DE112007000492B4

DE112007000492B4 - Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem

Info

Publication number: DE112007000492B4
Application number: DE112007000492.4T
Authority: DE
Inventors: David J. Kapparos; Michael D. Lowe
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2027-02-03
Also published as: US7677028B2; DE112007000492T5; WO2007100438A1; US20070199312A1; JP2009528479A

Abstract

Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem (16), welches Folgendes aufweist:eine Partikelfalle (19), die konfiguriert ist, eine oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus einem Abgasfluss eines Motors (14) zu entfernen;ein Heizsystem (26), welches konfiguriert ist, die Temperatur der Partikelfalle (19) zu steigern;eine Steuervorrichtung (32), die konfiguriert ist, den Betrieb des Heizsystems (26) während der Ausführung eines thermischen Regenerationsereignisses der Partikelfalle (19) zu steuern, und zwar durch:ausgehend von einer Betriebstemperatur der Partikelfalle (19), Bewirken einer ersten Temperatursteigerung der Partikelfalle (19) mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer ersten vorbestimmten Temperatur über der Betriebstemperatur;Bewirken eines ersten Temperaturhaltevorgangs durch Halten der Temperatur der Partikelfalle (19) auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer;ausgehend von der ersten vorbestimmten Temperatur, Bewirken einer zweiten Temperatursteigerung der Partikelfalle (19) mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere zweite vorbestimmte Temperatur; undBewirken eines zweiten Temperaturhaltevorgangs durch Halten der Temperatur der Partikelfalle (19) auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer;wobei das System (16) konfiguriert ist, mehr als zwei Temperatursteigerungen und mehr als zwei Temperaturhaltevorgänge während des Regenerationsereignisses auszuführen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Partikelfallenregenerationssystem gerichtet, und insbesondere auf ein Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem.
Hintergrund
Motoren, die Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere in der Technik bekannte Motoren aufweisen, können eine komplexe Mischung aus Luftverunreinigungen ausstoßen. Die Luftverunreinigungen können sowohl aus gaßförmigem als auch aus festem Material zusammengesetzt sein, wie beispielsweise aus Partikelstoffen. Partikelstoffe können Asche und unverbrannte Kohlenstoffpartikel aufweisen, die Ruß genannt werden.
Aufgrund gesteigerter Sorge um die Umwelt sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden. Die Menge der Partikelstoffe und der gasförmigen Verunreinigungen, die aus einem Motor ausgestoßen werden, können abhängig von der Art, der Größe und/oder der Klasse des Motors geregelt sein. Um diese Emissionsstandards zu erfüllen, haben Motorhersteller Verbesserungen an verschiedenen unterschiedlichen Motortechnologien verfolgt, wie beispielsweise der Brennstoffeinspritzung, dem Motormanagement und der Lufteinleitung, um einige zu nennen. Zusätzlich haben Motorhersteller Vorrichtungen zur Behandlung von Motorabgas entwickelt, nachdem dieses den Motor verlässt.
Motorhersteller haben Abgasbehandlungsvorrichtungen eingesetzt, die Partikelfallen genannt werden, um die Partikelstoffe aus dem Abgasfluss eines Motors zu entfernen. Eine Partikelfalle kann einen Filter aufweisen, der ausgelegt ist, um Partikelstoffe einzufangen. Die Anwendung der Partikelfalle für verlängerte Zeitperioden kann jedoch ermöglichen, dass sich Partikelstoffe im Filter ansammeln, wodurch ein Schaden am Filter und/oder eine Verschlechterung der Motorleistung verursacht wird.
Ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung einer Partikelfalle kann eine Regeneration aufweisen. Eine Regeneration eines Partikelfallenfiltersystems kann durch thermische Regeneration erreicht werden, die die Steigerung der Temperatur des Filters und der eingefangenen Partikelstoffe über die Verbrennungstemperatur der Partikelstoffe aufweisen kann, wodurch die gesammelten Partikelstoffe weggebrannt werden und das Filtersystem regeneriert wird. Diese Steigerung der Temperatur kann durch verschiedene Mittel bewirkt werden. Beispielsweise setzen einige Systeme ein Heizelement ein (beispielsweise ein elektrisches Heizelement), um direkt einen oder mehrere Teile der Partikelfalle aufzuheizen (beispielsweise das Filtermedium oder das äußere Gehäuse). Andere Systeme sind konfiguriert worden, um die Abgase stromaufwärts der Partikelfalle aufzuheizen, was gestattet, dass der Fluss der aufgeheizten Gase durch die Partikelfalle Wärme auf die Partikelfalle überträgt. Beispielsweise können einige Systeme einen oder mehrere Motorbetriebsparameter verändern, wie beispielsweise die Luft/Brennstoff-Mischung, um Abgase mit einer erhöhten Temperatur zu erzeugen. Das Betreiben eines Motors mit einer „fetten“ Luft/Brennstoff-Mischung kann die Abgastemperatur erhöhten. Andere Systeme heizen die Abgase stromaufwärts der Partikelfalle auf, und zwar mit Anwendung eines Brenners, der eine Flamme in der Abgasleitung erzeugt, die zur Partikelfalle führt.
Die Rate der Rußoxydation während der thermischen Regeneration der Partikelfallen bestimmt, wie lange ein Regenerationsereignis sein muss. Ein steuerbarer Faktor, der die Rußoxydationsrate beeinflusst, ist die Temperatur der Abgase, die in die Partikelfalle eintreten (d.h. die Einlasstemperatur). Höhere Einlasstemperaturen können schnellere Rußoxdationsraten zur Folge haben. Schnellere Rußoxydationsraten können kürzere Regenerationsereignisse erleichtern, die weniger Einfluss auf die Brennstoffeffizienz bzw. Brennstoffausnutzung haben können (beispielsweise müsste eine Regenerationsvorrichtung der Brennerbauart eine kürzere Zeitdauer brennen müssen und somit weniger Brennstoff verbrauchen). Jedoch können Einlasstemperaturen, die zu hoch sind, einen Schaden an der Partikelfalle verursachen, und zwar nicht nur wegen den hohen Temperaturen der Gase, die in die Partikelfalle eintreten, sondern auch wegen des daraus resultierenden Effektes auf die Rußoxydationsrate.
Die Rußoxydationsrate ist exponentiell abhängig von der Temperatur und ist somit empfindlich auf hohe Temperaturen genauso wie schnelle Temperatursteigerungen. Die Rußoxydation ist eine exotherme Reaktion, die mehr Wärme erzeugt, je schneller die Reaktion stattfindet. Daher können Rußoxydationsraten, die zu hoch sind, die Erzeugung von genügend Wärme bewirken, um einen Schaden an der Partikelfalle oder an anderen Teilen des Systems zu verursachen, genauso wie die Leistung von einer oder mehreren Komponenten des Systems verringern. Zusätzlich können hohe Temperaturen und/oder schnelle Steigerungen der Temperatur auch nicht steuerbare Rußoxydationsraten zur Folge haben (was manchmal als „instabile Regeneration“ bezeichnet wird).
Eine instabile Regeneration kann die Verbrennung/Oxydation von angesammelten Partikelstoffen aufweisen, die zu schnell auftritt, was Partikelfallentemperaturen zur Folge haben kann, die hoch genug sein können, um das Filtermedium und/oder andere Komponenten des Systems zu beschädigen. Das heißt, wenn die Temperaturen hoch genug werden, steigen die Rußoxydationsraten an, was die Erzeugung von genügend Wärme aus der exothermen Reaktion zur Folgen hat, um die Rußoxydationsrate noch mehr zu beschleunigen. Die Reaktion kann Partikel außer Kontrolle abbrennen, bis die Partikelstoffe, die der Brennstoff für die Verbrennung sind, verbraucht werden, und zwar ungeachtet dessen, ob irgendeine regenerative thermische Einleitung vorgenommen wird (beispielsweise ob ein Brenner beheizt wird, um Abgase stromaufwärts der Partikelfalle aufzuheizen). Die nicht steuerbare Verbrennung kann Temperaturen zur Folgen haben, die hoch genug sind, um einen Schaden und/oder einen Leistungsverlust zu bewirken, wie oben besprochen.
