DE112010001696T5

DE112010001696T5 - Verfahren zum verbessern des anspring- oder regenerierungsverhaltenseiner nachbehandlungseinrichtung in einem fahrzeugsystem

Info

Publication number: DE112010001696T5
Application number: DE112010001696T
Authority: DE
Inventors: Gert Schreiber; Volker Joergl
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2010123787A2; WO2010123787A3; CN102439269A; KR20120022929A; US20120036847A1; US8490387B2; JP2012524868A

Abstract

Der Prozess der aktiven DPF-Regenerierung erfordert, dass der DPF für eine Zeitperiode, die ausreicht, um ein Rußabbrennen in dem DPF zu erreichen, auf Regenerierungstemperaturen über 550°C bis 600°C gebracht wird. Analog ist es bei einem Kaltstart wünschenswert, den Katalysator sobald wie möglich auf Anspringtemperatur zu bringen. Die große Wärmeträgheit von einem oder mehreren Turboladern verzögert, dass das Abgas an dem DPF die kritische Temperatur schnell erreicht. Durch die Integrierung eines eine geringe Wärmeträgheit aufweisenden, isolierten Turboladerbypasskanals wird ein Wärmeenergieverlust von Abgas zu dem Turbinengehäuse vermieden und die Zeit, die der DPF braucht, um die kritische Temperatur für aktive DPF-Regenerierung zu erreichen, verkürzt oder im Fall eines Katalysators wird die Zeit verkürzt, bis der Katalysator die Anspringtemperatur erreicht.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugmotorsystem mit Nachbehandlungseinrichtungen und insbesondere den Bypass von Komponenten mit großer Wärmeträgheit, um z. B. ein frühes Katalysatoranspringen und die Regenerierung der Nachbehandlungseinrichtungen zu unterstützen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Turbolader sind eine Art von Zwangsbeatmungssystem. Sie liefern verdichtete Luft an den Motoreinlass, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann und die Motorleistung verstärkt werden kann, ohne das Motorgewicht signifikant zu erhöhen. Dies kann den Einsatz eines kleineren turbogeladenen Motors ermöglichen, wodurch ein Motor mit normaler Ansaugung mit einer größeren physischen Größe ersetzt wird, wodurch die Masse und der aerodynamische Frontbereich des Fahrzeugs reduziert werden. Turbolader verwenden den Abgasfluss von dem Motor zum Antreiben einer Turbine, die wiederum den Luftverdichter antreibt. Zum Liefern von Luft außerhalb der Fähigkeiten eines einfachen Systems kann das Turboladersystem verschiedene Konfigurationen annehmen.
Turbolader bestehen aus 5 Hauptkomponentengruppen. Ein Schnitt durch einen typischen Turbolader ist in 1 gezeigt. Dieser Turbolader besteht aus einem Turbinengehäuse (1), das mit einem Lagergehäuse (5) verbunden ist. An dem entgegengesetzten Ende des Lagergehäuses befindet sich eine Verdichterabdeckung (2). Das Lagergehäuse stützt eine Rotorbaugruppe, die aus einem Turbinenrad (3) und einem Verdichterrad (4) besteht. Das Turbinengehäuse wird üblicherweise aus einem Material aus der Familie des duktilen Gusseisens gegossen, wobei das Lagergehäuse üblicherweise aus Grauguss gegossen ist und die Verdichterabdeckung üblicherweise aus einer Aluminiumlegierung gegossen ist. Die Masse eines typischen kommerziellen Turbinengehäuses von Dieselgröße beträgt etwa 17 kg. Diese Turbinengehäuse besitzen Wanddicken von 5 bis 6 mm. Dies beträgt etwa 65% der Gesamtmasse des Turboladers. Das Lagergehäuse hat weitere 4 kg, wodurch die Masse des Turbinengehäuses plus Lagergehäuse 85% der Gesamtmasse beträgt.
Um mehr Ladedruck zu erzielen, werden Reihen- oder mehrstufige Turbolader verwendet, wobei ein Verdichter der ersten Stufe (Niederdruck) in den Einlass des nächsten nachgeschalteten Verdichters (Hochdruck) austrägt, der die bereits verdichtete Luft zu einem noch höheren Niveau auflädt. Reihenturbolader können mehrere Stufen haben, der Übersichtlichkeit halber werden in dieser Erörterung aber nur zweistufige Konfigurationen erörtert, da dies die höchste Anzahl ist, die bei der üblichen Produktion von Passagierwagen- und kommerziellen Dieselmotoren verwendet wird. Das Verhältnis ”Turbinengehäuse- plus Lagergehäusemasse” zu ”Gesamtturboladergewicht” wird für mehrere Turbolader ein Verhältnis ähnlich dem für einzelne Turbolader sein, so dass beispielsweise, wenn die Masse aus Turbinengehäuse plus Lagergehäuse von zwei Turboladern etwa 34 kg beträgt, dies immer noch 85% der Gesamtmasse der Turbolader ist.
Die Wärmeträgheit eines Körpers ist eine Eigenschaft von Volumenmaterial, die zu der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der volumetrischen Wärmekapazität eines Materials in Beziehung steht. Die Wärmeträgheit wird verwendet, um die Fähigkeit eines geometrischen Körpers zu beschreiben, das thermische Gleichgewicht zu erreichen, wenn er einer Änderung in seiner Wärmeumgebung ausgesetzt wird. Die Resultierende ist in dem Kontext eines Motorsystems die Zeit, die ein geometrischer Körper zum Ändern der Temperatur benötigt. Bei gleichen Massen wird ein Material mit hoher Wärmeträgheit mehr Zeit zum Ändern der Temperatur benötigen als ein Material mit niedriger Wärmeträgheit. In dem Fall von zwei Objekten aus dem gleichen Material, aber mit unterschiedlicher Masse, wird das Objekt mit mehr Masse mehr Wärmeträgheit aufweisen als das Objekt mit einer kleineren Masse (genauso, wie ein Kubikmeter Gusseisen länger benötigen wird, um zu einem Temperaturgleichgewicht zu kommen, als ein Kubikmillimeter). Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird der Ausdruck ”Wärmeträgheit” zum Beschreiben der inhärenten dynamischen Temperaturfiltrierung verwendet, d. h. dem relativ langsamen Erreichen eines Gleichgewichts aus einer Anfangstemperaturdifferenz, die zwischen den Abgasen und dem Material in dem Motor und dem Abgassystem besteht. Diese Wärmeträgheit ist wiederum auf den Wärmetransfer zwischen Gas und Wandmaterial, die volumetrische Wärmekapazität des Materials, die die Wärmeleitfähigkeit des Materials involviert, die spezifische Wärme und die Dichte des Materials und den Wärmeeffekt der umgebenden Medien (z. B. Luft, Wasser und Material) zurückzuführen.
Die Wärmeträgheit eines Körpers wird durch folgende Formel berechnet: Wärmeträgheit = K·ρ·C, wobei k = die Volumenwärmeleitfähigkeit des Materials in Wm^–1·K–1
und ß = die Dichte des Materials in kgm^–3
und C = die spezifische Wärmekapazität in J·kg^–1·K^–1.
Die Einheiten sind tiu.
Bei einer Berechnung der Wärmeträgheit werden für ein gegebenes Material, beispielsweise Gusseisen, die spezifische Wärme und Dichte eine Konstante bleiben. Deshalb ist die Wärmeträgheit proportional zu der Volumenwärmeleitfähigkeit des Materials.
Da die Wärmeleitfähigkeit ein Maß für die Wärmemenge ist, die über eine Zeitperiode Δt durch ein Material der Dicke ”Y” und der Fläche ”A” über eine Temperaturänderung von ΔT mit einer Wärmeenergieänderung von ΔQ übertragen wird, kann die Wärmeleitfähigkeit κ aus der folgenden Formel berechnet werden: κ = ΔQ·Y / Δt·A·ΔT
Falls bei dieser Erörterung die zugeführte Wärmeenergie und die Temperaturänderung ΔT als Konstante angesehen werden, sind die Variablen dann die Fläche des von dem Abgas ”benetzten” Materials, die Dicke ”Y” in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Fläche ”A” des Materials und die Zeit ”t”, damit der Körper das Wärmegleichgewicht erreicht. Bei Turbinengehäusen und anderen ähnlichen Gussteilen wird die tatsächliche Dicke der dünnsten Sektionen oftmals durch Gießereipraktiken bestimmt. Bei Turbinengehäusen liegt die technische Anforderung für die Materialdicke unter dem Gussteilpraxisminimum, das im Bereich von 6 mm bis 8 mm liegt. Dies bedeutet, dass über die Myriaden von Merkmalen in einem Turbinengehäuse die Oberfläche ”A” die vorliegende Variable ist, die eine Änderung bei der Wärmeträgheit bestimmt.
Wenn man die Dicke als eine konstante mittlere Dicke von 10 mm ansieht, wird der Flächeninhalt direkt proportional zu dem Volumen des Materials. Wenn die Dichte eines gegebenen Materials für dieses Material konstant ist, wird der Flächeninhalt direkt proportional zu der Masse (da Masse = Volumen × Dichte).
Da typische Turbolader im Bereich von 2 bis 35 kg wiegen, verursacht das Volumen des Materials in dem Gussteil eine Zeitverzögerung, damit das System die Temperatur während eines Transienten bei Motorbedingungen ändert. Das Volumen des Materials in der Turboladerbaugruppe zieht Wärmeenergie aus dem Abgas, was zu einem Abgas mit niedrigerer Temperatur hinter der Turboladerbaugruppe führt.
Folgendes sind die Eigenschaften von verschiedenen Turboladermaterialien:

