recheneinheiten (vorzugsweise Mikroprozessor(en)) und zughörigem Speicher und Speicherung (ROM, programmierbarer ROM, RAM, Festplatte, etc.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung und andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen sollen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Softwareprogrammbefehle und Kalibrierungen umfassen, die in dem Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die erwünschten Funktionen vorzusehen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während vorab festgelegter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden ausgeführt, etwa durch eine zentrale Recheneinheit, und dienen dazu, Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können bei regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5 25 und 100 Millisekunden während laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden. Das Steuersystem kann in einer Ausführungsform den Betrieb des Motors 240 steuern, einschließlich Steuern des Betriebs bei einem bevorzugten Luft/Kraftstoff-Verhältnis, um Leistungsparameter in Bezug auf Fahrerforderungen, Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Fahrverhalten zu erreichen, wobei der Ansaugluftstrom gesteuert wird, um das bevorzugte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen. Die Motorsteuerung kann das regelmäßige Betreiben des Motors 240 zum Regenerieren der Partikelfilterbaugruppe 50 umfassen.
2 zeigt schematisch in zweidimensionalem Detail eine Ausführungsform der Partikelfilterbaugruppe 50, die konfiguriert ist, um Partikelmaterial aus dem Abgaszustrom zu entfernen. Die Partikelfilterbaugruppe 50 umfasst ein Partikelfiltersubstrat 60, das strukturell in einem Metallbehälter 51 mit einem Einlass 58 und einem Auslass 59 aufgenommen ist. Der Einlass 58 bindet fluidisch an einen fluidischen Auslass der Nachbehandlungsvorrichtung 45 an. Der Auslass 59 bindet fluidisch an ein Auspuffrohr an. Isolierendes Stützmaterial 52 ist um das Filtersubstrat 60 gewickelt und stützt das Filtersubstrat 60 mechanisch und befestigt es in dem Metallbehälter 51. Das isolierende Stützmaterial 52 sieht auch eine Dichtungsfunktion vor, um sicherzustellen, dass der Abgaszustrom durch das Filtersubstrat 60 strömt.
In einer Ausführungsform kann das Filtersubstrat 60 mit einem katalysierten Washcoatmaterial 56 beschichtet sein, das in einer Ausführungsform auf der Einlassseite des Filtersubstrats 60 aufgetragen gezeigt ist. Bevorzugte Washcoatmaterialien können einen aluminiumoxidbasierten Washcoat umfassen, der katalytische Metalle, z. B. Platin, Palladium, Rhodium und Cerium, umfasst.
Das Filtersubstrat 60 ist bevorzugt eine monolithische Vorrichtung mit einer Wabenstruktur, die aus extrudiertem Cordierit gebildet ist, das mehrere parallele Strömungsdurchlässe 62 umfasst, die parallel zu einer Längsströmungsachse zwischen dem Einlass 58 und dem Auslass 59 ausgebildet sind. Wände des Filtersubstrats 60, die zwischen den Strömungsdurchlässen 62 aus dem extrudierten Cordierit gebildet sind, sind porös. Jeder der Strömungsdurchlässe 62 ist an einem Ende bevorzugt geschlossen. Bevorzugt sind die Strömungsdurchlässe 62 an einem Ende des Filtersubstrats 60, das dem Einlass 58 zugewandt ist, und an einem Ende des Filtersubstrats 60, das dem Auslass 59 zugewandt ist, schachbrettartig abwechselnd geschlossen. Die abwechselnd geschlossenen Strömungsdurchlässe 62 bewirken eine Strömung des Abgaszustroms durch die porösen Wände des Filtersubstrats 60, wenn Abgas aufgrund des Druckunterschieds des Abgaszustroms zwischen dem Einlass 58 und dem Auslass 59 während Motorbetrieb von dem Einlass 58 zu dem Auslass 59 strömt. Die Strömung von Abgaszustrom durch die porösen Wände des Filtersubstrats 60 dient zum Filtern oder Entfernen von Partikelmaterial aus dem Abgaszustrom und zum Bringen des Abgaszustroms in große Nähe zu dem Washcoat. Das Filtersubstrat 60 ist bevorzugt aus Cordierit gebildet, und alternativ können andere filternde Substratmaterialien einschließlich SiC an Stelle von Cordierit in dem Filtersubstrat 60 mit der hierin beschriebenen Wandströmungsauslegung verwendet werden.
