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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren
und ein System zum Leiten von Abgas und insbesondere auf ein Verfahren
und ein System zum Leiten von Abgas in einem Nachbehandlungssystem.
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Hintergrund
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Motoren,
die Dieselmotoren, Benzinmotoren, mit gasförmigem Brennstoff
angetriebene Motoren und andere in der Technik bekannte Motoren
aufweisen, können eine komplexe Mischung aus Luftverunreinigungen
ausstoßen. Die Luftverunreinigungen können aus
gasförmigem und festem Material zusammengesetzt sein, was
Partikelstoffe, Stickoxyde („NOx") und Schwefelverbindungen
mit einschließt.
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Aufgrund
verstärkter Sorge um die Umwelt, sind Abgasemissionsstandards
mit den Jahren immer strenger geworden. Die Menge der Verunreinigungen,
die aus einem Motor ausgestoßen werden, kann abhängig
von der Bauart, von der Größe und/oder von der
Klasse des Motors geregelt sein. Ein Verfahren, welches von Motorherstellern
eingerichtet worden ist, um mit den Regelungen für Partikelstoffe
und NOx in Übereinstimmung zu kommen, die in die Umgebung
ausgestoßen werden, ist gewesen, diese Verunreinigungen
aus dem Abgasfluss eines Motors mit einem Nachbehandlungssystem
zu entfernen, welches Filter aufweist. Jedoch kann die Verwendung
von Filtern für verlängerte Zeitperioden bewirken,
dass die Verunreinigungen sich in den Komponenten der Filter aufbauen,
wodurch bewirkt wird, dass die Funktionsfähigkeit der Filter
und die Leistung des Motors abnehmen.
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Die
gesammelten Partikelstoffe können aus dem Filtermaterial
durch einen Prozess entfernt werden, der Regeneration genannt wird.
Eine Partikelfalle kann durch Steigerung der Temperatur des Filtermaterials
und der eingefangenen Partikelstoffe über die Verbrennungstemperatur
der Partikelstoffe regeneriert werden, wodurch die gesammelten Partikelstoffe
weggebrannt werden. Diese Steigerung der Temperatur kann durch verschiedene
Mittel bewirkt werden. Beispielsweise können einige Systeme
ein Heizungselement einsetzen, um direkt einen oder mehrere Teile
der Partikelfalle aufzuheizen (beispielsweise das Filtermaterial
oder das äußere Gehäuse). Andere Systeme
sind konfiguriert worden, um Abgase stromaufwärts der Partikelfalle
aufzuheizen. Die aufgeheizten Gase fließen dann durch die Partikelfalle
und übertragen Wärme auf das Filtermaterial und
die eingefangenen Partikelstoffe. Solche Systeme können
einen oder mehrere Motorbetriebsparameter verändern, wie
beispielsweise das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in
den Brennkammern, um Abgase mit erhöhter Temperatur zu
erzeugen. Alternativ können solche Systeme die Abgase stromaufwärts
der Partikelfalle, beispielsweise mit einem Brenner, aufheizen,
der in einer Abgasleitung angeordnet ist, die zur Partikelfalle
führt.
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Ein
Verfahren zur Regeneration eines Dieselmotorabgasfilters wird in
der englischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
GB 2 134 408 A („der
'408-Veröffentlichung") von Wade u. a. beschrieben. Das
Verfahren zur Regeneration des Abgasfilters, das in der '408-Veröffentlichung
beschrieben wird, weist auf, das gesamte Abgas um den Filter durch
eine Leitung als Bypass hindurchzuleiten bzw. überzuleiten,
wodurch brennbares Gas zum Filter mit einer niedrigen Flussrate
geliefert wird und die Temperatur des brennbaren Gases angehoben
wird, um den Filter zu zünden. Wenn die Temperatur des
aufgeheizten brennbaren Gases, welches den Filter verlässt,
eine vorbestimmte Grenze überschreitet, wird der Regenerationsvorgang
vollendet, und das Abgas kann wieder durch den Filter fließen.
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Obwohl
das System der '408-Veröffentlichung eine Partikelfalle
zur Aufnahme von Partikelstoffen aufweist, wird das gesamte Abgas
so geleitet, dass es den Filter umgeht (Bypass), wenn der Filter regeneriert
wird. Daher werden keine Partikelstoffe aus dem Abgas während
des Regenerationsvorgangs entfernt.
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Obwohl
die Partikelfalle der '408-Veröffentlichung Partikelstoffe
aus dem Abgas entfernen kann, entfernt die Falle auch nicht andere
Arten von Verunreinigungen in dem Abgas, wie beispielsweise NOx-Emissionen
und Schwefelverbindungen.