k Wärmeleitfähigkeit w/(mK) C spezifische Wärme J/kgK ρ Dichte kg/m³

Gusseisen (perlitisch) 33,472 603 7100

SS 309 15,66 502 9010

Aluminium A356 125 900 2680

Al A201 121 963 2790
Die US-Anmeldung 2005/0019158 (Claus) lehrt den Vorzug von Blechturbinengehäusen mit doppelwandigem Design, um unter der Perspektive des Fahrzeugs Gewicht einzusparen, aber, was wichtiger ist, die Wärmeträgheit des Systems zu reduzieren, indem eine übermäßige Kühlung der Abgase des Motors im Fall eines Turboladers verhindert wird, der abseits vom Spitzenzyklus arbeitet. Diese Blechturbinengehäuse werden üblicherweise verwendet, damit der Katalysator die Arbeitstemperatur schnell erreichen kann, nicht zur Unterstützung der Regenerierung des Dieselpartikelfilters (DPF).
Blechturbinengehäuse reduzieren die Masse und somit die Wärmeträgheit, doch ist die Werkzeugausstattung sehr teuer, da für jedes Element des Turbinengehäuses ein separates Stanz- oder Ausformwerkzeug hergestellt werden muss. Auch die Montage und das Schweißen der individuellen Elemente zum Herstellen eines kompletten Turbinengehäuses ist arbeitsaufwendig und teuer.
Die EP-Anmeldung 1,541,826 B1 (Bjornsson) lehrt die Herstellung eines geschweißten, leichten, ummantelten Abgaskrümmers. Weiterhin wird gelehrt, dass es vorteilhaft ist, dass die ”effiziente Masse” wesentlich reduziert ist, d. h. die Masse, die vor dem Katalysatoranspringen erhitzt werden muss, da eine kleinere zu erhitzende Masse ein schnelleres Katalysatoranspringen gestattet. Dieses Patent enthält die Option eines Wastegate, aber nur in dem Sinne, dass das Rohr zu der Wastegateöffnung ummantelt ist und als Teil des geschweißten ummantelten Krümmers hergestellt wird. Das Patent erwähnt, dass das Wastegateventil zu jeder Gelegenheit in dem Wastegate montiert werden kann, bevorzugt aber, nachdem alles Schweißen durchgeführt wurde. Das Merkmal der geringen Wärmeträgheit dieses Designs ist günstig beim Reduzieren der Katalysatoranspringperiode, doch stellt das Merkmal, das die Katalysatoranspringperiode zu reduzieren hilft, immer noch einen recht hohen Grad an Wärmeträgheit für das System für den Prozess der DPF-Regenerierung dar.
Dünnwandige Turbogehäusegussteile, die den Feingussprozess verwenden, sind in Gebrauch und sie reduzieren tatsächlich die Masse und somit die Wärmeträgheit substantiell, aber mit einer signifikanten Zunahme bei der Werkzeugausstattung und den Stückteilkosten. Die Kosten eines geschweißten Blechturbinengehäuses betragen im Gegensatz dazu etwa 170% der Kosten eines Gehäuses aus duktilem Gusseisen, und die Gewichtseinsparungen betragen etwa 20%, so dass die Wärmeträgheit etwa 80% der eines Turbinengehäuses aus duktilem Gusseisen beträgt, aber mit einem Kostenaufschlag von 70%.
Über die vergangenen 20 Jahre haben Hersteller von Dieselmotoren den NO_x-Wert um 85% und von Partikelmaterie (PM) um 95% gesenkt. Für die Emissionen in 2010 schreiben die Vorschriften vor, dass die Emissionen um weitere 83% gesenkt werden müssen. Die EPA beabsichtigte, dass Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge nach 2007 eine ”Nachbehandlung erzwingen”. Für leichte Nutzfahrzeuge, mit Tier 2 Bin 5, erzwingen Emissionsanforderungen heute eine Nachbehandlung. Dies erfordert gewisse neuartige Ansätze, um alle diese Ziele zu erfüllen.
Die typische Abgaszusammensetzung eines modernen Benzinmotors umfasst:

– unverbrannte Kohlenwasserstoffe – HC
– Kohlendioxid und Kohlenmonoxid – CO₂ und CO
– Stickstoff und Stickoxide, die unter der Überschrift N₂ und NO_x gruppiert sind
– nichtumgesetzten Sauerstoff – O₂