Die thermische Regeneration kann periodisch im Gegensatz zu konstant ausgeführt werden. Beispielsweise wird ein solches Regenerationssystem von US 2003 / 0 145 582 A1 . US 2003 / 0 145 582 A1 offenbart ein Regenerationssystem, welches konfiguriert ist, um eine Regeneration periodisch durch Variieren der Getriebeschaltpunkte und/oder durch Variieren des Verhältnisses der Motorleistung zur Batterieleistung einzuleiten. Beide Verfahren haben den Effekt, die Temperatur des Abgases zu variieren, welches vom Motor erzeugt wird.
Während das System der US 2003 / 0 145 582 A1 gesteigerte Partikelfallentemperaturen, und dadurch eine thermische Regeneration vorsehen kann, setzt das System keine Steuerstrategie ein, die gegen eine instabile Regeneration schützt. US 2003 / 0 145 582 A1 offenbart keine rampenartige Führung der Partikelfallentemperatur oder inkrementelle Temperatursteigerungen. Vielmehr offenbart US 2003 / 0 145 582 A1 die scharfe Steigerung der Partikelfallentemperatur auf eine Ziel- bzw. Soll-Regenerationstemperatur, und zwar ungeachtet dessen, wie schnell sie diese Soll-Temperatur erreicht.
Weiterhin offenbart DE 10 2005 004 619 A1 ein Abgasemissionssteuersystem und -verfahren für einen Verbrennungsmotor mit einem Filter, der Partikelstoffe und Asche einfängt, und mit einer Steuereinrichtung zum Starten eines Filterwiederherstellprozesses, bei dem die Temperatur des Filters auf eine Zieltemperatur gesteuert wird, um das Innere des Filters derart zu einer oxidierenden Umgebung zu bringen, dass der an dem Filter eingefangene und angesammelte Partikelstoff durch Oxidation entfernt wird, wenn die abgeschätzte Menge der am Filter angesammelten Partikelstoffe eine vorbestimmte Menge überschreitet. Die Zieltemperatur wird auf der Grundlage der abgeschätzten Menge an angesammelter Asche eingestellt. Selbst wenn die Menge an angesammeltem Partikelstoff pro Volumeneinheit aufgrund des Ansammelns an Asche am Filter zunimmt, kann eine Oxidationsreaktionsgeschwindigkeit des Partikelstoffs verringert werden, womit eine übermäßige Temperaturzunahme beim Filter verhindert wird.
Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu lösen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem gerichtet. Das System kann eine Partikelfalle aufweisen, die konfiguriert ist, um eine oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus einem Abgasfluss eines Motors zu entfernen. Das System kann auch ein Heizungssystem aufweisen, welches konfiguriert ist, um die Temperatur der Partikelfalle zu steigern. Das System kann weiter eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um den Betrieb des Heizsystems während der Ausführung eines thermischen Regenerationsereignisses der Partikelfalle zu steuern. Die Steuervorrichtung kann den Betrieb des Heizsystems steuern, indem sie eine erste Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer vorbestimmten Temperatur bewirkt. Die Steuervorrichtung kann auch konfiguriert sein, um einen ersten Temperaturhaltevorgang zu bewirken, indem sie die Temperatur der Partikelfalle auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer hält. Die Steuervorrichtung kann weiter konfiguriert sein, um zumindest eine zweite Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere zweite vorbestimmte Temperatur zu bewirken. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung auch konfiguriert sein, um zumindest einen zweiten Temperaturhaltevorgang zu bewirken, indem sie die Temperatur der Partikelfalle auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer hält.
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Regeneration einer Partikelfalle gerichtet, die konfiguriert ist, um ein oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus einem Abgasfluss eines Motors zu entfernen. Das Verfahren kann aufweisen, ein thermisches Regenerationsereignis auszuführen. Das Ausführen des Ereignisses kann aufweisen, eine erste Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer ersten vorbestimmten Temperatur auszuführen. Das Ausführen des Ereignisses kann auch aufweisen, einen ersten Temperaturhaltevorgang auszuführen, indem die Temperatur der Partikelfalle auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird. Das Ausführen des Ereignisses kann weiter aufweisen, zumindest eine zweite Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere vorbestimmte zweite Temperatur auszuführen. Zusätzlich kann das Ausführen des Ereignisses das Ausführen zumindest eines zweiten Temperaturhaltevorgangs aufweisen, indem die Temperatur der Partikelfalle auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Maschine gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystems gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
3 ist ein beispielhaftes Partikelfallenregenerationstemperaturprofil für ein thermisches Regenerationsereignis gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
4 ist ein zweites beispielhaftes Partikelfallenregenerationstemperaturprofil für ein thermisches Regenerationsereignis gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung
Nun wird im Detail Bezug auf die Zeichnungen genommen. Wo immer es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf die gleichen oder auf ähnliche Teile zu beziehen.
1 veranschaulicht eine Maschine 10. Die Maschine 10 kann eine Bedienerstation 11, eine oder mehrere Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen 12, einen Motor 14 und ein Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem 16 aufweisen.
Obwohl die Maschine 10 als ein Lastwagen gezeigt ist, könnte die Maschine 10 irgendeine Bauart einer Maschine sein, die einen Abgas erzeugenden Motor hat. Entsprechend können die Traktionsvorrichtungen 12 irgendeine Bauart von Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen sein, wie beispielsweise Räder, wie in 1 gezeigt, Raupen, Riemen oder irgendwelche Kombinationen davon.
Der Motor 14 kann irgendeine Art eines Motors sein, die einen Auslassfluss von Abgasen erzeugt. Beispielsweise kann der Motor 14 ein Verbrennungsmotor sein, wie beispielsweise ein Benzinmotor, ein Dieselmotor, ein Erdgasmotor oder irgendein anderer ein Abgas erzeugender Motor.
Das System 16 kann eine Nachbehandlungsvorrichtung 18 aufweisen. Die Nachbehandlungsvorrichtung 18 kann irgendeine Art einer Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um einen oder mehrere Bestandteile aus dem Abgasfluss des Motors 14 zu entfernen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Nachbehandlungsvorrichtung 18 durch Wärme oder gewisse andere Maßnahmen regeneriert werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Nachbehandlungsvorrichtung 18 eine Partikelfalle 19 aufweisen. Die Partikelfalle 19 kann konfiguriert sein, um eine oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus den Abgasen zu entfernen, die vom Motor 14 erzeugt werden und durch eine Abgasleitung 20 fließen, die konfiguriert ist, um die gesamten Abgase oder einen Teil der Abgase, die vom Motor 14 erzeugt werden, zur Nachbehandlungsvorrichtung 18 zu leiten. Die Partikelfalle 19 kann ein äußeres Gehäuse 22 aufweisen, welches ein Filtermedium 24 (beispielsweise ein Metallgitter oder Metallnetz oder ein poröses Keramikmaterial, wie beispielsweise (Cordierit) umschließen kann, welches konfiguriert ist, um ein oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus dem Abgasfluss des Motors 14 zu entfernen (d.h. einzufangen).
Obwohl die Nachbehandlungsvorrichtung 18 hier in erster Linie als eine Partikelfalle besprochen wird, kann in anderen Ausführungsbeispielen die Nachbehandlungsvorrichtung 18 multifunktionale Vorrichtungen aufweisen, wie beispielsweise eine Kombination eines katalytischen Wandlers und einer Partikelfalle in der gleichen Einheit oder einer katalytischen Partikelfalle, wobei das Filtermedium 24 ein Katalysatormaterial und/oder eine katalytische Beschichtung aufweisen kann.