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Weiterhin
können die aufgeheizten Gase, die zur Partikelfalle hin
fließen, irgendwelche temperaturempfindlichen Komponenten
stromabwärts der Partikelfalle beschädigen. Komponenten,
die beschädigt werden können oder bei hohen Temperaturen
weniger effizient sind, weisen einige Katalysatoren zur Entfernung
von Verunreinigungen aus dem Abgas durch chemische Reaktion auf.
Komponenten, die höheren Temperaturen widerstehen können,
wie beispielsweise den Temperaturen, die zur Regeneration erforderlich
sind, sind typischerweise teurer.
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Das
offenbarte System und das Verfahren sind darauf gerichtet, eines
oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Leiten
eines Abgasflusses gerichtet. Das Verfahren weist auf, einen ersten
Teil des Flusses durch einen ersten Flusspfad zu leiten, und einen
zweiten Teil des Flusses durch einen zweiten Flusspfad zu leiten.
Eine Temperatur von zumindest einem Teil des Flusses in dem ersten Flusspfad
wird vergrößert, und der Fluss im ersten Flusspfad
wird durch einen Filter geschickt. Die ersten und zweiten Teile
des Flusses stromabwärts des Filters werden kombiniert
bzw. zusammengeleitet, um einen kombinierten Fluss zu bilden. Der
kombinierte Fluss wird in einem vorbestimmten Bereich von Temperaturen
gehalten, und der kombinierte Fluss wird zu einem Katalysator geleitet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Nachbehandlungssystem gerichtet,
welches erste und zweite Flusspfade aufweist. Jeder der Flusspfade
nimmt einen getrennten Teil eines Flusses auf. Das Nachbehandlungssystem weist
auch einen Filter und eine Regenerationsvorrichtung auf, die in
dem ersten Flusspfad positioniert ist. Die Regenerationsvorrichtung
ist strö mungsmittelmäßig mit einem Einlass
des Filters verbunden und ist konfiguriert, um eine Temperatur von
zumindest einem Teil des Flusses in dem ersten Flusspfad zu vergrößern.
Die ersten und zweiten Flusspfade werden stromabwärts des
Filters und der Regenerationsvorrichtung kombiniert bzw. zusammengeleitet, um
einen kombinierten Fluss zu bilden. Das Nachbehandlungssystem weist
auch einen Katalysator auf, der stromabwärts von der Stelle
positioniert ist, wo die ersten und zweiten Flusspfade zusammenlaufen, und
eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um den kombinierten
Fluss innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Temperaturen zu
halten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zum Leiten eines Abgasflusses gerichtet. Das Verfahren weist auf, einen
ersten Teil des Flusses durch einen ersten Flusspfad zu leiten,
und einen zweiten Teil des Flusses durch einen zweiten Flusspfad
zu leiten. Eine Temperatur von zumindest einem Teil des Flusses
in dem ersten Flusspfad wird vergrößert, und der
Fluss im ersten Flusspfad wird durch einen Filter geschickt. Eine
Menge eines Flusses, die durch den zweiten Flusspfad geleitet wird,
wird gesteuert, wenn die Temperatur des mindestens einen Teils des
Flusses im ersten Flusspfad vergrößert wird. Die
ersten und zweiten Teile des Flusses stromabwärts des Filters werden
kombiniert, um einen kombinierten Fluss zu bilden, und der kombinierte
Fluss wird zu einem NOx-reduzierenden Katalysator geleitet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten
Motors mit einem Nachbehandlungssystem;
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten
Nachbehandlungssystems; und
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung eines weiteren beispielhaften
offenbarten Nachbehandlungssystems.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht
einen Verbrennungsmotor 10, wie beispielsweise einen Dieselmotor,
einen Benzinmotor, einen mit gasförmigem Brennstoff angetriebenen
Motor oder irgendeinen anderen Motor, der einem Fachmann offensichtlich
sein wird, und zwar mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel eines
Nachbehandlungssystems 20. Der Motor 10 kann eine
Abgas- bzw. Auslasssammelleitung 12 aufweisen, die einen
Abgasfluss vom Motor 10 mit einem Einlass des Nachbehandlungssystems 20 über eine
Eingangsflussleitung 14 verbindet. Der Motor 10 kann
alternativ eine andere Leistungsquelle sein, wie beispielsweise
ein Ofen oder irgendeine andere geeignete Leistungsquelle für
ein mit Leistung versorgtes System, wie beispielsweise eine Fabrik
oder eine Leistungserzeugungseinrichtung.
