DE10332606B4

DE10332606B4 - Mikrowellenheizung mit selbst bewirkter Modenverwirbelung für eine Partikelfalle

Info

Publication number: DE10332606B4
Application number: DE10332606A
Authority: DE
Inventors: Tod Malibu Williamson; Kevin W. Calabasas Hills Kirby; Amanda Malibu Phelps
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: DE10332606A1; US6854261B2; US20040011024A1

Abstract

Partikelfalle für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
ein im Wesentlichen Mikrowellen durchlässiges Material, das die Struktur der Partikelfalle (10) bildet; und
Mikrowellen absorbierende Materialien (21) mit selbst bewirkter Modenverwirbelung, um die Mikrowellen zu absorbieren und Wärme zum Verbrennen der Partikel zu erzeugen, wobei die Mikrowellen absorbierenden Materialien (21) an die Mikrowellen durchlässigen Materialien gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diesel-Partikelfalle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren einer Diesel-Partikelfalle unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung und Materialien mit selbst bewirkten Modenverwirbelungseigenschaften.
Verschärfte gesetzliche Bestimmungen haben die zulässigen Werte für Partikel gesenkt, die von Dieselmotoren erzeugt werden dürfen. Die Partikel können im Allgemeinen als Ruß charakterisiert werden, der von Partikelfiltern oder -fallen eingefangen wird. Gegenwärtige Partikelfilter oder -fallen enthalten ein Trennmedium mit winzigen Poren, welche die Partikel einfangen. Während sich das eingefangene Material in der Partikelfalle ansammelt, steigt der Widerstand gegen eine Strömung durch die Partikelfalle, wodurch ein Staudruck entsteht. Die Partikelfalle muss dann regeneriert werden, um die Partikel/den Ruß in der Partikelfalle zu verbrennen, so dass der Staudruck verringert und ein Abgasstrom durch die Partikelfalle möglich wird. Frühere Praktiken zum Regenerieren einer Partikelfalle verwendeten eine Energiequelle, wie zum Beispiel einen Brenner oder eine Elektroheizung, um eine Verbrennung in den Partikeln zu erzeugen. Die Partikelverbrennung in einer Diesel-Partikelfalle durch diese früheren Praktiken hat sich als schwierig zu steuern erwiesen und kann zu einem übermäßigen Temperaturanstieg führen.

Gegenwärtig werden herkömmliche Mikrowellen und Mikrowellenstrahlung in zahlreichen Umgebungen, einschließlich herkömmlicher Mikrowellenöfen, verwendet. Die Erwärmung durch einen Mikrowellenofen kann mit einem Nicht-Resonanzhohlraum erfolgen, der nicht mit der Absicht, bestimmte Mikrowellenmodenmuster zu erregen, konstruiert ist. Die Feldverteilung innerhalb des Nicht-Resonanzhohlraumes weist natürlich stehende Wellen auf, so dass die Mikrowellenleistungsabsorption in einem Material, das den Mikrowellen ausgesetzt ist, ungleichförmig ist. Ähnliche Probleme bestehen auch bei der Verwendung von Mikrowellen zur Erwärmung einer Partikelfalle in einem Kraftfahrzeug. Nur Teile einer Mikrowellen-Partikelfalle können durch Bestrahlung mit Mikrowellen erwärmt werden, was eine thermisches Durchgehen bzw. Fortlaufen und eine weniger als zufriedenstellende Verbrennung von Partikeln in der Partikelfalle zur Folge hat. Diese ungleichförmige Erwärmung kann durch die Verwendung mehrerer Mikrowellenfrequenzen und/oder der Modenverwirbelung minimiert werden, wobei mechanische Systeme, wie Gebläseflügel, verwendet werden, um ein stehendes Wellenmuster zu veranlassen, sich im Laufe der Zeit in dem Hohlraum zu ändern. Die mechanische Modenverwirbelung und die Verwendung mehrerer Mikrowellenfrequenzen stellen für Mikrowellenheizungsanwendungen in Kraftfahrzeugen keine praktischen Lösungen dar. In der US 2002/0092422 A1 wird ein Verfahren zur Regeneration einer Partikelfalle beschrieben, bei dem mikrowellenabsorbierendes Material an den Stellen in der Falle angebracht wird, an denen sich die Partikel sammeln. Erzeugte Mikrowellen werden von dem mikrowellenabsorbierenden Material absorbiert und gesteuert, um den Verbrennungsprozess der Partikel zu starten.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren einer Diesel-Partikelfalle eines Kraftfahrzeuges unter Verwendung von Mikrowellenenergie. Die vorliegende Erfindung ermög licht die Absorption von Mikrowellen an ausgewählten Stellen in einer Partikelfalle, wie zum Beispiel nahe eines Einlasskanals oder Endstopfens einer Partikelfalle, um die Regenerierung einzuleiten und eine Partikelansammlung zu entfernen. Durch das Absorbieren von Mikrowellen an ausgewählten Stellen löst eine relativ geringe Energiemenge die Partikelverbrennung aus, welche die Partikelfalle regeneriert. Die Wärmeabgabe von der Verbrennung einer kleinen Partikelmenge wird verstärkt, um eine große Anzahl von Partikeln zu verbrennen.