Die Nachbehandlungsvorrichtung 18 kann konfiguriert sein, um thermisch regeneriert zu werden. Das System 16 kann ein Heizsystem 26 aufweisen, welches konfiguriert sein kann, um die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung 18 zu steigern (beispielsweise der Partikelfalle 19). Es gibt eine Anzahl von unterschiedlichen Arten, wie das Heizsystem 26 konfiguriert sein kann, dies zu tun. Beispielsweise kann das Heizsystem 26 konfiguriert sein, um Wärme direkt auf die Nachbehandlungsvorrichtung 18 über eine Heizvorrichtung aufzubringen, die integral mit der Nachbehandlungsvorrichtung 18 ist oder zu dieser benachbart liegt. Ein Beispiel einer solchen Heizvorrichtung kann ein (nicht gezeigtes) elektrisches Heizelement aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Heizsystem 26 konfiguriert sein, um die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung 18 zu steigern, und zwar durch Übertragung von Wärme auf die Nachbehandlungsvorrichtung 18 von den Abgasen, die durch sie hindurch fließen. In solchen Ausführungsbeispielen kann das Heizsystem 26 konfiguriert sein, um Wärme auf Abgase stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtung 18 aufzubringen. Das Heizsystem 26 kann die Temperatur der Abgase auf eine oder mehrere Arten steigern. Beispielsweise kann die Veränderung von Motorparametern einen Effekt auf die Abgastemperatur haben. Das Betreiben des Motors 14 mit einer „fetten“ Luft/Brennstoff-Mischung kann die Abgastemperatur steigern. Steigerungen der Motordrehzahl und/oder der Motorbelastung können auch die Abgastemperatur steigern. Eine Zeitsteuerung und Betätigung der Auslassventile kann auch manipuliert werden, um die Abgastemperaturen zu steuern. Abgase können auch durch eine Nacheinspritzung aufgeheizt werden, was das Einspritzen von zusätzlichem Brennstoff in die Brennkammern aufweist, nachdem die Verbrennung stattgefunden hat, was zur Folge haben kann, dass der zusätzliche Brennstoff in dem Abgassystem verbrannt wird, wodurch die Temperatur der Abgase in dem System erhöht wird.
Die Abgastemperatur kann auch durch Aufheizen der Abgase oder der Abgasleitung 20 erhöht werden. Beispielsweise kann das Heizsystem 26 eine oder mehrere Heizvorrichtungen aufweisen, wie beispielsweise ein elektrisches Heizelement und/oder einen eine Flamme erzeugenden Brenner, der konfiguriert werden kann, um die Abgase oder die Abgasleitung 20 aufzuheizen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Heizsystem 26 eine Regenerationsvorrichtung 28 aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Menge der Partikelstoffe in der Nachbehandlungsvorrichtung 18 zu verringern. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Regenerationsvorrichtung 28 eine Brenneranordnung 30 aufweisen, die konfiguriert ist, um die Temperatur der Abgase zu vergrößern, die durch die Auslassleitung 20 stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtung 18 fließen. Die Brenneranordnung 30 kann konfiguriert sein, um die Leistung der Nachbehandlungsvorrichtung 18 durch thermische Regeneration aufrechtzuerhalten oder wiederherzustellen.
Eine Ansammlung von Abgasflussbestandteilen in der Nachbehandlungsvorrichtung 18 kann eine Verringerung der Motorleistung und/oder einen möglichen Schaden an der Nachbehandlungsvorrichtung 18 und/oder an anderen Komponenten des Systems 16 zur Folge haben. Die Brenneranordnung 30 kann konfiguriert sein, um irgendeine Verringerung der Motorleistung zu verhindern oder wiederherzustellen, und einen möglichen Schaden an der Nachbehandlungsvorrichtung 18 und/oder an anderen Komponenten des Systems 16 zu vermeiden. Beispielsweise kann die Brenneranordnung 30 konfiguriert sein, um zu bewirken, dass zumindest ein Teil der Partikelstoffe, die in der Nachbehandlungsvorrichtung 18 angesammelt worden sind, abgebrannt werden.
Obwohl das System 16 mit einer einzigen Nachbehandlungsvorrichtung 18 und einer einzigen Regenerationsvorrichtung 28 gezeigt ist, kann das System 16 mehr als eine Nachbehandlungsvorrichtung 18 und/oder mehr als eine Regenerationsvorrichtung 28 aufweisen. Beispielsweise kann das System 16 in einem Ausführungsbeispiel eine einzige Regenerationsvorrichtung 28 aufweisen, die konfiguriert ist, um zwei Nachbehandlungsvorrichtungen zu regenerieren. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das System 16 zwei Regenerationsvorrichtungen aufweisen, die konfiguriert sind, um zwei Nachbehandlungsvorrichtungen zu regenerieren. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann jede Regenerationsvorrichtung konfiguriert sein, um eine der Nachbehandlungsvorrichtungen zu regenerieren oder zur Regeneration von beiden Nachbehandlungsvorrichtungen beizutragen. Das System 16 könnte auch irgendeine Anzahl von Regenerationsvorrichtungen und/oder Nachbehandlungsvorrichtungen in irgendeiner Kombination aufweisen, die zur Regeneration geeignet ist.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel des Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystems 16. Für die Zwecke der folgenden Erklärung wird die Nachbehandlungsvorrichtung 18 derart besprochen, dass sie eine Partikelfalle 19 ist, während die Regenerationsvorrichtung 28 derart besprochen wird, dass sie eine Brenneranordnung 30 ist. Es sei jedoch bemerkt, dass die Nachbehandlungsvorrichtung 18 und die Regenerationsvorrichtung 28 irgendeine der offenbarten Bauarten von Nachbehandlungs- und Regenerationsvorrichtungen sein könnte, die oben erwähnt wurden. Das System 16 kann auch eine Steuervorrichtung 32 aufweisen, die konfiguriert ist, um Informationen von verschiedenen Quellen zu empfangen und eine oder mehrere Komponenten des Systems 16 basierend auf diesen Informationen zu steuern.
Die Brenneranordnung 30 kann irgendwo entlang der Auslassleitung 20 zwischen dem Motor 14 und der Partikelfalle 19 positioniert sein. Die Brenneranordnung 30 kann eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 aufweisen, die konfiguriert ist, um Brennstoff zur Brenneranordnung 30 zu liefern. Die Brenneranordnung 30 kann konfiguriert sein, um eine Flamme zu erzeugen, die in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Abgasfluss sein kann. Das System 16 kann konfiguriert sein, um die Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 mit Frischluft zur Vermischung mit dem Brennstoff zur Verbrennung zu beliefern, genauso wie zum Freispülen der Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 von irgendwelchem Brennstoff oder Abrieb vor und/oder nach dem Betrieb der Brenneranordnung 30. Die Lieferung von Luft zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 kann durch ein Luftventil 36 geregelt werden, welches von der Steuervorrichtung 32 steuerbar ist.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Frischluftquelle ein Lufteinlasssystem 38 des Motors 14 sein. Das heißt, Luft kann von einem Teil des Lufteinlasssystems 38, wie beispielsweise einer Einlasssammelleitung 40, zu einer Stelle stromabwärts eines Kompressors 42 geleitet werden, der konfiguriert ist, um eine gezwungene Einleitung für den Motor 14 zu erzeugen. Der Kompressor 42 kann einen Turbolader, einen Superlader bzw. Kompressor oder irgendeine andere Vorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um Einlassluft zu komprimieren und dadurch eine gezwungene Einleitung für den Motor 14 zu erzeugen. Luft kann von der Einlasssammelleitung 40 zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 über eine Luftleitung 44 geleitet werden. Die Lieferung von Luft zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 kann durch das Luftventil 36 geregelt werden, welches durch die Steuervorrichtung 32 steuerbar sein kann, wie oben besprochen.
Die Brenneranordnung 30 kann auch eine Zündkerze 46 aufweisen, die konfiguriert ist, um einen Funken zur Zündung der Luft/Brennstoff-Mischung zu liefern, die von der Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 geliefert wird. Strom kann an die Zündkerze 46 durch eine Zündspule 48 geliefert werden, die von der Steuervorrichtung 32 gesteuert werden kann. Obwohl die Brenneranordnung 30 derart gezeigt und beschrieben worden ist, dass sie eine Zündkerze 46 aufweist, können alternative Zündquellen eingesetzt werden, wie beispielsweise Glühkerzen oder irgendwelche anderen Mittel zur Zündung einer Luft/Brennstoff-Mischung.
Die Steuervorrichtung 32 kann irgendwelche Mittel zum Empfang von Informationen bezüglich Maschinenbetriebsparametern aufweisen und/oder zur Überwachung, Aufzeichnung, Speicherung, Indexierung, Verarbeitung und/oder Übermittlung von solchen Informationen. Diese Mittel können Komponenten aufweisen, wie beispielsweise einen Speicher, eine oder mehrere Datenspeichervorrichtungen, eine zentrale Verarbeitungseinheit oder irgendwelche anderen Komponenten, die verwendet werden können, um eine Anwendung laufen zu lassen.