Die Strömungsdurchlässe 62 sind in mehrere Zonen unterteilt, und jeder der parallelen Strömungsdurchlässe 62 ist bevorzugt nur einer der Zonen zugeordnet. In den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen gibt es drei Zonen, die als Zonen A, B und C dargestellt sind, wobei jeder der Strömungsdurchlässe 62 bevorzugt nur einer der Zonen A, B und C zugeordnet ist. Andere Ausführungsformen, darunter die unter Bezug auf 4, 5 und 6 gezeigten, können anderen Anzahlen von Zonen umfassen. Bevorzugt weist jede der Zonen, z. B. Zonen A, B und C, die in den Ausführungsformen von 2 und 3 gezeigt sind, im Wesentlichen die gleiche Anzahl an diesen zugeordneten Strömungsdurchlässen 62 auf.
Ein Strömungssteuerungsventil 70 umfasst mehrere Strömungssteuerungsvorrichtungen, die in dieser Ausführungsform als 72A, 72B und 72C dargestellt sind und die mit dem Steuermodul 10 mittels eines Stromkabels 23 funktionell verbunden sind. Jede der Strömungssteuerungsvorrichtungen 72A, 72B und 72C entspricht physisch einer der mehreren Zonen A, B und C und ist einer derselben zugeordnet. Die Strömungssteuerungsvorrichtungen 72A, 72B und 72C sind bevorzugt Strömungsdämpfungsvorrichtungen, die genutzt werden können, um einen Massendurchsatz des Abgaszustroms durch eine ausgewählte der Zonen A, B und C zu behindern und somit zu drosseln. Jede der Strömungssteuerungsvorrichtungen 72A, 72B und 72C umfasst eine Verschlusseinrichtung, Netz, Ventil und andere Vorrichtung, die die Strömung von Abgas physisch behindert, um den Massendurchsatz des Abgaszustroms durch die Strömungsdurchlässe 62 einer zugeordneten Zone, d. h. einer der Zonen A, B und C, zu verringern. Aktiviert behindert die ausgewählte Strömungssteuerungsvorrichtung, d. h. 72A, 72B und 72C, die Strömung des Abgaszustroms durch die Strömungsdurchlässe 62 der zugeordneten Zone, so dass während laufenden Fahrzeugbetriebs der Massendurchsatz des Abgaszustroms durch die Strömungsdurchlässe 62 der zugeordneten Zone geringer als ein Schwellendurchsatz ist. Der Schwellendurchsatz kann in Form von Raumgeschwindigkeit, d. h. einem volumetrischen Abgasdurchsatz pro Volumen von Strömungsdurchlässen 62, die einer der Zonen A, B und C zugeordnet sind, mit den Einheiten L/h/L oder l/h definiert werden. In einer Ausführungsform liegt der Schwellendurchsatz in Form eines Massendurchsatzes mit den Einheiten kg/h, z. B. 100 kg/h vor. Deaktiviert gibt es kein Strömungshindernis für den Abgaszustrom durch die zugeordnete Zone. Das Strömungssteuerungsventil 70, das mehrere Strömungssteuerungsvorrichtungen 72A, 72B und 72C umfasst, ist in dieser Ausführungsform stromaufwärts des Filtersubstrats 60 positioniert. Bevorzugt ist die Durchsatzschwelle ein maximaler Durchsatz, bei dem der durch die zugeordnete Zone strömende Abgaszustrom eine Temperatur erreichen kann, die höher als 600°C ist, wenn das zugeordnete Heizelementsegment bei einem vorbestimmten Leistungswert, z. B. 2 kW, betrieben wird. 3 zeigt eine Ausführungsform der Partikelfilterbaugruppe 50' mit dem Strömungssteuerungsventil 70 mit den mehreren Strömungssteuerungsvorrichtungen 72A, 72B und 72C, das stromabwärts des Filtersubstrats 60 positioniert ist.
Stromaufwärts des Filtersubstrats 60 ist ein mehrzoniges Heizelement 80 positioniert. Das Heizelement 80 umfasst bevorzugt einzeln aktivierte, elektrisch betriebene Heizelementsegmente 82, die in dieser Ausführungsform als 82A, 82B und 82C dargestellt sind. Die Heizelementsegmente 82 werden von dem Steuermodul 10 mittels mehrerer Kabel 33, die die Übertragung elektrischer Energie zu jedem der Heizelementsegmente 82 steuern, unter Verwenden elektrischer Schaltvorrichtungen, z. B. Leistungstransistorvorrichtungen, einzeln aktiviert. Die mehreren Heizelementsegmente 82, d. h. 82A, 82B und 82C, entsprechen physisch den mehreren Zonen der Strömungsdurchlässe 62 des Filtersubstrats 60, d. h. in dieser Ausführungsform Zonen A, B und C, und sind diesen zugeordnet. Die Heizelementsegmente 82 sind bevorzugt elektrisch betriebene Widerstandsheizvorrichtungen, die selektiv betätigt werden können, um Wärme zu erzeugen, die dann konvektiv zu entsprechenden Strömungsdurchlässen 62, die einer der Zonen A, B und C zugeordnet sind, mittels des Abgaszustroms übertragen wird. In einer Ausführungsform sind die Heizelementsegmente 82 des Heizelements 80 Widerstandselemente, die mit einem Keramikmonolithsubstrat mit Durchströmungsdurchlässen verbunden sind, die durchgehend zu und stromaufwärts des Filtersubstrats 60 positioniert sind. In einer Ausführungsform sind die Heizelementsegmente 82 des Heizelements 80 keramische Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten, die in ein Substrat mit Durchströmungsdurchlässen ausgebildet sind. Das Steuermodul 10 ist konfiguriert, um mittels der mehreren Stromkabel 33 unter Verwenden von Leistungstransistorvorrichtungen und anderen Steuermechanismen elektrische Leistung zu einzelnen der Heizelementsegmente 82 zu übertragen.
