DE102011014158A1

DE102011014158A1 - Kompressorumgehung für Abgas zur Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung

Info

Publication number: DE102011014158A1
Application number: DE102011014158A
Authority: DE
Inventors: Thomas Larose jun.; Stephen England
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-02-09
Also published as: US20110225969A1; CN102191974A

Abstract

Ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, der einen Ansaugluftkompressor aufweist, umfasst eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Motor, die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas von dem Motor aufnimmt. Eine Partikelfilteranordnung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und nimmt periodisch erwärmtes Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, auf. Eine Luftleitung erstreckt sich zwischen dem Ansaugluftkompressor und der Abgasleitung und koppelt den Ansaugluftkompressor fluidtechnisch mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, Luft von dem Kompressor in die Abgasleitung zu injizieren, wenn der Partikelfilter erwärmtes Abgas aufnimmt, um die Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel zu unterstützen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stehen mit Abgasbehandlungssystemen für Verbrennungsmotoren und insbesondere mit einem effizienten System in Verbindung, um eine vollständige Regeneration eines Abgaspartikelfilters sicherzustellen.
HINTERGRUND
Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor und einigen Konfigurationen von Benzinmotoren ausgestoßen wird, ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”HC”) und Stickoxide (”NO_x”), wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthalten kann, die Partikelmaterial bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder -substraten angeordnet sind, sind in einem Abgassystem eines Motors vorgesehen, um bestimmte oder alle von diesen Abgasbestandteilen in gesetzlich nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Eine Abgasbehandlungstechnologie im Gebrauch für hohe Niveaus von Partikelmaterialreduktion ist die Partikelfiltervorrichtung (”PF”). Es existieren verschiedene bekannte Filteraufbauten, die in PFs verwendet sind und eine Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials von dem Abgas gezeigt haben, wie Keramikwaben-Wandströmungsfilter, Filter mit gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Keramikwandströmungsfilter haben in Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren.
Der Filter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und infolge dessen besitzt die Ansammlung gefilterter Partikel die Wirkung der Erhöhung des Abgassystemgegendrucks, dem der Motor ausgesetzt ist. Um Gegendruckzunahmen, die durch die Ansammlung von Abgaspartikeln bewirkt werden, zu berücksichtigen, wird der PF periodisch gereinigt oder regeneriert. Eine Regeneration eines PF in Fahrzeuganwendungen erfolgt typischerweise automatisch und wird durch einen Motor- oder anderen Controller auf Grundlage von Signalen, die durch Motor- und Abgassystemsensoren erzeugt werden, gesteuert. Das Regenerationsereignis betrifft die Erhöhung der Temperatur des PF-Filters auf Niveaus, die oftmals über 600°C liegen, um die angesammelten Partikel zu verbrennen.
Ein Verfahren zur Erzeugung der Temperaturen, die in dem Abgassystem zur Regeneration des PF erforderlich sind, besteht darin, erhöhte Niveaus an CO und nicht verbrannten HC an eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die stromaufwärts des PF angeordnet ist, zu liefern. Die HC können durch Injektion von Kraftstoff direkt in das Abgassystem geliefert werden oder können durch späte Injektion von Kraftstoff in die Motorzylinder erreicht werden, was in nicht verbranntem HC resultiert, die den Abgaskanal des Motors mit dem Abgas verlassen. Das CO und die HC werden in einer Oxidationskatalysatorvorrichtung oxidiert, was in einer exothermen Reaktion resultiert, die die Temperatur des Abgases erhöht; elektrisch beheizte Vorrichtungen sind auch verwendet worden. Das erwärmte Abgas gelangt stromabwärts zu dem PF und verbrennt die Partikelansammlung in dem PF-Filter.
