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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Partikelfiltersysteme und
bezieht sich insbesondere auf Partikelfilterregeneration.
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Beschreibung der verwandten
Technik
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Partikelemissionsstandards,
die von der Umweltschutzagentur (EPA – Environmental Protection Agency)
festgelegt werden, verlangen, dass alle Stadtbusse und schweren
Lastwagen weniger als 0,1 g/PS-Std. Partikelsubstanz ausstoßen. Partikel
sind von der EPA definiert als jede Substanz außer Kondenswasser im Abgas
eines Verbrennungsmotors, die durch einen Standardfilter nach Verdünnung mit Umgebungsluft
bei einer Temperatur von 125°F
(ca. 51,7°C)
aufgefangen werden kann. In dieser Definition enthalten sind agglomerierte
Kohlenstoffpartikel, absorbierte Kohlenwasserstoffe, einschließlich bekannter
Karzinogene, und Sulfate.
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Diese
Partikel weisen eine sehr geringe Größe auf, wobei der mediane Massendurchmesser 0,5–1 Mikrometer
beträgt,
und haben eine sehr geringe Rohdichte. Im Laufe der Lebensdauer
eines durchschnittlichen Fahrzeugs werden pro 100.000 Meilen (ca.
170.000 km) Motorbetrieb etwa 20 Kubikfuß (ca. 566 l) Partikelsubstanz
ausgestoßen,
die zurückgehalten
werden müssen.
Dies entspricht etwa 100 Pfund (ca. 45 kg) oder mehr Partikelsubstanz,
je nach Fahrzeugtyp. Es ist klar, dass diese Partikelsubstanz nicht
im Fahrzeug gelagert werden kann, da ein Pfund Partikel ein Volumen
von ca. 350 Kubikzoll (ca. 5,7 l) einnimmt. Deshalb besteht Bedarf
an einem Filtrierungssystem, das diese Partikel sowohl effizient als
auch zuverlässig
aus der Abgasemission dieser Fahrzeuge entfernt.
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Eine
solche Lösung
besteht in einer elektrischen Heizvorrichtung und einem Katalysatorbett. Bei
normalen Fahrbedingungen strömt
Abgas aus einem Verbrennungsmotor durch einen äußeren Durchlass und strömt weiter
durch einen Filter, der am Ende des Systems positioniert ist, wobei
ein Teil der Partikelsubstanz im Abgas zurückgehalten wird und der Rest
in die Atmosphäre
freigesetzt wird. Wenn das System erfasst, dass eine ausreichende Menge
an Partikeln aufgefangen wurde, wird ein Teil des Abgasstroms so
geleitet, dass derselbe durch einen inneren Durchfluss und durch
eine elektrische Heizvorrichtung und ein Katalysatorbett strömt. Das Katalysatorbett
ist mit einer Ansaugvorrichtung ausgestattet, die Treibstoff mit
dem Abgasstrom vermischt, um die Temperatur des Katalysatorbetts
auf etwa 1200°F
(ca. 650°C)
zu erhöhen.
Diese Temperatur reicht aus, um zu bewirken, dass die in dem Filter
zurückgehaltenen
Kohlenstoffpartikel zu brennen anfangen. Nach Abschluss dieses Verbrennungszyklus
werden die Abgase wieder durch den äußeren Durchlass geleitet. Es
sei darauf hingewiesen, dass der überschüssige Abgasstrom während des
Verbrennungszyklus direkt in die Atmosphäre abgegeben wird. Dadurch
dass das Katalysatorbett zwischen dem wiederaufzubereitenden Filter
und der Treibstoffzufuhr positioniert ist, ist das Katalysatorbett
direkt dem angesaugten Treibstoff und extrem hohen Temperaturen
ausgesetzt. Dies kann zur störenden
Bildung von Sulfaten und möglicherweise zum
Ausbrennen des Katalysators führen,
was teure Reparaturen nach sich zieht oder das Auswechseln des gesamten
Systems erfordert.
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Eine
weitere Lösung
besteht darin, einen Katalysator einer Partikelrückhaltevorrichtung vorgelagert
zu positionieren und den Katalysator direkt angesaugtem Treibstoff
auszusetzen. Dieser Treibstoff wird mit einem Teil der Abgase kombiniert
und durch den Katalysator ausgebreitet und auf eine Temperatur von
600°C aufgeheizt.
Diese erhitzte Mischung wird dann durch die Partikelrückhaltevorrichtung
geleitet, um die darin zurückgehaltene
Partikelsubstanz zu oxidieren. Wieder können sich dadurch, dass der Katalysator
dem angesaugten Treibstoff und den hohen Temperaturen ausgesetzt
ist, unerwünschte
Sulfate darauf bilden, und es kann möglicherweise zum Ausbrennen
des Katalysators kommen.
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Ein
weiterer Versuch, ausgestoßene
Partikel in einer Partikelrückhaltevorrichtung
und einem System zur Regeneration der Partikelrückhaltevorrichtung aufzufangen,
umfasst eine Partikelrückhaltevorrichtung,
die in einem Abgasstrom positioniert ist, und zwar einer Dieseltreibstoffverbrennungsvorrichtung nachgeschaltet,
die zum Zweck des Wiederaufbereitens der Partikelrückhaltevorrichtung
verwendet wird. Während
des normalen Betriebs werden Motorabgase durch die Partikelrückhaltevorrichtung
zu einem Schalldämpfer,
der dieser nachgeschaltet ist, geleitet und dann in die Atmosphäre freigesetzt.