Bei Betrieb führt das Steuermodul 10 ein Steuerschema aus, das nacheinander eines der Heizelementsegmente 82 und die entsprechende der Strömungssteuerungsvorrichtungen 72 aktiviert, um eine Regeneration der Strömungsdurchlässe zu bewirken, die der entsprechenden Zone, zum Beispiel einer der Zonen A, B und C, zugeordnet sind. Der Systembetrieb bewirkt ein Anheben der Temperatur in den der ausgewählten Zone zugeordneten Strömungsdurchlässen durch Anheben von Temperatur des Abgaszustroms unter Verwenden des zugeordneten Heizelementsegments 82 und Senken des Abgasdurchsatzes dadurch, indem die Strömung mit der Strömungssteuerungsvorrichtung 72 gedrosselt wird. Zum Ermitteln bevorzugter elektrischer Leistung zum Beheizen eines der Heizelementsegmente 82 können Wärmeübertragungsgleichungen verwendet werden, um eine Abgaszustromtemperatur zu erreichen, welche die den ausgewählten Strömungsdurchlässen zugeordnete ausgewählte Zone regeneriert. In einer Ausführungsform beträgt der Leistungsverbrauch bei einem der Heizelementsegmente 82 2 kW, wenn es über eine Dauer von sechzig Sekunden arbeitet, um eine Temperatur von über 600°C in dem Abgaszustrom zu erreichen, was zu 75% bis 90% Regeneration des Partikelfilters 60 führt.
4 zeigt eine dreidimensionale Explosionsseitenteilansicht einer Ausführungsform einer Partikelfilterbaugruppe 50'' mit Filtersubstrat 60, Strömungssteuerungsventil 70' und mehrzonigem Heizelement 80'. Das Filtersubstrat 60 ist in der Ausführungsform zylinderförmig mit vier Zonen A, B, C und D, die jeweils einem Viertel der Stirnseite des Filtersubstrats 60 zugeordnet sind, wobei jede der vier Zonen A, B, C und D im Wesentlichen die gleiche Menge an diesen zugeordneten Durchströmungsdurchlässen aufweisen. Das mehrzonige Heizelement 80' ist kreisförmig und weist einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen gleich dem Querschnittdurchmesser des Filtersubstrats 60 ist. Das mehrzonige Heizelement 80' weist vier einzeln aktivierte, elektrisch betriebene Heizelementsegmente 82' auf, die den vier Zonen A, B, C und D des Filtersubstrats 60 entsprechen.
Das Strömungssteuerungsventil 70' dieser Ausführungsform umfasst mehrere koaxiale Strömungssteuerungsvorrichtungen 72'. Jede der Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' ist eine kreisförmige Vorrichtung mit mehreren Durchflussbegrenzern 75, die von einem Mittelpunkt, der koaxial zu einer Mittenachse 76 des Filtersubstrats 60 ist, radial zu einem Umfangsring 78 ragen. Die Durchflussbegrenzer 75 für jede der Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' sind in Bogensegmenten enthalten, die in dieser Ausführungsform nur einem Viertel der Stirnseite des Filtersubstrats 60 zugeordnet sind. Die Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' sind stirnflächig durchgehend. Die Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' können als Reaktion auf ein Steuersignal von dem Steuermodul 10 jeweils einzeln um die Mittenachse 76 gedreht werden. Wenn die Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' alle in einer ersten Drehposition ausgerichtet sind, wird eine Strömungsbegrenzung über diese für einen vorgegebenen Druckabfall und Durchsatz minimiert. Die Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' können bei unterschiedlichen Drehwinkeln einzeln gedreht werden, um eine Strömung über eines der Heizelementsegmente 82', das einer der vier Zonen A, B, C und D zugeordnet ist, zu behindern. Die Strömungssteuerungsvorrichtungen 72' können alle gedreht werden, um die Strömung über eines der Bogensegmente, die jeder der vier Zonen A, B, C und D des Filtersubstrats 60 zugeordnet sind, zu behindern.
