DE102012212884B4

DE102012212884B4 - Systeme mit geschichteter Partikelfilterregeneration

Info

Publication number: DE102012212884B4
Application number: DE102012212884.0A
Authority: DE
Inventors: Jianwen Li; Rahul Mital; Michael V. Taylor; Thomas Larose Jr.; Thomas J. Sobtzak; Paul Jasinkiewicz; Rebecca J. Darr
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: DE102012212884A1; US8505284B2; CN102900495B; CN102900495A; US20130025266A1

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend:eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit einem Verbrennungsmotor (12), die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor (12) aufzunehmen;eine Kohlenwasserstoffversorgung (40), die mit der Abgasleitung (14) verbunden ist und mit dieser in Fluidkommunikation steht, wobei die Kohlenwasserstoffversorgung (40) zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffs (25) selektiv einstellbar ist, um eine Abgastemperatur zu steuern;einen Partikelfilter (20) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) und mit einem Filteraufbau (30) zur Entfernung von Partikel in dem Abgas, wobei der Partikelfilter (20) während des Betriebs des Verbrennungsmotors (12) selektiv regeneriert wird;eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (18), die sich in der Abgasleitung (14) stromabwärts der Kohlenwasserstoffversorgung (40) und stromaufwärts des Partikelfilters (20) befindet;zumindest einen Sensor (60) in Kommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei der zumindest eine Sensor (60) einen Betriebszustand des Partikelfilters (20) detektiert und wobei der zumindest eine Sensor (60) ein Signal erzeugt, das die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen sind, angibt;einen ersten Temperatursensor (52) und einen zweiten Temperatursensor (54), die beide in Kommunikation mit der Abgasleitung (14) stehen, wobei der erste Temperatursensor (52) stromaufwärts des Partikelfilters (20) angeordnet ist und der zweite Temperatursensor (54) stromabwärts des Partikelfilters (20) angeordnet ist; undein Steuermodul (50) in Kommunikation mit der Kohlenwasserstoffversorgung (40), dem zumindest einen Sensor (60), dem ersten Temperatursensor (52) und dem zweiten Temperatursensor (54), wobei das Steuermodul (50) einen Speicher mit einer darin gespeicherten Temperatursteuerkurve (80) mit infiniter Stufe besitzt, wobei die Temperatursteuerkurve (80) einen Temperatursollwert stromaufwärts des Partikelfilters (20) angibt, wobei der Temperatursollwert sich kontinuierlich ändert, um der Menge an Partikeln zu entsprechen, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) während der Regeneration abgefangen verbleiben,wobei das Steuermodul (50) umfasst:eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Überwachen des zumindest einen Sensors (60) bezüglich der Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen sind, und zum Bestimmen, ob die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) abgefangen sind, einen Schwellenpartikelwert überschreitet;eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des ersten Temperatursensors (52) bezüglich einer ersten Temperaturablesung und des zweiten Temperatursensors (54) bezüglich einer zweiten Temperaturablesung;eine Steuerlogik zum Auslösen einer Regeneration des Partikelfilters (20),eine Steuerlogik zum Korrelieren einer Temperatur, die von dem ersten Temperatursensor (52) erfasst wird, mit dem Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve (80), wobei der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve (80) auf Grundlage der Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen sind, und der Temperatur des ersten Temperatursensors (52) einstellbar ist; undeine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Kohlenwasserstoffversorgung (40) zur Lieferung von Kohlenwasserstoffen zum Steuern der Abgastemperatur auf Grundlage des Temperatursollwerts der Temperatursteuerkurve (80), dadurch gekennzeichnet, dassder Filteraufbau (30) ein innerstes Gebiet (70) und ein äußerstes Gebiet (74) besitzt,der Partikelfilter (20) eine geschichtete Temperaturstruktur besitzt, die zur Folge hat, dass während der Regeneration die an dem innersten Gebiet (70) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikel vor den in dem äußersten Gebiet (74) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikel wegbrennen,die Temperatursteuerkurve (80) auf zumindest der geschichteten Temperaturstruktur des Partikelfilters (20), den in dem innersten Gebiet (70) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikeln und den in dem äußersten Gebiet (74) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikeln basiert, unddie Steuerlogik zum Auslösen einer Regeneration des Partikelfilters (20) eine Regeneration auslöst, wenn die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen ist, den Schwellenpartikelwert überschreiten, und wenn die erste und zweite Temperaturablesung eine Schwellen-Temperatur des Partikelfilters überschreiten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem mit einem geschichteten Partikelfilter, der während des Betriebs eines Verbrennungsmotors selektiv regeneriert und der hier im Kontext auch mit PF abgekürzt wird.