Wenn durch das Steuersystem ein ausreichender Druckanstieg erfasst
wird, beginnt der Regenerationszyklus. Dann werden die Abgase durch
die Umgehungsleitung und durch den Schalldämpfer geleitet und in die Atmosphäre ausgestoßen. Dieseltreibstoff
wird in der Dieseltreibstoffverbrennungsvorrichtung angesaugt, um
eine Treibstoff-Luft-Mischung zu bilden, die ansprechend auf die
von dem Steuersystem erfasste Bedingung durch eine Zündkerze
entzündet
wird. Die brennende Mischung wird auf einer Temperatur zwischen
1200°F und
1400°F (ca.
650–760°C) gehalten, um
die in der Rückhaltevorrichtung zurückgehaltenen
Partikel gründlich
zu oxidieren. Die Mischung und die Partikel entfernen sich aus der
Rückhaltevorrichtung
und werden dann ebenfalls in die Atmosphäre ausgestoßen. Dabei werden diese Partikel
zusammen mit den Abgasen, die während
des Regenerationszyklus ausgestoßen werden, ohne weitere Behandlung
direkt in die Atmosphäre
abgegeben. Diese unbehandelten Emissionen können zu nachweisbaren Partikeln,
die die EPA-Standards überschreiten, führen.
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Wie
aus den obigen Ausführungen
deutlich wird, besteht ein dringender Bedarf an einer Abgaspartikelrückhaltevorrichtung
und einem Regenerationssystem, die beide die Menge emittierter Partikel von
Dieselmotorabgasen erheblich und zuverlässig reduzieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde entwickelt als Reaktion auf den derzeitigen
Stand der Technik und insbesondere als Reaktion auf die Probleme
und Erfordernisse in der Technik, die durch derzeit verfügbare Partikelfilterregenerationssysteme
noch nicht vollständig
gelöst
wurden. Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung entwickelt,
um eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Partikelfilterregeneration
zu schaffen, die viele oder alle der im Vorhergehenden erörterten
Mängel
in der Technik beseitigen.
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Die
Vorrichtung zur Regeneration von Partikelfiltern ist mit einer Logikeinheit
ausgestattet, die eine Mehrzahl von Modulen enthält, die konfiguriert sind,
um die notwendigen Schritte einer Partikelfilterregeneration funktionell
auszuführen.
Diese Module umfassen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen einen Hauptabgaskanal,
der konfiguriert ist, um Abgase von einem Motor weg zu leiten, und
einen Umgehungsabgaskanal, der mit dem Hauptabgaskanal gekoppelt
ist und konfiguriert ist, um Abgase von dem Hauptabgaskanal weg
zu leiten und nachfolgend die Abgase wieder in den Hauptabgaskanal
einzuführen,
bevor die Abgase durch einen Partikelfilter strömen.
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Die
Vorrichtung kann auch eine Verbrennungsvorrichtung umfassen, die
mit einer inneren Oberfläche
des Umgehungsabgaskanals gekoppelt ist und konfiguriert ist, um
die Abgase zu entzünden und
die Temperatur der Abgase zu erhöhen,
und wobei der Partikelfilter in den Hauptabgaskanal integriert ist
und dem Umgehungsabgaskanal nachgeschaltet positioniert ist. Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorrichtung ein Regenerationsmodul, das konfiguriert
ist, um eine Mehrzahl von Abgasvariablen zu überwachen und ansprechend auf die
Mehrzahl von Abgasvariablen selektiv einen Teil der Abgase durch
den Umgehungsabgaskanal umzuleiten.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel weist
die Vorrichtung ferner ein Ventil auf, das sich in Kommunikation
mit dem Regenerationsmodul befindet und konfiguriert ist, um ansprechend
auf einen Befehl von dem Regenerationsmodul einen Teil der Abgase
durch den Umgehungsabgaskanal zu leiten. Das Regenerationsmodul
kann konfiguriert sein, um dem Ventil den Befehl zu geben, Abgase
in der Größenordnung
zwischen etwa 5 und 25 Prozent durch den Umgehungsabgaskanal zu
leiten.
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Die
Verbrennungsvorrichtung kann konfiguriert sein, um die Temperatur
der Abgase auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhöhen, und
die Differenz zwischen einer Anfangstemperatur der Abgase und einer
Temperatur nach der Verbrennungsvorrichtung liegt in der Größenordnung
zwischen etwa 100 und 400 Grad Celsius. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorrichtung eine Einspritzvorrichtung, die konfiguriert
ist, um nicht entzündeten
Treibstoff in die Umgehungsabgaskammer einzuspritzen. Bei einem
weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Abgasvariablen aus einer Gruppe ausgewählt, die Temperatur, Druck,
Sauerstoffgehalt, Stickoxidgehalt und Durchfluss umfasst.
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Ein
System der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls präsentiert,
um Partikelfilter wiederaufzubereiten. Insbesondere umfasst das
System bei einem Ausführungsbeispiel
ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor aufweist, der mit einem
Getriebe gekoppelt ist, einen Hauptabgaskanal, der konfiguriert
ist, um Abgase von dem Verbrennungsmotor weg zu leiten, und einen
Umgehungsabgaskanal, der mit dem Hauptabgaskanal gekoppelt ist und
konfiguriert ist, um Abgase von dem Hauptabgaskanal weg zu leiten
und nachfolgend die Abgase wieder in den Hauptabgaskanal einzuführen.
