DE112005001753B4 - Regenerationssystem für eine Dieselabgasnachbehandlungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Regenerationssystem (10) für eine Dieselabgas-Nachbehandlungseinrichtung, umfassend: eine Abgasleitung (12), die einen inneren Durchgang (13) definiert, der angeschlossen ist, um Motorabgas zu einer stromabwärts gelegenen Nachbehandlungseinrichtung (14) zu tragen; ein Adaptergehäuse (34) an der Leitung, das eine zu dem Durchgang (13) hin offene Kammer (32) bildet, wobei das Gehäuse (34) einen an der Abgasleitung (12) befestigten unteren Abschnitt (36) aufweist und geeignet ist, um Kraftstoff durch die Kammer (32) zu leiten; und einen Kraftstoffinjektor (30) mit unterer Zufuhr, der einen innerhalb der Kammer (32) abgedichteten Kraftstoffeinlass (31) und eine in den inneren Durchgang (13) gerichtete Sprühdüse (29) aufweist, wobei der Kraftstoffinjektor (30) positioniert ist, um durch eine durch das Gehäuse (34) zirkulierende Kraftstoffströmung gekühlt zu werden, und dazu dient, in Intervallen während des Motorbetriebs Dieselkraftstoff in den inneren Durchgang (13) einzusprühen; wobei der in den inneren Durchgang (13) eingesprühte Kraftstoff durch heiße Abgase verdampft wird und zu...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft die Regeneration im Betrieb von Abgasnachbehandlungseinrichtungen und insbesondere ein Abgaskraftstoffeinspritzsystem zum Einleiten einer derartigen Regeneration.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Dieselnachbehandlungseinrichtungen, wie beispielsweise katalysierte Dieselpartikelfilter (CDPF) und NOx-Adsorberkatalysatoren (NAC) sind in der Technik zum Steuern von Dieselmotoremissionen bekannt. Während des Betriebs eines Dieselmotors werden Oxide von Stickstoff und Kohlenstoffpartikel als Nebenprodukte der Verbrennung erzeugt. Diese Materialien werden nachfolgend durch den NAC und das CDPF eingesammelt. Da sich die Oxide von Stickstoff und die Kohlenstoffpartikel in diesen Nachbehandlungseinrichtungen anhäufen, müssen die Nachbehandlungseinrichtungen regeneriert werden. Dies wird erreicht, indem die durch diese Einrichtungen gehaltenen Oxide von Stickstoff reduziert und die durch diese Einrichtungen gehaltenen Kohlenstoffpartikel oxidiert werden.
  • NAC-Einrichtungen werden üblicherweise regeneriert, indem der Dieselmotor einige Sekunden für jede Minute des Motorbetriebs fett betrieben wird, um Reduktionsmittel zu erzeugen, die in der Lage sind, die in dem NAC gespeicherten Oxide von Stickstoff zu reduzieren. Wenn der Motor fett läuft, kann jedoch Kraftstoff verschwendet werden und der zusätzliche Kraftstoff vollständig oxidiert werden oder übermäßigen Rauch erzeugen, bevor die Reduktionsmittel zum Regenerieren des NAC verwendet werden.
  • CDPF-Einrichtungen erfordern eine Regeneration in viel längeren Intervallen, wie beispielsweise alle 200 Meilen des Fahrzeugbetriebs. Die Regeneration eines CDPF wird üblicherweise erreicht, indem während des Abgaszyklus der Motorzylinder Kraftstoff in diese eingespritzt wird, um Kraftstoffdämpfe zu bilden, die zur Verbrennung in dem CDPF mit dem Abgas mitgetragen werden. Je nach Zeitverhalten und Motorbetriebsbedingungen kann der nacheingespritzte Kraftstoff jedoch vollständig oxidiert werden oder Rauch erzeugen, bevor der Kraftstoffdampf das CDPF erreicht.
  • Ein vorgeschlagenes Verfahren zum Regenerieren eines CDPF ist die Nacheinspritzung, welche das Einspritzen von Niederdruck-Dieselkraftstoff stromabwärts des Motors direkt in das Abgas beinhaltet. Je nach Abgastemperaturen kann der eingespritzte Kraftstoff jedoch nicht vollständig verdampfen, was zu einer Bildung von Kohlenstoffaufbau in dem Abgassystem führt.