HINTERGRUND
Das von einem Verbrennungsmotor emittierte Abgas stellt ein heterogenes Gemisch dar, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid („CO“), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickoxide („NO_x“) wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial („PM“) bilden. Eine Abgasbehandlungstechnologie im Gebrauch für hohe Niveaus an Partikelmaterialreduktion kann einen Partikelfilter („PF“) einschließen, der Partikelmaterial abfängt. Eine Regeneration ist der Prozess zum Entfernen des angesammelten Partikelmaterials von dem PF. Jedoch kann eine ungesteuerte Regeneration während gewisser Betriebsbedingungen stattfinden. Genauer nimmt, wenn die Motordrehzahl während der Regeneration auf Leerlauf abfällt, das durch den PF strömende Abgas signifikant ab, während gleichzeitig die Konzentration von Sauerstoff in dem PF zunimmt. Da die Regeneration, die im Fortschritt ist, eine erhöhte Substrattemperatur des PF erzeugt, kann die Kombination aus verringertem Durchfluss und zunehmender Sauerstoffkonzentration eine ungesteuerte Reaktion erzeugen, die den PF auf eine höhere Temperatur anhebt. Derartige höhere Temperaturgradienten neigen zu einer Erhöhung der Beanspruchung des PF. Ein wiederholter thermischer Schock kann einen kumulativen Effekt erzeugen, der schließlich zu einem Reißen des Substrats des PF führen kann. In einigen Fällen kann sogar ein einzelnes auf Leerlauf abfallendes Ereignis potentiell einen Temperaturgradienten erzeugen, der zur Rissbildung in dem Substrat des PF führt.
Die zweistufige oder dreistufige Regeneration eines PF findet statt, wenn der Temperatursollwert des in den PF eintretenden Abgases in Inkrementen abhängig von der Temperatur und der Rußbeladung des PF angehoben wird. Jedoch berücksichtigt eine mehrstufige Regeneration nicht, dass sich eine Rußbeladung des PF während der Regeneration kontinuierlich ändert. Somit ist, da der Temperatursollwert auf Grundlage der Rußbeladung vor Regeneration eingestellt wird, die Temperatur des PF während der Regeneration typischerweise geringer, als für einen hohen Regenerationswirkungsgrad erforderlich ist. Jedoch besitzt das Substrat des PF eine geschichtete Temperatur, wobei die Temperatur allmählich von dem Zentrum zu der Außenfläche des PF abnimmt. Die geschichtete Temperatur des PF resultiert in verschiedenen Rußverbrennungsraten über den PF. Die mehrstufige Regeneration berücksichtigt nicht die geschichtete Temperatur des PF-Substrats. Demgemäß ist es erwünscht, eine effiziente Vorgehensweise zur Regeneration eines PF bereitzustellen, während gleichzeitig der Temperaturgradient und die Gefahr einer ungesteuerten Regeneration in dem PF minimiert werden.
Die EP 1 582 709 A2 offenbart ein Abgasbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterer Stand der Technik ist aus DE 10 2005 008 529 A1 , DE 100 56 016 A1 , DE 10 2009 041 688 A1 , DE 10 2008 035 762 A1 , DE 10 2010 015 385 A1 und FR 2 906 301 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Abgasbehandlungssystem bereitzustellen, mittels dem ein PF des Abgasbehandlungssystems effizient regenerierbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch ein Abgasbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Abgasleitung, eine Kohlenwasserstoffversorgung, einen Partikelfilter („PF“), zumindest einen Sensor, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor und ein Steuermodul. Die Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor und ist derart konfiguriert, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen. Die Kohlenwasserstoffversorgung ist mit der Abgasleitung verbunden und steht in Fluidkommunikation mit dieser. Die Kohlenwasserstoffversorgung ist selektiv zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes zur Steuerung einer Abgastemperatur einstellbar. Der PF steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und besitzt einen Filteraufbau zur Entfernung von Partikeln in dem Abgas. Der Filteraufbau besitzt ein innerstes Gebiet und ein äußerstes Gebiet. Der PF Wird während des Betriebs des Verbrennungsmotors selektiv regeneriert. Der PF besitzt eine geschichtete Temperaturstruktur, die während der Regeneration ein Wegbrennen der an dem innersten Gebiet des PF abgefangenen Partikel vor den in dem äußersten Gebiet des PF abgefangenen Partikeln bewirkt. Das Steuermodul besitzt einen Speicher mit einer darin gespeicherten Temperatursteuerkurve mit infiniter Stufe.