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Das
System umfasst auch eine Verbrennungsvorrichtung, die mit einer
inneren Oberfläche des
Umgehungsabgaskanals gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die
Abgase zu entzünden
und nachfolgend die Temperatur der Abgase zu erhöhen, und einen Partikelfilter,
der in den Hauptabgaskanal integriert ist und dem Umgehungsabgaskanal
nachgeschaltet positioniert ist, wobei der Partikelfilter konfiguriert
ist, um Partikel aus den Abgasen zu entfernen. Bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel
umfasst das System ein Regenerationsmodul, das konfiguriert ist,
um eine Mehrzahl von Abgasvariablen zu überwachen und ansprechend auf
die Mehrzahl von Abgasvariablen selektiv einen Teil der Abgase durch den
Umgehungsabgaskanal umzuleiten.
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Ein
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls zur Partikelfilterregeneration
präsentiert.
Das Verfahren umfasst bei den offenbarten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen
die Schritte, die nötig
sind, um die Funktionen auszuführen,
die im Vorhergehenden mit Bezug auf den Betrieb der Vorrichtung
und des Systems, die beschrieben sind, dargestellt wurden. Bei einem
Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren ein Leiten von Abgasen weg von einem Verbrennungsmotor,
ein Leiten von Abgasen weg von einem Hauptabgaskanal und ein nachfolgendes
Wiedereinführen
der Abgase in den Hauptabgaskanal.
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Das
Verfahren kann auch ein Entzünden
der Abgase, ein nachfolgendes Erhöhen der Temperatur der Abgase,
ein Entfernen von Partikeln aus den Abgasen und ein Überwachen
einer Mehrzahl von Abgasvariablen und ein selektives Umleiten eines
Teils der Abgase durch einen Umgehungsabgaskanal ansprechend auf
die Mehrzahl von Abgasvariablen umfassen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren ein Leiten eines Teils der Abgase durch den
Umgehungsabgaskanal ansprechend auf einen Befehl von einem Regenerationsmodul.
Das Verfahren kann auch ein Erhöhen
der Temperatur der Abgase auf eine vorbestimmte Temperatur und ein Einspritzen
von nicht entzündetem
Treibstoff in die Umgehungsabgaskammer umfassen.
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Eine
Bezugnahme in dieser Beschreibung auf Merkmale, Vorteile oder ähnliche
Ausdrucksweisen impliziert nicht, dass alle Merkmale und Vorteile, die
mit der vorliegenden Erfindung realisiert werden können, sich
in einem einzigen Ausführungsbeispiel der
Erfindung finden sollten oder zu finden sind. Stattdessen sollen
Ausdrucksweisen, die sich auf die Merkmale und Vorteile beziehen,
bedeuten, dass ein spezifisches Merkmal, ein spezifischer Vorteil
oder eine spezifische Charakteristik, die in Verbindung mit einem
Ausführungsbeispiel
beschrieben sind, in zumindest einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
enthalten ist. Somit können
sich eine Erörterung
der Merkmale und Vorteile und ähnliche
Ausdrucksweisen in dieser Beschreibung auf das gleiche Ausführungsbeispiel
beziehen, müssen
aber nicht.
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Außerdem können die
beschriebenen Merkmale, Vorteile und Charakteristika der Erfindung
auf jede beliebige geeignete Weise in einem oder mehr Ausführungsbeispielen
kombiniert werden. Ein Fachmann in der relevanten Technik wird erkennen,
dass die Erfindung praktiziert werden kann, obwohl ein oder mehr
spezifische Merkmale oder Vorteile eines bestimmten Ausführungsbeispiels
fehlen. In anderen Fällen
können
bei bestimmten Ausführungsbeispielen
zusätzliche
Merkmale und Vorteile erkannt werden, die eventuell nicht bei allen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung vorhanden sind.
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Diese
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen deutlicher oder können bei
der Praktizierung der Erfindung, wie sie im Folgenden dargelegt
ist, erfahren werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Damit
die Vorteile der Erfindung gut zu verstehen sind, wird eine genauere
Beschreibung der im Vorhergehenden kurz beschriebenen Erfindung
unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele gegeben, die
in den angehängten
Zeichnungen dargestellt sind. Mit Hinweis darauf, dass diese Zeichnungen
nur typische Ausführungsbeispiele
der Erfindung darstellen und deshalb nicht als Einschränkung ihres Schutzbereichs
zu betrachten sind, wird die Erfindung unter Verwendung der beiliegenden
Zeichnungen genauer und detaillierter beschrieben und erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs
darstellt, das ein Partikelfilterregenerationssystem aufweist;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems
zur Partikelfilterregeneration gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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3 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems
zur Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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4 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems
zur Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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5 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Systems
zur Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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6 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Systems
zur Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt; und
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7 ein
schematisches Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 700 zur
Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Viele
der in dieser Beschreibung beschriebenen funktionellen Einheiten
werden als Module bezeichnet, um ihre Implementierungsunabhängigkeit besonders
hervorzuheben. Zum Beispiel kann ein Modul als eine Hardware-Schaltung
implementiert sein, die kundenspezifische VLSI-Schaltungen oder Gate-Arrays,
serienmäßige Halbleiter,
wie z. B. Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Komponenten
aufweist. Ein Modul kann auch in programmierbaren Hardware-Vorrichtungen
implementiert sein, wie z. B. feldprogrammierbare Gate-Arrays, programmierbare
Array-Logik, programmierbare Logikvorrichtungen oder dergleichen.