Obwohl Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen derart beschrieben sein können, dass sie im Speicher gespeichert sind, wird der Fachmann erkennen, dass diese Aspekte auf Bauarten von Computerprogrammprodukten oder computerlesbaren Medien gespeichert sein können oder von diesen gelesen werden können, wie beispielsweise Computerchips und sekundäre Speichervorrichtungen, die Festplatten, Disketten, optische Medien, CD-ROMs oder andere Formen von RAM bzw. Arbeitsspeicher oder ROM bzw. Lesespeicher aufweisen. Verschiedene andere bekannte Schaltungen können mit der Steuervorrichtung 32 assoziiert sein, wie beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung, eine Elektromagnettreiberschaltung, eine Kommunikationsschaltung und eine andere geeignete Schaltung.
Die Steuervorrichtung 32 kann mehrere Verarbeitungs- und Steuerfunktionen ausführen, wie beispielsweise Motormanagement (beispielsweise kann die Steuervorrichtung 32 ein Motorsteuermodul aufweisen, welches auch als ECM = engine control module bekannt ist), eine Bestimmung einer Partikelbelastung und eine Steuerung einer Regeneration der Partikelfalle 19. Alternativ kann die Maschine 10 mehrere Steuervorrichtungen aufweisen (eine nicht gezeigte Konfiguration), wobei jede davon vorgesehen ist, um eine oder mehrere dieser oder anderer Funktionen auszuführen. Eine solche Vielzahl von Steuervorrichtungen kann konfiguriert sein, um miteinander zu kommunizieren.
Die Steuervorrichtung 32 kann weiter konfiguriert sein, um die Regenerationsvorrichtung 28 ansprechend auf eine Bestimmung dessen zu aktivieren, dass mehr als eine vorbestimmte Menge an Partikelstoffen im Filtermedium 24 ist oder eingefangen sein kann. Die Steuervorrichtung 32 kann auch konfiguriert sein, um die Regenerationsvorrichtung 28 ansprechend auf einen oder mehrere Auslöserzustände zu aktivieren. Diese anderen Auslöserzustände können beispielsweise den Betrieb des Motors 14 für eine vorbestimmte Zeitdauer; den Verbrauch einer vorbestimmten Brennstoffmenge durch den Motor 14; die Detektion eines erhöhten Rückdruckes stromaufwärts der Partikelfalle 19 über einem vorbestimmten Druck; die Detektion einer Druckdifferenz an der Partikelfalle 19 von mehr als einer vorbestimmten Größe; und eine Bestimmung, dass eine gemessene Menge an Partikelstoffen, die sich in der Partikelfalle 19 angesammelt hat, über einer vorbestimmten Menge ist.
Die Regeneration kann auch manuell durch einen Bediener, Eigentümer, Servicetechniker usw. der Maschine 10 eingeleitet werden. Das manuelle Auslösen der Regeneration kann über einen Schalter, einen Knopf oder Ähnliches erreicht werden, der bzw. das mit der Maschine 10 assoziiert ist, und/oder ein Servicewerkzeug, welches konfiguriert ist, um eine Schnittstelle mit der Maschine 10 herzustellen.
Das System 16 kann verschiedene Sensoren aufweisen, die konfiguriert sind, um Informationen über Betriebsparameter des Systems 16 zu erzeugen. Solche Informationen können von der Steuervorrichtung 32 empfangen werden. Beispielsweise kann das System 16 einen stromaufwärts liegenden Temperatursensor 50, einen stromaufwärts liegenden Drucksensor 52, einen stromabwärts liegenden Temperatursensor 54 und einen stromabwärts liegenden Drucksensor 56 aufweisen. Solche Sensoren können entlang der Auslassleitung 20 stromaufwärts bzw. stromabwärts der Partikelfalle 19 positioniert sein und konfiguriert sein, um Messungen der Temperatur und des Druckes der Abgase in der Auslasssammelleitung 20 an ihren jeweiligen Stellen aufzunehmen. Solche Messungen können von der Steuervorrichtung 32 empfangen werden.
Der stromaufwärts gelegene Drucksensor 52 und der stromabwärts gelegene Drucksensor 56 können ein Druckdifferenzmesssystem bilden. Ein solches System kann konfiguriert sein, um eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärts liegenden Druck des Abgasflusses stromaufwärts von der Partikelfalle 19 und eines stromabwärts liegenden Druckes des Abgasflusses stromabwärts der Partikelfalle 19 zu messen. Alternativ kann das Druckdifferenzmesssystem anstelle des stromaufwärts liegenden Drucksensors 52 und des stromabwärts liegenden Drucksensors 56 einen einzigen (nicht gezeigten) Druckdifferenzsensor aufweisen, der konfiguriert ist, um die Druckdifferenz zwischen dem Abgasfluss stromaufwärts und stromabwärts der Partikelfalle 19 zu messen.
Das System 16 kann auch einen Fahrgeschwindigkeitssensor 58 aufweisen, der konfiguriert ist, um die Fahrgeschwindigkeit der Maschine 10 zu überwachen (d.h., die Geschwindigkeit der Maschine 10 relativ zu der Oberfläche, über die sie fährt). Das System 16 kann auch mit einem Flammenabfühlsystem versehen sein, welches mit der Brenneranordnung 30 assoziiert ist und konfiguriert ist, um zu detektieren, ob die Brenneranordnung 30 gegenwärtig eine Flamme erzeugt. Ein solches Flammenabfühlsystem kann beispielsweise einen Flammensensor 60 aufweisen. Zusätzlich kann das System 16 einen Motordrehzahlsensor 62 aufweisen, der konfiguriert ist, um die Drehzahl zu messen, mit der der Motor 14 arbeitet (beispielsweise in U/min).
Die zuvor erwähnten Sensoren können irgendeine Bauart von Abfühlmitteln aufweisen, die geeignet sind, um ihre jeweiligen Parameter zu überwachen. Insbesondere kann der Flammensensor 60 irgendeine Bauart eines Sensors aufweisen, die zum Detektieren der Anwesenheit einer Flamme geeignet ist, wie beispielsweise Temperatursensoren (beispielsweise Thermocouples bzw. Temperaturfühler), optische Sensoren, Ultraviolett-Sensoren und Ionensensoren. Der Flammensensor 60 kann konfiguriert sein, um einen Zustand (beispielsweise eine Temperatur, ultraviolettes Licht, Ionen usw.) in der Nähe der Flamme zu detektieren. Ein solcher Zustand kann an irgendeiner Stelle innerhalb ausreichend naher Nähe zur Flamme überwacht werden, um zu ermöglichen, dass die Anwesenheit der Flamme detektiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Flammenabfühlsystem konfiguriert sein, um eine Veränderungsrate des Zustandes zu detektieren. Beispielsweise kann eine Temperatur in der Nähe der Stelle der Flamme, die mit einer vorbestimmten Rate zunimmt, anzeigen, dass eine Flamme entzündet ist und die Zunahme verursacht.
Zusätzlich zum Flammensensor 60 oder als eine Alternative dazu kann der stromaufwärts liegende Temperatursensor 50 stromaufwärts der Brenneranordnung 30 angeordnet sein. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann das Flammenabfühlsystem konfiguriert sein, um zu bestimmen, ob die stromaufwärts gelegene Abgastemperatur, die von dem stromabwärts gelegenen Temperatursensor 54 gemessen wird, die stromaufwärts gelegene Abgastemperatur, die von dem stromaufwärts liegenden Temperatursensor 50 gemessen wird, um eine vorbestimmte Größe überschreitet. Eine beträchtlich höhere stromabwärts liegende Temperatur kann anzeigen, dass die Flamme entzündet ist, und somit Abgase aufheizt, wenn sie durch die Brenneranordnung 30 fließen.
Die Steuervorrichtung 32 kann eine Zeitsteuervorrichtung 64 aufweisen. Die Steuervorrichtung 32 kann konfiguriert sein, um Informationen von der Zeitsteuervorrichtung 64 mit Informationen von anderen Quellen zu koppeln. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 32 Informationen von der Zeitsteuervorrichtung 64 in Verbindung mit Informationen bezüglich des Betriebs des Motors 14 verwenden (beispielsweise vom Motordrehzahlsensor 62), um zu bestimmen, wie lang der Motor 14 betrieben wird. Die Zeitsteuervorrichtung 64 kann auch verwendet werden, um die Dauer der Regenerationsereignisse oder irgendwelcher anderer Betriebsparameter des Systems 16 und/oder der Maschine 10 zu überwachen und zu steuern.