Da moderne Dieselmotoren in einem Gebiet sehr magerer Stöchiometrie arbeiten, mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) > 22, erzeugen sie Kohlendioxid (CO₂) und Kohlenmonoxid (CO), gasförmige Oxide von Stickstoff, die unter der Überschrift von NO_x gruppiert sind, und Kohlenwasserstoffe (HC).
Das NO_x-Segment der Emissionen wird überwiegend durch eines der beiden folgenden Verfahren behandelt: Abgasrückführung (AGR) oder selektive katalytische Reduktion (SCR – Selective Catalytic Reduction). In jedem Fall wird die HC-Komponente in einem Dieselpartikelfilter (DPF) verarbeitet.
Für die Reduktion von THC, CO und TPM in Dieselmotoren wird üblicherweise ein Dieseloxidationskatalysator (DOC – Diesel Oxidation Catalyst) verwendet. Der DOC muss bei einer charakteristischen erhöhten Temperatur sein, damit er effizient arbeitet. Der Katalysator muss auf 210°C sein, bevor der Katalysator mit mehr als 25% Effizienz arbeitet, und er arbeitet mit 90% Effizienz bei 220°C. Es gab Testzyklen für das Katalysatoranspringen, die ein Anspringen bei nur 175°C zeigen. Es wird akzeptiert, dass, um ein System zu haben, das die Katalysatortemperatur auf Arbeitsbereiche anhebt, es in der Lage sein muss, in den ersten 60 bis 120 Sekunden nach einem Kaltstart zwischen 175°C und 210°C zu erreichen.
Wenn sich der Katalysator auf Arbeitstemperatur befindet, wandelt er einen Teil der Verunreinigungen in dem Abgas um, wie etwa etwaigen unverbrannten Kraftstoff oder ein Verbrennungsnebenprodukt, bevor das Abgas aus dem Endrohr in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Die Effektivität des Katalysators in einem Benzinmotor ist während der ersten paar Minuten des Motorbetriebs, während er sich immer noch auf Umgebungstemperatur befindet, fast nicht existent. Zwischen 60% und 80% der gasförmigen Emissionen werden in diesen wenigen Minuten erzeugt (einige so früh wie 20 Sekunden), bevor der Katalysator seine Arbeitstemperatur von etwa 300°C erreicht. Benzinmotorkatalysatoren arbeiten am Ende einer Fahrt bei etwa 600°C. Sie kühlen dann im Allgemeinen innerhalb 30 Minuten auf 300°C ab. Dieselkatalysatoren sind für niedrigere Temperaturen (200°C bis 300°C) ausgelegt. Der größte Teil der Erzeugung von HC beginnt etwa 20 Sekunden nach dem Motorstart und geht mit einer zunehmenden hohen Rate bis 120 Sekunden nach dem Start weiter.
Die Umwandlung von CO durch einen Katalysator ist temperaturabhängig. 15 zeigt die Umwandlungseffizienz eines typischen CO-Katalysators. Die X-Achse (143) zeigt die Temperatur in Grad Celsius des Katalysators bei dem Katalysator. Die Y-Achse (144) zeigt die Umwandlungseffizienz. Es ist aus dem Diagramm zu sehen, dass die Umwandlungseffizienz (141) erst dann wirklich beginnt, wenn sie bei einer Temperatur von 220°C einsetzt (142).
Es gibt mehrere existierende Lösungen für dieses Problem ”Zeit bis zum Katalysatoranspringen”, von denen eine darin besteht, Phasenwechselmaterialien in dem Katalysatorkörper zu verwenden, um die Katalysatorsubstrattemperatur nahe der Temperatur zu halten, die erforderlich ist, damit der Katalysator funktioniert. Eine weitere besteht darin, den Katalysator eng mit dem Motor zu koppeln, um die Wärmeträgheit zu minimieren. Eine weitere Entwicklung besteht darin, einen Vorkatalysator vor dem Turbinengehäuse anzuordnen. Es gibt viele Verfahren, um dieses Problem eines thermisch nicht aktiven Katalysators beim Anlassen zu behandeln. Sie sind alle komplex, benötigen Raum und sind teuer.
US 6,389,806 (Glugla) lehrt, dass zum Verkürzen der Zeit, um Arbeitstemperaturen zu erreichen, ein Motor einen variablen Hubraum mit Spätzündung und einem auf mager voreingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die aktivierte Zylinderbank während des Startens und kurz danach aufweist, um die für ein Katalysatoranspringen erforderliche Zeit weiter zu reduzieren.
US 7,117,668 (Nashburn) lehrt die Verwendung eines Kohlenwasserstoffreformers, um dem Motor eine an Kraftstoffmagere Reformatkraftstofftmischung zu liefern, um sicherzustellen, dass aller Kraftstoff verbrannt wird, während der Abgaskatalysator thermisch nicht funktioniert.
US 5,878,567 (Adamczyk) lehrt einen Katalysator mit einem ersten, stark beladenen Palladium- oder Trimetall-Katalysatorelement, das Palladium mit relativ großer Partikelgröße enthält, eng an den Motorabgaskrümmer gekoppelt, gefolgt von einem oder mehreren zweiten Katalysatorelementen mit einer hohen Sauerstoffspeicherkapazität, um einen Schutz vor dem Durchbruch erwärmter Motoremissionen bereitzustellen, ist effizient beim Reduzieren von Kaltstartemissionen durch ein frühes Katalysatoranspringen.
US 5,410, 872 (Adamczyk) bestimmt mit einem Abgassauerstoffsensor die in denn in den Katalysator eintretenden Abgas enthaltene Sauerstoffmenge, und ein mit der Luftquelle und dem Sauerstoffsensor verbundener Motorsteuercomputer überwacht die in dem Abgas enthaltene Sauerstoffmenge und steuert die dem Abgasstrom durch die Luftquelle zugeführte Luftmenge derart, dass der verfügbare Sauerstoff geringfügig über der stöchiometrischen Anforderung liegt. Auf diese Weise wird die Anspringzeit des Katalysators minimiert.
Es gibt Einrichtungen, die der Nachbehandlung Wärme zuführen zwecks ihrer PM-Regenerierung oder ihrer Reinigung. Diese Einrichtungen sollen ein schnelleres Katalysatoranspringen nicht unterstützen und stellen zusätzliche Ausgaben zu den Fahrzeugkosten für PM-Regenerierung dar. Sie behandeln Temperaturen im Bereich 700°C bis 800°C.
US 3,908,371 (Tadashi) lehrt ein Verfahren und ein System zum Reinigen von Abgasen. Der Motor liefert dosiertes Abgas, um ein Überschussluftverhältnis von etwa 1,0 bis 1,15 bereitzustellen, so dass in den aus dem Motor emittierten Abgasen im Wesentlichen kein Kohlenmonoxid und kein Wasserstoffvorliegen. Ein Reduziermittel wie etwa Kohlenwasserstoffe werden den in den reduzierenden Katalysator eintretenden Abgasen beigemischt, um einen Überschuss an Oxiden zu beseitigen und die Stickstoffoxide in den Abgasen zu reduzieren, während Sekundärluft den in den oxidierenden Katalysator eintretenden Abgasen zugesetzt wird, um die Oxidation des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe zu unterstützen, die in den Abgasen verbleiben, die durch den oxidierenden Katalysator geschickt werden. Dies reinigt dann den Katalysator bei hoher Temperatur.
Die Dieselverbrennung erzeugt auch Feststoffe und Flüssigkeiten. Diese Feststoffe und Flüssigkeiten werden üblicherweise gruppiert und als Partikelmaterie (PM) bezeichnet. Die PM-Komponente der Dieselemissionen umfasst:

1. lösliche organische Fraktionen (SOF – soluble organic fractions) aus dem Schmiermittel
2. trockener Kohlenstoff (der als Ruß bekannt ist)
3. SOF aus dem Kraftstoff
4. SO₃ und H₂O