  • Aus der DE 100 59 427 A1 ist eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgas bekannt, bei der mittels eines steuerbaren Ventils ein Hilfsmittel in flüssiger Form in den Abgastrakt eingebracht wird. Ähnliche Vorrichtungen sind in der DE 10 2004 004 738 A1 und in der WO 2003/036 054 A1 beschrieben. Ferner beschreibt die JP 06-101 593 A einen Kraftstoffinjektor, der positioniert ist, um durch eine Kraftstoffströmung gekühlt zu werden, die durch ein den Kraftstoffinjektor umgebendes Gehäuse zirkuliert.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regenerationssystem für eine Dieselabgas-Nachbehandlungseinrichtung zu schaffen, bei dem eine Erzeugung von Rauch und ein Kohlenstoffaufbau in dem Abgassystem sowie eine Verschwendung von Kraftstoff vermieden werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Regenerationssystem für eine Dieselabgas-Nachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Regenerationssystem für eine Dieselabgas-Nachbehandlungseinrichtung, welches die Kraftstoffeinspritztemperaturen reduziert und die Verdampfung von nacheingespritztem Kraftstoff während eines Nachbehandlungsregenerationsereignisses verbessert.
  • Das System umfasst ein Auspuffrohr oder eine Abgasleitung, das bzw. die einen inneren Durchgang zum Aufnehmen von Motorabgas definiert, und eine Nachbehandlungseinrichtung, wie beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und ein katalysiertes Dieselpartikelfilter (CDPF). Die Abgasleitung umfasst ein inneres Kraftstoffverdampfungselement stromaufwärts der Nachbehandlungseinrichtung und mehrere innere Ablenkbleche, um den Vermischungsweg zu verlängern und die Kraftstoffverdampfung zwischen dem Verdampfungselement und der Nachbehandlungseinrichtung zu verbessern. Das Verdampfungselement ist vorzugsweise eine sich horizontal erstreckende Platte, die durch einen Verbindungsträger in der Abgasleitung getragen ist. Falls gewünscht, kann die Platte einen nach oben umgebogenen Umfangsrand aufweisen, um nicht verdampften Kraftstoff vorübergehend auf der Oberfläche der Platte zu halten.
  • Ein Adaptergehäuse an der Leitung bildet eine Kammer, die zu dem inneren Durchgang der Leitung offen ist und die geeignet ist, Kraftstoff durch die Kammer zu leiten. Ein unterer Abschnitt des Adapters ist an der Abgasleitung befestigt. Ein Niederdruckkraftstoffinjektor mit unterer Zufuhr und mit einem in der Kammer abgedichteten Kraftstoffeinlass und einer in den inneren Durchgang gerichteten Sprühdüse arbeitet, um in Intervallen während des Motorbetriebs Dieselkraftstoff in den inneren Durchgang einzusprühen. Ein Paar von Kraftstoffströmungsöffnungen, die durch das Adaptergehäuse definiert sind, lassen unter Druck stehenden Kraftstoff in die Kammer, um eine Zirkulation des Kraftstoffs um den Einlassabschnitt des Kraftstoffinjektors herum zu ermöglichen. Der zirkulierte Kraftstoff sorgt für eine Kühlung für den Kraftstoffinjektor und das Gehäuse, um von den Abgasen übertragene Wärme zu absorbieren.
  • Eine Kraftstoffpumpe zieht Kraftstoff aus einer Kraftstoffversorgung, wie beispielsweise einem Fahrzeugkraftstofftank, um unter Druck stehenden Kraftstoff an das Gehäuse und an den Einlassabschnitt des Injektors zu liefern.
  • Ein Motorsteuerungsmodul (ECM), wie es in der Technik bekannt ist, steuert die Kraftstoffzufuhr durch den Kraftstoffinjektor wie benötigt, um die Regeneration der Nachbehandlung einzuleiten.
  • Während des Motorbetriebs erwärmt das durch das Abgasnachbehandlungssystem strömende Abgas zunächst das Verdampfungselement, und dann strömt es durch den DOC zu dem CDPF, in welchem Kohlenstoffpartikel eingefangen werden, während die gereinigten Abgase hindurchströmen. Nach einem Zeitraum oder einem Betriebsintervall, in welchem sich Kohlenstoffpartikel in dem CDPF aufbauen, aktiviert das ECM den Kraftstoffinjektor, wodurch Kraftstoffnebel dazu gebracht wird, auf das Verdampfungselement zu sprühen. Wenn der von dem Injektor ausgesprühte Kraftstoffnebel mit dem erwärmten Verdampfungselement in Kontakt gerät, wird der Kraftstoff verdampft, und er vermischt sich mit dem Abgas. Während das Abgas den verdampften Kraftstoff durch die Abgasleitung in Richtung der Nachbehandlungseinrichtung trägt, verlängern die Ablenkbleche den Vermischungsweg und Verbessern die Ablenkungsbleche die Kraftstoffverdampfung.