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Module
können
auch in Software zur Ausführung
durch verschiedene Prozessortypen implementiert sein. Ein identifiziertes
Modul ausführbaren
Codes kann z. B. ein oder mehr physikalische oder logische Blöcke von
Computeranweisungen aufweisen, die z. B. als ein Objekt, eine Prozedur
oder eine Funktion organisiert sein können. Trotzdem müssen die
ausführbaren
Elemente eines identifizierten Moduls nicht physisch zusammen angeordnet
sein, sondern können
unterschiedliche Anweisungen aufweisen, die an unterschiedlichen
Orten gespeichert sind und die, wenn dieselben logisch miteinander
verbunden werden, das Modul darstellen und den angegebenen Zweck
für das
Modul erfüllen.
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Tatsächlich kann
es sich bei einem Modul ausführbaren
Codes um eine einzige Anweisung oder viele Anweisungen handeln,
oder dasselbe kann sogar über
mehrere unterschiedliche Codesegmente, über verschiedene Programme
und über mehrere
Speichervorrichtungen verteilt sein. Auf ähnliche Weise können Betriebsdaten
hier in Modulen identifiziert und dargestellt sein, und dieselben können in
jeder beliebigen geeigneten Form ausgeführt und in jedem beliebigen
geeigneten Datenstrukturtyp organisiert sein. Die Betriebsdaten
können
als ein einziger Datensatz gesammelt sein, oder dieselben können über verschiedene
Orte, einschließlich über verschiedene
Speichervorrichtungen, verteilt sein, und dieselben können zumindest
teilweise lediglich als elektronische Signale in einem System oder
Netzwerk existieren.
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In
dieser Beschreibung bedeutet eine Bezugnahme auf „ein Ausführungsbeispiel" oder eine ähnliche
Ausdrucksweise, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur
oder eine bestimmte Charakteristik, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
beschrieben sind, in zumindest einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung enthalten ist. Somit kann sich ein Auftreten des Ausdrucks „in einem
Ausführungsbeispiel" und ähnlicher
Ausdrucksweisen in dieser Beschreibung immer auf das gleiche Ausführungsbeispiel
beziehen, dies muss aber nicht der Fall sein.
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Die
Bezugnahme auf ein signaltragendes Medium kann jede beliebige Form
annehmen, die in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, die Erzeugung eines
Signals zu bewirken oder die Ausführung eines Programms von maschinenlesbaren
Anweisungen in einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung zu bewirken. Ein
signaltragendes Medium kann als eine Übertragungsleitung, eine Compact
Disk, eine Digitale Video-Disk, ein Magnetband, ein Bernoulli-Laufwerk, eine
Magnetplatte, eine Lochkarte, ein Flash-Speicher, integrierte Schaltungen
oder eine andere Speichervorrichtung einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung
ausgeführt
sein.
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Außerdem können die
beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika der Erfindung auf
jede beliebige geeignete Weise in einem oder mehr Ausführungsbeispielen
kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche
spezifische Details geliefert, wie z. B. Beispiele für Programmierung,
Software-Module, Benutzerauswahl, Netzwerktransaktionen, Datenbankabfragen,
Datenbankstrukturen, Hardware-Module, Hardware-Schaltungen, Hardware-Chips
usw., um ein gründliches Verständnis von
Ausführungsbeispielen
der Erfindung zu ermöglichen.
Ein Fachmann in der relevanten Technik wird jedoch erkennen, dass
die Erfindung auch ohne eines oder mehr der spezifischen Details oder
mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. praktiziert
werden kann. In anderen Fällen sind
hinreichend bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht
im Detail gezeigt oder beschrieben, um zu verhindern, dass Aspekte
der Erfindung unklar werden.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems
zur Partikelfilterregeneration zeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel
weist das System ein Fahrzeug 100 auf. Bei dem Fahrzeug 100 kann
es sich um ein Auto, einen LKW, einen Bus oder eine andere Art von
mittels Verbrennung angetriebenem Fahrzeug handeln. Das Fahrzeug 100 kann
einen Verbrennungsmotor 102 aufweisen, der mit einem Getriebe 104 gekoppelt
ist. Der Verbrennungsmotor 102 (im Folgenden „Motor 102") kann vom dieselgetriebenen
Viertakt-Typ mit Kompressionszündung
(Compression Ignition – CI) sein.
Alternativ dazu kann es sich bei dem Motor 102 um einen
anderen Motortyp handeln, wie z. B., jedoch nicht ausschließlich, dieselgetriebene
Zweitakt-Typen, ein Motortyp mit Funkenzündung (Spark Ignition – SI) oder
ein mit Gas oder Benzin betriebener Typ. Der Motor 102 zusammen
mit dem Getriebe 104 wird üblicherweise als „Antriebsstrang" bezeichnet.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
weist der Antriebsstrang 106 ferner ein Paar sich drehender
Antriebselemente in Form von sich mit dem Boden in Eingriff befindlichen
Rädern 108 auf.
Eine Ausgangswelle 110 des Motors 102 koppelt
den Motor 102 mit einem Drehmomentwandler 112 des
Getriebes 104. Das Getriebe kann ein Schaltgetriebe, ein
Automatikgetriebe oder ein automatisiertes Schaltgetriebe aufweisen.