Der zumindest eine Sensor steht in Kommunikation mit der Abgasleitung. Der zumindest eine Sensor detektiert einen Betriebszustand des PF und erzeugt ein Signal, das die Menge an Partikel angibt, die in dem Filteraufbau des PF abgefangen sind. Der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor stehen beide in Kommunikation mit der Abgasleitung. Der erste Temperatursensor ist stromaufwärts des PF angeordnet, und der zweite Temperatursensor ist stromabwärts des PF angeordnet. Das Steuermodul steht in Kommunikation mit der Kohlenwasserstoffversorgung, dem zumindest einen Sensor, dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor. Das Steuermodul besitzt einen Speicher mit einer darin gespeicherten Temperatursteuerkurve mit infiniter Stufe. Die Temperatursteuerkurve gibt einen Temperatursollwert stromaufwärts des PF an. Der Temperatursollwert ändert sich kontinuierlich, um der Menge an Partikeln zu entsprechen, die in dem Filteraufbau des PF während der Regeneration abgefangen bleiben. Die Temperatursteuerkurve basiert auf zumindest der geschichteten Temperaturstruktur des PF, der in dem innersten Gebiet des PF abgefangenen Partikel und der in dem äußersten Gebiet des PF abgefangenen Partikel.
Das Steuermodul umfasst eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Überwachen des zumindest einen Sensors für die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau des PF abgefangen ist, und zum Bestimmen, ob die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau abgefangen ist, einen Schwellenpartikelwert überschreitet. Die Steuermodule weisen auch eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des ersten Temperatursensors bezüglich einer ersten Temperaturablesung und des zweiten Temperatursensors bezüglich einer zweiten Temperaturablesung auf. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zum Auslösen einer Regeneration des PF auf, wenn die in dem Filteraufbau des PF abgefangene Menge an Partikeln den Schwellenpartikelwert überschreitet, und wenn die erste und zweite Temperaturablesung eine Schwellen-PF-Temperatur überschreiten. Das Steuermodul weist auch eine Steuerlogik zum Korrelieren einer von dem ersten Temperatursensor erfassten Temperatur auf den Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve auf. Der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve ist auf Grundlage der Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau des PF abgefangen sind, und der Temperatur an dem ersten Temperatursensor einstellbar. Der Controller weist auch eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Kohlenwasserstoffversorgung zur Lieferung von Kohlenwasserstoffen zur Steuerung der Abgastemperatur auf Grundlage des Temperatursollwerts der Temperatursteuerkurve auf.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen dargestellt, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:

1 eine beispielhafte Darstellung eines Abgasbehandlungssystems mit einer Partikelfiltervorrichtung („PF“) und einem Steuermodul ist;
2 eine Darstellung des in 1 gezeigten PF ist; und
3 eine Darstellung einer Temperatursteuerkurve ist, die in einem Speicher des in 1 gezeigten Steuermoduls gespeichert ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. Der hier verwendete Begriff „Modul“ 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.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors 12 gerichtet. Das Abgasbehandlungssystem 10, das hier beschrieben ist, kann in verschiedenen Motorsystemen implementiert sein, die einen Partikelfilter implementieren. Derartige Motorsysteme können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Dieselmotorsysteme, Benzindirekteinspritzsysteme und Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung.
Das Abgasbehandlungssystem 10 weist allgemein eine oder mehrere Abgasleitungen 14 und eine oder mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen auf. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weisen die Abgasbehandlungssystemvorrichtungen eine Oxidationskatalysatorvorrichtung („OC“) 18 und eine Partikelfiltervorrichtung („PF“) 20 auf. Wie angemerkt sei, kann das Abgasbehandlungssystem 10 der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren der in 1 gezeigten Abgasbehandlungsvorrichtungen und/oder andere Abgasbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen und ist nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt.