  • Der verdampfte Kraftstoff kontaktiert zunächst den DOC, wodurch die Oxidation des verdampften Kraftstoffs eingeleitet wird. Durch den oxidierten Kraftstoff erzeugte Wärme wandert durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung und oxidiert in dem CDPF angesammelten Kohlenstoff und regeneriert dadurch das CDPF. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer deaktiviert der Controller den Kraftstoffinjektor, um das Regenerationsereignis zu beenden.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bestimmter spezieller Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts von 1, der das Verdampfungselement und den Kraftstoffinjektor zeigt, die mit einem zugeordneten Kraftstoffzufuhrsystem zusammengebaut sind.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Zunächst im Detail auf 1 der Zeichnungen Bezug nehmend, bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein ein Regenerationssystem für eine Dieselabgas-Emissionssteuerungseinrichtung zum Regenerieren einer Emissionssteuerungseinrichtung in einem Abgassystem für einen Dieselverbrennungsmotor. Das System 10 umfasst eine Abgasleitung 12, die einen inneren Durchgang 13 definiert und die geeignet ist, Abgas an eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 14 zu tragen, wie beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator 16 (DOC), der vor einem katalysierten Dieselpartikelfilter 18 (CDPF) montiert ist. Die Abgasleitung 12 umfasst ein inneres Kraftstoffverdampfungselement 20, das stromaufwärts von der Nachbehandlungseinrichtung 14 gelegen ist, und mehrere innere Ablenkbleche 22 zwischen dem Verdampfungselement und der Nachbehandlungseinrichtung.
  • Das Verdampfungselement 20 ist vorzugsweise eine sich horizontal erstreckende Platte 24, die durch einen Verbindungsträger 26 in der Abgasleitung 12 getragen ist. Falls gewünscht, kann die Platte 24 einen nach oben umgebogenen Umfangsrand 28 aufweisen, der dazu dient, nicht verdampften Kraftstoff vorübergehend auf der Oberfläche der Platte zu halten.
  • Eine Düse 29 des Niederdruckkraftstoffinjektors mit unterer Zufuhr 30 ist positioniert, um einen Dieselkraftstoff-Sprühnebel in die Abgasleitung 12 auf das Verdampfungselement 20 zu lenken, wie es in 2 dargestellt ist. Ein Einlassabschnitt 31 des Kraftstoffinjektors 30 ist in einer Kammer 32 eines Adaptergehäuses 34 untergebracht, welches einen an der Leitung 12 befestigten unteren Abschnitt 36 aufweist. Die Kammer 32 ist durch eine Öffnung 37 in der Leitung zu dem inneren Durchgang 13 hin offen. Das Gehäuse ist mit Kraftstoffströmungsöffnungen 38 und 39 versehen, die es Kraftstoff erlauben, in die Kammer 32 hinein und durch diese hindurch zu strömen.
  • Obere und untere Dichtungen 40, 41 zwischen dem Injektor 30 und dem Gehäuse 34 verhindern, dass Kraftstoff aus der Kammer 32 entweichen kann. Der in der Kammer 32 angebrachte Kraftstoffinjektor 30 arbeitet, um unter Druck gesetzten Dieselkraftstoff aus der Kammer 32 zu empfangen und den Dieselkraftstoff in Intervallen während des Motorbetriebs auf das Verdampfungselement 20 in dem inneren Durchgang 13 der Leitung 12 zu sprühen. Zusätzlich sorgt unter Druck gesetzter Kraftstoff, der durch die Kammer 32 des Gehäuses zirkuliert, für eine Kühlung des Gehäuses und des Kraftstoffinjektors, so dass dessen Funktion nicht durch heiße Abgastemperaturen beeinträchtigt wird.
  • Unter Druck stehender Kraftstoff wird vorzugsweise aus einem Fahrzeugkraftstofftank 44 zugeführt. Eine Niederdruckkraftstoffpumpe 46 pumpt Dieselkraftstoff aus dem Kraftstofftank 44 und zirkuliert Niederdruckkraftstoff in einer Schleife durch das Gehäuse 32 und zurück zu dem Kraftstofftank. Niederdruckkraftstoff wird kontinuierlich durch das Gehäuse 32 und um den Kraftstoffinjektor 30 herum zirkuliert, um den Kraftstoffinjektor und das Gehäuse zu kühlen. Ein optionaler Wärmetauscher 48 kann zwischen dem Gehäuse 32 und dem Kraftstofftank 44 installiert sein, um die Temperatur des zu dem Kraftstofftank zurückgeführten Kraftstoffs zu reduzieren.