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Eine
Antriebswelle 114 ist drehbar mit einer Gelenkwelle 116 des
Getriebes 104 gekoppelt und überträgt ein Drehmoment von dem Motor 102 auf die
Räder 108,
um das Fahrzeug voranzutreiben. Die vorliegende Beschreibung des
Antriebsstranges 106 ist auf die Hauptkomponenten des Antriebsstrangs 106 gerichtet,
wobei Standardkomponenten nicht speziell beschrieben sind, da die
Standardkomponenten Fachleuten bekannt sind.
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Der
Motor 102 umfasst bei einem Ausführungsbeispiel einen Ansaugkrümmer 118,
einen Abgaskrümmer 120,
einen Turbolader 122 und ein Abgassystem 124.
Abgase und Verbrennungsgase strömen
in der Regel in die Richtungen, die durch die Pfeile 126 angezeigt
sind. Wie es Fachleuten bekannt ist, werden Abgase vom Motor 112 in
den Abgaskrümmer 120 abgegeben
und durch den Turbolader 122 zu dem Abgassystem 124 getrieben.
Der Turbolader 122 verwendet den Strom von Abgasen dazu,
den Strom von Verbrennungsgasen durch den Ansaugkrümmer 118 zu
beschleunigen, um nachfolgend die Leistung des Motors 112 zu
steigern. Alternativ dazu kann es sein, dass das Fahrzeug 100 keinen
Turbolader 122 aufweist.
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Ein
Fahrer verwendet ein Gaspedal 128, ein Gangauswählmodul 130 und
eine Mehrzahl von Eingabevorrichtungen (nicht gezeigt), wie z. B.
ein Lenkrad, während
er das Fahrzeug 100 steuert. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist ein Motorsteuermodul (engine control module – ECM) 132 konfiguriert,
um Steuerdaten von der Mehrzahl von Eingabevorrichtungen, dem Gaspedal 128 und
dem Gangauswählmodul 130 zu
empfangen. Das ECM 132 kann auch konfiguriert sein, um
die Daten auszuwerten und Befehlssignale an den Motor 132 zu
senden. Ein Fachmann wird erkennen, dass das ECM 132 auch
in der Lage ist, einer Mehrzahl von Systemen, wie z. B. einem Treibstoffsystem,
Befehle zu geben.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das ECM 132 konfiguriert, um mit den verschiedenen
Systemen des Fahrzeugs 100 über ein Datennetzwerk 134 zu
kommunizieren. Bei dem Datennetzwerk 134 kann es sich um
einen gemeinsamen Datenweg handeln, über den das Gaspedal 128 und
das Gangauswählmodul 130 Befehle übertragen.
Außerdem
kann das Datennetzwerk 134 eine einzige verdrahtete oder
drahtlose Verbindung zwischen jeder der Mehrzahl von Vorrichtungen 128, 130 und 132 aufweisen. Alternativ
dazu kann jede Vorrichtung 128, 130 und 132 eine
separate Verbindung zu jeder der anderen Vorrichtungen aufweisen.
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Das
Fahrzeug 100 kann auch ein Einheitsgehäuse 136 umfassen,
das mit dem Abgassystem 124 gekoppelt ist und dem Turbolader 122 nachgeschaltet
angeordnet ist. Wie derselbe hier verwendet wird, bezieht sich der
Begriff „nachgeschaltet" auf in Richtung
eines Abgasauslasses, wie z. B. eines Auspuffendrohrs (nicht gezeigt),
oder auf einen diesem näher
gelegenen Ort. Bei einem Ausführungsbeispiel kann
das Einheitsgehäuse 136 ein
Partikelrückhaltesystem
zum Verringern der Partikelemissionen aus dem Motor 102 aufweisen.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems 200 zur Partikelfilterregeneration
gemäß dem Stand
der Technik zeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das System 200 das
ECM 132, das Einheitsgehäuse (im Folgenden „Gehäuse") 136, eine
Treibstoffpumpe 202, einen Treibstoffdrucksensor 204,
eine Treibstoffeinspritzvorrichtung 205, eine Mehrzahl
von Temperatursensoren 206, eine Mehrzahl von Drucksensoren 208 und
ein Druckmodul 210 auf. Außerdem kann das Gehäuse 136 einen
Oxidationskatalysator 212 und einen mit Katalysator versehenen
Rußfilter oder
Partikelfilter 214 umfassen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann es sich bei der Treibstoffpumpe 202 um eine tankinterne Treibstoffpumpe
(nicht gezeigt) handeln, die Treibstoff aus einem Treibstofftank
pumpt. Die Treibstoffpumpgeschwindigkeit und somit der Treibstoffstrom können gemäß Befehlen,
die von dem ECM 132 gesendet werden, variieren. Eine weitere
Liefervorrichtung, wie z. B. ein Solenoid, kann zur Treibstofflieferung
mit konstantem Druck verwendet werden. Der Treibstoffdrucksensor 204 kann
konfiguriert sein, um Treibstoffdruckinformationen mit dem ECM 132 auszutauschen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann
das System 200 auch ein Treibstoffabsperrventil 216 umfassen,
das in einer Treibstoffleitung 218 zwischen der Treibstoffpumpe 202 und
der Treibstoffeinspritzvorrichtung 205 positioniert ist.