Das System 16 kann konfiguriert sein, um ein oder mehrere zusätzliche Systemfunktionen und/oder Parameter zu steuern. Die Steuervorrichtung 32 kann konfiguriert sein, um den Druck des Brennstoffes zu steuern, der zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 geliefert wird (und daher die Rate bzw. Geschwindigkeit der Brennstoffeinspritzung). Ein Brennstoff-An/Aus-Ventil 66, welches durch die Steuervorrichtung 32 steuerbar sein kann, kann mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 assoziiert sein, um selektiv zu gestatten, dass Brennstoff zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 geliefert wird. Zusätzlich zu dem Brennstoff-An/Aus-Ventil 66 kann das System 16 auch ein Brennstoffdruckregelventil 68 aufweisen, welches durch die Steuervorrichtung 32 steuerbar ist, um den Druck des Brennstoffes zu regeln, und dadurch die Rate, mit der Brennstoff zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 geliefert wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuervorrichtung 32 konfiguriert sein, um den Druck des zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 gelieferten Brennstoffes in der Art einer Regelung (closed loop) zu steuern, d.h. ansprechend auf Druckmessungen, die bei oder nahe der Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 aufgenommen wurden (beispielsweise durch einen nicht gezeigten Brennstoffdrucksensor).
Die Steuervorrichtung 32 kann weiter konfiguriert sein, um das Brennstoff-An/Aus-Ventil 66 und/oder das Brennstoffdruckregelventil 68 (d.h. den Fluss des Brennstoffes zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34) ansprechend auf andere Parameter des Systems 16 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 32 konfiguriert sein, um die Temperatur der Abgase zu steuern, die in die Partikelfalle 19 eintreten, und zwar ansprechend auf die Rückkoppelung vom stromaufwärts liegenden Temperatursensor 50. Diese stromaufwärts liegende Abgastemperatur kann durch Regelung der Menge des Brennstoffes und/oder der Luft gesteuert werden, die zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 34 geliefert wird bzw. werden, was durch eine Steuerung des Brennstoff-An/Aus-Ventils 66 und/oder des Brennstoffdruckregelventils 68 erreicht werden kann. Andere Arten von Regenerationsvorrichtungen oder Regenerationsverfahren können ansprechend auf Messungen gesteuert werden, die von dem stromaufwärts liegenden Temperatursensor 50 aufgenommen wurden. Beispielsweise kann die Menge der Nacheinspritzung variiert werden (beispielsweise durch die Steuervorrichtung 32), um die Temperatur der Abgase zu steuern, die in irgendeine Art von Nachbehandlungsvorrichtung 18 eintreten.
Das System 16 kann mehrere Brennstoffdruckregelventile aufweisen, die unabhängig gesteuert werden können. Mindestens ein Brennstoffdruckregelventil 68 kann konfiguriert sein, um den Hauptbrennstoffdruck zu regeln, und ein zweites (nicht gezeigtes) Brennstoffdruckregelventil kann konfiguriert sein, um den Pilot- bzw. Vorbrennstoffdruck zu regeln. Der Pilot- bzw. Vorbrennstoffdruck kann während eines Pilot- bzw. Vorsteuerbetriebszustandes verwendet werden, indem das System 16 eine vorbestimmte Luft/Brennstoff-Mischung verwendet, um Flammenausfälle bzw. Flameouts während verschiedener Motorbetriebszustände zu verhindern, beispielsweise starke Beschleunigungen und schnelle Abbremsungen.
Andere Betriebsparameter des Systems 16 können überwacht werden, um die Steuerung des Regenerationsprozesses aufrechtzuerhalten und/oder zu optimieren. Beispielsweise kann der stromabwärts liegende Temperatursensor 54 detektieren, ob die stromabwärts liegende Abgastemperatur über einer vorbestimmten Temperatur ist. Wenn die stromabwärts liegenden Abgastemperaturen zu hoch werden, könnte dies eine Anzeige dessen sein, dass die Temperaturen innerhalb der Partikelfalle 19 auf einem unerwünscht hohen Niveau sein können, genauso wie und/oder dass die Regeneration in gewisser Weise instabil sein kann (beispielsweise eine Verbrennung der Partikelstoffe und/oder eine vom Katalysator angetriebene Reaktion kann sich innerhalb der Nachbehandlungsvorrichtung 18 über ein Niveau hinaus verstärken, welches von der Steuervorrichtung 32 angewiesen wurde).
Das System 16 kann auch konfiguriert sein, um die Stabilität des Regenerationsvorgangs durch Bestimmung einer Differenz zwischen der stromaufwärts liegenden Abgastemperatur, die von dem stromaufwärts liegenden Temperatursensor 50 gemessen wurde, und der stromabwärts liegenden Abgastemperatur zu überwachen, die von dem stromabwärts liegenden Temperatursensor 54 gemessen wurde. Wenn die von dem stromabwärts liegenden Temperatursensor 54 gemessene Temperatur jene, die von dem stromaufwärts liegenden Temperatursensor 50 gemessen wurde, um mehr als eine vorbestimmte Größe für mehr als eine vorbestimmte Zeitdauer überschreitet, kann die Steuervorrichtung 32 Schritte einleiten, um den Regenerationsvorgang zurückzuskalieren oder zu beenden. In einem solchen Fall kann die Steuervorrichtung 32 beispielsweise die Intensität der Flamme verringern, die durch die Brenneranordnung 30 erzeugt wird. In manchen Fällen kann die Steuervorrichtung 32 den Regenerationsvorgang beenden, wenn der Regenerationsvorgang signifikant instabil ist. Wenn beispielsweise die stromabwärts liegende Abgastemperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet, oder wenn sie die stromaufwärts liegende Abgastemperatur um mehr als eine vorbestimmte Größe überschreitet, dann kann die Steuervorrichtung 32 den Regenerationsvorgang beenden.
Die Steuervorrichtung 32 kann konfiguriert sein, um Fehler aufzuzeichnen, wenn die stromabwärts liegende Abgastemperatur eine vorbestimmte Temperatur überschreitet, oder wenn die stromabwärts liegende Abgastemperatur die stromaufwärts liegende Abgastemperatur um mehr als eine vorbestimmte Größe überschreitet. Die Steuervorrichtung 32 kann auch konfiguriert sein, um den Regenerationsvorgang zu beenden, wenn die Anzahl der Fehler einen vorbestimmten Wert erreicht (beispielsweise wenn drei Fehler aufgetreten sind).
Das System 16 kann eine Anzeige 70 aufweisen. Die Anzeige 70 kann an irgendeiner geeigneten Stelle an der Maschine 10 gelegen sein, wie beispielsweise in der Bedienerstation 11. Die Anzeige 70 kann irgendeine Art einer Anzeige sein, was Schirmanzeigen, wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren (CRTs = cathode ray tubes), Flüssigkristallanzeigen (LCDs = liquid crystal displays), Plasmabildschirme usw. mit einschließt. Die Anzeige 70 kann konfiguriert sein, um Informationen über die Betriebsparameter des Systems 16 anzuzeigen.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Anzeige 70 eine Warnanzeige bzw. einen Warnindikator 72 aufweisen (beispielsweise eine Warnlampe, eine Warnnachricht usw.). Die Steuervorrichtung 32 kann konfiguriert sein, um die Warnanzeige 72 beim Detektieren der vorbestimmten Menge an Fehlern zu beleuchten. Als eine Alternative oder zusätzlich zur Anzeige 70 kann das System 16 einen oder mehrere hörbare Alarme aufweisen, um Informationen über Betriebsparameter des Systems 16 an einen Bediener zu übermitteln. Zusätzlich zum Vorsehen einer sichtbaren Rückmeldung bezüglich der Betriebsparameter des Systems 16 kann die Anzeige 70 auch konfiguriert sein, um andere Informationen bezüglich des Systems 16 und/oder irgendeiner anderen Vorrichtung und/oder ein System anzuzeigen, die bzw. das mit der Maschine 10 assoziiert ist. Die Anzeige 70 kann auch konfiguriert sein, um anzuzeigen, wann ein Regenerationsereignis auftritt oder gerade davor ist aufzutreten. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzeige 70 konfiguriert sein, um Informationen bezüglich des Temperaturprofils anzuzeigen, welches für ein Regenerationsereignis verwendet wird.