5 zeigt eine zweidimensionale Vorderansicht einer Ausführungsform des mehrzonigen Heizelements 80 mit fünf einzeln aktivierten, elektrisch betriebenen Heizelementsegmenten 82E, 82F, 82G, 82H und 82I. Die Heizelementsegmente 82E, 82F, 82G, 82H und 82I entsprechen Zonen von parallelen Strömungsdurchlässen, die einem Filtersubstrat, z. B. dem in 4 gezeigten Filtersubstrat 60, zugeordnet sind. Bevorzugt weisen die fünf Heizelementsegmente 82E, 82F, 82G, 82H und 82I im Wesentlichen identische Flächeninhalte auf, und somit weisen die entsprechenden Zonen des zugeordneten Filtersubstrats jeweils im Wesentlichen die gleiche Menge an diesen zugeordneten Durchströmungsdurchlässen auf. Die fünf Heizelementsegmente 82 umfassen einen kranzförmigen Ring, der in vier Segmente 82E, 82F, 82G und 82H unterteilt ist, und umgeben einen mittleren Ring 82I.
6 zeigt eine zweidimensionale Vorderansicht einer Ausführungsform eines mehrzonigen Heizelements 80 mit drei einzeln aktivierten, elektrisch betriebenen Heizelementsegmenten 82A', 82B' und 82C'. Die Heizelementsegmente 82A', 82B' und 82C' entsprechen Zonen von parallelen Strömungsdurchlässen, die einem Filtersubstrat, z. B. dem in 4 gezeigten Filtersubstrat 60, zugeordnet sind. Die drei Heizelementsegmente 82A', 82B' und 82C' umfassen wie gezeigt ein mittleres, kreisförmiges Element 82A' und zwei koaxiale kranzförmige Ringelemente 82B' und 82C' mit im Wesentlichen identischen Flächeninhalten, und somit weisen die entsprechenden Zonen des zugeordneten Filtersubstrats jeweils im Wesentlichen die gleiche Menge an diese zugeordneten Durchströmungsdurchlässen auf. Es können andere Vorrichtungen und Systeme verwendet werden, um Wärme zu ausgewählten Zonen des Filtersubstrats 60 zu übertragen, einschließlich in spezifische Durchströmungsdurchlässe 62 eingebettete Heizvorrichtungen, zielgerichtete Mikrowellenheizsysteme und Plasmaheizsysteme.
Es wurde ein verallgemeinertes mathematisches Modell formuliert, um die Wärmeübertragung über einem ein elektrisches Netz umfassenden Heizelement zu beschreiben. Das verallgemeinerte mathematische Modell kann genutzt werden, um Wärmeübertragung zwischen einem Heizelement, z. B. einem der Heizelementsegmente 82, und durch diesem tretenden Abgas, bevorzugt zugeordnet zu regenerierenden Strömungsdurchlässen, die einer Zone eines Filtersubstrats für einen Partikelfilter zugeordnet sind, zu berechnen. Ein primärer Modus von Wärmeübertragung ist konvektive Wärmeübertragung von dem Heizelement zu dem Abgaszustrom, wenn er durchtritt. Annahmen zum Formulieren des Heizelementmodells umfassen, dass radiale Temperatur- und Wärmeübertragungswirkungen zwischen Strömungsdurchlässen in dem Filtersubstrat vernachlässigbar sind. Das Material des Filtersubstrats ist Cordierit, das eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit hat. Somit liegt die charakteristische Zeit für eine radiale Wärmeübertragungsleitung im zweistelligen Minutenbereich, was eine wesentlich längere verstrichene Zeit bedeutet als ein Regenerationszeitraum für ein Filtersubstrat, wenn es bei einem Antriebsstrangsystem eingesetzt wird. Weitere Arten von Wärmeübertragung von dem Heizelement umfassen Leitung aufgrund direkten Kontakts mit der Vorderfläche des Filtersubstrats und Strahlung zwischen der Oberfläche des Heizelements und der Vorderfläche des Filtersubstrats, die sich beide jeweils als im Wesentlichen vernachlässigbar erwiesen haben. Somit kann die Wärmeenergieübertragung zwischen dem Heizelement und dem Filtersubstrat durch einen einzigen Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Heizelement und dem Abgaszustrom beschrieben werden, was unter Verwenden von experimentell abgeleiteten Daten für eine spezifische Anwendung angepasst werden kann.
Das verallgemeinerte mathematische Modell der nachstehenden Gleichung [1] ist eine transiente Energiegleichung für ein Heizelement, z. B. eines der Heizelementsegmente 82 des Heizelements 80, und berücksichtigt die axiale Leitung in dem Material des Heizelements, die Aufnahme elektrischer Leistung des Heizelements, was einen Quellenterm umfasst, sowie eine erzwungene Konvektionswärmeübertragung zwischen dem Heizelement und dem Abgas. Die Aufnahme elektrischer Leistung wird mit einem Korrekturterm η_eff multipliziert, der den Wirkungsgrad der Übertragung der elektrischen Leitung auf das Material des Heizelements darstellt, nachdem Verluste in Verbindung mit dem Kabelbaum berücksichtigt wurden. Dies ist ein Anpassungsparameter in dem Modell und muss gegenüber verfügbaren experimentellen Daten abgestimmt werden.