Die vorliegende Erfindung verwendet des Weiteren die selbst bewirkte Modenverwirbelung ("Self-Mode-Stirring" – SMS). Für ein besseres Verständnis des SMS-Konzeptes wird in den folgenden Beispielen eine Analyse der Mikrowellenfortpflanzung beschrieben.

Die Fortpflanzung der elektrischen (E_x) und magnetischen (H_y) Komponenten einer Mikrowelle kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden: Ex = E0eiωt e–γz (1a) Hy = H0eiωt e–γz (1b)wobei E₀ gleich der Amplitude des elektrischen Feldes ist, H₀ gleich der Amplitude des Magnetfeldes ist, ω die Winkelfrequenz darstellt, t die Zeit ist, γ die Dämpfung der elektromagnetischen Welle darstellt, während sie sich durch eine Probe fortpflanzt, und z die Position einer Welle entlang der Fortpflanzungsrichtung ist. Die Abschwächung, die durch den Parameter γ erzeugt wird, wird mit den komplexen Materialwerten für die Permittivität (ε*) und Permeabilität (μ*) durch die folgende Gleichung in Zusammenhang gebracht: γ = iω(ε*μ*)1/2 (2)

Die komplexe Permittivität und Permeabilität stellen die dielektrische und magnetische Kopplung des Materials mit einfallender Mikrowellenenergie dar. Das Ausmaß der Mikrowellenabsorption und das Muster der Hohlraumresonanzen hängen von der Permittivität und Permeabilität ab. Die komplexe Permittivität und Permeabilität haben einen Realteil und einen Imaginärteil, wie in den folgenden Gleichungen dargestellt ist: ε = ε' + iε''3 (a) μ = μ' + iμ''3 (b)

Die Imaginärteile der Permittivität (ε'') und Permeabilität (μ'') sind für die Mikrowellenabsorption verantwortlich, die zu der Erwärmung eines Materials führt. Diese Imaginärteile sollten so groß wie möglich im Vergleich zu ihren Realteilen sein, um eine effektive Absorption und Erwärmung zu erzeugen. Die wichtige Zahl für ein Material in Bezug auf die Mikrowellenerwärmung ist ein einfaches Verhältnis des Imaginärteils zu dem Realteil der Permittivität und Permeabilität, bekannt als der Verlustfaktor. Durch die Wahl von Materialien, die relativ große Verlustfaktoren aufweisen, wird die Mikrowellenabsorption (im Vergleich zu Materialien mit kleinen Verlustfaktoren, wie Cordierit, das Material, aus dem eine Falle besteht) in einer Partikelfalle erhöht, die mit diesen Materialien mit großem Verlustfaktor beschichtet ist. Die elektrischen und magnetischen Verlustfaktoren, tan δ_e und δ_m, sind durch die folgenden Gleichungen beschrieben: tan δe = ε'/ε'' 4(a) tan δm = μ'/μ'' 4(b)