Außerdem kann
sich der Treibstoffdrucksensor 204 in Kommunikation mit
dem Treibstoffabsperrventil 216 befinden und konfiguriert
sein, um das Treibstoffabsperrventil 216 zu öffnen und
zu schließen.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein erster Temperatursensor 206a kurz vor einem Einlass 218 angeordnet,
ein zweiter Temperatursensor 206b ist kurz nach dem Oxidationskatalysator 212 angeordnet,
und ein dritter Temperatursensor 206c ist kurz nach einem
Auslass 220 angeordnet. Der Einfachheit halber können der
erste, zweite und dritte Temperatursensor 206a, 206b, 206c gemeinsam
als „die
Mehrzahl von Temperatursensoren 206" bezeichnet werden.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist ein erster Drucksensor 208a kurz vor dem Partikelfilter 214 angeordnet,
und ein zweiter Drucksensor 208b ist kurz nach dem Partikelfilter 214 angeordnet. Der
Einfachheit halber können
der erste und zweite Drucksensor 208a, 208b gemeinsam
als „die
Mehrzahl von Drucksensoren 208" bezeichnet werden. Das Druckmodul 210 kann
die Mehrzahl von Drucksensoren 208 koppeln und konfiguriert
sein, um die Mehrzahl von Drucksensoren 208 ständig zu überwachen.
Nachfolgend kann das Druckmodul 210 Druckinformationen
mit dem ECM 132 austauschen.
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Der
Oxidationskatalysator 212 kann einen Edelmetalloxidationskatalysator
auf einem Durchflussmetall- oder -keramiksubstrat zum Oxidieren nicht
verbrannter Kohlenwasserstoffe aufweisen; die Funktionsfähigkeit
des Systems 200 hängt
jedoch nicht von diesem speziellen Typ von Oxidationskatalysator
ab. Der Partikelfilter 214 kann den Typ eines nicht mit
Katalysator versehenen Wandstrommonolithen oder den Typ eines nicht
mit Katalysator versehenen Keramikschaums aufweisen. Sowohl der Wandstrommonolith
als auch der Keramikschaum halten die Kohlenstoffpartikel in dem
Abgasstrom ausreichend zurück.
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Das
System 200 ist konfiguriert, um alle Abgase durch den Oxidationskatalysator 212 und
den Partikelfilter 214 zu leiten, um die Emissionen zu
kontrollieren. Die Zusammensetzung der Abgase kann durch das ECM 132 gesteuert
werden. Das ECM 132 stellt die Zusammensetzung der Abgase
durch eine zylinderinterne Motorsteuerung und die Zugabe von Treibstoff
zum Abgas durch die Treibstoffeinspritzvorrichtung 205 ein.
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems 300 zur Partikelfilterregeneration
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. Das System 300 kann einen elektrisch beheizten Katalysator 302 aufweisen.
Der elektrisch beheizte Katalysator 302 ist konfiguriert,
um einen brennbaren Treibstoff zu oxidieren, der durch die Treibstoffeinspritzvorrichtung 205 eingespritzt
werden kann. Elektrischer Strom, der durch den elektrisch beheizten
Katalysator 302 fließt,
erhitzt den elektrisch beheizten Katalysator 302. Diese
Hitze bewirkt eine katalytische oxidative Verbrennung der Mischung
aus Treibstoff und Abgas. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der elektrisch beheizte Katalysator 302 konfiguriert,
um Abgase ohne die Verwendung von eingespritztem Treibstoff zu erhitzen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
weist das ECM 132 ein Regenerationsmodul 304 auf.
Das Regenerationsmodul 304 kann konfiguriert sein, um eine
Mehrzahl von Abgasvariablen zu überwachen und
den elektrisch beheizten Katalysator 302 ansprechend auf
ein Erreichen vorbestimmter Schwellen zu aktivieren. Die Abgasvariablen
können
Abgastemperatur, Abgasdruck, Sauerstoffgehalt, Stickoxidgehalt und
Abgasdurchfluss umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Der
elektrisch beheizte Katalysator 302 erhöht die Abgastemperatur auf
Niveaus, die in dem Partikelfilter 214 zurückgehaltene
Partikel verbrennen. Auf diese Weise wird der Partikelfilter 214 wiederaufbereitet.
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4 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems 300 zur Partikelfilterregeneration
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. Das System 300 kann einen Umgehungskanal 402 aufweisen,
der mit dem Abgassystem 124 (im Folgenden als der „Hauptabgaskanal" bezeichnet) gekoppelt
ist. Der Umgehungskanal 402 ist konfiguriert, um Abgase
von dem Hauptabgaskanal 124 weg zu leiten und nachfolgend
die Abgase wieder in den Hauptabgaskanal einzuführen, bevor die Abgase durch
den Partikelfilter 214 strömen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann eine Verbrennungsvorrichtung 404 mit einer inneren Oberfläche des
Umgehungskanals 402 gekoppelt sein. Die Verbrennungsvorrichtung 404 ist
konfiguriert, um die Abgase zu entzünden und die Temperatur der
Abgase anzuheben, bevor die Abgase wieder mit den Abgasen, die durch
den Hauptabgaskanal 124 strömen, zusammengeführt werden.