Die Steuervorrichtung 32 kann konfiguriert sein, um den Betrieb des Heizsystems 26 während der Ausführung eines thermischen Regenerationsereignisses der Partikelfalle 19 zu steuern. Die Steuervorrichtung 32 kann dies tun, indem sie eine Reihe von Temperatursteigerungen gefolgt durch Temperaturhaltevorgänge ausführt. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 32 konfiguriert sein, um eine erste Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer ersten vorbestimmten Temperatur zu bewirken. Die Steuervorrichtung 32 kann auch konfiguriert sein, um einen ersten Temperaturhaltevorgang durch Halten der Temperatur der Partikelfalle auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer zu bewirken. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 32 konfiguriert sein, um zumindest eine zweite Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere zweite vorbestimmte Temperatur zu bewirken. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 32 konfiguriert sein, um zumindest einen zweiten Temperaturhaltevorgang durch Halten der Temperatur der Partikelfalle auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer zu bewirken.
Das System 16 kann konfiguriert sein, um mehr als zwei Temperatursteigerungen und mehr als zwei Temperaturhaltevorgänge während des Regenerationsereignisses auszuführen. Die Steuervorrichtung 32 kann weiter konfiguriert sein, um die Anzahl der Temperatursteigerungen während des Regenerationsereignisses, die Anzahl der Temperaturhaltevorgänge, die während des Regenerationsereignisses ausgeführt werden, und/oder die Gesamtdauer des Regenerationsereignisses zu steuern. Die Steuervorrichtung 32 kann auch konfiguriert sein, um die Rate der Temperatursteigerung während mindestens einer der Temperatursteigerungen und/oder die Dauer von mindestens einem der Temperaturhaltevorgänge zu steuern. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 32 konfiguriert sein, um den Betrieb des Heizsystems 26 basierend auf einer Rückkoppelung bzw. Rückmeldung von einer oder mehreren Abfühlvorrichtungen zu steuern, die konfiguriert sind, um einen oder mehrere Parameter zu überwachen. Solche Parameter können beispielsweise die Partikelansammlung in der Partikelfalle 19; einen oder mehrere Betriebsparameter des Systems 16 und/oder einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors 14 aufweisen.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Temperaturprofil 74 für ein Regenerationsereignis. Die in 3 veranschaulichten Temperaturen stellen Einlasstemperaturen dar (d.h. Temperaturen, die bei oder nahe dem Einlass in die Partikelfalle 19 aufgenommen wurden). Jedoch kann das vorliegende offenbarte System Temperaturmessungen von anderen Stellen verwenden, die die Temperatur der Partikelfalle 19 anzeigen. Beispielsweise können Temperaturmessungen innerhalb der Partikelfalle 19, stromabwärts der Partikelfalle 19 und/oder stromaufwärts der Partikelfalle 19 aufgenommen werden.
Das Temperaturprofil 74, so wie es in 3 veranschaulicht ist, kann für ein Regenerationsereignis von 780 Sekunden vorgesehen sein. Zum Beginn des Regenerationsereignisses kann die Einlasstemperatur ungefähr 100 Grad Celsius (°C) sein. Für ungefähr die ersten 20 Sekunden kann die Temperatur mit ungefähr 10°C/s (°C/s) gesteigert werden, was die Temperatur auf ungefähr 300°C bei der Markierung von 20 Sekunden anheben kann. Zwischen der Markierung bei 20 Sekunden und der Markierung bei 75 Sekunden kann die Rate der Temperaturzunahme ungefähr 5°C/s sein, was die Temperatur auf ungefähr 575°C anheben kann. Die Temperatur kann bei 575°C für ungefähr 205 Sekunden gehalten werden, und zwar bis zur Marke bei 280 Sekunden, wobei an diesem Punkt die Temperatur mit einer Rate von 0,2°C/s für weitere 275 Sekunden gesteigert werden kann, was die Temperatur auf bis zu ungefähr 630°C bei der Markierung von ungefähr 575 Sekunden bringen kann. Der nächste Temperaturhaltepunkt bzw. Temperaturhaltevorgang kann die Einlasstemperatur bei ungefähr 630°C für weitere 75 Sekunden halten, und zwar bis zur Markierung von 630 Sekunden, wo die Temperatur dann mit ungefähr 0,5°C/s gesteigert werden kann. Diese Rate der Zunahme kann für ungefähr 40 Sekunden beibehalten werden, was die Temperatur auf ungefähr 650°C bei der Markierung von 670 Sekunden bringen kann. Ein letztendlicher Temperaturhaltevorgang kann bei 650°C für ungefähr 110 Sekunden ausgeführt werden.
3 veranschaulicht konstante Raten der Temperaturzunahme, jedoch könnten als eine Alternative variierende Raten innerhalb des Umfangs des vorliegenden offenbarten Systems verwendet werden. Obwohl 3 eine geringfügige Veränderung der Rate der Temperaturzunahme an einem Übergangspunkt 76 bei ungefähr 20 Sekunden in dem Regenerationsereignis veranschaulicht, kann der Übergang zwischen diesen zwei Raten der Temperaturzunahme allmählicher sein (d.h., die Kurve kann gekrümmt sein). Als noch eine weitere Alternative kann das gesamte Profil zwischen den Temperaturhaltevorgängen (beispielsweise zwischen 0-75 Sekunden, 200-555 Sekunden und/oder 630-670 Sekunden) gekrümmt sein. In manchen Fällen kann eine solche Kurve einen konstanten Radius haben. In anderen Fällen kann eine solche Kurve einen variablen Radius haben (beispielsweise einen zunehmenden oder abnehmenden Radius). In einigen Ausführungsbeispielen können die Kurven hyperbolisch, logarithmisch oder in irgendeiner anderen Art einer nicht linearen Form sein.
Weiterhin können die „Temperaturhaltezeiten“ bzw. „Temperaturhaltevorgänge“ tatsächlich geringfügige Variationen der Temperatur der Partikelfalle 19 aufweisen. Beispielsweise kann eine sehr langsame Rate der Temperaturzunahme oder Temperaturabnahme (beispielsweise weniger als ungefähr 0,1 °C pro Sekunde) das gleiche Ergebnis erreichen, wie das Halten einer konstanten Temperatur (d.h. das Sicherstellen einer Stabilität des Verbrennungsprozesses während eines Regenerationsereignisses), und kann daher in den Umfang des Ausdruckes „Temperaturhaltevorgang“ fallen, wie dieser hier verwendet wird. Sobald die Temperatur der Partikelfalle 19 auf eine vorbestimmte Temperatur angehoben wurde, kann das Ausführen eines Temperaturhaltevorgangs aufweisen, die Temperatur auf der gleichen Temperatur zu halten oder die Temperatur geringfügig zu vergrößern oder zu verringern (beispielsweise um weniger als ungefähr 0,1 °C pro Sekunde). In ähnlicher Weise können die Raten der Temperaturzunahme geringfügig von jenen abweichen, die offenbart wurden. Die Dauer der Temperatursteigerungen und/oder die Dauer der Temperaturhaltezeiten bzw. Temperaturhaltevorgänge können geringfügig von jenen abweichen, die offenbart wurden. Weiterhin kann die Temperatur, bei der die Haltevorgänge ausgeführt werden, geringfügig innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung variieren.
Ein solches Rampen-Halte-Profil kann für unterschiedliche Größen oder Bauarten von Motoren und/oder Partikelfallen/Filtermedien zugeschnitten sein. Unterschiedliche Systeme können eine kürzere oder längere Version des gegenwärtig offenbarten Temperaturprofils verwenden. Beispielsweise kann ein Regenerationsereignis von 630 Sekunden nur die ersten 630 Sekunden des in 3 veranschaulichten Temperaturprofils verwenden. Alternativ kann das in 3 gezeigte Temperaturprofil so zusammengeschoben werden, dass das gesamte Profil in den 630 Sekunden vollendet wird, und zwar anstatt in 780 Sekunden, wie gezeigt. Ein solches Zusammenschieben kann durch Verkürzung der Dauer der Temperatursteigerungen (d.h. mit höheren Raten der Temperatursteigerung, durch eine Verkürzung der Dauer der Temperaturhaltezeiten bzw. Temperaturhaltevorgänge oder verschieden Kombinationen aus beiden erreicht werden).
Variationen des Temperaturprofils, die in 3 veranschaulicht sind, wie beispielsweise jene, die oben besprochen wurden, können bei dem System 16 verwendet werden. Solche Veränderungen können zu dem Zeitpunkt bestimmt werden, wo ein Regenerationsereignis ausgelöst wird, und können von der Menge der Partikel abhängen, die sich schätzungsweise oder gemessener Weise in dem Filtermedium angesammelt hat. Die Variationen des Temperaturprofils können automatisch durch das System 16 ausgeführt werden und/oder können manuell von einem Eigentümer, Bediener oder einer anderen Partei ausgeführt werden, die am Betrieb der Maschine 10 Interesse hat.