Die vorliegende Erfindung enthält eine Partikelfalle, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Die Partikelfalle enthält SMS-Mikrowellen absorbierende Materialien, die so aufgebaut sind, dass sie Mikrowellen an ausgewählten Stellen in der Partikelfalle absorbieren. Eine Mikrowellenquelle kann betriebsbereit an einen Wellenleiter gekoppelt sein und ein Fokusring kann zum Lenken der Mikrowellen zu den Mikrowellen absorbierenden Materialien verwendet werden. Das Mikrowellen absorbierende Material erzeugt Wärme als Reaktion auf einfallende Mikrowellen, um Partikel zu zünden und zu verbrennen. Materialien, die im Wesentlichen für Mikrowellen durchlässig sind, werden vorzugsweise für die Grundkonstruktion der Partikelfalle und andere Flächen in der Partikelfalle verwendet, wo es ineffizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren.

In der vorliegenden Erfindung ist die Abgabe von Mikrowellen an die Partikelfalle so gestaltet, dass die Mikrowellen auf das Mikrowellen absorbierende Material auftreffen. Durch strategische Anordnung der Mikrowellen absorbierenden Materialien können Mikrowellen effizient an den Stellen verwendet werden, wo sie am notwendigsten zur Einleitung der Partikelverbrennung benötigt werden.

Die Verwendung von Mikrowellen in der vorliegenden Erfindung ermöglicht ferner eine präzise Steuerung der Frequenz einer Partikelfalle-Regenerierung. Die vorliegende Erfindung kann eine Regenerierung auf der Basis von empirisch ermittelten Partikelfalle-Betriebsdaten festlegen und/oder einen Drucksensor zur Bestimmung verwenden, wann die Partikelfalle einer Regenerierung bedarf.