Grenzbedingungen an den beiden Enden des Filtersubstrats berücksichtigen die Konvektionsverluste von der Heizoberfläche und werden wie folgt erhalten:
was berechnet wird bei at z = 0, z = L_h
Das Energiegleichgewicht für die Gasphase beschreibt wie folgt die transiente Temperaturänderung des Gases, wenn es durch das Heizelementmaterial tritt, und umfasst die axiale Strömung von Energie entlang Strömungsdurchlässen des Heizelements sowie die Konvektionsübertragung von Energie aufgrund des Kontakts zwischen dem Gas und dem Heizelement.
Die Abgastemperatur an dem Eingang zu dem Heizelement ist bekannt und liefert die Grenzbedingung wie folgt. T_g = T_g,in bei z = 0 [4]
Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Heizelement und dem Abgas kann wie folgt zu der Nusselt-Zahl in Beziehung gesetzt werden:
wobei d_hr der Lochdurchmesser ist, der den Luftspalt zwischen den benachbarten Strömungsdurchlässen des Heizelements darstellt. Es wird die Wärmeübertragungskorrelation für erzwungene Konvektionswärmeübertragung von einem Zylinder in senkrechter Strömung verwendet, die wie folgt die Nusselt-Zahl zu der Reynolds- und der Prandtl-Zahl in Beziehung setzt: Nu = c₁Re^1/2Pr^1/3 [6] wobei der einstellbare Parameter c₁ zum Anpassen gegen experimentelle Daten verwendet wird.
Das vorstehend beschriebene Heizelementmodells enthält zwei einstellbare Parameter η_eff und c₁, die gegen einen Satz von Kalibrierungsdurchläufen kalibriert werden können, wie in dem nächsten Abschnitt beschrieben wird. Nach dem Anpassen werden diese Werte für die anschließenden Prognosen, die unter Verwenden des Heizelementmodells durchgeführt werden, bevorzugt konstant gehalten.

Deskriptoren der Parameterterme und Variablen für die vorstehenden Gleichungen sind wie folgt in Tabelle 1. Tabelle 1

Term	Beschreibung	Einheiten
A_h	Kontaktfläche der Heizelementoberfläche zu Abgas	m²
c₁	Koeffizient in Nusselt-Zahl-Korrelation	-
C_pg	Spezifische Wärmekapazität von Gas	J/kg/K
C_ph	Spezifische Wärmekapazität von Heizelementmaterial	J/kg/K
h_conv	Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Heizelement und Gas	W/m²/K
L_h	Länge (Breite) des Heizelements	m
Nu	Nusselt-Zahl	-
Pr	Prandtl-Zahl	-
Q_h	Leistungsaufnahme des Heizelements	W
Re	Reynolds-Zahl	-
T_g	Gastemperatur	K
T_g,in	Abgastemperatur am Eingang des Heizelements	K
T_h	Temperatur des Heizelements	K
u_g	Gasphasengeschwindigkeit durch Heizelement	m/s
V_h	Volumen von Heizelementmaterial in jeder Zone	m³
z	Axiales Längenmaß des Heizelements	m
η_eff	Wirkungsgrad des elektrischen Heizelements
λ_h	Wärmeleitfähigkeit des Heizelementmaterials	W/m/K
ρ_g	Dichte von Gas, das an dem Heizelement vorbeiströmt	kg/m³
ρ_h	Dichte von Heizelementmaterial	kg/m³

Somit können bei einer bekannten elektrischen Leistungsaufnahme und bekanntere Abgasdurchsatz die Temperaturen des Heizelements T_h und des Abgases T_g an der Vorderfläche des Partikelfilters berechnet werden. Die Abgastemperatur wird dann als Einlassbedingung für ein 1-D-Regenerationsmodell eines Filtersubstrats für einen Partikelfilter zusammen mit Abgasdurchsatz und Sauerstoffkonzentration verwendet, um die Ergebnisse in Form von Partikelmaterialoxidation, d. h. Rußumwandlung, und Innentemperaturen des Filtersubstrats, die während eines Regenerationsprozesses erreicht werden, zu erhalten. Die kinetischen Parameter des Partikelfiltermodells wurden nicht gegenüber Daten abgestimmt, und als kinetische Parameter für die Wärmeoxidation wurden Nennwerte verwendet.