4 veranschaulicht ein zweites beispielhaftes Temperaturprofil 78 für ein Regenerationsereignis. Zu Beginn des Regenerationsereignisses kann die Einlasstemperatur auf ungefähr 200°C sein. Für ungefähr die ersten 100 Sekunden kann die Temperatur mit ungefähr 3,5°C/s gesteigert werden, was die Temperatur auf ungefähr 550°C bei der Markierung von 100 Sekunden steigern kann. Die Temperatur kann auf 550°C für ungefähr 180 Sekunden bis zur Markierung von 280 Sekunden gehalten werden, wobei an diesem Punkt die Temperatur mit einer Rate von ungefähr 1,5°C/s für ungefähr weitere 15 Sekunden gesteigert werden kann, was die Temperatur auf ungefähr 575°C bei der Markierung von 295 Sekunden bringen kann.
Der nächste Temperaturhaltevorgang kann die Einlasstemperatur auf ungefähr 575°C für ungefähr weitere 136 Sekunden halten, und zwar bis zur Markierung bei 431 Sekunden, wo die Temperatur dann mit ungefähr 0,5°C/s gesteigert werden kann. Diese Steigerungsrate kann für ungefähr 109 Sekunden gehalten werden, was die Temperatur auf ungefähr 630°C bei der Markierung von 540 Sekunden bringen kann. Die Temperatur kann dann auf 630°C für ungefähr 762 Sekunden gehalten werden, was das Verfahren zur Markierung bei 1302 Sekunden bringt.
Bei der Markierung von 1302 Sekunden kann ein Nachregenerationserholungsprozess beginnen. Der Erholungsprozess kann eine Temperaturverringerung aufweisen, wobei die Temperatur um ungefähr 1,75°C/s abfallen kann. Diese Temperaturverringerung kann für ungefähr 160 Sekunden gehalten werden, was die Temperatur auf ungefähr 350°C bei der Markierung von 1462 Sekunden herunterbringen kann. Ein Erholungstemperaturhaltevorgang 80 kann bei 350°C für ungefähr 81 Sekunden ausgeführt werden, und zwar ungefähr bis zur Markierung von 1543 Sekunden. Beginnend ungefähr bei der Markierung von 1543 Sekunden kann eine andere Temperaturverringerung ausgeführt werden, wobei die Temperatur mit einer Rate von 3,5°C/s abfallen kann. Diese Temperaturverringerung kann bis zur Markierung von 1586 Sekunden andauern, was die Temperatur zurück herunter auf ungefähr 200°C bringt.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem 16 kann geeignet sein, um die Abgasemissionssteuerung für Motoren zu verbessern. Das System 16 kann für irgendeine Anwendung eines Motors verwendet werden. Solche Anwendungen können das Liefern von Leistung für Maschinen, wie beispielsweise stationäre Einrichtungen, wie beispielsweise Leistungserzeugungssätze oder mobile Einrichtungen mit einschließen, wie beispielsweise Fahrzeuge. Das offenbarte System kann für irgendeine Art eines Fahrzeugs verwendet werden, wie beispielsweise Automobile, Baumaschinen (einschließlich jenen für den Straßeneinsatz genauso wie für den Geländeeinsatz) und andere schwere Maschinen.
Um nicht steuerbare Rußoxydationsreaktionen zu verhindern, kann das gegenwärtig offenbarte System eine allmähliche inkrementelle Temperaturzunahmesteuerstrategie zur Regeneration einsetzen (eine „Rampen-Halte-Strategie“). Durch Einsatz einer Rampen-Halte-Strategie kann das offenbarte System die Einleitung von zu viel Wärme in zu schneller Weise in die Partikelfalle vermeiden. Zusätzlich zu vorsichtig ausgewählten Temperaturzunahmeraten setzt die offenbarte Strategie auch Temperaturhaltevorgänge für verschiedene Zeitdauern ein, was gestatten kann, dass die Rußoxydationsreaktion sich manchmal nach den Temperatursteigerungen stabilisiert.
Die offenbarte Strategie kann verschiedene Raten der Temperatursteigerung einsetzen. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Strategie ziemlich schnelle Temperatursteigerungen am Beginn des Regenerationsereignisses aufweisen, um die Temperatur der Partikelfalle näher an einen Temperaturbereich zu bringen, der für die Rußoxydation besser geeignet ist. Weniger aggressive Temperatursteigerungen können zur Mitte des Regenerationsereignisses hin eingerichtet werden, wenn die Temperatur sich dem zuvor erwähnten Bereich nähert und in diesem bleibt. Schließlich können schnellere Temperatursteigerungen eingesetzt werden, in einigen Fällen für kürzere Zeitdauern, wenn das Regenerationsereignis sich seinem Ende nähert. Nahe dem Ende des Regenerationsereignisses wird die Menge der Partikelstoffe in der Partikelfalle beträchtlich verringert worden sein und die Möglichkeit, dass die Rußoxydation instabil wird, wird daher entsprechend verringert worden sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Rate der Temperaturabnahme („Erholung“) am Ende eines Regenerationsereignisses gesteuert werden, wie in 4 veranschaulicht. Anstatt zu gestatten, dass die Temperatur der Partikelfalle 19 mit einer natürlichen Rate abfällt, kann das Heizsystem 26 verwendet werden, um die Rate der Temperaturabnahme zu verlangsamen und/oder einen Erholungstemperaturhaltevorgang 78 auszuführen, wie in 4 gezeigt.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das System konfiguriert sein, um die Regenerationsvorrichtung 28 zu aktivieren, wenn mehr als ein Auslösezustand erfüllt ist. Beispielsweise kann das System warten, bis sowohl eine Partikelbelastungsschwelle als auch ein zeitbasierter Auslösezustand erfüllt worden sind, bevor ein Regenerationsereignis eingeleitet wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann das System konfiguriert sein, um ein Regenerationsereignis einzuleiten, wenn der erste von einer Vielzahl von möglichen Auslösezuständen erfüllt ist.
Das Folgende ist eine Beschreibung eines beispielhaften Systems, welches konfiguriert ist, um ein Regenerationsereignis einzuleiten, wenn der erste von einer Vielzahl von möglichen Auslösezuständen erfüllt ist. In einem solchen System kann beispielsweise ein einfacher Zeitauslöser (beispielsweise eine Motorbetriebszeit) die äußerste Zuverlässigkeit bieten, dass keine physischen Charakteristiken abgefühlt werden müssen, um einen solchen Auslösezustand zu überwachen. Jedoch kann abhängig von anderen Faktoren die Partikelbelastung in der Partikelfalle 19 ein Niveau erreichen, welches eine Regeneration zu einem früheren Zeitpunkt empfiehlt, als das Intervall, bei dem der Zeitauslöser eingestellt ist. Um einen Schaden zu verhindern, der aus einer solchen Situation resultieren könnte, kann ein Rückdruck- oder Druckdifferenzauslöser konfiguriert sein, um vergleichsweise höherer Niveaus der Partikelbelastung bzw. des Partikeleintrags zu überwachen. In solchen Fällen, wo die Partikelbelastung vorzeitig ein hohes Niveau erreicht hat, kann somit ein Rückdruck- oder Druckdifferenzauslöser die Regeneration auslösen, um einer übermäßig starken Partikelbelastung auch Abhilfe zu schaffen, bevor ein Zeitauslöserzustand erfüllt ist.
Wenn, egal aus welchem Grund, die Partikelbelastung vorzeitig ein hohes Niveau erreicht hat, jedoch keine beträchtliche Steigerung des Rückdruckes verursacht hat, kann ein Überwachungssystem für die tatsächliche Partikelbelastung die tatsächliche Menge an Partikelstoffen detektieren, die in dem Filtermedium 24 angesammelt ist. Das heißt, das System 16 kann in einigen Ausführungsbeispielen darauf konfiguriert sein, die Menge der Partikel zu messen, die sich in der Partikelfalle 19 angesammelt haben, und kann ein Regenerationsereignis einleiten, wenn die in der Partikelfalle 19 angesammelte Partikelmenge über einem vorbestimmten Schwellenniveau ist.