In 1 transportiert die Abgasleitung 14, die mehrere Segmente umfassen kann, Abgas 15 von dem Verbrennungsmotor 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10. Der OC 18 kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder Keramikmonolithsubstrat sein, das in eine Isolationsmatte oder einen anderen geeigneten Träger gewickelt ist, der sich bei Erhitzung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird. Das Substrat kann in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt sein. Das Substrat kann eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus enthalten. Der OC 18 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger HC und CO nützlich, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Eine HC- oder Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 kann stromaufwärts des OC 18 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 15 in der Abgasleitung 14 angeordnet sein. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 steht in Fluidkommunikation mit einer HC-Versorgung (nicht gezeigt) und ist derart konfiguriert, nicht verbrannte HC 25 in den Abgasstrom zur Lieferung an den OC 18 einzuführen. Ein Mischer oder Turbulator 44 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in enger Nähe zu der HC-Einspritzeinrichtung 40 positioniert sein, um eine vollständige Mischung der HC 25 mit dem Abgas 15 weiter zu unterstützen und damit ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu erzeugen.
Der PF 20 kann stromabwärts des OC 18 angeordnet sein. Der PF 20 dient dazu, das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der PF 20 unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters 30 aufgebaut sein, der in eine Isolationsmatte oder einen anderen geeigneten Träger gewickelt ist, die/der sich bei Erhitzung ausdehnt, wodurch der Wandströmungsmonolithfilter 30 gesichert und isoliert wird. Der Wandströmungsmonolithfilter 30 kann in eine Schale oder einen Kanister gepackt sein, die/der beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht und die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 besitzt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Wandströmungsmonolithfilter 30 aus einem auf Cordierit basierenden Material aufgebaut, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso andere Typen von Materialien verwendet werden können.
Der keramische Wandströmungsmonolithfilter 30 kann eine Mehrzahl sich längs erstreckender Durchgänge besitzen, die durch sich längs erstreckende Wände definiert sind. Die Durchgänge umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, und einen Untersatz von Auslassdurchgängen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen. Das in den Wandströmungsmonolithfilter 30 durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintretende Abgas 15 wird zum Verlauf durch benachbarte sich längs erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel scheiden sich an den sich längs erstreckenden Wänden der Einlassdurchgänge ab und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Verbrennungsmotor 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass der PF 20 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie Filter ausgewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Die Zunahme des Abgasgegendrucks, die durch die Ansammlung von Partikelmaterial in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 bewirkt wird, erfordert typischerweise, dass der PF 20 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C).
Ein Steuermodul 50 ist funktional mit dem Motor 12 und dem Abgasbehandlungssystem 10 verbunden und überwacht den Motor 12 und das Abgasbehandlungssystem 10 durch eine Anzahl von Sensoren. Insbesondere zeigt 1 das Steuermodul 50 in Kommunikation mit zwei Temperatursensoren 52, 54, die in der Abgasleitung 14 angeordnet sind, wie auch einem Gegendrucksensor 60. Ein erster Temperatursensor 52 ist stromabwärts des OC 18 und stromaufwärts des PF 20 angeordnet, und ein zweiter Temperatursensor 54 ist stromabwärts sowohl des ersten Temperatursensors 52 als auch des PF 20 angeordnet. Die Temperatursensoren 52, 54 senden elektrische Signale an das Steuermodul 50, die jeweils die Temperaturen der Abgasleitung 14 an spezifischen Stellen angeben.
Der Gegendrucksensor 60 ist stromaufwärts des PF 20 angeordnet und erzeugt ein Signal, das die Kohlenstoffbeladung und Partikelbeladung in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 angibt. Es sei angemerkt, dass, während 1 einen Gegendrucksensor 60 zum Bestimmen einer Kohlenstoffbeladung in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 zeigt, genauso andere Vorgehensweisen zur Bestimmung einer Kohlenstoffbeladung verwendet werden können. Beispielsweise kann bei einer alternativen Ausführungsform ein Deltadrucksensor anstelle einer Messung des Differenzdrucks über den PF 20 verwendet werden. Das Steuermodul 50 umfasst eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des Gegendrucksensors 60, des ersten Temperatursensors 52 und des zweiten Temperatursensors 54. Genauer weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Überwachen des Gegendrucksensors 60 bezüglich der Menge von Partikeln, die in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 abgefangen sind, auf. Das Steuermodul 50 umfasst ferner eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des ersten Temperatursensors 52 bezüglich einer ersten Temperaturablesung und des zweiten Temperatursensors 54 bezüglich einer zweiten Temperaturablesung.
Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zum Auslösen der Regeneration des PF 20 auf. Die Regeneration findet statt, wenn die Menge an Partikeln, die in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 abgefangen ist, einen Schwellendruckwert überschreitet, der einen Bedarf zur Regeneration angibt, wie auch wenn die erste und zweite Temperaturablesung von dem ersten und zweiten Temperatursensor 52 und 54 einen Schwellentemperaturwert überschreiten, der den Bedarf zur Regeneration angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck und die erste und zweite Temperaturablesung des PF 22 die jeweiligen Schwellenniveaus, die den Bedarf zur Regeneration des PF 22 angeben, erreicht haben, weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Anheben der Temperatur des Abgases 14 auf ein Niveau auf, das zur Regeneration des Kohlenstoffs und Partikelmaterials in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 geeignet ist. Die angehobene Temperatur des Abgases 14 basiert auf einer Temperatursteuerkurve 80 mit infiniter Stufe, die in 3 gezeigt und nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Genauer steht bei einer Ausführungsform das Steuermodul 50 in Kommunikation mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40. Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zum Steuern der Menge an Kohlenwasserstoff oder Kraftstoff 25, die in den Abgasstrom 15 durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 eingespritzt wird, zur Steuerung der Temperatur des Abgases 15 auf. Es ist denkbar, dass unter gewissen Umständen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 weggelassen werden kann und das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Einstellung der Betriebsparameter des Motors 12, wie beispielsweise Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und -menge, zur Steuerung der Temperatur des Abgases 15 umfassen kann.
Nun Bezug nehmend auf 2 ist ein beispielhafter PF 20 kreuzstromig zu dem Abgas 15 gezeigt. Der PF 20 besitzt eine geschichtete Temperatur, was bedeutet, dass die Temperatur des PF 20 von einem Zentralabschnitt 62 allmählich zu einer Außenfläche 64 des PF 20 abnimmt. Die geschichtete Temperatur des PF 20 resultiert in verschiedenen Partikelverbrennungsraten über dem PF 20 während der Regeneration. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weist der PF 20 ein innerstes Gebiet 70, ein mittleres Gebiet 72 und ein äußerstes Gebiet 74 auf. In ähnlicher Weise brennen während der Regeneration die an dem innersten Gebiet 70 des PF 20 abgefangenen Partikel vor den in dem äußersten Gebiet 74 des PF 20 abgefangenen Partikeln aufgrund der geschichteten Temperatur des PF 20. Die Struktur der geschichteten Temperatur bewirkt auch, dass die an dem innersten Gebiet 70 des PF 20 abgefangenen Partikel schneller wegbrennen, als die in dem mittleren Gebiet 72 abgefangenen Partikel. Die in dem mittleren Gebiet 72 abgefangenen Partikel brennen schneller weg, als die in dem äußersten Gebiet 74 des PF 20 abgefangenen Partikel. Beispielsweise kann bei einer illustrativen Ausführungsform während der Regeneration die Temperatur des innersten Gebiets 70 etwa 615°C betragen, die des mittleren Gebiets 72 kann zwischen etwa 575°C bis etwa 600°C liegen, und die des äußersten Gebiets 74 kann zwischen etwa 490°C und etwa 550°C liegen, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso andere Temperaturbereiche verwendet werden können.
3 ist eine beispielhafte Darstellung der Temperatursteuerkurve 80 mit infiniter Stufe, die in einem Speicher des Steuermoduls 50 (in 1 gezeigt) gespeichert ist. Die Temperatursteuerkurve 80 gibt einen Temperatursollwert stromaufwärts des PF 20 (in 1 gezeigt) zu einem gegebenen Zeitpunkt während der Regeneration an. Der Temperatursollwert ist ein spezifischer Punkt, der an der Temperatursteuerkurve 80 liegt und sich kontinuierlich ändert, um der Menge an Partikeln zu entsprechen, die in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 (in 1 gezeigt) während der Regeneration abgefangen bleibt. Die Menge an Partikeln, die in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 während der Regeneration abgefangen bleibt, ist als eine Partikelkurve 82 gezeigt. Die Menge an Partikeln, die in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 abgefangen bleiben, nimmt als eine Funktion der Zeit während der Regeneration des PF 20 ab; was durch die Partikelkurve 82 gezeigt ist.
Nun Bezug nehmend auf sowohl die 2 als auch 3 basiert die Temperatursteuerkurve 80 auf zumindest der geschichteten Temperatur des PF 20 (in 2 gezeigt) wie auch der Menge an Partikeln, die in dem PF 20 während der Regeneration abgefangen wird. Genauer berücksichtigt die Temperatursteuerkurve 80 die geschichtete Temperatur des PF 20, wenn die Temperatur des PF 20 allmählich von dem Zentralabschnitt 62 zu der Außenfläche 64 (in 2 gezeigt) abnimmt. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform die Temperatursteuerkurve 80 auf Testdaten basieren, die durch Überwachung verschiedener Orte des PF 20 in sowohl dem innersten Gebiet 70, dem mittleren Gebiet 72 als auch dem äußersten Gebiet 74 gesammelt werden.