Die Verwendung von rezirkuliertem Abgas (”AGR”) ist für moderne Verbrennungsmotoren, die sowohl Benzin- als auch Dieselmotoren enthalten, wichtig. Die effiziente Verwendung der AGR unterstützt allgemein die Aufgaben der Realisierung eines hohen Leistungsausgangs von diesen Motoren, während auch eine hohe Kraftstoffeffizienz und -wirtschaftlichkeit erreicht werden und während zunehmend strengere Anforderungen für Abgasemissionen aus dem Motor heraus erfüllt werden. Die Verwendung einer Aufladung, insbesondere mit Abgas betriebenen Turboladern, wird auch häufig dazu verwendet, den Motoransaugluftmassenstrom und den Leistungsausgang des Motors durch Verwendung von Abfallenergie, die von dem Abgas abgeleitet wird, zu steigern. Die effiziente Verwendung von AGR und turbogeladener Aufladung erfordert eine synergistische Konstruktion dieser Systeme.
Ein Nachteil der Verwendung zunehmend größerer Volumen an AGR besteht darin, dass das rezirkulierte Abgas bereits verbrannt worden ist, wenn es Verbrennungsluft (d. h. Sauerstoff) in der Ansaugbeladung verdrängt. Während die AGR den Verbrennungsprozess chemisch verlangsamt und kühlt, wodurch die Bildung von NO_x reduziert wird, ist das Resultat eine Reduzierung der Sauerstoffniveaus, die erforderlich sind, um das CO und überschüssige HC in dem Abgas zu oxidieren, insbesondere während des PF-Regenerationsereignisses. Eine derartige Reduktion des Sauerstoffs (”O₂”) kann verhindern, dass das Abgas ein Temperaturniveau erreicht, das für die effiziente Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln in dem PF ausreichend ist, und in dem ”Schlupf” von CO und nicht verbrannten HC durch die Abgasbehandlungskomponenten des Abgassystems resultieren. Zusätzlich verlangsamen reduzierte Niveaus von O₂ auch signifikant die Verbrennungsrate von Ruß, insbesondere, wenn Niveaus unter etwa 6 bis 5% fallen, wodurch die PF-Regenerationszeit erhöht wird. Erhöhte Regenerationszeiten reduzieren eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit und können Emissionen erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugluftkompressor, einer Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt, und einer Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie erwärmtes Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, periodisch aufnimmt. Eine Luftleitung erstreckt sich zwischen einer Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors und der Abgasleitung und koppelt eine Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors fluidtechnisch mit der Abgasleitung. Ein Ventil ist in der Luftleitung angeordnet und derart konfiguriert, dass es Druckluft von dem Ansaugluftkompressor in die Abgasleitung injiziert, wenn der Partikelfilter erwärmtes Abgas aufnimmt, um die Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel zu unterstützen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor einen abgasgetriebenen Ansaugluftkompressor, der derart konfiguriert ist, dass er ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt und Druckluft durch eine Druckluftleitung an ein Ansaugsystem des Motors liefert. Die Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit einem Auslass des abgasgetriebenen Ansaugluftkompressors und ist derart konfiguriert, ein Abgas von einem Auslass des abgasgetriebenen Ansaufluftkompressors aufzunehmen. Eine Luftleitung erstreckt sich zwischen der Druckluftleitung des abgasgetriebenen Ansaugluftkompressors und der Abgasleitung und koppelt die Druckluftleitung des abgasgetriebenen Ansaugluftkompressors fluidtechnisch mit der Abgasleitung. Ein Ventil ist in der Luftleitung angeordnet und derart konfiguriert, dass es Druckluft von dem Kompressor in die Abgasleitung injiziert. Eine Kohlenwasserstoffversorgung ist mit der Abgasleitung verbunden und steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas-, Kohlenwasserstoff- und Luftgemisches darin. Eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts der Luftleitung und der Kohlenwasserstoffversorgung ist derart konfiguriert, dass sie das Druckluft-, Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird, und die Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung ist derart konfiguriert, dass sie das erwärmte Abgas von der Oxidationsvorrichtung zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt.
Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, das einen Ansaugluftkompressor, der derart konfiguriert ist, dass er Druckluft durch eine Druckluftleitung an ein Ansaugsystem des Motors liefert, eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt, eine Luftleitung, die sich zwischen der Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors und der Abgasleitung erstreckt und die Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors fluidtechnisch mit der Abgasleitung koppelt, ein Ventil, das in der Luftleitung angeordnet und derart konfiguriert ist, dass es Druckluft von dem Kompressor in die Abgasleitung injiziert; eine Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung verbunden ist und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung zur Lieferung von Kohlenwasserstoffen daran und zur Bildung eines Abgas-, Kohlenwasserstoff- und Druckluftgemisches darin steht; eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts der Luftleitung und der Kohlenwasserstoffversorgung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Druckluft-, Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird; eine Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie das erwärmte Abgas von der Oxidationsvorrichtung zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt; und einen Controller in Signalkommunikation mit einer Mehrzahl von Sensoren in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, der derart konfiguriert ist, dass er eine Lieferung der Kohlenwasserstoffe und der Luft auslöst, um die Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel zu unterstützen, aufweist, ein Betreiben des Controllers durch Signalkommunikation mit den Sensoren, um zu bestimmen, ob der Abgassystemgegendruck ein Niveau erreicht hat, das den Bedarf zur Regeneration des Abgaspartikelfilters angibt. Ein Betreiben des Controllers durch Signalkommunikation mit den Sensoren, um das Sauerstoffniveau in der Abgasströmung zu bestimmen. Ein Betreiben des Controllers, um den Luftinjektor zu aktivieren, um Druckluft von der Luftleitung zu der Abgasströmung hinzuzufügen, wenn das Sauerstoffniveau in der Abgasströmung unterhalb dem liegt, das zur vollständigen Oxidation von Kohlenwasserstoff in dem Abgas, zur Regeneration der Partikelfilteranordnung oder beidem erforderlich ist.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in 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, das Merkmale der Erfindung verkörpert; und
2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in den 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, zur Anwendung auf einen Verbrennungsmotor 12 gerichtet. Wie angegeben ist, kann der Verbrennungsmotor 12 ein beliebiger Typ (Diesel, Benzin oder andere) sein, der erhöhte Niveaus an Partikeln in dem daraus austretenden Abgas erzeugt, und die hier beschriebene Erfindung kann in verschiedenen Motorsystemen implementiert sein.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Abgassystem 10 eine Primärabgasleitung 14, die die Kulmination der ersten und zweiten Abgasleitung 14A und 14B ist, die in Fluidkommunikation mit Abgaskanälen (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 12 stehen. Die erste Abgasleitung 14A ist derart konfiguriert, dass sie eine Abgasströmung 16 von einem ersten Zylinder oder einer Bank von Zylindern 48 des Verbrennungsmotors 12 sammelt und diese an den Einlass 18 eines Motoransaugluftkompressors, wie einen abgasgetriebenen Turbolader 20, leitet. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Motoransaugluftkompressor 20 beispielsweise ein motorgetriebener Superlader sein. Die zweite Abgasleitung 14B ist derart konfiguriert, dass sie eine Abgasströmung 16 von einem zweiten Zylinder oder einer Bank von Zylindern 50 des Verbrennungsmotors 12 sammelt und diese auch an den Einlass 18 des abgasgetriebenen Turboladers 20 leitet. Der Turbolader 20 verwendet überschüssige Abgasenergie, um Einlassluft 30 zu komprimieren, die durch eine Druckluftleitung 31 an den Ansaugkrümmer 26 des Verbrennungsmotors 12 geliefert wird. Ein Anteil 16A der Abgasströmung 16 wird an ein Abgasrückführungs-(”AGR”)-System 22 umgelenkt, wo er durch einen Abgaskühler 28 gelangen kann, und wird anschließend mit der komprimierten Einlassluft 30 von dem Turbolader 20 gemischt, bevor er in den Ansaugkrümmer 26 des Verbrennungsmotors 12 eingeführt wird. Das Volumen des AGR-Abgases 16A, das an das AGR-System 22 umgelenkt wird, wird durch ein AGR-Ventil 15 geregelt, das in dem AGR-System 22 zwischen der Abgasleitung 14 und dem Ansaugkrümmer 26 des Motors 12 angeordnet ist.