Die Verbrennungsvorrichtung 404 kann mit einem Zündmodul 406 gekoppelt
sein. Das Zündmodul 406 ist
konfiguriert, um mit dem ECM 132 zu kommunizieren und auf
Befehle von dem ECM 132 anzusprechen. Bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Verbrennungsvorrichtung 404 um
eine Dieseltreibstoffverbrennungsvorrichtung, die konfiguriert ist,
um Dieseltreibstoff unter Verwendung von nicht entzündeten Abgasen
als Sauerstoffquelle zu entzünden,
ohne dass eine externe Sauerstoffquelle benötigt wird.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist
das System 300 eine Mehrzahl von Treibstoffeinspritzvorrichtungen 205 auf.
Eine erste Treibstoffeinspritzvorrichtung 205a, die auch
als „Dosiereinspritzvorrichtung" bezeichnet wird,
dosiert den Gesamtstrom von Abgasen. Eine zweite Treibstoffeinspritzvorrichtung 205b,
die auch als „Brennereinspritzvorrichtung" bezeichnet wird,
ermöglicht
feinere Temperatureinstellungen bei dem Abgasstrom in dem Umgehungskanal 402.
Bei einem Ausführungsbeispiel ermöglichen
die erste und die zweite Treibstoffeinspritzvorrichtung 205a, 205b eine
unabhängige
Steuerung der Abgaszusammensetzung und der Abgastemperatur in den
nachgeschalteten Katalysatorelementen, wie z. B. dem Oxidationskatalysator 212.
Außerdem
ermöglicht
dies einen größeren Arbeitsbereich
von Abgasstrom, Abgastemperatur und Sauerstoffgehalt für die Partikelfilterregeneration.
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5 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Systems 300 zur Partikelfilterregeneration
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel
kann das System 300 eine einzige Treibstoffeinspritzvorrichtung 205 aufweisen,
die konfiguriert ist, um Treibstoff direkt in den Umgehungskanal 402 einzuspritzen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
weist das System 300 eine Abgasmischvorrichtung zum erneuten
Zusammenführen
von Abgasen aus dem Umgehungskanal 402 mit Abgasen aus
dem Hauptabgaskanal 124 auf.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist
die Abgasmischvorrichtung eine Venturi-Vorrichtung 502 in dem Hauptabgaskanal 124 auf.
Die Venturi-Vorrichtung 502 weist einen sich verjüngenden
Einlass zum Einengen des Abgasstroms auf. Die Abgase werden durch
die Venturi-Vorrichtung 502 beschleunigt, und nachfolgend
wird der Abgasdruck gesenkt. Der niedrigere Gasdruck hat den Effekt
eines Vakuums und saugt Abgase aus dem Umgehungskanal 402.
Dies mischt die Abgase wirksam. Außerdem bewirkt das Vakuum,
das durch die Venturi-Vorrichtung 502 erzeugt wird, dass
Abgase in den Umgehungskanal 402 gesaugt werden. Die Venturi-Vorrichtung 502 kann
konfiguriert sein, um Gase unabhängig
davon, ob die Temperatur der Abgase erhöht werden muss, in den Umgehungskanal 402 zu saugen.
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Systems 300 zur Partikelfilterregeneration
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel
kann das System 300 ein Ventil 602 aufweisen,
das konfiguriert ist, um ansprechend auf einen Befehl von dem Regenerationsmodul 304 einen
Teil der Abgase durch den Umgehungsabgaskanal 402 zu leiten.
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Das
Ventil 602 ist verstellbar von einer vollständig offenen
Stellung, die konfiguriert ist, um die Abgase nicht einzuschränken, bis
zu einer vollständig
geschlossenen Stellung, die konfiguriert ist, um im Wesentlichen
100% der Abgase durch den Umgehungsabgaskanal 402 zu leiten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Ventil 602 konfiguriert, um sich um einen Mittelpunkt
zu drehen. Alternativ dazu kann ein passives mechanisches Ventil/passiver mechanischer
Regler in dem Umgehungsabgaskanal 402 platziert und konfiguriert
sein, um die Menge an Abgasstrom durch den Umgehungsabgaskanal 402 zu
regeln.
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Die
folgenden schematischen Flussdiagramme sind im Allgemeinen als logische
Flussdiagramme dargestellt. Somit zeigen die dargestellte Reihenfolge
und die bezifferten Schritte ein Ausführungsbeispiel des vorliegenden
Verfahrens. Andere Schritte und Verfahren sind vorstellbar, die
hinsichtlich Funktion, Logik oder Wirkung bezüglich ein oder mehr Schritten
des gezeigten Verfahrens oder Teilen derselben äquivalent sind. Außerdem sind
das Format und die Symbole, die verwendet werden, vorgesehen, um
die logischen Schritte des Verfahrens zu erläutern, und sollen nicht den
Schutzbereich des Verfahrens einschränken. Obwohl in den Flussdiagrammen
verschiedene Arten von Pfeilen und Linien verwendet werden können, sollen
diese nicht den Schutzbereich des entsprechenden Verfahrens einschränken. Tatsächlich können einige
Pfeile oder andere Verbindungselemente dazu verwendet werden, nur
den logischen Fluss des Verfahrens anzuzeigen. Z. B. kann ein Pfeil
eine Warte- oder Überwachungszeit
unbestimmter Dauer zwischen nummerierten Schritten des gezeigten
Verfahrens anzeigen. Außerdem
kann die Reihenfolge, in der ein bestimmtes Verfahren abläuft, streng
mit der Reihenfolge der entsprechenden gezeigten Schritte übereinstimmen oder
auch nicht.