Materialien, wie Mineralcordierit, werden zur Bildung der Grundstruktur einer Diesel-Partikelfalle verwendet. Cordierit hat keine ausreichend großen Verlustfaktoren, um eine Mikrowellenstrahlung effizient in der Regenerierung von Partikelfallen zu verwenden. Cordierit hat einen relativ kleinen Verlustfaktor bei der herkömmlichen Magnetron-Mikro- wellenfrequenz von 2,45 GHz und ändert sich geringfügig mit der Temperatur. Folglich neigen Cordierit-Partikelfallen dazu, für einfallende Mikrowellen praktisch durchlässig zu sein. Die vorliegende Erfindung enthält Materialien mit relativ hohen Verlustfaktoren, die auf die Innenflächen einer Partikelfalle aufgebracht sind. Die Beschichtungsmaterialien haben einen Verlustfaktor, der sich mit der Temperatur ändert, um unerwünschte statische heiße und kalte Bereich in der Partikelfalle zu entfernen. Da sich der Materialverlustfaktor mit der Temperatur ändert, ändert sich auch das Modenmuster in den Mikrowellenhohlräumen der Partikelfalle, wodurch eine selbst bewirkte Modenverwirbelung (SMS) erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung enthält Materialien mit SMS-Eigenschaften, die auch Bedingungen für ein thermisches Durchgehen bzw. Fortaufen vermeiden. Dies wird durch Materialien erreicht, die einen anfänglichen Anstieg im Verlustfaktor bis zu einer kritischen Temperatur (der Curie-Temperatur) zeigen, gefolgt von einer starken Abnahme im Verlustfaktor über der Curie-Temperatur. Materialien, welche diese Eigenschaften aufweisen, umfassen ferroelektrische und/oder ferro- oder ferrimagnetische Oxide. Diese Materialien umfassen Zusammensetzungen, die einen anfänglich hohen Verlustfaktor haben, der bis zu der Curie-Temperatur steigt. Über der Curie-Temperatur nimmt der Verlustfaktor auf Grund der Unfähigkeit der Mikrowellen, entweder elektrische oder magnetische Polarisierungen in dem Material herbeizuführen, stark ab. Das bevorzugte Material weist einen relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand bei Curie-Temperatur auf.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung einer monolithischen Wandströmungs-Partikelfalle;
2 ist eine schematische Zeichnung des Mikrowellen-Regenerationssystems der vorliegenden Erfindung; und
3a und 3b sind Kurven, welche die anfängliche Permeabilität gegenüber der Temperatur zeigen.
1 ist eine schematische Zeichnung einer typischen monolithischen Wandströmungs-Partikelfalle 10, einer "Partikelfalle", die in Dieselanwendungen verwendet wird. Die Partikelfalle 10 enthält abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle 14 und offene Zellen/Kanäle 12. Abgase, wie jene, die von einem Dieselmotor erzeugt werden, treten in die geschlossenen Endkanäle 14 ein, lagern Partikelsubstanz 16 ab und treten durch die offenen Kanäle 12 aus. Die Wände 20 der Partikelfalle sind vorzugsweise aus einer porösen keramischen Wabenwand aus Cordieritmaterial gebildet, wobei aber jedes keramische Wabenmaterial im Umfang der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird. Die Wände 20 der Partikelfallen in der bevorzugten Ausführungsform sind mit Materialien 21 beschichtet, die SMS-Eigenschaften und einen sinkenden Verlustfaktor über der Curie-Temperatur aufweisen. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können SMS-Materialien als Wände oder Endstopfen in der Partikelfalle 10 gebildet sein. Zu SMS-Materialien zählen, ohne darauf beschränkt zu sein, magnetische Ferrite mit der allgemeinen Formel M²⁺O·Fe₂ ³⁺O₃, wobei M²⁺ ein divalentes Kation wie Fe²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺ oder eine Kombination ist; andere magnetische Oxide, umfassend Seltenerdgranate, Orthoferrite, hexagonale Ferrite und Ilmenite; und andere magnetische Materialien, die eine relativ große Abnahme in der magnetischen Permeabilität (μ) und dem Verlustfaktor (tan δ_m) aufweisen, wenn sie durch ihre Curie-Temperatur gehen. Ein Beispiel für Materialien mit SMS-Eigenschaften ist in 3a und 3b dargestellt, wo die anfänglichen Permeabilitäten von zwei verschiedenen Ni-Zn Feritten als Funktion der Temperatur eingezeichnet sind.
Wie in 3 dargestellt, kann die Curie-Temperatur abhängig von der gewählten Zusammensetzung des Materials, das zur Beschichtung der Partikelfalle 10 verwendet und Mikrowellen ausgesetzt wird, stark schwanken. Die Curie-Temperaturen für Ferritpulver liegen für gewöhnlich im Bereich von 120 bis 600° Celsius. Ebenso haben herkömmliche ferroelektrische Materialien mit analogen Eigenschaften der Permittivität und des dielektrischen Verlustfaktors Curie-Temperaturen im Bereich von 130 bis 1200° Celsius. Zu ferroelektrischen Materialien zählen Oxide der Formel ABO₃, wobei A Ba²⁺, Pb²⁺, La³⁺, K⁺, oder Li⁺ sein kann und B Ti⁴⁺, Zr⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺ oder eine Kombination sein kann.
Durch die Wahl eines Partikelfallenmaterials oder einer Materialbeschichtung mit der richtigen Curie-Temperatur und dem richtigen spezifischen Widerstand und durch selektive Beschichtung der Probe (abgestufte Dicke, Hybridbeschichtung) kann eine gleichförmige Erwärmung einer Probe mit leistungsarmen Mikrowellen (≤ 1 kW) auf jede Zieltemperatur in einer Partikelfalle 10 erreicht werden.
2 ist eine schematische Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform des Mikrowellensystems 22 der vorliegenden Erfindung. Das System 22 enthält die Partikelfalle 10 mit Endstopfen 24, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Die Partikelfalle 10 enthält ein SMS-Mikrowellen absorbierendes Material 21, wie die zuvor Beschriebenen, das so aufgetragen und gestaltet ist, dass es Mikrowellen an ausgewählten Stellen in der Partikelfalle 10 absorbiert. Eine Mikrowellenleistungsquelle 26 und eine Mikrowellenantenne 28 sind betriebsbereit an einen Wellenleiter 30 und einen fakultativen Fokusring 32 gekoppelt, um die Mikrowellen zu dem Mikrowellen absorbierenden Material 21 zu lenken. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Mikrowellenantenne 28 direkt an das Gehäuse der Partikelfalle 10 gekop pelt. Das Mikrowellen absorbierende Material 21 erzeugt Wärme als Reaktion auf einfallende Mikrowellen, um das Verbrennen von Partikeln in der Partikelfalle 10 einzuleiten. Die Temperatur der Partikelfalle 10 kann durch die Eigenschaften und Position der Mikrowellen absorbierenden Materialien 21 und durch Steuern der Anwendung der Mikrowellenenergie reguliert werden.
Die Erfindung betrifft zusammengefasst ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einleiten einer Regenerierung in einer Partikelfalle, umfassend die Schritte des Anordnens eines Mikrowellen absorbierenden Materials mit selbst bewirkter Modenverwirbelung in der Partikelfalle in Bereichen, in welchen sich Partikel ansammeln, Erzeugen von Mikrowellen, Absorbieren von Mikrowellen mit dem Mikrowellen absorbierenden Material und Steuern der Mikrowellen, um eine Verbrennung von Partikeln einzuleiten.