Die Temperatursteuerkurve 80 basiert auch auf der geschichteten Konfiguration der in dem PF 20 während der Regeneration abgefangen verbleibenden Partikel. Die Menge an Partikeln, die in dem PF 20 abgefangen sind, nimmt allmählich von dem Zentralabschnitt 62 zu einer Außenfläche 64 (in 2 gezeigt) ab. Dies bedeutet, die Temperatursteuerkurve 80 basiert auch auf der Menge an Partikeln, die in dem PF 20 in sowohl dem innersten Gebiet 70, dem mittleren Gebiet 72 als auch dem äußersten Gebiet 74 abgefangen sind, wobei die abgefangenen Partikel basierend auf den spezifischen Gebieten 70, 72 und 74 des PF 20 variieren. Die in dem PF 20 abgefangenen Partikel brennen als eine Funktion der Temperatur, der lokalen Partikelbeladung und der Sauerstoff-("O₂)-Konzentration weg. Somit brennen die in dem Zentralabschnitt 62 des PF 20 abgefangenen Partikel schneller weg, als die in der Außenfläche 64 des PF 20 abgefangenen Partikel. Bei einer Ausführungsform kann ein Modell der Partikelverbrennungsrate des PF 20 basierend auf Testdaten modelliert werden, die durch Überwachen der Temperatur, der lokalen Partikelbeladung und der Sauerstoff-(„O₂“)-Konzentration gesammelt werden. Tests können durch Überwachung verschiedener Orte des PF 20 in sowohl dem innersten Gebiet 70, dem mittleren Gebiet 72 als auch dem äußersten Gebiet 74 bezüglich Temperatur, lokaler Partikelbeladung und Sauerstoff-(„O₂“)-Konzentration durchgeführt werden.
Die Temperatursteuerkurve 80 kann auch auf einer Regenerationszeit des PF 20 basieren. Die Regenerationszeit ist der Zeitbetrag, der zur vollständigen Regeneration des PF erforderlich ist. Die Temperatursteuerkurve 80 kann genauso auch auf Materialeigenschaften des PF 20 basieren. Genauer kann die Temperatursteuerkurve 80 die Temperaturgrenze des Materials berücksichtigen, aus dem der Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 aufgebaut ist. Die Temperatursteuerkurve 80 kann genauso auch auf der Partikeloxidationsrate der in dem PF 20 abgefangenen Partikel basieren. Die Partikeloxidationsrate hängt zumindest von der Temperatur des Abgases 15 (in 1 gezeigt) ab, das in dem PF 20 eintritt. Die Partikeloxidation ist eine exotherme Reaktion, die mehr Hitze erzeugt, je schneller die Partikeloxidation stattfindet. Die Temperatursteuerkurve 80 kann auch auf einem Luftdurchfluss in dem PF 20 basieren. Genauer kann der Luftdurchfluss unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors (nicht gezeigt) überwacht werden, der in Kommunikation mit dem Steuermodul 50 steht, der dazu verwendet wird, die Masse von in den Motor 12 eintretender Luft zu bestimmen.
Während der Regeneration des PF 20 umfasst das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Korrelation einer Temperatur, die durch den ersten Temperatursensor 52 erfasst ist, auf den Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve 80. Der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve 80 ist aufgrund der Partikelmenge, die in dem Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 abgefangen ist (1), und der Temperatur an dem ersten Temperatursensor 52 (1) einstellbar. Das Steuermodul 50 umfasst ferner eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Mehrzahl von Betriebsparametern des Motors 12 (in 1 gezeigt), um die Temperatur des Abgases 15 auf Grundlage des Temperatursollwerts der Temperatursteuerkurve 80 zu steuern. Somit nimmt während der Regeneration die Menge an Partikeln, die in dem PF 20 abgefangen bleiben, ab, wenn die Temperatur, die durch den ersten Temperatursensor 52 angegeben ist, zunimmt. Das Steuermodul 50 umfasst ferner eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Mehrzahl von Betriebsparametern des Motors 12 (1), so dass die Temperatur an jeder Stelle des PF 20 während der Regeneration nicht die Materialgrenze überschreitet. Die Materialgrenze repräsentiert eine maximal zulässige Temperatur des Materials, aus dem der Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 aufgebaut ist. Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf 2 in dem Fall, wenn der Wandströmungsmonolithfilter 30 des PF 20 aus einem Material auf Cordieritbasis aufgebaut ist, dann die Temperatur des PF 20 an dem innersten Gebiet 70, dem mittleren Gebiet 72 und dem äußersten Gebiet 74 die Materialtemperaturgrenze von Cordierit typischerweise nicht überschreiten.