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Der
Motor 10 und das Nachbehandlungssystem 20 sind
mit einer Steuervorrichtung 40 verbunden. Alternativ kann
die Steuervorrichtung 40 in dem Motor 10 integriert
sein. Die Steuervorrichtung 40 kann Signale zum Nachbehandlungssystem 20 übertragen,
wie unten beschrieben. Die Steuervorrichtung 40 kann beispielsweise
ein elektronisches Steuermodul („ECM” = electronic
control module), eine zentrale Verarbeitungseinheit, ein Personal
Computer, ein Laptop-Computer oder irgendeine andere in der Technik
bekannte Steuervorrichtung sein. Die Steuervorrichtung 40 kann
eine Eingangsgröße von einer Vielzahl von Quellen
aufnehmen, die beispielsweise einen Temperatursensor 42 (genauer
unten mit Bezug auf 2 beschrieben) und (nicht gezeigte)
Motorsensoren aufweisen, beispielsweise Sensoren, die konfiguriert
sind, um die Temperatur, die Drehzahl, die verbrauchte Brennstoffmenge und/oder
andere Betriebscharakteristiken des Motors 10 zu messen.
Die Steuervorrichtung 40 kann diese Eingangsgrößen
verwenden, um ein Steuersignal basierend auf einem voreingestellten
Steueralgorithmus zu bilden. Das Steuersignal kann von der Steuervorrichtung 40 zu
verschiedenen Betätigungsvorrichtungen (die genauer unten
beschrieben werden) über Kommunikations- bzw. Verbindungsleitungen 44 übertragen
werden, die als gestrichelte Linien in den 1 und 2 gezeigt
sind.
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2 veranschaulicht
das Nachbehandlungssystem 20. Das Nachbehandlungssystem 20 entfernt
Verunreinigungen aus dem Abgas. Das Abgas wird so aufgeteilt, dass
ein erster Teil einem ersten Pfad folgt (Pfeil A) und dass ein zweiter
Teil einem zweiten Pfad folgt (Pfeil B). Das Nachbehandlungssystem 20 kann
ein Filtersystem 22 aufweisen, welches über eine
erste Flussleitung 16, die dem ersten Pfad (Pfeil A) folgt,
zumindest einen Teil des Flusses des Abgases aufnimmt, welches von
der Auslasssammelleitung 12 des Motors 10 empfangen
wird.
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Das
Filtersystem 22 fängt Partikelstoffe, Asche oder
andere Materialien von einem Abgasfluss ein, um zu verhindern, dass
sie aus dem Nachbehandlungssystem 20 in die Umgebung ausgestoßen
werden. Das Filtersystem 22 kann einen Filter 24 aufweisen,
wie beispielsweise einen Dieselpartikelfilter („DPF") oder
irgendeine andere Art einer Vorrichtung, die physisch Partikelstoffe,
Asche oder andere Materialien aus dem Abgas aufnimmt.
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Das
Filtersystem 22 kann auch eine Regenerationsvorrichtung 26 aufweisen,
die stromaufwärts des Filters 24 gelegen ist.
In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird eine Hilfsregenerationsvorrichtung
(ARD = auxiliary regeneration device) verwendet, um das Filtersystem 22 zu
regenerieren.
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Die
Regeneration weist auf, die gesammelten Partikel aus dem Filter 24 zu
entfernen, indem der Filter 24 hohen Temperaturen ausgesetzt
wird. Die hohen Temperaturen bewirken, dass die Partikel vom Filter 24 abbrennen.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
kann der Filter 24 beispielsweise Temperaturen von ungefähr
600–700°C ausgesetzt sein. Alternativ dazu, stattdessen
oder zusätzlich dazu, dass der Filter 24 hohen
Temperaturen direkt ausgesetzt wird, kann der Abgasstrom stromaufwärts
des Filters 24 auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden,
was den Filter 24 indirekt den hohen Temperaturen aussetzt.
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Die
Regenerationsvorrichtung 26 kann eine Vorrichtung sein,
die bei der aktiven Regeneration verwendet wird. Wie er hier verwendet
wird, bezieht sich der Ausdruck „aktive Regeneration" auf
die Verwendung einer Regenerationsvorrichtung oder irgendeiner anderen
Wärmequelle, um das Abbrennen und/oder die Verbrennung
von beispielsweise Ruß einzuleiten, der in einem Filter
enthalten ist.
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Die
Regenerationsvorrichtung 26 kann beispielsweise eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
und einen (nicht gezeigten) Zünder, (nicht gezeigte) Heizspulen,
einen (nicht gezeigten) mit Brennstoff angetriebenen Brenner, eine
(nicht gezeigte) Heizung mit elektrischem Widerstand, eine Motorsteuerstrategie und/oder
andere in der Technik bekannte Wärmequellen aufweisen.
Solche Wärmequellen können in der Regenerationsvorrichtung 26 angeordnet
sein und können konfiguriert sein, um dabei zu helfen,
die Temperatur des Abgasflusses durch Konvektion, Verbrennung und/oder
andere Verfahren zu steigern. Die Regenerationsvorrichtung 26 kann
das Liefern einer brennbaren Substanz und eine Lieferung von Sauerstoff
zur Erleichterung der Verbrennung in der Regenerationsvorrichtung 26 aufnehmen.