7, 8 und 9 zeigen graphisch Ergebnisse, die unter Verwenden des vorstehend erwähnten mathematischen Modells, das unter Bezug auf Gleichungen 1–5 beschrieben wurde, erreicht wurden und gegen verfügbare Daten kalibriert wurden, um einstellbare Parameter η_eff und c₁ zu erhalten, um die Wärmeübertragung zwischen dem Heizelement und dem Abgaszustrom zu beschreiben. Das unter Bezug auf die vorstehenden Gleichungen 1–5 beschriebene Modell wurde unter Verwenden der folgenden angepassten Parameter in dem Heizelementmodell kalibriert. η_eff = 0.8 und c₁ = 2.28 [7]
Temperaturprognosen erfolgten für einen Bereich von Betriebsbedingungen. Alle Durchläufe wurden, sofern nichts anderes angegeben ist, bei einer Rußbeladung von 5 g/l und einer Sauerstoffkonzentration von 9% durchgeführt. Die Heizelementsimulationen gelten für Leistungsaufnahmen von 2 kW und 3 kW pro Zone einer dreizonigen Heizelementauslegung.
7 zeigt graphisch Ergebnisse in Verbindung mit dem Betreiben einer Ausführungsform eines vorstehend beschriebenen Systems, einschließich Temperaturen, die an bestimmten Stellen relativ zu einer Vorderfläche eines Filtersubstrats stromabwärts eines Heizelements über einen verstrichenen Zeitraum ermittelt wurden. Die Temperaturstellen umfassen Temperaturen an axialen Stellen in dem Filtersubstrat relativ zu dem Heizelement, einschließlich 2,5 cm (DPF 2,5 cm), 7,5 cm (DPF 7,5 cm), 12,5 cm (DPF 12,5 cm) und 17,5 cm (DPF 17,5 cm) und die Abgaszustromtemperatur Tg. Die Betriebsbedingungen umfassen einen relativ niedrigen Abgaszustromdurchsatz von 50 kg/hr, was Leerlaufbedingungen des Motors simulieren soll. Das Filtersubstrat hat eine Partikelmaterialbeladung von 5 g/l. Das Heizelement wird bei einer Leistungsaufnahme von 2 kW 50 s lang betrieben. Das Filtersubstrat und das Abgas liegen anfangs beide bei 300°C, und das Heizelementnetz wird bei 20 Sekunden eingeschaltet und bei 70 Sekunden ausgeschaltet. Die Ergebnisse zeigen die in das Filtersubstrat eindringende Abgastemperatur und die Temperaturprofile in dem Filtersubstrat an den vier axialen Stellen über Zeit. Es wird eine Gesamtrußumwandlung von 91% erreicht, mit Spitzentemperaturen von 868°C, 891°C, 887°C und 880°C an den vier axialen Stellen in dem Filtersubstrat. Die Höchsttemperatur in dem Filtersubstrat tritt nahe der axialen Mitte des Filtersubstrats auf. Diese ergibt sich aus dem Deaktivieren der Leistungsaufnahme des Heizelements nach 70 Sekunden, wenn die Einlassabgastemperatur zurück auf 300°C abfällt und wenn die Mitte des Filtersubstrats seine Spitzentemperatur erreicht.
8 zeigt graphisch Ergebnisse in Verbindung mit dem Betreiben einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Systems, einschließlich axiale Profile, die eine relative Rußschichtdicke (Rußdicke (maßstabsgetreu)) bei verschiedenen verstrichenen Zeiträumen während Regeneration für das System einschließen, gemessen bei axialen Entfernungen von einer Vorderfläche des Filtersubstrats. Wenn das Heizelement bei 70 Sekunden (70 s) deaktiviert wird, liegt eine Gesamtregeneration von 5% vor, wobei nur ein vorderer Abschnitt des Filtersubstrats einen gewissen Rußabbau zeigt. Die aufgrund anfänglicher Rußoxidation freigesetzte Energie breitet aber eine Regenerationsfront axial durch das Filtersubstrat aus, wobei anschließende Rußdickenprofile nach 135 Sekunden (135 s), 180 Sekunden (180 s) und an einem Ende des Testlaufs (400 Sekunden) ermittelt wurden, die Gesamtrußumwandlungswerte von 37%, 57% bzw. 91% darstellten. Der niedrige Durchsatz (50 kg/hr) in Verbindung mit Regeneration senkt die Dissipationsrate der aus der exothermen Oxidationsreaktion freigesetzten Wärme.
