DE10343810A1

DE10343810A1 - Kohlenstoffkonzentrierte, Mikrowellenregenerierte Diesel-Partikelfalle

Info

Publication number: DE10343810A1
Application number: DE10343810A
Authority: DE
Inventors: Frank Troy Ament; Eugene V. Pinckney Gonze
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2004-06-17
Also published as: JP2004176713A; US20040099139A1; US6908498B2

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einleiten einer Regenerierung in einer Partikelfalle, umfassend die Schritte des Anordnens von Strukturen in der Partikelfalle in Bereichen, die eine Partikelansammlung erzeugen; Erzeugen von Mikrowellen, Absorbieren von Mikrowellen mit der Partikelansammlung und Steuern der Mikrowellen, um eine Verbrennung von Partikeln einzuleiten.

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.

Verschärfte gesetzliche Bestimmungen haben die zulässigen Werte für Partikel gesenkt, die von Dieselmotoren erzeugt werden. Die Partikel können im Allgemeinen als Ruß charakterisiert werden, der von Partikelfiltern oder -fallen eingefangen und verringert 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 beseitigt und ein Luftstrom 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.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren einer Partikelfalle unter Verwendung von Mikrowellenenergie. Die vorliegende Erfindung verwendet in der bevorzugten Ausführungsform eine konzentrierte Partikelsubstanz, die durch Mik rowellenstrahlung gezündet wird, um die Verbrennung von Partikeln/Ruß in einer Partikelfalle einzuleiten. Die Partikel sind in gewünschten Bereichen in der Partikelfalle unter Verwendung von Strukturen wie Zungen oder Wänden konzentriert.

Die vorliegende Erfindung enthält eine Partikelfalle, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Eine Mikrowellenquelle kann betriebsbereit an einen Wellenleiter gekoppelt sein und ein Fokusring kann zum Lenken der Mikrowellen zu einer Partikelsubstanz oder den Mikrowellen absorbierenden Materialien verwendet werden. Die konzentrierte Partikelsubstanz oder das Mikrowellen absorbierende Material erzeugt Wärme als Reaktion auf einfallende Mikrowellen, um Partikel zu verbrennen. Materialien, die für Mikrowellen durchlässig sind, werden vorzugsweise für die Grundkonstruktion des Partikelfallengehäuses und anderer Bereiche in der Partikelfalle verwendet, wo es ineffizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren. Durch strategische Anordnung von Strukturen zum Ansammeln von Partikelsubstanz und/oder Mikrowellen absorbierenden Materialien können Mikrowellen effizient an den Stellen verwendet werden, wo sie am notwendigsten zur Einleitung der Verbrennung von Partikeln und zum Erwärmen von Katalysatormaterialien benötigt werden.