Die brennbare Substanz kann beispielsweise Benzin, Dieselbrennstoff,
reformierter Brennstoff und/oder irgendeine andere in der Technik
bekannte brennbare Substanz sein. Eine Sauerstoffversorgung kann
zusätzlich zu dem Abgasfluss mit relativ niedrigem Druck vorgesehen
sein, die zu der Regenerationsvorrichtung 26 durch die
erste Flussleitung 16 geleitet wird bzw. werden.
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Die
hohen Temperaturen werden unter Verwendung der Regenerationsvorrichtung 26 erreicht. Die
Regenerationsvorrichtung 26 verbrennt Brennstoff, um die
Temperatur des Filters 24 oder des Abgases stromaufwärts
des Filters 24 zu vergrößern, wodurch
Abgas mit hoher Temperatur zum Filter 24 durch die erste
Flussleitung 16 geleitet wird, um die Partikel in dem Filter 24 abzubrennen.
Als eine Folge ist das Abgas, welches den Filter 24 verlässt,
auf einer hohen Temperatur.
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Somit
läuft der erste Teil der Abgase durch das Filtersystem 20 über
die erste Flussleitung 16 und wird während des
Regenerationsprozesses durch die Regenerationsvorrichtung 26 aufgeheizt. Der
zweite Teil des Abgases fließt durch eine zweite Flussleitung 18,
die dem zweiten Pfad (Pfeil B) folgt und an dem Filtersystem 22 und
der Regenerationsvorrichtung 26 vorbeiläuft.
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Ein
Ventil 28 des Nachbehandlungssystems 20 ist in
dem zweiten Pfad positioniert (die zweite Flussleitung 18).
Das Ventil 28 kann beispielsweise durch einen Elektromagnet
oder eine andere (nicht gezeigte) in der Technik bekannte Betätigungsvorrichtung
betätigt oder in anderer Weise gesteuert werden.
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Das
Ventil 28 ist typischerweise geschlossen. Jedoch kann das
Ventil 28 betätigt werden, um sich während
des Regenerationsprozesses zu öffnen. Das Ventil 28 und
die Regenerationsvorrichtung 26 können Steuersignale
von der Steuervorrichtung 40 über die Kommunikationsleitungen 44 empfangen.
Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 40 Signale zur
Betätigung des Ventils 28 und zur Aktivierung
der Regenerationsvorrichtung 26 über die Kommunikations-
bzw. Verbindungsleitungen 44 senden.
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Der
Temperatursensor 42 kann stromabwärts des Filters 22 vorgesehen
sein. Der Temperatursensor 42 misst die Temperatur des
Abgases stromabwärts des Filtersystems 22 und
sendet ein Signal, welches die gemessene Temperatur anzeigt, an
die Steuervorrichtung 40 über die Kommunikationsleitung 44.
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Die
Steuervorrichtung 40 kann bestimmen, wie viel des Abgases
durch das Ventil 28 zu leiten ist (den zweiten Teil des
Abgases). Das Abgas, welches nicht durch das Ventil 28 geschickt
wird (der erste Teil des Abgases) wird dann zum Filtersystem 22 geschickt.
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Stromabwärts
des Filtersystems 22 und des Ventils 28 vermischen
sich die ersten und zweiten Teile des Abgases miteinander, bevor
sie zu einem Katalysator 30 geleitet werden, der auch in
dem Nachbehandlungssystem 20 vorgesehen ist. Der Katalysator 30 ist
stromabwärts des Filters 24 und des Ventils 28 entlang
der Flussrichtung des Abgases positioniert.
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Wie
in 2 gezeigt, kann der Temperatursensor 42 nahe
dem Auslass des Filters 24 vorgesehen sein. Der Temperatursensor 42 kann
nahe an einer Nachbehandlungsvorrichtung positioniert sein, für
welche eine Temperatur gesteuert wird. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel
wird beispielsweise die Temperatur des Katalysators 30 gesteuert. Daher
kann der Temperatursensor 42 in diesem Ausführungsbeispiel
auch näher am Katalysator 30 vorgesehen sein.
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Gemäß einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Katalysator 30 ein
Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator), der
Verunreinigungen, wie beispielsweise NOx, aus dem Abgas durch chemische
Reaktion entfernt. Der SCR-Katalysator sieht eine katalytische Reduktion von
NOx im Abgas unter Verwendung von Ammoniak oder Harnstoff vor.
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Optional
kann ein anderer Katalysator 32, beispielsweise ein Reinigungs-
bzw. Nachreinigungskatalysator, wie beispielsweise ein Katalysator
zur selektiven katalytischen Oxydation (SCO-Katalysator), stromabwärts
des ersten Katalysators 30 vorgesehen sein, um andere Verunreinigungen
aus dem Abgas zu entfernen.