Der Rest des Abgassystems 10 weist eine stromabwärtige Abgasleitung 32 in Fluidkommunikation mit dem Auslass 34 des Turboladers 20 auf und umfasst verschiedene Segmente, die dazu dienen, die Abgasströmung 16 an verschiedene Abgasbehandlungskomponenten des Abgassystems 10 zu transportieren. Die Abgasbehandlungskomponenten können einen ersten Oxidationskatalysator (”OC”) 36 aufweisen, der bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger HC und CO nützlich ist, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Der OC 36 ist typischerweise mit einer Oxidationskatalysatorverbindung beschichtet, die ein Metall der Platingruppe aufweist, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. Die Oxidation der HC und des CO in dem OC 36 ist eine exotherme Reaktion, die nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) 38 kann stromabwärts des OC 36 angeordnet sein und ist typischerweise mit einer SCR-Katalysatorzusammensetzung beschichtet, die einen Zeolith und eine oder mehrere Grundmetallkomponenten, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”) enthält, die dazu dienen kann, NOx-Bestandteile in der Abgasströmung 16 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak (”NH3”), effektiv umzuwandeln.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Abgaspartikelfilter, in diesem Fall ein Partikelfilter (”PF”) 40, in dem Abgassystem 10 stromabwärts des SCR 38 und OC 36 angeordnet und dient dazu, die Abgasströmung 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Der PF 40 kann unter Verwendung eines Keramik-Wandströmungsmonolith-Abgasfilters 42 aufgebaut sein, der Wände aufweist, durch die die Abgasströmung 16 getrieben wird. Durch den Wandströmungsmechanismus wird die Abgasströmung 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden in dem Abgasfilter 42 des PF 40 abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung einer Erhöhung des Abgasgegendrucks, der auf den Verbrennungsmotor 12 wirkt. Die Erhöhung des Gegendrucks der Abgasströmung 16, die durch die Ansammlung von Partikelmaterial in dem PF 40 bewirkt wird, erfordert, dass der PF periodisch gereinigt oder regeneriert wird, um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 12 beizubehalten. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C).
Erneut Bezug nehmend auf 1 ist bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Controller, wie ein Motorcontroller 44, funktionell mit dem Abgassystem 10 durch eine Anzahl von Sensoren, wie einen Drucksensor 46, einen Temperatursensor 52 und einen Sauerstoffsensor 54, verbunden und überwacht dieses. Der hier verwendete Begriff ”Controller” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Bei einer Bestimmung, dass der Abgassystemgegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das die Notwendigkeit zur Regeneration des PF 40 angibt, stellt der Motorcontroller 44 die Lieferrate und/oder die zeitliche Steuerung oder beides 56 der Kraftstofflieferung zu dem Verbrennungsmotor 12 ein, was in der Lieferung nicht verbrannter HC an die Abgasströmung 16 resultiert, was in einem HC/Abgas-Gemisch in der Abgasleitung 32 resultiert. Das HC/Abgasgemisch tritt in den OC 36 ein, der eine schnelle Oxidationsreaktion des HC bewirkt, um CO₂ und H₂O zu bilden: HC + O₂ → CO₂ + H₂O