1 ist eine schematische Zeichnung einer monolithischen Wandströmungs-Partikelfalle.
2 ist eine schematische Zeichnung des Mikrowellen-Regenerationssystems der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Partikelfalle der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Kurve, welche die Abgasgeschwindigkeit, Flammenfront und Wärmefreisetzung zeigt, die durch die Endstopfenheizung erzeugt wird, die in 3 dargestellt ist.
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 Kanäle mit geschlossenem Ende 14 ein, lagern Partikelsubstanz 16 ab und treten durch die offenen Kanäle 12 aus. Die Struktur der Partikelfalle 10 besteht vorzugsweise aus einer porösen keramischen Wabenwand aus Cordieritmaterial, wobei aber jedes keramische Wabenmaterial im Umfang der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird.
2 ist eine schematische Zeichnung des Mikrowellensystems 22 der vorliegenden Erfindung. Das System 22 enthält eine Partikelfalle 10, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Eine Mikrowellenleistungsquelle 26 und eine Mikrowellenantenne 28 können betriebsbereit an einen Wellenleiter 30 und einen fakultativen Fokusring 32 gekoppelt sein, um die Mikrowellen zu der Partikelfalle 10 zu lenken. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Mikrowellenantenne 28 direkt an das Gehäuse der Partikelfalle 10 gekoppelt.
Konzentrierte Partikelablagerungen erzeugen Wärme als Reaktion auf einfallende Mikrowellen, um das Verbrennen von Partikeln in der Partikelfalle 10 einzuleiten. Materialien wie Cordierit, die für Mikrowellen durchlässig sind, werden vorzugsweise für die Grundkonstruktion des Gehäuses der Partikelfalle 10 und andere Bereiche in der Partikelfalle 10 verwendet, wo es ineffizient wäre, Mikrowellenenergie zu absor bieren. Da Cordiertit Mikrowellenenergie nicht absorbiert, "springen" die Mikrowellen herum, bis sie auf die Partikelablagerungen treffen. Die Temperatur der Partikelfalle 10 kann durch die zeitlich gesteuerte Ansammlung von Partikeln und durch Steuerung der Anwendung der Mikrowellenenergie reguliert werden. An der Partikelfalle 10 kann eine metallische Wabe 32 angebracht sein, um Mikrowellen, die aus der Partikelfalle 10 austreten, zu blockieren.
3 ist eine schematische Zeichnung einer Partikelfalle, die mit Strukturen 40 zum Sammeln von Partikelsubstanz gebildet ist. Die Strukturen 40 sammeln Substanz an bevorzugten Stellen in der Partikelfalle 10. Dieselabgas, das mit Partikeln gefüllt ist, strömt durch die Partikelfalle, wobei Partikel 42 an Wänden 44 der Partikelfalle 10 abgelagert werden, wobei Konzentrationen der Partikelsubstanz um die Strukturen 40 und den Endstopfen 46 auftreten. Die Mikrowellenfelddichte konzentriert sich natürlich auf den am stärksten Mikrowellen absorbierenden Materialien. In der vorliegenden Erfindung sind die am stärksten absorbierenden Materialien in der Partikelfalle 10 die Partikelkonzentrationen um die Mittelkanalstrukturen 40 und den Endstopfen 46. Die Partikelkonzentrationen erzeugen eine überhitzte Stelle oder Zündungspunkt für die Mikrowellenenergie, die Partikel verbrennt, die an den Wänden 44 der Partikelfalle 10 abgelagert sind. Mikrowellen, die auf Partikelablagerungen auftreffen, leiten die Verbrennung der Partikel 42 ein, um die Wände 44 der Partikelfalle 10 zu säubern, wie durch Wellen 50 erkennbar ist, welche die Flammenfront der Partikelverbrennung darstellen. Die Zündung einer relativ kleinen Menge an Partikeln, die durch die Partikelkonzentrationen gezündet wird, wird verstärkt, um eine relativ große Menge an Partikeln zu verbrennen. Die vorliegende Erfindung ist bezüglich der Temperatur selbstregulierend, da die Energieabsorption durch die Ablagerungen von Partikelsubstanz endet, sobald die Partikel verbrennen. Daher wird die Mikrowellenenergie durch die nächst größere Kohlenstoffablagerung in dem Partikelfilter absorbiert. Dieses Muster der Mikrowellenabsorption und Partikelverbrennung leitet den Regenerierungsprozess in dem Partikelfilter gleichförmig ein.
4 zeigt die Leistung der in 3 dargestellten Partikelfalle. Die Abgasgeschwindigkeit, die als Kurve 60 dargestellt ist, nimmt als Funktion des Abstandes des Kanals mit geschlossenem Ende ab. Die Wärme, die als Kurve 62 dargestellt ist, die durch die Partikelwärmefreisetzung erzeugt wird, befindet sich zunächst in der Mitte des Kanals und nahe dem Endstopfen 46 und pflanzt sich dann als eine Verbrennungsflammenfront fort, die durch Pfeile 64 und 66 dargestellt ist.
Die bevorzugten Strukturen 40, die zum Erzeugen der Ansammlung von Partikelsubstanz verwendet werden, sind in der vorliegenden Erfindung als Wände dargestellt, aber es wird jede Struktur, die eine Konzentration von Partikelsubstanz in einer Partikelfalle erzeugen kann, im Umfang der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen. Die Strukturen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Wände, Zungen, Punkte, Anordnungen von Vorsprüngen und andere ähnliche Strukturen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einleiten einer Regenerierung in einer Partikelfalle, umfassend die Schritte des Anordnens von Strukturen in der Partikelfalle in Bereichen, die eine Partikelansammlung erzeugen; Erzeugen von Mikrowellen, Absorbieren von Mikrowellen mit der Partikelansammlung, und Steuern der Mikrowellen, um eine Verbrennung von Partikeln einzuleiten.

Claims

Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor, umfassend: eine Mikrowellenquelle, die Mikrowellen erzeugt; und wenigstens eine Struktur, die an einer Wand in dem Partikelfilter angeordnet ist, um eine Konzentration von Partikelsubstanz in dem Partikelfilter zu erzeugen, die durch die Mikrowellen gezündet wird.
Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Struktur eine Wand ist.
Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Struktur eine Vertiefung in der Wand des Partikelfilters ist.
Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur zu einem Endstopfen des Partikelfilters versetzt angeordnet ist.
Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eine Anordnung von Zungen ist.
Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfalle aus einem Mikrowellen durchlässigen Material besteht.
Partikelfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellen durchlässige Material Cordierit ist.
Verfahren zum Regenerieren einer Partikelfalle, umfassend: Erzeugen einer Mikrowellenstrahlung; Bereitstellen einer Struktur zum Erzeugen einer Ablagerung von Partikelsubstanz; und Absorbieren von Mikrowellen zum Erzeugen von Wärme, um Partikel in der Partikelfalle zu verbrennen.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Auslösens einer Flammenfront durch Zünden der Partikelsubstanzablagerung.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Steuerns der Temperatur der Partikelfalle durch Steuern der Mikrowellenstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Messen der Temperatur der Partikelfalle.
System zum Entfernen von Partikeln in einer Partikelfalle, umfassend: eine Mikrowellenleistungsquelle; eine Mikrowellenantenne, die an die Leistungsquelle zum Erzeugen von Mikrowellen gekoppelt ist; Strukturen, die in der Partikelfalle angeordnet sind, wobei die Strukturen eine Partikelsubstanzablagerung erzeugen, wobei die Partikelsubstanzablagerung durch die Mikrowellen gezündet wird, um Wärme zum Verbrennen von Partikeln, die sich in der Partikelfalle befinden, zu erzeugen.
System nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Dieselmotor, der an die Partikelfalle gekoppelt ist, wobei sich das Dieselabgas durch die Partikelfalle bewegt.