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Nachdem
es durch den Katalysator (die Katalysatoren) 30, 32 behandelt
wurde, fließt das Abgas durch eine Auslassflussleitung 34 und
wird aus dem Nachbehandlungssystem 20 ausgelassen.
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3 veranschaulicht
ein alternatives beispielhaftes Ausführungsbeispiel, in
dem ein zweiter Filter 24 und eine zweite Regenerationsvorrichtung 26 in
der zweiten Flussleitung 18 stromabwärts des Ventils 28 angeordnet
sind. Die Filter und Regenerationsvorrichtungen in diesem alternativen
Ausführungsbeispiel sind in einer parallelen Konfiguration. Ein
zweites Ventil 28 kann auch in der zweite Flussleitung 18 positioniert
sein, und ein zweiter Temperatursensor 42 kann nahe dem
Auslass des zweiten Filters 24 positioniert sein.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Verfahren und das System zum Leiten des Abgasflusses
kann bei irgendeinem Antriebssystem anwendbar sein, welches eine
Leistungsquelle aufweist, die Abgas erzeugt. Das offenbarte Verfahren
und das System zum Leiten des Abgasflusses gestatten, dass die Temperatur
des Abgases, welches durch den Filter 24 und den Katalysator 30 fließt,
getrennt gesteuert wird. Als eine Folge kann die Temperatur des
Abgases, welches durch den Filter 24 fließt, hochgehalten
werden, während die Temperatur des Abgases, welches zum
Katalysator 30 fließt, auf einer niedrigeren Temperatur
gehalten werden kann. Das Betriebsverfahren und das System zum Leiten
des Abgasflusses werden nun erklärt.
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Während
normaler Betriebsbedingungen ist die Regenerationsvorrichtung 26 inaktiv,
sodass der Filter 24 sich nicht regeneriert und das Ventil 28 geschlossen
ist. Das gesamte Abgas wird durch das Filtersystem 20 über
die Einlassflussleitung 14, die erste Flussleitung 16 (in
Richtung des Pfeils A) und die Auslassflussleitung 34 geleitet.
Das Abgas, welches durch das Filtersystem 20 läuft,
wird nicht unter Verwendung der Regenerationsvorrichtung 26 aufgeheizt.
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Der
in der Steuervorrichtung 40 programmierte Steueralgorithmus
kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann die Regeneration des
Filters 24 zu beginnen ist, beispielsweise basierend auf
einer Eingabe von dem Motor 10 oder einem (nicht gezeigten)
Motorsensor, oder basierend auf einem vorbestimmten Zeitintervall.
Um das Regenerationsverfahren zu beginnen, kann die Steuervorrichtung 40 Steuersignale
durch die Kommunikationsleitungen 44 senden, um das Ventil 28 bzw.
die Regenerationsvorrichtung 26 zu betätigen.
Das Steuersignal, welches zum Ventil 28 übertragen
wird, kann auch Informationen zur Steuerung des Abgasflusses durch
das Ventil 28 aufweisen, wie beispielsweise die Menge des
Abgases, die durch das Ventil 28 fließen darf.
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Normalerweise
ist das Ventil 28 in einem geschlossenen Zustand, was das
gesamte Motorabgas dazu zwingt, durch das Filtersystem 22 in
der ersten Flussleitung 16 zu fließen. Wenn das
Ventil 28 betätigt wird, öffnet sich
das Ventil 28 und das Abgas kann zwei Pfade hinunterfließen,
nachdem es aus der Auslasssammelleitung 12 des Motors 10 ausgetreten
ist. Wie in 2 gezeigt, folgt ein erster
Teil des Abgases einem ersten Pfad (Pfeil A), und ein zweiter Teil des
Abgases folgt einem zweiten Pfad (Pfeil B).
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Das
Ventil 28 empfängt das Steuersignal von der Steuervorrichtung 40,
um ungefähr zur gleichen Zeit zu öffnen, wie der
Regenerationsprozess beginnt. Bei spielsweise kann die Steuervorrichtung 40 das
Betätigungssignal an das Ventil 28 ungefähr
zur gleichen Zeit senden, wenn die Steuervorrichtung 40 das
Betätigungssignal an die Regenerationsvorrichtung 26 sendet,
um die Regeneration des Filters 26 zu beginnen, d. h. Wärme
auf diesen aufzubringen. Die Steuervorrichtung 40 sendet
diese Befehlssignale an die Regenerationsvorrichtung 26 und
an das Ventil 28 durch die Kommunikationsleitungen 44,
wie durch die gestrichelten Linien in 2 gezeigt.
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Das
Ventil 28 ist im zweiten Pfad positioniert, um die Flussmenge
zu steuern, die durch die zweite Flussleitung 18 geleitet
wird. Der Teil des Abgases, der entlang der zweiten Flussleitung 18 geleitet
wird (in Richtung des Pfeils B in 2) läuft
an dem Filtersystem 22 und der Regenerationsvorrichtung 26 vorbei.