Gemäß der US-Umweltschutzbehörde (U. S. Environmental Protection Agency), 40 CFR Teile 9 und 86 ”Test Procedures for Heavy-Duty Engines, and Light-Duty Vehicles and Trucks and Emission Standard Provision for Gaseous Fueled Vehicles and Engines” wird PM als Teil des FTP (Federal Trade Procedure – Bundeshandelsprozedur) gemessen, bei dem ein Motor durch einen Bereich von vorbestimmten Zyklen arbeitet, die verschiedene Fahrzyklen darstellen, und die PM für den ganzen Zyklus sammelt, wodurch die während Motortransienten entwickelte PM eingefangen wird. Der PM-Anteil dieser Emissionen wird oftmals mit Dieselpartikelfallen (DPF) behandelt.
Die meisten schweren US-Dieselnutzfahrzeugmotoren nach 2007 werden mit Dieselpartikelfiltern (DPFs) ausgeliefert. Katalysator-basierte DPFs können bei Einsatz mit Kraftstoff mit extrem niedrigem Schwefelgehalt PM-Reduktionen im Bereich von 90% erzielen.
Der DPF ist ein poröses Keramikmaterial, das in einem Metallgehäuse untergebracht ist, das sich in dem Abgasstrom befindet. Das Filtermedium ist in vielen der kommerziell erhältlichen DPFs entweder ein Cordierit- oder Siliziumcarbidmaterial. Die Matrix weist in der Regel hunderte von Kanälen auf; die entgegengesetzten Enden von benachbarten Kanälen sind blockiert, wodurch der Abgasstrom durch die Rohrseitenwände gezwungen wird, wodurch die PM eingefangen wird. Die festen Fraktionen in der PM sammeln sich in den Wänden der Kanäle an und bewirken eine Blockierung des Filters. Das Ansammeln der festen Fraktion in dem DPF wird oftmals als ”Beladung” bezeichnet. Diese feste Fraktion muss abgebrannt werden, um den PDF in seinen ordnungsgemäß funktionierenden Modus zurückzuführen, und der Prozess des Abbrennens der festen Fraktionen ist als Regenerierung bekannt. Der Ruß, der abbrennt, wird in CO₂ und CO umgewandelt, die dann durch den Filter hindurchtreten.
Der Ruß aus der Dieselverbrennung besteht auch aus unverbrennbaren Elementen, die Asche in dem DPF ablagern. Das Reinigen dieser Asche aus dem DPF wird als ”Reinigung” bezeichnet und muss außerhalb des Fahrzeugs erfolgen. Die Häufigkeit für die Reinigung ist alle 200.000 bis 400.000 Meilen.
Die Motorabgastemperatur und das Tastverhältnis diktieren, ob die DPF-Wirkung passiv oder aktiv ist. Eine passive Regenerierung erfordert, dass die ständige Abgastemperatur im Bereich von 325°C bis 420°C liegt, was ausreicht, um den Ruß, während er sich anhäuft, spontan zu verbrennen. Wenn der DPF im passiven Modus arbeitet, wird die exotherme Reaktion, die sich aus der Reaktion zwischen der PM, die in den Kanalwänden eingefangen ist, und den oxidierenden Mitteln (O₂ und NO₂) ergibt, das entsprechende Druckdifferenzial in dem DPF aufrechterhalten. In diesem Fall liegt die DPF-Innentemperatur üblicherweise unter 700°C.
Eine aktive Regenerierung erfordert die Eingabe einer Person oder eines Systems, um eine Regenerierung zu initiieren und zu bewerkstelligen. Eine aktive Regenerierung ist erforderlich, wenn die stationäre Abgastemperatur keine ausreichende Temperatur erreicht; das Motortastverhältnis gestattet keine ausreichend hohe Temperatur zum Abbrennen des Rußes, oder da die Regenerierungsperiode in dem Bereich von 20 bis 30 Minuten liegt, ist die Zeit für die Regenerierung zu kurz. In diesem Fall baut sich die PM auf oder belädt die Kanalwände, das Druckdifferenzial an dem DPF steigt, was dann üblicherweise einen Befehl auslöst, dass das Fahrzeugemissionssystem in den aktiven Regenerierungsmodus geht.
Bei typischen Fernverkehrslastwagen ist die DPF-Regenerierung meist passiv, da das Motortastverhältnis ausreicht, um ausreichend Abgastemperatur zu entwickeln, damit die Rußkomponente der PM ständig abgebrannt wird.
Beim städtischen Dieselfahrzeuggebrauch wird das Motortastverhältnis oftmals durch frequentes Starten und Anhalten diktiert, so dass sowohl die Temperatur- als auch Zeitanforderungen für eine aktive Regenerierung nicht erfüllt werden. Bei typischen aktiven Regenerierungssystemen wird das Abgassystem für eine Zeitperiode mit Kraftstoff ”dosiert”, um die Temperatur in dem DPF für die Regenerierungsperiode anzuheben. Diese Regenerierungsperiode ist mit Problemen behaftet. Falls beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit unter eine Sollgeschwindigkeit abfällt, beispielsweise 20 mph, muss die Regenerierung dann aufhören. Falls die Kompressionsbremse während der Regenerierung aktiviert wird, muss die zusätzliche Kraftstoffdosierung aufhören, so dass die Regenerierungsperiode unterbrochen wird. Da bei dem Regenerierungsprozess Temperaturen über 800°C in der Matrix entstehen und dabei etwa eine Gallone Kraftstoff verbraucht wird, muss der Prozess auf sichere Weise ausgeführt werden. Diese hohen Temperaturen können auch für das Substrat schädlich sein, das sich verwerfen und beschädigt werden kann oder in einigen extremen Fällen sogar schmelzen kann. Falls das Substrat beschichtet ist, was oftmals der Fall ist, können diese extremen Temperaturen den Katalysator oder die Fixierung der Katalysatoren an dem Substrat beschädigen. Falls die Regenerierungstemperatur nicht ausreichend hoch ist, um ein Rußabbrennen zu unterstützen, wird die Regenerierungsperiode dann auf Dauern im Bereich 20 bis 30 Minuten verlängert.
Das Abgassystem eines modernen Dieselmotors weist üblicherweise mehrere Nachbehandlungseinrichtungen in dem System auf. Zusätzlich zu dem DPF kann es Dieseloxidationskatalysatoren (DOC-Diesel Oxidation Catalyst); Ammoniakproduzierer für SCR-Systeme; SCR-Katalysatoren und zusätzliche Katalysatoren in dem Ammoniakerzeugungssystem geben, die alle die Wärmeträgheit des Systems erhöhen.
2 zeigt das Layout einer typischen einzelnen Turboladerinstallation, bei der Frischluft durch einen Luftreiniger (25) und dann durch einen Einlasskanal (24) angesaugt wird, der den Luftreiniger (25) fluidisch mit dem Einlass der Verdichterstufe (2) des Turboladers koppelt. Die Verdichterstufe (2) wird von der Turbinenstufe (1) angetrieben. Abgas von dem Motor (100) passiert von der Verbrennungskammer des Motors zu dem Abgaskrümmer (7) zu der Turbinenstufe (1) und läuft dann zu den Nachbehandlungseinrichtungen durch ein Abgasrohr (11). Die Nachbehandlung besteht aus einem DPF (12) und einem Katalysator (13), kann aber auch die Einrichtungen beinhalten, die zum Erzeugen von Ammoniak für ein SCR-System oder für andere Nachbehandlungseinrichtungen erforderlich sind. Für ein AGR-System wird das Abgas in dem Abgaskrümmer dem AGR-Kühler (15) zugeführt und dann zu dem Einlasskrümmer (22), wo es sich mit der verdichteten Luft von der Verdichterstufe des Turboladers mischt, nachdem die verdichtete Luft in dem Luftladekühler (20) gekühlt ist. Die Mischung aus gekühlter verdichteter Luft von dem Luftladekühler (20) und gekühltem AGR-Gas von dem AGR-Kühler (15) wird durch das Einlassventil (21) gesteuert.