Die Partikeloxidation des PF 20 ist eine exotherme Reaktion, die mehr Hitze erzeugt, je schneller die Partikeloxidation stattfindet. Somit können hohe Temperaturen oder schnelle Zunahmen der Temperatur in dem PF 20 unerwünschte Temperaturauslenkungen aufgrund einer schnellen Partikeloxidation bewirken. Jedoch ist, da der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve 80 auf Grundlage der geschichteten Temperatur und der Partikelbeladung des PF 20 kontinuierlich eingestellt oder erhöht wird, die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens derartiger Auslenkungen im Wesentlichen reduziert oder beinahe beseitigt. Eine Reduzierung von Temperaturauslenkungen reduziert auch den thermischen Schock, dem der PF 20 ausgesetzt ist, was seinerseits das Auftreten einer Rissbildung des Wandströmungsmonolithfilters 30 in dem PF 20 reduziert oder im Wesentlichen beseitigt. Eine Reduzierung des Auftretens der Rissbildung des Wandströmungsmonolithfilters 30 verbessert seinerseits die Haltbarkeit und Garantie des PF 20. Überdies kann, da der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve 80 aufgrund der geschichteten Temperatur und der Partikelbeladung des PF 20 kontinuierlich zunimmt, die Partikeloxidationsrate des PF 20 erhöht werden. Dies ist so, da der PF 20 bei der am höchsten zulässigen Temperatur regeneriert wird, die die Materialgrenzen des Wandströmungsmonolithfilters 30 betrachtet. Eine Regeneration des PF 20 bei den am höchsten zulässigen Temperaturen unterstützt kürzere Regenerationszeiten. Kürzere Regenerationszeiten resultieren in einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors 12.
Der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve 80 wird so kontinuierlich eingestellt oder erhöht, dass die geschichtete Temperatur des PF 20 die Materialgrenzen während der Regeneration nicht überschreitet. Genauer überschreitet Bezug nehmend auf 2 die Temperatur in sowohl dem innersten Gebiet 70, dem mittleren Gebiet 72 als auch dem äußersten Gebiet 74 des PF 20 allgemein nicht die Materialgrenzen des Wandströmungsmonolithfilters 30. Somit kann der PF 20 aus Materialien mit einer geringeren Temperaturgrenze im Vergleich zu einigen der anderen Typen von Materialien aufgebaut werden, die derzeit heutzutage verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform ein Material, wie Cordierit, in einer Anwendung verwendet werden, die vorher Siliziumcarbid („SiC“) verwendete.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit einem Verbrennungsmotor (12), die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor (12) aufzunehmen; eine Kohlenwasserstoffversorgung (40), die mit der Abgasleitung (14) verbunden ist und mit dieser in Fluidkommunikation steht, wobei die Kohlenwasserstoffversorgung (40) zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffs (25) selektiv einstellbar ist, um eine Abgastemperatur zu steuern; einen Partikelfilter (20) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) und mit einem Filteraufbau (30) zur Entfernung von Partikel in dem Abgas, wobei der Partikelfilter (20) während des Betriebs des Verbrennungsmotors (12) selektiv regeneriert wird; eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (18), die sich in der Abgasleitung (14) stromabwärts der Kohlenwasserstoffversorgung (40) und stromaufwärts des Partikelfilters (20) befindet; zumindest einen Sensor (60) in Kommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei der zumindest eine Sensor (60) einen Betriebszustand des Partikelfilters (20) detektiert und wobei der zumindest eine Sensor (60) ein Signal erzeugt, das die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen sind, angibt; einen ersten Temperatursensor (52) und einen zweiten Temperatursensor (54), die beide in Kommunikation mit der Abgasleitung (14) stehen, wobei der erste Temperatursensor (52) stromaufwärts des Partikelfilters (20) angeordnet ist und der zweite Temperatursensor (54) stromabwärts des Partikelfilters (20) angeordnet ist; und ein Steuermodul (50) in Kommunikation mit der Kohlenwasserstoffversorgung (40), dem zumindest einen Sensor (60), dem ersten Temperatursensor (52) und dem zweiten Temperatursensor (54), wobei das Steuermodul (50) einen Speicher mit einer darin gespeicherten Temperatursteuerkurve (80) mit infiniter Stufe besitzt, wobei die Temperatursteuerkurve (80) einen Temperatursollwert stromaufwärts des Partikelfilters (20) angibt, wobei der Temperatursollwert sich kontinuierlich ändert, um der Menge an Partikeln zu