Daher wird dieser Teil nicht durch die Regenerationsvorrichtung 26 auf
die hohen Temperaturen aufgeheizt, die zur Regeneration des Filters 24 nötig sind.
Der restliche Teil des Flusses wird zum ersten Pfad (erste Flussleitung 16)
zur Regenerationsvorrichtung 26 geleitet, die das Gas während
des Regenerationsprozesses aufheizt, und dann zum Filtersystem 22.
Während der Regeneration laufen der aufgeheizte erste Teil
des Abgases und der nicht aufgeheizte zweite Teil des Abgases zusammen,
bevor sie die Katalysatoren 30, 32 erreichen.
Als eine Folge hat dieser kombinierte Abgasfluss eine insgesamt niedrigere
Temperatur als die Temperatur des Abgases, die während
der Regeneration erreicht wird.
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Wenn
die Steuervorrichtung 40 bestimmt hat, dass der Regenerationsprozess
vollendet ist, kann die Steuervorrichtung 40 Steuersignale
an das Ventil 28 senden, um das Ventil 28 zu schließen,
und an die Regenerationsvorrichtung 26, um den Regenerationsprozess
zu stoppen.
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Die
Informationen, die in den Steuersignalen vorgesehen sind, um das
Ventil 28 zu öffnen und/oder zu schließen,
werden unter Verwendung des Steueralgorithmus bestimmt, der in der
Steuervorrichtung 40 einprogrammiert ist. Beispielsweise kann
die Menge des Abgases, die durch das Ventil 28 durch die
zweite Flussleitung 18 zu leiten ist (der zweite Teil des
Abgases) eine konstante voreingestellte Menge sein oder kann unter
Verwendung eines Regelungsprozesses (closed loop) bestimmt werden.
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Wenn
die Menge des Anteils des Abgases, der durch das Ventil fließt,
eine konstante voreingestellte Menge ist, dann gestattet das Ventil 28,
dass kontinuierlich die gleiche Menge des Abgases hindurch läuft,
bis ein Steuersignal von der Steuervorrichtung 40 empfangen
wird, um aufzuhören zu gestatten, dass das Abgas durch
das Ventil 28 fließt. Wenn jedoch die Menge des
Anteils des Abgases, die durch das Ventil 28 fließt,
unter Verwendung eines Regelungsprozesses (closed loop) bestimmt wird,
dann kann das Ventil 28 Signale von der Steuervorrichtung 40 in
regelmäßigen Zeitintervallen empfangen, oder immer
dann, wenn die Steuervorrichtung 40 bestimmt hat, dass
die Flussrate verändert werden sollte.
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Nach
dem Senden der Betätigungssignale an das Ventil 28 und
die Regenerationsvorrichtung 26 kann die Steuervorrichtung 40 beispielsweise Messungen
der Temperatur des Abgasstroms des Filtersystems 22 unter
Verwendung des Temperatursensors 42 empfangen.
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Wenn
die gemessene Temperatur (T) gleich einer Schwellentemperatur (Tth)
ist, oder über dieser ist, d. h. T ≥ Tth, dann
kann die Steuervorrichtung 40 ein Steuersignal an das Ventil 28 senden,
um inkrementell die Menge des Abgases zu vergrößern,
die durch das Ventil 28 fließen darf. Mehr Abgas
läuft an dem Filtersystem 22 vorbei, und weniger
Abgas wird aufgeheizt, um den Filter 24 zu regenerieren.
Als eine Folge nimmt die Temperatur des kombinierten Flusses der
aufgeheizten und nicht aufgeheizten Teile des Abgases ab.
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Wenn
jedoch die gemessene Temperatur unter der Schwellentemperatur ist,
d. h. T < Tth,
dann kann die Steuervorrichtung 40 ein Steuersignal an das
Ventil 28 senden, um die Menge des Abgases zu verringern,
die durch das Ventil 28 fließen kann. Weniger
Abgas läuft an dem Filtersystem 22 vorbei, und mehr
Abgas wird aufgeheizt, um den Filter 24 zu regenerieren.
Als eine Folge nimmt die Temperatur des kombinierten Flusses der
aufgeheizten und nicht aufgeheizten Teile der Abgase zu.
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Anstatt
die Menge des Flusses durch das Ventil 28 zu verändern,
falls T < Tth ist,
kann die Steuervorrichtung 40 alternativ das Ventil 28 beispielsweise
durch Verwendung eines Signals oder durch Abwesenheit eines Signals
steuern, um die Menge des Abgases, die durch das Ventil 28 läuft, gleichzuhalten.