  • Ein Motorsteuerungsmodul (ECM) 50, wie es in der Technik bekannt ist, steuert die Kraftstoffzufuhr durch den Kraftstoffinjektor 30, wie es zum Einleiten der Nachbehandlungsregeneration benötigt wird.
  • Während des Motorbetriebs wird während der Verbrennung Abgas erzeugt, welches Kohlenstoff in Form von Russpartikeln enthält. Dieses Abgas wird anschließend aus dem Motor an die Abgasleitung 12 ausgestoßen. Während das Abgas durch die Abgasleitung 12 strömt, erhöht Wärme von dem Abgas die Temperatur des Verdampfungselements 20 und der Ablenkbleche 22. Das Abgas wird ferner an die Nachbehandlungseinrichtung 14 übertragen, wo die Kohlenstoffpartikel durch den katalysierten Dieselpartikelfilter 18 gesammelt werden. Im Laufe der Zeit könnte Kohlenstoffaufbau in dem Dieselpartikelfilter 18 einen erhöhten Gegendruck verursachen, um die Betriebseffizienz des Motors zu beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, ist eine periodische Regeneration des Partikelfilters erforderlich.
  • In vorbestimmten Intervallen, oder wenn es durch ein Drucksignal angezeigt wird, aktiviert das Motorsteuerungsmodul 50 den Kraftstoffinjektor 30, um Kraftstoff auf das Verdampfungselement 20 zu sprühen. Wenn der Kraftstoff mit dem erwärmten Verdampfungselement 20 in Kontakt gerät, bewirkt die Wärme von dem Verdampfungselement 20 und den umgebenden Abgasen eine Verdampfung des Kraftstoffs und eine Vermischung des Kraftstoffs mit dem durch die Abgasleitung 12 strömenden Abgas.
  • Wenn ein Umfangsrand 28 um die Platte 24 des Verdampfungselements 20 herum vorliegt, trägt der Rand dazu bei, nicht verdampften Kraftstoff auf der Fläche der Platte zurückzuhalten, um eine zusätzliche Zeit zur Verdampfung des Kraftstoffs zu ermöglichen.
  • Der verdampfte Kraftstoff und nicht verdampfte Tröpfchen werden dann mit dem Abgas durch die Abgasleitung 12 in Richtung der Nachbehandlungseinrichtung 14 getragen. Während der verdampfte Kraftstoff durch die Abgasleitung 12 getragen wird, erzeugen die Vermischungsablenkbleche 22 eine Verwirbelung, welche hilft, den Kraftstoffdampf mit dem Abgas zu vermischen. Die Vermischungsablenkbleche 22 verlängern auch den Weg zwischen dem Verdampfungselement 20 und der Nachbehandlungseinrichtung 14, um mehr Zeit für eine Verdampfung des Kraftstoffs zu ermöglichen.
  • Wenn der verdampfte Kraftstoff und das Abgas mit dem Dieseloxidationskatalysator 16 in Kontakt geraten, leitet der Katalysator eine Oxidation des verdampften Kraftstoffs ein, wodurch Wärme in der Nachbehandlungseinrichtung 14 erzeugt wird. Die durch den oxidierten Kraftstoff erzeugte Wärme bewirkt eine Oxidation (Verbrennung) des Kohlenstoffaufbaus in dem katalysierten Dieselpartikelfilter 18, wodurch der Partikelfilter regeneriert wird. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer deaktiviert das Motorsteuerungsmodul 50 den Kraftstoffinjektor 30, um das Regenerationsereignis zu beenden.
  • Es sollte verstanden sein, dass das Regenerationssystem 10 modifiziert werden kann und auf die Regeneration anderer Abgasemissionseinrichtungen angewandt werden kann, wie beispielsweise einen NOx-Adsorberkatalysator (NAC). In diesem Fall kann der Kraftstoffinjektor in Verbindung mit dem Verdampfungselement und den Vermischungsablenkblechen verwendet werden, um zwischen dem Motor und dem NAC für verdampften Kraftstoff zu sorgen, um Oxide von Stickstoff, die während des Motorbetriebs durch den NAC gesammelt werden, zu reduzieren.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte verstanden sein, dass zahlreiche Veränderungen im Geiste und im Umfang der beschriebenen erfinderischen Konzepte durchgeführt werden können. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern dass sie den vollen Umfang haben soll, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassen ist.