Zur DPF-Regenerierung wird entweder die Verbrennung mit überschüssigem Kraftstoff dosiert, um einen Abgasfluss mit höherer Temperatur zu generieren, oder in einigen Fällen wird eine zusätzliche Einspritzdüse gerade vor dem DPF bereitgestellt, um den ankommenden Abgasfluss zu ”dosieren”, um den DPF zu regenerieren. Im Fall der Erhöhung der Verbrennungstemperatur erhöht die Kraftstoff-”Dosierung” die typische Motor-Aus-Temperatur in dem Abgaskrümmer auf über 600°C, so dass die Temperatur des Abgases unmittelbar vor dem DPF mindestens 10 Minuten für die Regenerierungsperiode 550°C übersteigt. Die Wärmeträgheit aller Elemente des Abgassystems, des Turboladers, des Flammrohrs und des Abgasrohrs wirken alle dem entgegen, dass der DPF diese erhöhte Temperatur effizient und schnell sieht, was zu längeren Regenerierungsperioden führt.
6 zeigt einen Motor, der mit einem geregelten zweistufigen (R2S) Turboladersystem ausgestattet ist, bei dem der Abgasfluss so moduliert werden kann, dass er durch eine oder beide oder eine Kombination aus beiden Turbinenstufen strömen kann. Das Ergebnis dieses Layout, das oftmals verwendet wird, um von AGR-Systemen geforderte Hochdruckverhältnisse (in der Verdichterstufe) zu erzeugen, ist eine mehr als doppelte Vergrößerung der Wärmeträgheit, da nun zwei Turbinenstufen und die Kanalflührung vorliegen, um diese Konfiguration zu erleichtern. Dies bedeutet, dass die Wärmesenke, die dem für die DPF-Regenerierung erforderlichen Abgasfluss Wärmeenergie entzieht, viel größer ist und die Regenerierungsperiode viel länger ist, was mehr Kraftstoff für diesen Regenerierungsprozess erfordert.
Es gibt Einrichtungen, die der Nachbehandlung Wärme zu Zwecken der PM-Regenerierung zuführen. Sie behandeln Temperaturen im Bereich von 700°C bis 800°C. US 3,908,371 (Tadashi) lehrt ein Verfahren und ein System zum Reinigen von Abgasen. Der Motor liefert dosiertes Abgas, um ein Überschussluftverhältnis von etwa 1,0 bis 1,15 bereitzustellen, damit in den aus dem Motor emittierten Abgasen im Wesentlichen kein Kohlenmonoxid und Wasserstoff vorliegen. Ein Reduziermittel wie etwa Kohlenwasserstoffe wird den in den reduzierenden Katalysator eintretenden Abgasen zugemischt, um überschüssige Oxide zu entfernen und die Stickstoffoxide in den Abgasen zu reduzieren, während Sekundärluft den in den oxidierenden Katalysator eintretenden Abgasen zugeführt wird, um die Oxidation des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe zu unterstützen, die in den durch den oxidierenden Katalysator geschickten Abgasen verbleiben. Dies reinigt dann den Katalysator bei hoher Temperatur.
Es ist zwingend, dass die Regenerierung erfolgt, wenn sie durch den Zustand des DPF befohlen wird, so dass das Fahrzeug weiterhin Abgasnormen entspricht. In den meisten Fällen erfordern diese Zustände, dass der Prozess in der kürzest möglichen Zeit bei einer für das Fahrzeug und die DPF-Umgebung sicheren Temperatur durchgeführt wird.
Somit besteht ein Bedarf an einer einfachen preiswerten Lösung, die die Wärmeträgheit des Abgassystems bei der Periode der DPF-Regenerierung oder bei dem Motor beim Anlassen, oder bevorzugt bei beiden, senkt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Prozess der aktiven DPF-Regenerierung erfordert, dass der DPF für eine Zeitperiode, die ausreicht, um ein Rußabbrennen in dem DPF zu erreichen, auf Regenerierungstemperaturen über 550°C bis 600°C gebracht wird. Die Wärmeträgheit des einzelnen Turboladers, und, was kritischer ist, die von mehreren Turboladern, insbesondere unter anderem beim Motoranlassen, verzögert, dass das Abgas zu dem DPF die kritische Temperatur schnell erreicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert die Integrierung eines isolierten Turboladerbypasskanals mit geringer Wärmeträgheit die Zeit, die der DPF benötigt, um die kritische Temperatur für eine aktive DPF-Regenerierung zu erreichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht als Beschränkung in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen typischen Turbolader;
2 ein Schemadiagramm, das einen typischen Motor mit einzelnem Turbolader mit Nachbehandlung zeigt;
3 ein Schemadiagramm, das einen typischen Motor mit einzelnem Turbolader mit Nachbehandlung zeigt, unter Verwendung eines langen Bypasses mit geringer Wärmeträgheit mit der Nachbehandlung in einer typischen Fahrzeuginstallationsposition;
4 ein Schemadiagramm, das einen typischen Motor mit einzelnem Turbolader mit Nachbehandlung zeigt in einer eng gekoppelten Position;
5 ein Schemadiagramm, das einen typischen Motor mit einzelnem Turbolader mit Nachbehandlung zeigt in einer eng gekoppelten Position und einem Dappelfunktions-AGR/DPF-Strömungsventil;
6 ein Schemadiagramm, das einen typischen geregelten Motor mit zweistufigem Turbolader mit der Nachbehandlung in einer typischen Fahrzeuginstallationsposition zeigt;
7 ein Schemadiagramm, das einen typischen geregelten Motor mit zweistufigem Turbolader unter Verwendung eines langen Bypasses mit niedriger Wärmeträgheit mit der Nachbehandlung in einer typischen Fahrzeuginstallationsposition zeigt;
8 ein Schemadiagramm, das einen typischen geregelten Motor mit zweistufigem Turbolader mit einem eng gekoppelten Bypass mit geringer Wärmeträgheit mit der Nachbehandlung in einer eng gekoppelten Position zeigt;
9 ein Schemadiagramm, das einen typischen DPF zeigt, wobei das Bypassrohr mit niedriger Wärmeträgheit in den DPF unter einem Winkel eintritt;
10 ein Schemadiagramm, das einen typischen DPF mit einem Bypassrohr mit niedriger Wärmeträgheit zeigt, das das Bypassgas direkt an die DPF-Matrix schießt;
11 ein Schemadiagramm, das einen typischen DPF mit einem Bypassrohr mit niedriger Wärmeträgheit zeigt, das das Bypassgas direkt davor von der DPF-Matrix weg schießt;
12 ein Schemadiagramm, das einen typischen DPF zeigt, wobei das Bypassrohr mit niedriger Wärmeträgheit das Bypassgas in eine diffundierende Düse lenkt;
13 ein Schemadiagramm, das einen typischen DPF zeigt, wobei das Bypassrohr mit niedriger Wärmeträgheit das Bypassgas tangential in den DPF lenkt;
14 ein Diagramm, das den Vorzug eines Bypasses mit niedriger Wärmeträgheit zeigt;
15 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Effektivität eines Katalysators und der Gastemperatur zeigt,
16 ein Diagramm, das die relativen Massen von Komponenten in einem Turboladersystem zeigt;
17 ein Schemadiagramm des Abgassystems mit einem optionalen Ventil bei dem DPF.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Thermodynamisch funktioniert ein Turbinengehäuse wie eine massive Wärmesenke. Ein gusseisernes Turbinengehäuse entzieht, wenn es kühler ist als die Abgastemperatur, dem Abgas Wärmeenergie. Da die Wärmeträgheit eines Turboladers signifikant ist, muss akzeptiert werden, dass die Wärmeträgheit von mehreren Turboladern proportional signifikant zunimmt. Da VTG-Turbolader viele Teile enthalten und eine höhere Masse besitzen, sind entsprechend die Wärmeträgheitseigenschaften proportional signifikant erhöht. Im Fall von mehrstufigen Turboladern nimmt die Wärmeträgheit durch die mehrfache Anzahl von Turboladern plus Volumen und Natur des die mehreren Turbolader verbindenden Materials zu.
Um die Zeit zu minimieren, die für die Regenerierung des DPF erforderlich ist, ist es kritisch, dass die in dem Abgasstrom gefundene Wärmeenergie von dem Motor maximal benutzt wird. Um den Wunsch zu erleichtern, dass maximale Wärmeenergie den DPF zu der für die Regenerierung erforderlichen Zeit erreicht, wird ein gut isolierter Bypass (zum Minimieren der Strahlung von dem Bypass zu der Außenluft) mit niedriger Wärmeträgheit bereitgestellt.