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Die
Steuervorrichtung 40 kann die gemessene Temperatur (T) überwachen
und kann Steuersignale an das Ventil 28 in regelmäßigen
Intervallen und/oder immer dann senden, wenn die gemessene Temperatur
(T) die Schwellentemperatur (Tth) überschreitet. In einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Schwellentemperatur
beispielsweise ungefähr 600°C sein, wenn ein Katalysator,
der weniger effizient arbeitet, oder der bei Temperaturen über 600°C
beschädigt werden kann, stromabwärts von der Stelle
vorgesehen ist, wo die aufgeheizten und nicht aufgeheizten Teile
des Abgases zusammenlaufen. Jedoch kann die Schwellentemperatur
höher oder niedriger sein, und zwar abhängig von
der vorgesehenen Nachbehandlungsvorrichtung (den Nachbehandlungsvorrichtungen)
und den nötigen Temperaturen, um einen optimalen Wirkungsgrad
der vorgesehenen Nachbehandlungsvorrichtung(en) aufrechtzuerhalten.
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Um
zu bestimmen, wie der Fluss des Abgases zwischen der ersten Flussleitung 16 und
der zweiten Flussleitung 18 aufzuteilen ist, kann der von der
Steuervorrichtung 40 verwendete Steueralgorithmus auch
andere Variablen neben der gemessenen Temperatur berücksichtigen.
Beispielsweise kann der Fluss zwischen den Flussleitungen 16, 18 zugeordnet
sein, um eine Balance zwischen einem Zustand, in dem man genügend
Fluss durch die zweite Flussleitung 18 hat, um eine geeignete
Temperatur des zum Katalysator 30 geleiteten Abgases beizubehalten,
und der Situation, dass man genügend Fluss durch die erste
Flussleitung 16 vorsieht, um die Partikelstoffe aus dem
Abgasfluss zu entfernen, zu treffen. Wenn eine große Menge
an Abgas zur ersten Flussleitung 16 zugeteilt wird, und
eine kleine Menge an Abgas zur zweiten Flussleitung 18 zugeordnet wird,
können mehr Partikelstoffe aus dem Abgasfluss entfernt
werden, jedoch ist das gesamte Abgas, welches zum Katalysator 30 geleitet
wird, auf einer höheren Temperatur. Dies kann eine Beschädigung
des Katalysators 30 riskieren oder kann bewirken, dass der
Katalysator 30 weniger effizient arbeitet. Wenn andererseits
eine große Menge an Abgas zur zweiten Flussleitung 18 zugeteilt
wird, und eine kleine Menge an Abgas der ersten Flussleitung 16 zugeteilt
wird, ist das gesamte Abgas, welches zum Katalysator 30 geleitet
wird, auf einer niedrigeren Temperatur, wodurch gestattet wird,
dass der Katalysator 30 effizient arbeitet, wenn der Katalysator 30 empfindlich
für höhere Temperaturen ist. Wenn es jedoch eine
kleine Flussgröße durch das Filtersystem 22 gibt,
können weniger Partikelstoffe aus dem Abgasfluss entfernt
werden, und mehr Partikelstoffe können ungefiltert durch das
Ventil 28 laufen.
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Der
Steueralgorithmus kann programmiert sein, um eine minimale Menge
an Abgas durch das Ventil 28 zu gestatten, d. h. den zweiten
Teil des Abgases zu minimieren, weil der zweite Teil des Abgases
nicht durch das Filtersystem 22 gefiltert wird. Die Menge
an Abgas, die durch das Ventil 28 laufen darf, kann so
gesteuert werden, dass die Menge ausreicht, um die Temperatur des
kombinierten Abgases, welches zum Katalysator 30 geleitet
wird, auf einer Schwellentemperatur oder geringfügig unter
dieser zu halten.
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Der
Steueralgorithmus kann auch programmiert sein, um sicherzustellen,
dass eine optimale Menge an Abgas durch das Filtersystem 22 geschickt wird,
um den Filter 24 zu regenerieren. Die optimale Menge an
Abgas zur Regeneration des Filters 24 wird basierend auf
verschiedenen Variablen bestimmt, beispielsweise basierend auf der
Flussrate des Abgases von der Auslasssammelleitung 12,
basierend auf der Größe des Filters 24,
basierend auf der Art des Motors 10 und basierend darauf,
was der Motor 10 während der Regeneration tut.
Als eine Folge kann der von der Steuervorrichtung 40 verwendete
Steueralgorithmus auch diese Variablen bei der Bestimmung dessen
berücksichtigen, wie der Fluss des Abgases zwischen der
ersten Flussleitung 16 und der zweiten Flussleitung 18 aufzuteilen
ist.
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Als
eine Folge kann die Temperatur des Abgases, welches durch den Filter 24 während
der Regeneration fließt, hochgehalten werden, während
die Temperatur des kombinierten Abgases, welches zum Katalysator 30 fließt,
niedriger sein kann.
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Als
eine Folge können Katalysatoren und andere Nachbehandlungskomponenten
vorgesehen sein, die aus kostengünstigerem Material gemacht sind.