Claims (8)

  1. Regenerationssystem (10) für eine Dieselabgas-Nachbehandlungseinrichtung, umfassend: eine Abgasleitung (12), die einen inneren Durchgang (13) definiert, der angeschlossen ist, um Motorabgas zu einer stromabwärts gelegenen Nachbehandlungseinrichtung (14) zu tragen; ein Adaptergehäuse (34) an der Leitung, das eine zu dem Durchgang (13) hin offene Kammer (32) bildet, wobei das Gehäuse (34) einen an der Abgasleitung (12) befestigten unteren Abschnitt (36) aufweist und geeignet ist, um Kraftstoff durch die Kammer (32) zu leiten; und einen Kraftstoffinjektor (30) mit unterer Zufuhr, der einen innerhalb der Kammer (32) abgedichteten Kraftstoffeinlass (31) und eine in den inneren Durchgang (13) gerichtete Sprühdüse (29) aufweist, wobei der Kraftstoffinjektor (30) positioniert ist, um durch eine durch das Gehäuse (34) zirkulierende Kraftstoffströmung gekühlt zu werden, und dazu dient, in Intervallen während des Motorbetriebs Dieselkraftstoff in den inneren Durchgang (13) einzusprühen; wobei der in den inneren Durchgang (13) eingesprühte Kraftstoff durch heiße Abgase verdampft wird und zu der Nachbehandlungseinrichtung (14) getragen wird, um die Regeneration der Eirichtung (14) zu unterstützen, gekennzeichnet durch ein innerhalb der Abgasleitung (12) angeordnetes Verdampfungselement (20), um in den inneren Durchgang (13) eingesprühten Kraftstoff abzufangen, wobei das Element (20) in der Lage ist, zur Verdampfung des auf dem Element (20) abgelagerten Kraftstoffs Wärme aus dem Abgas zu absorbieren.
  2. System (10) nach Anspruch 1, umfassend mehrere sich nach innen erstreckende Vermischungsablenkbleche (22) in der Abgasleitung (12) zwischen dem Verdampfungselement (20) und der Nachbehandlungseinrichtung (14), die dazu dienen, den inneren Durchgang (13) zur Verbesserung der Kraftstoffverdampfung zu verlängern.
  3. Regenerationssystem (10) für eine Dieselabgas-Nachbehandlungseinrichtung, umfassend: eine Abgasleitung (12), die geeignet ist, um Motorabgas aufzunehmen, und die angeschlossen ist, um das Abgas stromabwärts zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (14) zu tragen; ein Verdampfungselement (20), das in der Abgasleitung (12) angebracht ist und dazu dient, zur Verdampfung von darauf abgelagertem Kraftstoff Wärme aus dem Abgas zu absorbieren; und einen Kraftstoffinjektor (30), der dazu dient, während des Motorbetriebs mit Unterbrechungen Dieselkraftstoff auf das Verdampfungselement (20) in der Abgasleitung (12) zu sprühen; wodurch auf das Verdampfungselement (20) gespritzter Kraftstoff durch die Abgaswärme verdampft und zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung (14) getragen wird, um eine Regeneration der Einrichtung (14) zu unterstützen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungselement (20) eine Platte (24) ist, die sich longitudinal in der Abgasleitung (12) erstreckt und die durch einen Verbindungsträger (26) in der Abgasleitung (12) getragen ist.
  4. System (10) nach Anspruch 3, umfassend mehrere sich nach innen erstreckende Vermischungsablenkbleche (22) in der Abgasleitung (12) zwischen dem Verdampfungselement (20) und der Nachbehandlungseinrichtung (14), die dazu dienen, den Vermischungsweg zur Verbesserung der Kraftstoffverdampfung zu verlängern.
  5. System (10) nach Anspruch 3, wobei die Platte (24) im Wesentlichen horizontal orientiert ist und einen erhöhten Umfangsrand (28) aufweist, um flüssigen Kraftstoff vorübergehend zurückzuhalten.
  6. System (10) nach Anspruch 3, umfassend einen Controller (50), der dazu dient, die Kraftstoffeinspritzung durch den Kraftstoffinjektor (30) zu steuern.
  7. System (10) nach Anspruch 3, wobei der Kraftstoffinjektor (30) ein elektronisch gesteuerter Injektor mit unterer Zufuhr ist.
  8. System (10) nach Anspruch 7, wobei der Kraftstoffinjektor (30) einen Kraftstoffeinlass (31) aufweist, der abgedichtet in einem Gehäuse (34) aufgenommen ist, das einen an der Abgasleitung (12) befestigten unteren Abschnitt (36) und Kraftstoffströmungsöffnungen (38, 39) aufweist, um zur Kühlung des Injektors (30) unter Druck stehenden Kraftstoff zu dem Kraftstoffinjektoreinlass (31) hinzulassen und eine Zirkulation des Kraftstoffs um den Kraftstoffinjektoreinlass (31) herum zuzulassen.
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