Die Oxidationsreaktion verläuft exotherm und dient dazu, die Temperatur des Abgases 16 auf ein Niveau (> 600°C) anzuheben, das zur Regeneration des Kohlenstoffs und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter 42 des PF 40 geeignet ist.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist ein HC- oder Kraftstoff-Injektor 58 in Fluidkommunikation mit der Abgasströmung 16 in der stromabwärtigen Abgasleitung 32 stromaufwärts des PF 40 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 58 steht in Fluidkommunikation mit HC 60 in dem Kraftstoffliefertank 62 durch die Kraftstoffleitung 64. Der Kraftstoffinjektor 58 ist signaltechnisch mit den Controller 44 verbunden und derart konfiguriert, dass er nicht verbrannte HC 60 in den Abgasstrom zur Lieferung an den PF 40 einführt. Ein Mischer oder Turbulator 66 kann ebenfalls in der Abgasleitung 32 in enger Nähe zu dem HC-Injektor 58 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen der HC mit dem Abgas 16 weiter zu unterstützen. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist ein zweiter Oxidationskatalysator (”OC2”) 68 in dem Behälter des PF 40 stromaufwärts des Abgasfilters 40 angeordnet. Auf eine Weise, die ähnlich der ist, die oben beschrieben ist, aktiviert bei einer Bestimmung, dass der Abgassystemgegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf zur Regeneration des PF 40 angibt, der Controller 44 den HC-Injektor 58, um HC in die stromabwärtige Abgasleitung 32 zur Mischung mit dem Abgas 16 zu liefern. Das HC/Abgas-gemisch tritt in den PF 40 ein und strömt durch den OC2 68, der eine schnelle Oxidationsreaktion des HC bewirkt, um CO₂ und H₂O zu bilden: HC + O₂ → CO₂ + H₂O
Die Oxidationsreaktion verläuft exotherm und dient dazu, die Temperatur des Abgases 16 auf ein Niveau (> 600°C) anzuheben, das zur Regeneration des Kohlenstoffs und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter 42 geeignet ist. Nach seinem Austritt aus dem OC2 68 strömt das erwärmte Abgas 16 stromabwärts durch den keramischen Wandströmungsmonolithfilter 42, wo es den Kohlenstoff und andere Partikel, die darin abgefangen sind, effektiv 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
Während zwei Beispiele des Abgassystems 10 beschrieben worden sind, sind auch andere geeignete Konfigurationen vorstellbar. Beispielsweise kann die beispielhafte Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht und oben beschrieben ist, so konfiguriert sein, dass der HC- oder Kraftstoffinjektor 58 stromaufwärts des OC 36 angeordnet ist. In einem solchen Fall kann der OC 36 so bemessen sein, dass die gesamten nicht verbrannten HC in der stromabwärtigen Abgasleitung 32 oxidiert werden, wodurch auch die Notwendigkeit nach einen zusätzlichen OC2 68, der eng benachbart dem stromaufwärtigen Ende des Abgasfilters 42 angeordnet ist, verzichtet wird.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 wird, da zunehmend große Volumen an AGR 16A in den Motoransaugkrümmer 26 umgelenkt und durch den Verbrennungsmotor 12 geführt werden, der restliche O₂, der in der Abgasströmung 16 in der stromabwärtigen Abgasleitung 32 verfügbar ist, signifikant reduziert. Signifikante Reduktionen der O₂-Abgasniveaus können die Oxidationsreaktionen in sowohl dem OC 36 als auch dem OC2 68 (wenn ausgestattet) wie auch die Regenerations- oder Verbrennungsreaktion in dem Abgasfilter 42 des PF 40 beeinträchtigen, da beide Reaktionen sich für ihren Verlauf auf O₂ stützen. Um sicherzustellen, dass ausreichend O₂ in dem durch die stromabwärtige Abgasleitung 32 strömenden Abgas 16 für einen richtigen Betrieb des OC 36 und OC2 68 wie auch zur vollständigen Regeneration des PF 40 vorhanden ist, besitzt eine Luftleitung 70 ein Einlassende 72, das der Druckluftleitung 31 des Turboladers 20 zugeordnet ist, und ein Auslassende 74 in Fluidkommunikation mit der stromabwärtigen Abgasleitung 32 des Abgassystems 10. Die Luftleitung kann ein in der Leitung befindliches bzw. reihenartiges Ventil zur Regulierung der Luftströmung hindurch, wie einen Luftinjektor 76 an dem Auslassende 74, aufweisen. Der Injektor ist signaltechnisch mit dem Controller 44 verbunden und derart konfiguriert, dass er Druckluft 78 bei Aktivierung durch den Controller in die Abgasströmung 16 injiziert.