Wenn jedoch weder der Rückdruckauslöser noch das Partikelbelastungsüberwachungssystem erfolgreich eine übermäßig starke Partikelbelastung unter einem gegebenen Umstand detektieren, dann kann der Zeitauslöser dazu dienen, sicherzustellen, dass eine Regeneration in relativ konservativen Intervallen auftritt. Weiterhin kann die Regeneration manuell ausgelöst werden, falls, egal aus welchem Grund, bestimmt wird, dass keine anderen Auslösebedingungen erfüllt sind, jedoch ein Bediener, Eigentümer, Servicetechniker usw. basierend auf seinen Beobachtungen der Meinung ist, dass eine Regeneration angebracht sei.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Regeneration der Partikelfalle 19 kann das Ausführen eines thermischen Regenerationsereignisses aufweisen. Das Ausführen des thermischen Regenerationsereignisses kann aufweisen, eine erste Temperatursteigerung der Partikelfalle mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer ersten vorbestimmten Temperatur auszuführen, und einen ersten Temperaturhaltevorgang durch Halten der Temperatur der Partikelfalle 19 auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer auszuführen. Das Ausführen des thermischen Regenerationsereignisses kann auch aufweisen, zumindest eine zweite Temperatursteigerung der Partikelfalle 19 mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere zweite vorbestimmte Temperatur auszuführen und zumindest einen zweiten Temperaturhaltevorgang durch Halten der Temperatur der Partikelfalle 19 auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer auszuführen.
Ein solches Verfahren kann weiter aufweisen, mehr als zwei Temperatursteigerungen und/oder mehr als zwei Temperaturhaltevorgänge bzw. Temperaturhaltezeiten während des Regenerationsereignisses auszuführen. Das Verfahren kann aufweisen, zumindest eine der folgenden Größen zu steuern: die Anzahl der Temperatursteigerungen während des Regenerationsereignisses; die Anzahl der Temperaturhaltevorgänge bzw. Temperaturhaltezeiten, die während des Regenerationsereignisses ausgeführt werden; und/oder die Gesamtdauer des Regenerationsereignisses. Zusätzlich kann das Verfahren aufweisen, die Rate der Temperatursteigerung während zumindest einer der Temperatursteigerungen und/oder die Dauer von mindestens einem der Temperaturhaltevorgänge zu steuern.
Das Verfahren kann auch aufweisen, den Betrieb des Heizsystems 26 basierend auf einer Rückmeldung bzw. Rückkoppelung von einer oder mehreren Abfühlvorrichtungen zu steuern, die konfiguriert sind, um zumindest eine der folgenden Größen zu überwachen: die Partikelansammlung in der Partikelfalle 19; einen oder mehrere Betriebsparameter des Systems 16; und einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors 14.
Die Temperatursteigerungen können durch Aufbringen von Wärme auf die Partikelfalle 19 und/oder durch Aufheizung von Abgasen stromaufwärts der Partikelfalle 19 oder durch andere bekannte Verfahren ausgeführt werden. Beispielsweise können die Temperatursteigerungen durch die Brenneranordnung 30 bewirkt werden, die, wie genauer oben besprochen wurde, konfiguriert sein kann, um die Temperatur der Partikelfalle 19 und/oder der Abgase stromaufwärts der Partikelfalle 19 zu vergrößern. Alternativ können die Temperatursteigerungen durch Steuerung der Temperatur des Abgases bewirkt werden, welches zur Partikelfalle 19 geliefert wird. Die Steuerung der Temperatur des Abgases, welches zur Partikelfalle 19 geliefert wird, kann durch Steuerung von einem oder mehreren Betriebsparametern des Motors 14 ausgeführt werden, um dadurch die Temperatur des vom Motor 14 erzeugten Abgases zu steuern. Solche Betriebsparameter können das Luft/Brennstoff-Verhältnis, die Motordrehzahl, die Zeitsteuerung und/oder die Auslassventilbetätigung usw. aufweisen.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Partikelfallenregenerationstemperatusteuersystem vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystem (16), welches Folgendes aufweist: eine Partikelfalle (19), die konfiguriert ist, eine oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus einem Abgasfluss eines Motors (14) zu entfernen; ein Heizsystem (26), welches konfiguriert ist, die Temperatur der Partikelfalle (19) zu steigern; eine Steuervorrichtung (32), die konfiguriert ist, den Betrieb des Heizsystems (26) während der Ausführung eines thermischen Regenerationsereignisses der Partikelfalle (19) zu steuern, und zwar durch: ausgehend von einer Betriebstemperatur der Partikelfalle (19), Bewirken einer ersten Temperatursteigerung der Partikelfalle (19) mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer ersten vorbestimmten Temperatur über der Betriebstemperatur; Bewirken eines ersten Temperaturhaltevorgangs durch Halten der Temperatur der Partikelfalle (19) auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer; ausgehend von der ersten vorbestimmten Temperatur, Bewirken einer zweiten Temperatursteigerung der Partikelfalle (19) mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere zweite vorbestimmte Temperatur; und Bewirken eines zweiten Temperaturhaltevorgangs durch Halten der Temperatur der Partikelfalle (19) auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer; wobei das System (16) konfiguriert ist, mehr als zwei Temperatursteigerungen und mehr als zwei Temperaturhaltevorgänge während des Regenerationsereignisses auszuführen.
System (16) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (32) weiter konfiguriert ist, mindestens eine der folgende Größen zu steuern; die Anzahl der Temperatursteigerungen während des Regenerationsereignisses; die Anzahl der Temperaturhaltevorgänge, die während des Regenerationsereignisses ausgeführt werden; und die Gesamtdauer des Regenerationsereignisses.
System (16) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (32) weiter konfiguriert ist, die Rate der Temperatursteigerung während mindestens einer der Temperatursteigerungen und/oder die Dauer von mindestens einem der Temperaturhaltevorgänge zu steuern.
System (16) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (32) weiter konfiguriert ist, den Betrieb des Heizsystems (26) basierend auf einer Rückmeldung von einer oder mehreren Abfühlvorrichtungen zu steuern, die konfiguriert sind, mindestens eine der folgenden Größen zu überwachen: eine Partikelansammlung in der Partikelfalle (19); einen oder mehrere Betriebsparameter des Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystems (16); und einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors (14).
Verfahren zur Regeneration einer Partikelfalle (19), die konfiguriert ist, eine oder mehrere Arten von Partikelstoffen aus einem Abgasfluss eines Motors (14) zu entfernen, welches Folgendes aufweist: Ausführen eines thermischen Regenerationsereignisses, welches Folgendes aufweist: ausgehend von einer Betriebstemperatur, Ausführen einer ersten Temperatursteigerung der Partikelfalle (19) mit einer vorbestimmten Rate bis zu einer ersten vorbestimmten Temperatur über der Betriebstemperatur; Ausführen eines ersten Temperaturhaltevorgangs durch Halten der Temperatur der Partikelfalle (19) auf der ersten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer; ausgehend von der ersten vorbestimmten Temperatur, Ausführen einer zweiten Temperatursteigerung der Partikelfalle (19) mit einer vorbestimmten Rate auf eine höhere zweite vorbestimmte Temperatur; und Ausführen eines zweiten Temperaturhaltevorgangs durch Halten der Temperatur der Partikelfalle (19) auf der zweiten vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer; wobei das Verfahren weiter aufweist, mehr als zwei Temperatursteigerungen und mehr als zwei Temperaturhaltevorgänge während des Regenerationsereignisses auszuführen.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter aufweist, zumindest eine der folgenden Größen zu steuern: die Anzahl der Temperatursteigerungen während des Regenerationsereignisses; die Anzahl der Temperaturhaltevorgänge, die während des Regenerationsereignisses ausgeführt werden; und die Gesamtdauer des Regenerationsereignisses.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter aufweist, die Rate der Temperatursteigerung während mindestens einer der Temperatursteigerungen und/oder die Dauer von mindestens einem der Temperaturhaltevorgänge zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter aufweist, den Betrieb eines Heizsystems (26) basierend auf der Rückmeldung von einer oder mehreren Abfühlvorrichtungen zu steuern, die konfiguriert sind, mindestens eine der folgenden Größen zu überwachen: eine Partikelansammlung in der Partikelfalle (19); einen oder mehrere Betriebsparameter eines Partikelfallenregenerationstemperatursteuersystems (16); und einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors (14).