Claims

Partikelfalle für einen Verbrennungsmotor, umfassend: ein im Wesentlichen Mikrowellen durchlässiges Material, das die Struktur der Partikelfalle (10) bildet; und Mikrowellen absorbierende Materialien (21) mit selbst bewirkter Modenverwirbelung, um die Mikrowellen zu absorbieren und Wärme zum Verbrennen der Partikel zu erzeugen, wobei die Mikrowellen absorbierenden Materialien (21) an die Mikrowellen durchlässigen Materialien gekoppelt sind.
Partikelfalle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: ein Gehäuse, das Kanäle (12, 14) in der Partikelfalle (10) bildet; wobei die Mikrowellen absorbierenden Materialien (21) an Wände (20) der Kanäle (12, 14) gekoppelt sind und eine Curie-Temperatur aufweisen.
Partikelfalle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellen absorbierende Material (21) ein Ferrit ist.
Partikelfalle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellen absorbierende Material (21) ein ferroelektrisches Oxid ist.
Partikelfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellen absorbierende Material (21) auf die Innenstruktur (20) der Partikelfalle (10) aufgetragen ist.
Partikelfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellen absorbierende Material (21) ein magnetisches Material ist.
Partikelfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfalle (10) aus Cordierit besteht.
Partikelfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfalle (10) aus einem keramischen Material besteht, das im Wesentlichen für Mikrowellen durchlässig ist.
Verfahren zum Regenerieren einer Partikelfalle, umfassend: Erzeugen einer Mikrowellenstrahlung; Bereitstellen eines Mikrowellen absorbierenden Materials (21) mit selbst bewirkter Modenverwirbelung in der Partikelfalle (10); und Absorbieren von Mikrowellen mit dem Mikrowellenmaterial mit selbst bewirkter Modenverwirbelung zur Erzeugung von Wärme, um Partikel in der Partikelfalle (10) zu verbrennen.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Schritte: Anordnen des Mikrowellen absorbierenden Materials (21) mit selbst bewirkter Modenverwirbelung in der Partikelfalle (10) in Bereichen, in welchen sich Partikel ansammeln; Steuern der Mikrowellen, um eine Verbrennung von Partikeln einzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Auftragens des Mikrowellen absorbierenden Materials an Wänden (20) der Partikelfalle (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Auftragens des Mikrowellen absorbierenden Materials (21) auf Endstopfen (24) der Partikelfalle (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch den Schritt der Temperatursteuerung der Partikelfalle (10) durch Steuerung der Mikrowellenstrahlung.
System zum Entfernen von Partikeln in einer Partikelfalle, umfassend: eine Mikrowellenleistungsquelle (26); eine Mikrowellenantenne (28), die an die Leistungsquelle (26) zum Erzeugen von Mikrowellen gekoppelt ist; einen Mikrowellenwellenleiter (30), der betriebsbereit an die Mikrowellenantenne (26) zum Leiten der Mikrowellen gekoppelt ist; und Mikrowellen absorbierendes Material (21) mit einer Curie-Temperatur, das in der Partikelfalle (10) angeordnet ist, wobei die Mikrowellen auf das Mikrowellen absorbierende Material (21) auftreffen, um Wärme zum Verbrennen von Partikeln zu erzeugen, die sich in der Partikelfalle (10) befinden.
System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Dieselmotor, der an die Partikelfalle (10) gekoppelt ist, wobei sich das Dieselabgas durch die Partikelfalle (10) bewegt.