Da die Wärmeträgheit durch Flächeninhalt, Dicke, Dichte, spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit der fraglichen Materialien bestimmt wird, wird unten eine Tabelle der relativen Massen der Komponenten in der Erfindung bereitgestellt, um einen gewissen Vergleich zu liefern.

Beschreibung des Turbinengehäuses	Masse des Turbinengehäuses (kg)	Masse des gusseisernen Bypassrohrs (kg)	Masse des dünnwandigen Bypassrohrs aus rostfreiem Stahl 309 (kg)
96 min fixiert	27,22	2,17	0,007
87 mm VTG	35,4	2,17	0,034
70 mm fixiert	14,81	2,17	0,034
70 mm VTG	26,1	2,17	0,034
70 mm R2S	29,9	2,17	0,034
52 mm fixiert	5,44	0,277	0,007
PKW fixiert	2,6	0,277	0,007
PKW R2S	7,5	2,17	0,034

Ein Turbinengehäuse weist einen inneren Flächeninhalt von etwa 0.15 m² auf Ein gusseisernes Bypassrohr mit 25 mm Innendurchmesser und 457 mm Länge weist einen inneren Flächeninhalt von 0,036 m² auf, was 0,036/0,15 = 24% des Flächeninhalts des Turbinengehäuses beträgt.
Der Wärmeleitungskoeffizient ”☐” aus Gusseisen beträgt 33,5 W/m-°K. Der ”☐” Wert von rostfreiem Stahl 309 beträgt 15,7, weshalb das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit eines dünnwandigen SS 309-Bypassrohrs (z. B. 0,6 mm–0,25 mm) gegenüber dem eines ähnlich dimensionierten (25 mm Innendurchmesser, 457 mm Länge) gusseisernen Rohrs ein Faktor von 15,7/33,5 = 0.468 sein wird. So ist ersichtlich, dass ein dünnwandiges Bypassrohr aus rostfreiem Stahl eine Wärmeträgheit von 0,094 × 0,24 × 0,468 = 0,0106, oder 1% des Turbinengehäuses aufweisen wird, das es umgeht.
16 zeigt das Verhältnis von Massen (oder des Flächeninhalts bei einer konstanten mittleren Wanddicke im gleichen Material) für einen Bereich von Turbinengehäusen, bewertet nach der auf der ”X”-Achse aufgetragenen Turbinenradgröße in mm und der Masse auf der ”Y”-Achse in kg. Die Trendlinie (160) glättet den Bereich (160) von Massen von Turbinengehäusen, die von den Erfindern notiert wurden. Die Linie über dieser (162) stellt, die Massen eines Bereichs von VTGs in der Produktion dar, und die Linie über dieser (163) stellt die Massen von einigen Produktions-R2S-Turboladersystemen dar. Am unteren Ende des Diagramms befinden sich zwei Linien, die die Massen von Turboladerbypasses darstellen. Die größere gestrichelte Linie stellt die Massen von gusseisernen Bypassrohren dar. Der Bypass ändert seinen Durchmesser, wenn die Turbolader größer werden. Die dünnere gestrichelte Linie (166) unter dieser stellt Massen der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden Bypassrohre aus rostfreiem Stahl dar. Die Innendurchmesser dieser Rohre ändern sich ebenfalls, wenn die Turbos größer werden.
Anhand des Diagramms in 16 ist zu sehen, dass bei kleinen Turboladern das Verhältnis der Masse des gusseisernen Bypasses zu der Masse der größten Turbinengehäusekonfiguration im Bereich von 6% bis 30% liegt. Für die größeren Turbolader (nahe 91 mm) liegen die Bereiche zwischen 2,5% und 15%. Bei allen Turboladern liegt das Verhältnis der Masse des dünnwandigen SS-Bypasses zu der des Turbinengehäuses im Bereich von 0,11% bis 0,45%. Das Verhältnis der Masse des SS-Bypasses zu dem des gusseisernen Bypasses liegt im Bereich von 1,57% bis 2,53%. Somit ist zu sehen, dass die Wärmeträgheit für einen isolierten dünnwandigen Bypass im Vergleich zu der des Turbinengehäuses eine riesige Reduktion darstellt.
Ein typisches Turbinengehäuse für ein 91 mm-Turbinenrad weist eine Masse von 25 kg auf, ein Turbinengehäuse für ein 70 mm-Turbinenrad weist eine Masse von 15 kg auf. Ein ähnlich dimensioniertes VTG-Turbinengehäuse weist eine Masse von 26 kg auf. Eine Doppelstufe für einen ähnlichen Motor wie dem des obigen Turboladers mit einem 70 mm-Rad weist eine Masse von 30 kg auf. Für die gleichen Turboladerbeispiele wird ein gusseiserner Bypass eine Masse zwischen 0,27 kg und 2,17 kg aufweisen, und die Masse eines dünnwandigen Bypassrohrs aus rostfreiem Stahl wird im Bereich von 0,007 kg und 0,034 kg liegen.
Falls die Wanddicke ”Y” des Bypassrohrs von der Gusseisendicke von 6,4 mm auf die Dicke des rostfreien Stahls von 0,6 mm reduziert wird, dann wird der Wärmeleitfähigkeitspfad um 0,6/6,4 = 0,094 des Originals reduziert, weshalb diese Änderung eine Wärmeträgheitsänderung vom gleichen Faktor erzeugen würde.
In 3 wird Abgas von dem Abgaskrümmer (7) durch ein Steuerventil (19) durch einen eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Bypasskanal (18) zu einem Zuführpunkt gerade vor dem DPF (12) abgeleitet. Das erwärmte Abgas wird dann der DPF-Keramikmatrix (121) zugeführt, die in 9 bis 13 ausführlicher gezeigt ist. Mit diesem neuartigen System wird die Temperatur des erwärmten Abgases durch das Volumen des Abgasflusses, der durch Kontakt mit dem eine hohe Wärmeträgheit und eine große Masse aufweisenden Turbolader- und Abgassystem gekühlt wird, nur minimal verdünnt.
Eine extremere Ausführungsform dieser Konfiguration ist in 4 gezeigt. Der Ort des DPF und möglicherweise der anderen Nachbehandlungseinrichtung(en) ist modifiziert, damit der DPF näher an dem Abgaskrümmer liegt. Während dies möglicherweise auf dem Papier leicht aussieht, ist in Wirklichkeit die Kapselung eines derartigen Layouts in einem Fahrzeug sehr schwierig, da der DPF bei Temperaturen läuft, die 800°C übersteigen können.
Eine weitere Ausführungsform dieser Konfiguration ist in 5 zu sehen, bei der das AGR-Ventil und das DPF-Regenerierungsventil als ein kombiniertes Ventil (9) so konfiguriert sind, dass das kombinierte Ventil (9) (AGR und Bypasskanal mit niedriger Wärmeträgheit) beide den Gasfluss durch den wärmeisolierten Bypasskanal (19) mit niedriger Wärmeträgheit zu dem DPF (12) während Regenerierungsperioden steuern können, wodurch die Kosten eines einzelnen DPF-Regenerierungsströmungsventils eingespart werden.
In 7 wird ein geregeltes zweistufiges Turboladersystem verwendet. Dies besitzt in der Regel bei einer kommerziellen Dieselanwendung eine Gusseisenmasse von etwa 34 kg. Für eine Personenwagenanwendung wird dies weniger sein, es wird aber auf der Basis der prozentualen Masse des Systems immer noch etwa der gleiche Wert sein, weshalb es einen großen Prozentsatz der Wärmeträgheit des ganzen Systems umfassen wird. Gemäß der Erfindung wird Abgas von dem Abgaskrümmer (7) durch ein Steuerventil (19) durch einen eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Bypasskanal (18) zu einem Zuführpunkt gerade vor dem DPF (12) gelenkt.
Eine weitere Ausführungsform des geregelten zweistufigen Designs ist in 8 gezeigt. Wie oben erläutert wurde, ist der DPF (12) an der nächstmöglichen Position zu dem Abgaskrümmer (7) angeordnet, um die Wärmeträgheit des Bypasses zu minimieren. Diese Ausführungsform besitzt möglicherweise ein Doppelfunktions-AGR/DPF-Regenerierungsveritil (9) anstelle eines diskreten AGR-Ventils plus eines diskreten DPF-Regenerierungsventils.
Wenn der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Turboladerbypasskanal (18) verwendet wird, kann der größte Vorteil dadurch erzielt werden, dass das nicht wärmeverdünnte Abgas direkt auf die DPF-Keramikmatrix gerichtet wird. 9 zeigt ein Verfahren, bei dem das ”heiße” Abgas (40), das in dem eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Kanal (18) strömt, aus dem Kanal (18) am Ort (122) in der Richtung (42) derart auftaucht, dass es auf die Mitte der Keramikmatrix trifft. Auf diese Weise wird die Verdünnung mit dem ”kühleren” Abgas (41), das sich entlang dem Standardabgasrohr bewegt hat, begrenzt.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann, um die Wärmeträgheit zu minimieren, so dass ein Maximum an Wärmeenergie zu der Nachbehandlungseinrichtung geliefert wird, ein dünner flexibler Kanal, der aus einer Superlegierung oder rostfreiem Stahl hergestellt sein kann, verwendet, um das umgeleitete Gas zu befördern. Die Superlegierung, bevorzugt eine eisenbasierte Superlegierung, enthält eines oder mehrere von Ti, Nb, B, Hf und Zr, und zu geeigneten Beispielen zählen SUH660, Inconel 713C, und Incoloy 800H. Ein typischer rostfreier Stahl für ein derartiges Rohr ist SS309. Durch Verbinden des Abgaskrümmers mit dem Fahrzeugflammrohr (34) mit einem Kanal mit niedriger Wärmeträgheit wird von dem Kanal weniger von der Abgaswärme absorbiert, als dies der Fall wäre, wenn der Kanal ein starkwandiges Gussteil wäre, weshalb mehr von der Abgasenergie zum Erhitzen des Katalysators oder DPF zur Verfügung steht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Turboladerbypasskanal (18) dazu verwendet, das nicht wärmeverdünnte Abgas direkt auf die DPF-Keramikmatrix zu lenken. 10 zeigt ein Verfahren, bei dem das ”heiße” Abgas (40), das in dem eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Kanal (18) strömt, aus dem Kanal (18) an einem Ort (123) in einer Richtung (42) erscheint, so dass das Abgas direkter auf die Mitte der Fläche der DPF-Keramikmatrix auftrifft, als dies bei der Ausführungsform in 9 möglich wäre. Diese Ausführungsform erfordert möglicherweise einige Geometrieänderungen an der Keramikmatrix, um einen noch höheren Erwärmungsgrad zu erreichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Designs wird der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Turboladerbypasskanal (18) dazu verwendet, das nicht wärmeverdünnte Abgas direkt stromaufwärts von der DPF-Keramikmatrix weg zu lenken. 11 zeigt ein Verfahren, bei dem das ”heiße” Abgas (40), das in dem eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Kanal (18) strömt, aus dem Kanal (18) an einem Ort (124) in einer Richtung (43) erscheint, die dem allgemeinen Strom des ankommenden ”kühleren” Abgasflusses (41) entgegengesetzt ist, so dass das Design für ein ausgezeichnetes lokales Mischen von Abgastemperatur sorgt, um den ”teilweise erwärmten” Gasfluss gleichförmiger über die Fläche der DPF-Keramikmatrix zu führen, als dies mit der Ausführungsform in 9 oder 10 möglich wäre. Die vorliegende Ausführungsform erfordert möglicherweise, dass der ankommende Strom (40) von dem Bypasskanal (18) etwas zusätzliche Geschwindigkeit erhält, um ein optimales Mischen zu erzielen.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird der niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Turboladerbypasskanal (18) verwendet, um das nicht wärmeverdünnte Abgas in eine Düse vor der DPF-Keramikmatrix zu lenken. 12 zeigt ein Verfahren, bei dem das ”heiße” Abgas (40), das in dem eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Kanal (18) strömt, aus dem Kanal (18) an einem Ort (125) in einer Richtung (44) erscheint. Mehrere Rohre, die von unterschiedlichen Längen sein können, in der Düse können ebenfalls in unterschiedlichen Winkeln von der Senkrechten zu dem ankommenden Strom (41) sein, um geneigt in der Richtung des ankommenden Stroms (41). Bei dieser Ausführungsform wird die Mischwirkung durch Wirbelablösung hinter den Einspritzdüsenrohren generiert.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform dieses Designs wird der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Turboladerbypasskanal (18) verwendet, um das nicht wärmeverdünnte Abgas in eine Düse vor der DPF-Keramikmatrix zu lenken. 13 zeigt ein Verfahren, bei dem ”heißes” Abgas (40), das in dem eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Kanal (18) strömt, aus dem Kanal (18) an einem Ort (126) in einer Richtung (45) tangential zu der Mittellinie des DPF-Gehäuses erscheint. Bei dieser Ausführungsform wird die Mischwirkung durch den tangentialen Drall (45) in dem Kanal vor der DPF-Keramikmatrix erzeugt.
Das Diagramm in 14 zeigt die Periode, die für die Regenerierung in einem Test zur Verfügung steht. Die X-Achse ist die in Sekunden verfügbare Dauer; die Y-Achse ist die Temperatur in Grad Celsius an einem Punkt vor der DPF-Matrix. 550°C bis 600°C ist die kritische Temperatur für die Regenerierung in dem untersuchten DPF.