9 zeigt graphisch Ergebnisse in Verbindung mit dem Betreiben einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Systems, einschließlich Gesamtumwandlung von Partikelmaterial (Rußumwandlung (%)) in Verbindung mit eingeschwungenem Betrieb bei verschiedenen verstrichenen Zeiträumen während Regeneration für das System bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten, die unterschiedlichen Abgaszustromdurchsätzen zugeordnet sind. Die Fahrzeuggeschwindigkeiten umfassen Leerlauf, 40 km/h (25 mph), 56 km/h (35 mph) und 72 km/h (45 mph), mit entsprechenden Abgaszustromdurchsätzen von 50 kg/h, 70 kg/h, 130 kg/h und 170 kg/h und Vorliegen von erwarteten Sauerstoffkonzentrationen in dem Motorabgas bei jeder Drehzahl und jedem Durchsatz. Dies ist in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Fahrzeuggeschwindigkeit km/h (mph) Durchsatz (kg/hr) Durchsatz (g/s) Sauerstoff (%)

0 (Leerlauf) 50 13,89 14

40 (25) 70 19,44 11

56 (35) 130 36,11 9

72 (45) 170 47,22 9
Die Ergebnisse zeigen, dass Rußumwandlung bei erhöhter Fahrzeuggeschwindigkeit verringert ist. Diese Ergebnisse enthalten die kombinierte Wirkung von drei Faktoren, einschließlich Temperatur des Abgaszustroms an dem Einlass zu dem Filtersubstrat, Abgasdurchsatz und Sauerstoffkonzentration. Die Zunahme des Abgaszustroms an dem Heizelement vorbei verringert die Konvektionswärmeübertragung von dem Heizelement zu der Gasphase aufgrund der Verringerung der Verweilzeit des Gases, das mit der Heizelementfläche in Kontakt steht. Dies führt zu einem Abfall der Spitzentemperatur des in das Filtersubstrat eindringenden Abgasstroms. Zweitens stellt die Zunahme des Abgasdurchsatzes in dem Filtersubstrat sicher, dass die Wärmefreisetzung aus der Rußoxidation effizient dissipiert und aus dem Filtersubstrat herausgetragen wird. Die Reaktionswärme ist ein Faktor beim Ausbreiten einer Rußoxidationsfront durch jeden Strömungsdurchlass des Filtersubstrats, nachdem elektrische Leistung zu dem Heizelement deaktiviert wurde. Während eines hohen Abgasdurchsatzes wird dagegen ein wesentlicher Teil der Reaktionswärme aus dem Filtersubstrat zusammen mit dem erwärmten Gas herausbefördert. Drittens spielt auch der Abfall der Sauerstoffkonzentration bei steigender Strömung eine Rolle, wenngleich in viel kleinerem Ausmaß als dies bei den anderen zwei Faktoren der Fall ist. Die Rußumwandlungsrate steigt zwischen Leerlauf und einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 40 km/h (25 mph), wenngleich die letzte Umwandlung immer noch dem vorstehend beschriebenen Trend folgt. Dies zeigt, dass es einen optimalen Abgaszustromdurchsatz für Rußoxidation gibt und dass eine Rußoxidationsfront nach Einleiten schneller den Kanal hinunter vorrücken kann, solange die Temperatur hoch genug ist, um Regeneration zu bewirken. Ein Abgaszustromdurchsatz, der zu hoch ist, kann Energie dissipieren und die Rußoxidationsfront zum Erlöschen bringen, wie durch den Fall von 72 km/h (45 mph) bewiesen wird. Somit ist die Zunahme der Oxidationsrate zwischen Leerlauf und 25 mph ein Strömungseffekt, während die anschließende Abnahme der Oxidationsrate aufgrund des Temperaturabfalls in Verbindung mit den höheren Durchsätzen von 35 und 45 mph auftritt. Somit kann ein Fachmann einen bevorzugte Abgaszustromdurchsatz und eine verbundene Wärmeübertragung für effektive Rußoxidation in einem Filtersubstrat ermitteln und den Betrieb des mehrzonigen Heizelements 80 und der Strömungssteuerungsvorrichtung 70 ermitteln, um in den Zonen des Filtersubstrats 60 Regeneration zu bewirken.
Daher kann bei hohen Strömungsabgasdurchsätzen, die einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechen, ein elektrisches Heizen allein ungenügend sein, um sicherzustellen, dass eine robuste Regenerationsfront erreicht wird, die zu nahezu vollständiger Rußumwandlung führen kann. Bei diesen hohen Durchsätzen kann ein weiterer Energieeintrag erforderlich sein, entweder durch Nacheinspritzung von Kohlenwasserstoffen gleichzeitig mit dem elektrischen Heizen oder durch eine Steigerung der Leistung, die dem Heizelement geliefert wird. Die Kohlenwasserstoffeinspritzung ist als erhöhte Abgastemperatur an dem Heizereinlass (450°C verglichen mit vorher 300°C) gleichzeitig mit der Leistungsaufnahme des Heizerelements dargestellt. Daher ist das Verringern einer Strömung zu einem Teil der parallelen Strömungsdurchlässe des Filtersubstrats 60 ein bevorzugter Weg zum Regenerieren des Filtersubstrats 60 und zum Oxidieren des gefilterten Partikelmaterials.