entsprechen, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) während der Regeneration abgefangen verbleiben, wobei das Steuermodul (50) umfasst: eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Überwachen des zumindest einen Sensors (60) bezüglich der Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen sind, und zum Bestimmen, ob die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) abgefangen sind, einen Schwellenpartikelwert überschreitet; eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des ersten Temperatursensors (52) bezüglich einer ersten Temperaturablesung und des zweiten Temperatursensors (54) bezüglich einer zweiten Temperaturablesung; eine Steuerlogik zum Auslösen einer Regeneration des Partikelfilters (20), eine Steuerlogik zum Korrelieren einer Temperatur, die von dem ersten Temperatursensor (52) erfasst wird, mit dem Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve (80), wobei der Temperatursollwert der Temperatursteuerkurve (80) auf Grundlage der Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen sind, und der Temperatur des ersten Temperatursensors (52) einstellbar ist; und eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Kohlenwasserstoffversorgung (40) zur Lieferung von Kohlenwasserstoffen zum Steuern der Abgastemperatur auf Grundlage des Temperatursollwerts der Temperatursteuerkurve (80), dadurch gekennzeichnet, dass der Filteraufbau (30) ein innerstes Gebiet (70) und ein äußerstes Gebiet (74) besitzt, der Partikelfilter (20) eine geschichtete Temperaturstruktur besitzt, die zur Folge hat, dass während der Regeneration die an dem innersten Gebiet (70) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikel vor den in dem äußersten Gebiet (74) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikel wegbrennen, die Temperatursteuerkurve (80) auf zumindest der geschichteten Temperaturstruktur des Partikelfilters (20), den in dem innersten Gebiet (70) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikeln und den in dem äußersten Gebiet (74) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikeln basiert, und die Steuerlogik zum Auslösen einer Regeneration des Partikelfilters (20) eine Regeneration auslöst, wenn die Menge an Partikeln, die in dem Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) abgefangen ist, den Schwellenpartikelwert überschreiten, und wenn die erste und zweite Temperaturablesung eine Schwellen-Temperatur des Partikelfilters überschreiten.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter (20) ein mittleres Gebiet (72) aufweist, wobei die geschichtete Temperaturstruktur des Partikelfilters (20) bewirkt, dass die an dem innersten Gebiet (70) des Partikelfilters (20) abgefangenen Partikel schneller wegbrennen, als die in dem mittleren Gebiet (72) abgefangenen Partikel, und wobei die in dem mittleren Gebiet (72) abgefangenen Partikel schneller wegbrennen, als die in dem äußersten Gebiet (74) abgefangenen Partikel.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei die Temperatursteuerkurve (80) auf Testdaten basiert, wobei die Testdaten durch Überwachung des Partikelfilters (20) in sowohl dem innersten Gebiet (70), dem mittleren Gebiet (72) als auch dem äußersten Gebiet (74) des Partikelfilters (20) erzeugt werden.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Filteraufbau (30) des Partikelfilters (20) aus einem Cordieritmaterial aufgebaut ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Temperatursteuerkurve (80) ferner auf einer Regenerationszeit basiert, wobei die Regenerationszeit einen Zeitbetrag repräsentiert, der zur Vervollständigung der Regeneration des Partikelfilters (20) erforderlich ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Temperatursteuerkurve (80) ferner auf Materialeigenschaften des Filteraufbaus (30) des Partikelfilters (20) basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Temperatursteuerkurve (80) ferner auf einer Partikeloxidationsrate des Partikelfilters (20) basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Temperatursteuerkurve (80) ferner auf einem Luftdurchfluss in dem Partikelfilter (20) basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Abgastemperatur umfasst, so dass der Partikelfilter (20) während der Regeneration keine Materialgrenze überschreitet, wobei die Materialgrenze eine maximal zulässige Temperatur des Filteraufbaus (30) des Partikelfilters (20) repräsentiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Sensor (60) ein Gegendrucksensor oder ein Deltadrucksensor ist.