Spezielle Materialien, die den hohen Temperaturen während
der Regeneration widerstehen können, sind nicht länger
erforderlich, um die Nachbehandlungskomponenten stromabwärts
von der Stelle aufzubauen, wo die nicht aufgeheizten und aufgeheizten
Anteile des Abgases zusammenlaufen. Es können Katalysatoren 30, 32 verwendet
werden, die für die hohen Temperaturen empfindlich sind,
die typischerweise zur Regeneration erforderlich sind, beispielsweise
vanadiumbasierte SCR-Katalysatoren. Wenn beispielsweise der Filter 24 Temperaturen
von ungefähr 600–700°C ausgesetzt ist,
dann können Katalysatoren 30, 32 verwendet
werden, die aus Materialien gemacht sind, die bei Temperaturen über
ungefähr 600°C weniger effizient sein können,
während der hohe Wirkungsgrad des Nachbehandlungssystems 20 beibehalten
wird. Die Katalysatoren 30, 32 werden weniger
wahrscheinlich beschädigt, weil sie nicht den hohen Temperaturen
ausgesetzt sind, die für die Regeneration erforderlich
sind.
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Da
ein Teil des Abgases an dem Filtersystem 22 während
des Regenerationsprozesses vorbeiläuft, wird weniger Abgas
durch das Filtersystem 22 geschickt. Weniger Energie ist
zur Aufheizung des Abgases erforderlich, um den Filter 24 zu
regenerieren. Als eine Folge ist weniger Brennstoff für
den Regenerationsprozess nötig.
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Wie
in 3 gezeigt, können ein anderer Filter 24,
eine Regenerationsvorrichtung 26, ein Temperatursensor 42 und
optional ein Ventil 28 auch in der zweiten Flussleitung 18 angeordnet
sein. In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann
der Betrieb dieser zusätzlichen Komponenten in der zweiten Flussleitung 18 der
gleiche sein, wie für die gleichen Komponenten in der ersten
Flussleitung 16. Der Teil des Abgases, der entlang der
zweiten Flussleitung 18 geleitet wird, wird unter Verwendung
des Filtersystems 22 in der zweiten Flussleitung 18 gefiltert.
Als eine Folge wird der gesamte Fluss des Abgases, der durch die
Einlassflussleitung 14 geliefert wird, unter Verwendung
der zwei Filtersysteme 22 gefiltert. Zusätzlich
können beide Filter 24 getrennt unter Verwendung
der entsprechenden Regenerationsvorrichtungen 26 regeneriert
werden. Die Steuervorrichtung 40 kann den Be trieb der Regenerationsvorrichtungen 26 in
den getrennten Flussleitungen 16, 18 steuern, um
sicherzustellen, dass nicht aufgeheiztes Abgas durch mindestens
eine der Flussleitungen 16, 18 fließt,
wenn die Regenerationsvorrichtung 26 in der anderen Flussleitung
arbeitet. Daher kann nie mehr als eine Regenerationsvorrichtung 26 zur
gleichen Zeit arbeiten. Als eine Folge kann die Temperatursteuerung
des kombinierten Abgasflusses immer noch erreicht werden, während
sichergestellt wird, dass Partikel aus dem Abgas gefiltert werden,
welches durch beide Flussleitungen 16, 18 fließt,
und zwar auch während der Regeneration eines der Filter 24.
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Das
in den beispielhaften Ausführungsbeispielen beschriebene
Nachbehandlungssystem kann Partikelstoffe und andere Arten von Verunreinigungen
entfernen, wie beispielsweise NOx-Emissionen. Die Partikelstoffe
und die anderen Verunreinigungen können kontinuierlich
entfernt werden, wie beispielsweise während des Regenerationsprozesses.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Verfahren und am System zum Leiten
des Abgasflusses vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer
praktischen Ausführung des offenbarten Verfahrens und Systems
offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer
Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten
Ausführungen gezeigt wird.
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Zusammenfassung VERFAHREN
UND SYSTEM ZUM LEITEN VON ABGAS
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Ein
Verfahren zum Leiten eines Abgasflusses weist auf, einen ersten
Teil des Flusses durch einen ersten Flusspfad zu leiten, und einen
zweiten Teil des Flusses durch einen zweiten Flusspfad zu leiten. Eine
Temperatur von zumindest einem Teil des Flusses in dem ersten Flusspfad
wird vergrößert, und der Fluss im ersten Flusspfad
wird durch einen Filter geschickt. Die ersten und zweiten Teile
des Flusses stromabwärts des Filters werden zusammengeleitet, um
einen kombinierten Fluss zu bilden. Der kombinierte Fluss wird in
einem vorbestimmten Bereich von Temperaturen gehalten, und der kombinierte
Fluss wird zu einem Katalysator geleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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