Wenn weiterhin die prognostizierte Ausgangsleistungsforderung (P_pred) und die prognostizierte Fahrzeuggeschwindigkeit (V_pred) anzeigen, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem Bereich liegt, der größer als 40 km/h (25 mph) ist, kann das Strömungssteuerungsventil 70 so gesteuert werden, dass es eine Strömung durch ausgewählte Abschnitte des mehrzonigen Heizelements 80 behindert, um einen Durchsatz zu erreichen, der Regeneration bewirken kann. Dies umfasst das nacheinander erfolgende Aktivieren einer der Zonen des mehrzonigen Heizelements 80 und das Steuern des Strömungssteuerungsventils 70, um Abgasdurchsatz zu der entsprechenden Zone des Filtersubstrats 60 zu steuern, um eine Abgastemperatur zu erreichen, die einen vorbestimmten Zeitraum lang darin höher als 600°C ist. Dieser Vorgang des nacheinander erfolgenden Aktivierens der einzelnen Zonen des mehrzonigen Heizelements 80 und des Steuerns des Strömungssteuerungsventils 70, um den Abgasdurchsatz zu der entsprechenden Zone des Filtersubstrats 60 zu steuern, regeneriert nacheinander die Zonen des Filtersubstrats 60.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können für Dritte bei Lesen und Verstehen der Beschreibung nahe liegen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als die beste in Betracht gezogene Art zum Ausführen dieser Offenbarung offenbart ist, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Vorrichtung zum Filtern von Partikeln aus einem Abgaszustrom eines Verbrennungsmotors, umfassend: ein Filtersubstrat mit mehreren abwechselnd geschlossenen parallelen Strömungsdurchlässen mit porösen Wänden, die parallel zu einer Strömungsachse des Abgases zwischen einem Einlass und einem Auslass desselben ausgerichtet sind, wobei Untergruppen der Strömungsdurchlässe jeweiligen von mehreren Zonen zugeordnet sind; ein Strömungssteuerungsventil, um die Strömung von Abgas zu jeder der mehreren Zonen zu steuern; und ein mehrzoniges Heizelement, das mehrere einzeln aktivierte Heizelemente umfasst, die jeweils einer der mehreren Zonen entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Strömungssteuerungsventil die Strömung des Abgases zu einer ausgewählten der mehreren Zonen behindert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, welche weiterhin ein Steuermodul umfasst, das das Strömungssteuerungsventil betreibt, um die Strömung des Abgases zu der ausgewählten der mehreren Zonen zu behindern, und das mehrzonige Heizelement betreibt, um das eine der mehreren einzeln aktivierten Heizelemente, das der ausgewählten der mehreren Zonen entspricht, zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Strömungssteuerungsventil, das die Strömung des Abgases behindert, die Strömung des Abgases auf einen vorbestimmten Durchsatzbereich behindert und das mehrzonige Heizelement Wärme zu der ausgewählten der mehreren Zonen überträgt, um durch die ausgewählte der mehreren Zonen eine Abgastemperatur zu erreichen, die höher als 600°C ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Strömungssteuerungsventil stromaufwärts des Filtersubstrats positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Strömungssteuerungsventil stromabwärts des Filtersubstrats positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren Zonen eine im Wesentlichen ähnliche Anzahl von Strömungsdurchlässen umfasst.
Partikelfilterbaugruppe, umfassend: ein Cordierit-Filtersubstrat mit mehreren Filterzonen; ein Heizelement, das mehrere einzeln aktivierte Heizzonen umfasst, die jeweils einer jeweiligen der mehreren Filterzonen entsprechen; und ein Strömungssteuerungsventil zum selektiven Behindern der Strömung von Abgas zu einer der mehreren Filterzonen, die einer aktivierten der mehreren einzeln aktivierten Heizzonen entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche weiterhin ein Steuermodul umfasst, das das Heizelement betreibt, um die einzeln aktivierten Heizzonen zu steuern, und das Strömungssteuerungsventil betreibt, um die Strömung des Abgases zu einer der mehreren Filterzonen, die der aktivierten der mehreren einzeln aktivierten Heizzonen entspricht, zu behindern.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Strömungssteuerungsventil die Strömung des Abgases zu der einen der mehreren Filterzonen auf einen vorbestimmten Durchsatzbereich behindert und das Heizelement Wärme zu der der aktivierten der mehreren einzeln aktivierten Heizzonen überträgt, um durch die eine der mehreren Filterzonen, die der aktivierten der mehreren einzeln aktivierten Heizzonen entspricht, eine Abgastemperatur zu erreichen, die höher als 600°C ist.