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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Leistungssystem, insbesondere ein Leistungssystem mit einem Zusatzstoffinjektor.
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Hintergrund
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Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, einschließlich Dieselmotoren, geben ein komplexes Gemisch von potentiellen Luftschadstoffen ab. Diese Luftschadstoffe können Feststoffe wie Partikel oder Ruß enthalten. Aufgrund eines erhöhten Umweltbewusstseins sind Abgasemissionsvorschriften für Dieselmotoren strenger geworden. Die Menge an Feststoffen, die von einem Motor emittiert werden darf, kann abhängig von dem Typ des Motors, der Größe des Motors und/oder der Klasse des Motors reguliert sein.
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Ein Verfahren, das von Motorherstellern verwendet wird, um die Vorschriften in Bezug auf die an die Umwelt abgegebenen Feststoffe zu erfüllen, besteht darin, Feststoffe unter Verwendung einer Partikelsammelvorrichtung, beispielsweise einer Partikelfalle oder eines Dieselpartikelfilters (DPF), aus dem Abgasstrom eines Motors zu entfernen. Ein DPF ist ein Filter, das zum Auffangen von Partikeln in einem Filtersubstrat ausgebildet ist, das beispielsweise Filtermedien mit einem Drahtgeflecht oder einer keramischen Wabenstruktur enthalten kann. Wenngleich dies im Hinblick auf die Verringerung von relativ großen Partikeln in dem Abgas effektiv sein kann, sind diese Filtermedien möglicherweise nicht effizient im Hinblick auf das Auffangen von relativ kleinen Partikeln.
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Im Laufe der Zeit können sich Partikel an dem Filtermedium ansammeln und den Abgaskanal blockieren, wodurch ein Druck in dem Abgas zunimmt und eine Leistungsfähigkeit des Motors abnimmt. Das DPF kann durch Erhöhen der Temperatur des Abgases, beispielsweise durch Steuern der Verbrennung der Brennkraftmaschine oder durch eine dem DPF zugeordnete Heizvorrichtung zum Wegbrennen der Partikel an dem Filtermedium regeneriert werden. Typischerweise dauert ein DPF-Regenerationsprozess eine vorbestimmte Zeit, beispielsweise 10 Minuten. In einigen Fällen, in denen die Verteilung der Partikel an dem Filtermedium nicht gleichmäßig ist, kann ein Teil der Partikel unverbrannt zurückbleiben, wenn der Regenerationsprozess beendet wird.
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Es können verschiedene Regenerationstechniken zum Erzielen der Verringerung der Feststoffe in dem Abgas eines Motors verwendet werden. Beispielsweise beschreibt das am 3. Dezember 2002 für Vincent et al. erteilte
US-Patent 6,488,725 (das Patent '725) ein Verfahren zum Zuführen eines Eisen enthaltenden, kraftstofflöslichen Zusatzstoffes zur Verwendung bei der Regenerierung einer Partikelfilterfalle. Das Verfahren beinhaltet das Zusetzen eines Zusatzstoffes zu dem Kraftstoff vor oder während einer Verbrennung. Insbesondere wird die Zufuhr des Zusatzstoffes dem Kraftstoff in einer beliebigen Stufe der Kraftstoffzufuhrkette zugesetzt oder über eine Dosiervorrichtung auf dem Fahrzeug entweder dem Kraftstoff oder direkt in der Brennkammer oder dem Ansaugsystem zugesetzt. Der Zusatzstoff vermischt sich mit dem Kraftstoff, und das Gemisch wird zum Liefern eines Abgasstroms verbrannt, der Rußpartikel und Zusatzstoffe enthält. Bei einem Betrieb verringern die Zusatzstoffe die Zündtemperatur der Rußpartikel.
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Wenngleich das in dem Patent '725 beschriebene Verfahren dazu geeignet sein kann, die Partikelfilterfalle zu regenerieren, kann sie dennoch problematisch sein. Beispielsweise ist das Dieselpartikelfilter, wenn die Partikel ausreichend klein sind, möglicherweise nicht effizient im Hinblick auf das Auffangen der Feinstoffe. Somit können die Feinstoffe möglicherweise direkt an die Umgebung abgegeben werden, was eine Verschmutzung der Umgebung bewirkt. Ferner ist die Verteilung der Partikel und der Zusatzstoffe auf dem Filtermedium möglicherweise nicht gleichmäßig. Dies kann dazu führen, dass zurückbleibende Feststoffe unverbrannt auf dem Filtermedium zurückbleiben, nachdem die Regenerierung beendet worden ist, was sich nachteilig auf den Abgasstrom und/oder die Leistungsfähigkeit des Motors auswirken kann.