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform bestimmt bei einer Bestimmung, dass der Abgassystemgegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf zur Regeneration des PF 40 angibt, der Motorcontroller 44 das Niveau an zusätzlichem O₂, der in der Abgasströmung 16 erforderlich ist, durch Signalkommunikation mit dem Sauerstoffsensor 54. Wenn die O₂-Niveaus in der Abgasströmung 16 unterhalb denen liegen, die zur vollständigen Oxidation von CO und HC, zur Regeneration des PF 40 oder beidem erforderlich sind, aktiviert der Controller den Luftinjektor 76, um Druckluft 78 von der Druckluftleitung 31 des Turboladers an die Abgasströmung 16 in der stromabwärtigen Abgasleitung 32 zu injizieren. Es ist bestimmt worden, dass eine Zunahme von O₂ in dem Abgas 16 von etwa zwei Prozent eine Zunahme des Wirkungsgrades einer Regeneration des PF 40 um zehn Prozent zur Folge haben kann. Sobald die O₂-Niveaus bei einem vorbestimmten Niveau in der Abgasströmung 16 liegen, stellt der Controller die Lieferrate und/oder die zeitliche Steuerung oder beides 56 der Kraftstofflieferung zu dem Verbrennungsmotor 12 ein, was in der Lieferung von nicht verbrannten HC zu der Abgasströmung 16, 1, resultiert, oder er kann alternativ einen HC-Injektor 58 aktivieren, um HC 60 in die stromabwärtige Abgasleitung 32 zur Mischung mit dem Abgas 16, 2, zu liefern. In jedem Fall kann der Controller 44 die Temperatur der exothermen Oxidationsreaktion in dem OC 36, dem OC2 68 und dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter 42 durch den Temperatursensor 52 überwachen und die HC-Lieferrate wie auch die Lieferrate von Luft 78 einstellen, damit eine vorbestimmte Temperatur und Funktion des Abgassystems beibehalten werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung 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 ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugluftkompressor; eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt; eine Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie erwärmtes Abgas zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, periodisch aufnimmt; eine Luftleitung, die sich zwischen einer Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors und der Abgasleitung erstreckt und eine Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors fluidtechnisch mit der Abgasleitung koppelt; und ein Ventil, das in der Luftleitung angeordnet und derart konfiguriert ist, dass es Druckluft von dem Ansaugluftkompressor in die Abgasleitung injiziert, wenn der Partikelfilter erwärmtes Abgas aufnimmt, um die Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel zu unterstützen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung verbunden ist und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin steht; und eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts der Kohlenwasserstoffversorgung und des Ventils, die derart konfiguriert ist, dass sie das Abgas-, Kohlenwasserstoff- und Druckluftgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, um dadurch das Abgas zur Lieferung an die Partikelfilteranordnung zu erwärmen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen Controller in Signalkommunikation mit einer Mehrzahl von Sensoren in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, der derart konfiguriert ist, dass er eine Lieferung des Kohlenwasserstoffs und der Luft auslöst, um die Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel zu unterstützen.
Abgaspartikelfiltersystem nach Anspruch 3, wobei der Controller derart konfiguriert ist, dass er die Lieferrate und/oder die zeitliche Steuerung oder beides der Kraftstofflieferung zu dem Motor einstellt, um nicht verbrannten Kohlenwasserstoff an die Abgasleitung zu liefern.
Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen abgasgetriebenen Ansaugluftkompressor, der derart konfiguriert ist, dass er ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt und Druckluft durch eine Druckluftleitung an ein Ansaugsystem des Motors liefert; eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem abgasgetriebenen Ansaugluftkompressor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von einem Auslass des abgasgetriebenen Ansaugluftkompressors aufnimmt; eine Luftleitung, die sich zwischen der Luftleitung des abgasgetriebenen Ansaugluftkompressors und der Abgasleitung erstreckt und die Druckluftleitung des abgasgetriebenen Ansaugluftkompressors fluidtechnisch mit der Abgasleitung koppelt; ein Ventil, das in der Luftleitung angeordnet und derart konfiguriert ist, dass es Druckluft von dem abgasgetriebenen Ansaugluftkompressor in die Abgasleitung injiziert; eine Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung verbunden ist und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas-, Kohlenwasserstoff- und Luftgemisches darin steht; eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts der Luftleitung und der Kohlenwasserstoffversorgung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Druckluft-, 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, die derart konfiguriert ist, dass sie das erwärmte Abgas von der Oxidationsvorrichtung zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt.
Abgassystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen Controller in Signalkommunikation mit einer Mehrzahl von Sensoren in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, der derart konfiguriert ist, dass er eine Lieferung der Kohlenwasserstoffe und der Druckluft an die Abgasleitung auslöst.
Abgassystem nach Anspruch 5, wobei der Verbrennungsmotor einen Dieselmotor umfasst.
Abgassystem nach Anspruch 5, wobei der Verbrennungsmotor einen Benzinmotor umfasst.
Verfahren zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, das einen Ansaugluftkompressor, der derart konfiguriert ist, dass er Druckluft durch eine Druckluftleitung an ein Ansaugsystem des Motors liefert, eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufnimmt, eine Luftleitung, die sich zwischen der Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors und der Abgasleitung erstreckt und die Druckluftleitung des Ansaugluftkompressors fluidtechnisch mit der Abgasleitung koppelt, ein Ventil, das in der Luftleitung angeordnet und derart konfiguriert ist, dass es Druckluft von dem Kompressor in die Abgasleitung injiziert; eine Kohlenwasserversorgung, die mit der Abgasleitung verbunden ist und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas-, Kohlenwasserstoff und Druckluftgemisches darin steht; eine Oxidationsvorrichtung stromabwärts der Luftleitung und der Kohlenwasserstoffversorgung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Druckluft-, Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufnimmt und eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion des Gemisches bewirkt, wodurch das Abgas erwärmt wird; eine Partikelfilteranordnung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie das erwärmte Abgas von der Oxidationsvorrichtung zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin abgefangen sind, aufnimmt; und einen Controller in Signalkommunikation mit einer Mehrzahl von Sensoren in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung aufweist, der derart konfiguriert ist, dass er eine Lieferung der Kohlenwasserstoffe und der Luft auslöst, um die Verbrennung des Kohlenstoffs und der Partikel zu unterstützen, umfassend: ein Betreiben des Controllers durch Signalkommunikation mit den Sensoren, um zu bestimmen, ob der Abgassystemgegendruck ein Niveau erreicht hat, das den Bedarf zur Regeneration des Abgaspartikelfilters angibt; ein Betreiben des Controllers durch Signalkommunikation mit den Sensoren, um das Sauerstoffniveau in der Abgasströmung zu bestimmen; ein Betreiben des Controllers, um den Luftinjektor zu aktivieren, um Druckluft von der Luftleitung zu der Abgasströmung hinzuzufügen, wenn das Sauerstoffniveau in der Abgasströmung unterhalb dem liegt, das zur vollständigen Oxidation von Kohlenwasserstoff in dem Abgas, zur Regeneration der Partikelfilteranordnung oder beidem erforderlich ist.
Verfahren zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein Betreiben des Controllers, um das Niveau von Kohlenwasserstoff in dem Abgas zu erhöhen, sobald Sauerstoffniveaus bei einem vorbestimmten Niveau in der Abgasströmung liegen, das zur vollständigen Oxidation von Kohlenwasserstoff in dem Abgas, zur Regeneration der Partikelfilteranordnung oder beidem erforderlich ist.