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7 ist
ein schematisches Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 700 zur
Partikelfilterregeneration gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. Das Verfahren 700 beginnt 702, und
das Regenerationsmodul 304 überwacht 704 die Druckdifferenz über den
mit Katalysator versehenen Rußfilter 214.
Bei einem Ausführungsbeispiel
weist das Überwachen 704 der
Druckdifferenz über
den mit Katalysator versehenen Rußfilter 214 ein Messen des
Drucks an dem Drucksensor 208a und ein Messen des Drucks
an dem Drucksensor 208b und danach ein Berechnen der Druckdifferenz
auf. Ein größerer Druck
am Drucksensor 208a weist auf einen verstopften mit Katalysator
versehenen Rußfilter 136 hin,
der eine Regeneration benötigt.
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Eine
vorbestimmte Schwelle für übermäßigen Druck über den
mit Katalysator versehenen Rußfilter 214 kann
gemäß physikalischer
Eigenschaften des mit Katalysator versehenen Rußfilters 214 in Kombination
mit Abgasstromeigenschaften eingestellt werden. Beispiele für Abgasstromeigenschaften können den
Hubraum umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Falls
das Regenerationsmodul 304 übermäßigen Druck feststellt 706,
und falls die Regeneration eine ausreichende Temperatur feststellt,
um den mit Katalysator versehenen Rußfilter wiederaufzubereiten,
fährt das
Regenerationsmodul fort, den Druck zu überwachen 704. Falls
jedoch die Regeneration an der Mehrzahl von Temperatursensoren 206 unzureichende
Temperaturen feststellt 708, um die zurückgehaltenen Partikel zu verbrennen,
bestimmt 710 das Regenerationsmodul den Prozentsatz an
Abgas, der durch den Umgehungsabgaskanal 402 umgeleitet
werden soll.
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Das
Regenerationsmodul 304 kann dann die Stellung des Ventils 602 einstellen 712,
um den bestimmten Prozentsatz an Abgasen durch den Umgehungsabgaskanal 402 umzuleiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel
aktiviert 714 das Regenerationsmodul 304 dann
die Verbrennungsvorrichtung. Alternativ dazu muss das Regenerationsmodul 304 nicht
die Stellung des Ventils 602 einstellen 712, sondern stattdessen
ermöglichen,
dass die Venturi-Vorrichtung 502 Abgase
durch den Umgehungsabgaskanal 402 saugt, wie es im Vorhergehenden
unter Bezugnahme auf 5 erörtert ist.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel kann
das Regenerationsmodul 304 den Treibstoffdrucksensor 204 anweisen,
in den Hauptabgaskanal 124 oder alternativ dazu direkt
in den Umgehungsabgaskanal 402 einzuspritzen 716.
Die Regeneration hält
dann die Aktivierung der Verbrennungsvorrichtung und nachfolgend
die erhöhte
Temperatur aufrecht 718, während die Abgase des Umgehungsabgaskanals 402 wieder
mit den Abgasen des Hauptabgaskanals 124 zusammengeführt und
durch den Oxidationskatalysator 212 und den mit Katalysator
versehenen Rußfilter 214 geleitet
werden.
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Die
erhöhte
Temperatur bewirkt, dass die zusammengeballten Partikel sich entzünden, wodurch der
mit Katalysator versehene Rußfilter 214 durch das
Beseitigen der zusammengeballten Partikel wiederaufbereitet wird.
Das Regenerationsmodul 304 Wirt fort, den Differenzdruck über den
mit Katalysator versehenen Rußfilter 214 zu überwachen,
und wenn der Differenzdruck den Schwellendruck erreicht hat 720,
deaktiviert 722 das Regenerationsmodul 304 die
Verbrennungsvorrichtung. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel öffnet 724 das
Regenerationsmodul dann das Ventil und führt damit fort, den Druck zu überwachen 704,
während
das Fahrzeug 100 in Betrieb ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden,
ohne von ihrem Wesen oder wesentlichen Charakteristika abzuweichen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen
in jeder Hinsicht nur als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung betrachtet
werden. Der Schutzbereich der Erfindung ist deshalb durch die angehängten Ansprüche angezeigt,
und nicht durch die vorangegangene Beschreibung. Alle Veränderungen,
die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der
Ansprüche
fallen, sollen in ihren Schutzbereich miteinbezogen sein.
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Zusammenfassung
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Es
sind eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Partikelfilterregeneration
offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen Umgehungsabgaskanal (402),
der konfiguriert ist, um Abgase von einem Hauptabgaskanal (124)
weg zu leiten und die Abgase vor einem Partikelfilter (214)
wieder in den Hauptabgaskanal (124) einzuführen, eine
Verbrennungsvorrichtung (404) und ein Regenerationsmodul
(304), das konfiguriert ist, um Abgasvariablen zu überwachen
und ansprechend auf die Abgasvariablen einen Teil der Abgase durch
den Umgehungsabgaskanal (402) umzuleiten. Das System umfasst
ein Fahrzeug (100), das einen Verbrennungsmotor (102)
aufweist, der mit einem Getriebe (104) gekoppelt ist, und
die Vorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Leiten von Abgasen weg
von einem Hauptabgaskanal (124) und ein Wiedereinführen der
Abgase in den Hauptabgaskanal (124), ein Erhöhen der
Temperatur der Abgase und ein Überwachen
von Abgasvariablen und ein selektives Umleiten eines Teils der Abgase
durch einen Umgehungsabgaskanal (402) ansprechend auf die Abgasvariablen.