• Die Kurve ”M” ist die Temperatur des Abgases vor dem Turbinenrad.
• Die Kurve ”S” ist die Temperatur unmittelbar vor dem DPF in der normalen Konfiguration.
• Die Kurve ”I” ist die Temperatur des Abgases unmittelbar vor dem DPF unter Verwendung des eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden Bypasskanals.
• Die Linie ”R” ist die Schwellwerttemperatur für das Rußverbrennen.
• Die mit ”D” markierte Dauer ist die Dauer (100%) des ganzen befohlenen Regenerierungszyklus.
• Die mit ”B” markierte Dauer ist die Dauer einer typischen (und der Test-) DPF-Standardkonfiguration, wobei die Temperatur vor dem DPF > 600°C beträgt, die Schwellwerttemperatur für das Rußverbrennen.
• Die mit ”N” markierte Dauer ist die Dauer, während der die Temperatur vor der DPF-Matrix > 600°C ist, wobei der einfache Fall der Erfindung in 3 verwendet ist. (Bei der Nachbehandlungskonfiguration wird eine Standardfahrzeugkonfiguration angenommen, und ein eine niedrige Wärmeträgheit aufweisendes, gut isoliertes Bypassrohr kanalisiert das Regenerierungsabgas von dem Abgaskrümmer zu dem DPF-Diffusionskegel vor der DPF-Matrix.
• Die Periode ”I” ist die zeitliche Verbesserung, die für die Regenerierung zur Verfügung steht. ”I” ist die Differenz zwischen der Standardkonfiguration ”B” und der neuen Konfiguration ”N”. Somit ist die Periode ”I” effektiv die Zeitverbesserung aufgrund der Erfindung.

Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass die nutzbare Regenerierungsperiode ”B” für die Standardkonfiguration 555 Sekunden oder 62,5% der verfügbaren Periode beträgt, wohingegen die nutzbare Regenerierungsperiode für die Konfiguration unter Verwendung des eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden isolierten Bypasses 675 Sekunden oder 76,7% der verfügbaren Periode und eine Erhöhung um 21,6% beträgt. Dies würde ungefähr einer Reduktion von 21,6% bei der Wärmeträgheit der Turbolader entsprechen, eine riesige Reduktion.
Unter Verwendung der gleichen Logik wie der, die für die obige DPF-Regenerierung verwendet wird, erkannten die Erfinder, dass das gleiche, für eine schnelle DPF-Regenerierung verwendete, eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende Bypasssystem dazu verwendet werden könnte, das Problem des Katalysatoranspringens beim Kaltstarten zu lösen. Wie in 17 gezeigt, wird der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Turboladerbypasskanal (18) dazu verwendet, das nicht wärmeverdünnte (wärmekonservierte) Abgas entweder in den DPF (12) oder den Katalysator (13) oder in beide zu lenken. Der Strom erwärmten, unverdünnten Gases wird sowohl durch das Steuerventil (19) gesteuert, das einen Strom heißen Abgases in den eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, gut isolierten Turboladerbypasskanal (18) einlässt. Das Steuerventil (51) an dem Eingang zu dem DPF kann konfiguriert sein, einen Strom zum DPF zur Regenerierung einzulassen oder einen Strom zu dem Katalysator für ein frühes Anspringen einzulassen. Da es nicht wahrscheinlich ist, dass die Kaltstartbedingung mit einem DPF-Regenerierungszyklus in Konflikt steht, sollte keine Anforderung bestehen, dass der eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende, gut isolierte Kanal heißes Abgas sowohl zu dem DPF als auch zu dem Katalysator liefert. Im Fahrzeuggeschäft wird der gleiche Motor manchmal in vielen verschiedenen Fahrzeugen verwendet. Der gleiche Grundmotor, der in einem Muldenkipper verwendet wird, könnte in einer Kreuzfahrtjacht oder einem Bagger verwendet werden. Im Kraftfahrzeuggeschäft kann der gleiche Motor, der in einem viersitzigen Wagen verwendet wird, in einem Großraumwagen oder einem SUV verwendet werden. Wegen dieser breiten Nutzung ist es unmöglich, die Länge eines Motorabgasrohrs (in diesem Fall von dem Turbolader zu dem DPF) oder im Fall der Erfindung die Länge des eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, isolierten Turboladerbypasskanals für alle Fahrzeuge zu definieren.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, das Abgassystem mit einem ersten Strömungspfad auszustatten, der durch den Turbolader verläuft, und einem zweiten ”Bypass-”Strömungspfad durch einen Kanal, der spezifisch so ausgelegt ist, dass er so wenig Wärmeträgheit wie möglich aufweist. Als Faustregel kann ein ”eine niedrige Wärmeträgheit aufweisendes Bypassrohr” im Hinblick auf das Verhältnis des Gewichts einer definierten Länge des Bypasses zu dem Gewicht des Turbinengehäuses definiert werden, wobei die definierte Länge proportional zu dem Durchmesser des Turbinenrad ist.
Alternativ kann das eine niedrige Wärmeträgheit aufweisende Bypassrohr im Hinblick auf das Gewicht eines ersten Zweigs zum Gewicht eines zweiten Zweigs von dem Aufteilpunkt dem Vereinigungspunkt definiert werden. Der erste Zweig enthält eine Abgasrohrleitung von der Aufteilung zu dem Turbinengehäuse, enthält das Gewicht des Turbinengehäuses und das Gewicht des Flammrohrs und des Abgasrohrs zu dem Vereinigungspunkt. Bei diesem Messverfahren beträgt das Gewicht des Bypassrohrs zwischen 1% und 10% des Gewichts des Turboladerzweigs.
Als wissenschaftlichere Messform kann das Bypassrohr im Hinblick auf die Länge des eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden [warum das Gewicht der Isolation aufnehmen?] Turboladerbypasskanals von der Abgasquelle vor dem Turbolader definiert werden, von entweder dem Krümmer [enthält Ventilgewicht?] wie in 3 gezeigt oder von unmittelbar vor dem Turbolader wie in 5 gezeigt, und wobei der Abschluss des Bypasskanals den gleichen Abstand von der Nase des Turbinenrads wie die Grenzfläche des Abgasrohrs (18) zu dem nachgeschalteten Turbinengehäuse (1) aufweist.
Mit dieser Definition zum Abdecken aller Turbolader – von festen Turboladern zu geregelten zweistufigen Turboladern –:
Das Verhältnis des Gewichts des gusseisernen, eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, isolierten Turboladerbypasskanals der oben definierten Länge zu dem Durchmesser des Turbinenrads beträgt zwischen (0,005 und 0,020) (wirklich 0,006 bis 0.017); und
das Verhältnis des dünnwandigen, eine niedrige Wärmeträgheit aufweisenden, isolierten SS-Turboladerbypasskanals zu dem Durchmesser des Turbinenrads beträgt zwischen 0,0001 und 0,00025 (wirklich 0,0001 bis 0,00021).
Wenngleich hierin ein Fahrzeugmotorsystem mit großem Detail bezüglich einer für die Kraftfahrzeug- oder Lastwagenindustrie geeigneten Ausführungsform beschrieben wurde, ist ohne weiteres ersichtlich, dass das Turboladersystem mit der eine niedrige Wärmeenergie aufweisenden, isolierten Turbinenbypassrohrleitung zum Einsatz in einer Anzahl anderer Anwendungen geeignet ist. Wenngleich die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten Form insbesondere bezüglich Dieselpartikelfiltern und Katalysatoren beschrieben worden ist, versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form nur beispielhaft gemacht wurde und dass auf zahlreiche Änderungen hinsichtlich der Details von Strukturen und der Zusammensetzung der Kombination ausgewichen werden kann, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1541826 B1 [0016]
US 6389806 [0026]
US 7117668 [0027]
US 5878567 [0028]
US 5410872 [0029]
US 3908371 [0031, 0045]

Claims

Fahrzeugmotorsystem, das Folgendes enthält: einen Verbrennungsmotor (100) mit einem Ansaugkrümmer (22) und einem Abgaskrümmer (7), mindestens einen Turbolader mit einem Turbinengehäuse, wobei das Turbinengehäuse einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass in Kommunikation mit dem Abgasstrom des Abgaskrümmers (7) steht und dahinter angeordnet ist, mindestens eine Nachbehandlungseinrichtung (12, 13), die in dem Abgasstrom hinter dem Turbolader angeordnet ist, wobei die Nachbehandlungseinrichtung einen Einlass und einen Auslass aufweist, eine Bypassrohrleitung (18), die den Abgasfluss vor dem Turbolader mit einem Abgasfluss hinter dem Turbolader und vor der Nachbehandlungseinrichtung verbindet, Bypassventile (9, 19) zum selektiven Steuern des Flusses mindestens eines Teils des Abgases um das Turbinengehäuse herum, wobei der innere Flächeninhalt der Bypassrohrleitung 1–25% des inneren Flächeninhalts des Turbinengehäuses beträgt, wobei die Länge der Bypassrohrleitung 200 cm oder weniger beträgt, und wobei das Metallgewicht der Bypassrohrleitung 0,1 bis 3% des Gewichts des Turbinengehäuses beträgt.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungseinrichtung ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass enthält und wobei die Bypassrohrleitung (19) einen Abgasfluss in den Abgasstrom innerhalb 5 cm des Nachbehandlungseinrichtungsgehäuseeinlasses einleitet.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungseinrichtung ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass enthält und wobei die Bypassrohrleitung (19) einen Abgasfluss in die Nachbehandlungseinrichtung hinter dem Nachbehandlungseinrichtungsgehäuseeinlass einleitet.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei der innere Flächeninhalt der Bypassrohrleitung 5–50% des inneren Flächeninhalts des Turbinengehäuses beträgt, wobei die Länge der Bypassrohrleitung 100 cm oder weniger beträgt und das Metallgewicht der Bypassrohrleitung 0,1 bis 1,5% des Gewichts des Turbinengehäuses beträgt.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei der innere Flächeninhalt der Bypassrohrleitung 5–25% des inneren Flächeninhalts des Turbinengehäuses beträgt, wobei die Länge der Bypassrohrleitung 50 cm oder weniger beträgt und das Metallgewicht der Bypassrohrleitung 0,1 bis 0,5% des Gewichts des Turbinengehäuses beträgt.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei die Bypassrohrleitung wärmeisoliert ist.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungseinrichtung ein Dieselpartikelfilter (DPF) (12), ein Dieseloxidationskatalysator, eine Partikelfilterregenerierungseinrichtung (ist dies vom DPF getrennt?) und/oder ein Windschutzscheibenentfroster ist.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 7, wobei die Bypassrohrleitung (18) ausgelegt ist zum Lenken von Abgas zu einem oder beiden des DPF (12) und des Katalysators (53).
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei das Bypassrohr ein eisenbasiertes Superlegierungsmaterial ist, das eines oder mehrere von Ti, Nb, B, Hf und Zr oder rostfreiem Stahl enthält.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei das Bypassrohr ein flexibler gewellter Kanal aus einem Superlegierungsmaterial ist ausgewählt unter SUH660, Inconel 713C und Incoloy 800H.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungseinrichtung ein Dieselpartikelfilter (DPF) (12) ist, wobei das System weiterhin ein Abgasrückführungssystem (AGR) enthält und wobei die Bypassventile (10) ausgelegt sind zum Steuern des Abgasflusses für AGR sowie zum Steuern des Abgasflusses durch den Bypasskanal (19) zu dem DPF (12) während Regenerierungsperioden.
Fahrzeugmotorsystem nach Anspruch 1, umfassend erste und zweite Turbolader, in Reihe angeordnet, wobei die Bypassrohrleitung beide Turbolader umgeht.