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Das System der vorliegenden Offenbarung zielt darauf ab, die vorhandene Technologie zu verbessern.
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Zusammenfassung
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Leistungssystem. Das Leistungssystem enthält eine Leistungsquelle, die zum Erzeugen eines Abgasstroms ausgebildet ist. Das Leistungssystem enthält ferner eine Kraftstoffzufuhrleitung, die eine Kraftstoffzufuhr und die Leistungsquelle verbindet. Die Kraftstoffzufuhrleitung ist zum Leiten eines Kraftstoffstroms von der Kraftstoffzufuhr zu der Leistungsquelle ausgebildet. Ein Zusatzstoffinjektor ist zum Einspritzen eines Zusatzstoffes in den Kraftstoffstrom ausgebildet. Eine Ionisationsvorrichtung ist zumindest teilweise in dem Abgasstrom angeordnet und zum Aufbringen einer Ladung auf den Zusatzstoff und Feststoffpartikel in dem Abgasstrom ausgebildet. Ein Partikelfilter ist zum Entfernen der Feststoffpartikel und des Zusatzstoffes aus dem Abgasstrom ausgebildet.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Feststoffpartikeln aus einem Abgasstrom. Das Verfahren beinhaltet das Leiten eines Kraftstoffstroms in eine Leistungsquelle. Das Verfahren beinhaltet ferner das Einspritzen eines Zusatzstoffes in den Abgasstrom stromaufwärts der Leistungsquelle. Das Verfahren beinhaltet ferner das Verbrennen des Kraftstoffs und des Zusatzstoffes zum Erzeugen eines Abgasstroms mit Feststoffpartikeln und dem Zusatzstoff. Das Verfahren beinhaltet ferner das Aufbringen einer Ladung auf den Zusatzstoff und die Feststoffpartikel durch Leiten des Abgasstroms durch eine Ionisationsvorrichtung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Leiten des Abgasstroms durch ein Partikelfilter.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Maschine mit einem beispielhaft offenbarten Leistungssystem.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine beispielhafte Maschine 5, die ein beispielhaft offenbartes Leistungssystem 10 aufweisen kann. Die Maschine 5 kann eine beliebige Maschine sein, beispielsweise eine mobile Maschine wie ein Passagierfahrzeug, ein Nutzfahrzeug, eine landwirtschaftliche Maschine, eine Bergbaumaschine, eine Baumaschine, etc. Alternativ dazu kann die Maschine 5 eine stationäre Maschine sein, beispielsweise eine Leistungserzeugungsmaschine.
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Das Leistungssystem 10 kann eine Leistungsquelle 20, die zum Verbrennen von Kraftstoff und Erzeugen eines Abgasstroms mit Feststoffpartikeln ausgebildet ist, und ein Abgasnachbehandlungssystem 30, das zum Behandeln des Abgasstroms ausgebildet ist, enthalten. Im Rahmen dieser Offenbarung wird die Leistungsquelle 20 als ein Vierzylinderdieselmotor dargestellt und beschrieben. Für Fachleute ist jedoch offensichtlich, dass die Leistungsquelle 20 ein beliebiger Typ einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung sein kann, beispielsweise ein Benzinmotor, ein mit einem gasförmigen Kraftstoffbetriebener Motor (z. B. ein Gasmotor) oder irgendein anderer Typ einer bekannten Brennkraftmaschine. Die Leistungsquelle 20 kann einen Motorblock enthalten, der zumindest teilweise mehrere Brennkammern 25 begrenzt. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält die Leistungsquelle 20 vier Brennkammern. Es ist vorgesehen, dass die Leistungsquelle 20 mehr oder weniger Brennkammern 25 enthalten kann und die Brennkammern 25 in einer „Reihen”-Konfiguration oder einer „V”-Konfiguration oder irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Die Leistungsquelle 20 kann ein Luft/Kraftstoff-Gemisch in jede der Brennkammern 25 ansaugen und so eine Verbrennung erzielen und Leistung, Wärme und Abgas erzeugen. Insbesondere kann die Leistungsquelle 20 ein Ansaugrohr 35 zum Zuführen des Luft/Kraftstoff-Gemisches zu der Leistungsquelle 20 enthalten. Das Ansaugrohr 35 kann Kraftstoff von einer Kraftstoffversorgung 40 und Luft von einem Luftzufuhrsystem (nicht gezeigt) empfangen und ein Gemisch aus der Luft und dem Kraftstoff zu jeder der Brennkammern 25 leiten.
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Die Kraftstoffversorgung 40 kann zum Liefern von Kraftstoff zu der Leistungsquelle 20 für eine Verbrennung ausgebildet sein. Die Kraftstoffversorgung 40 kann eine Kraftstoffzufuhr 45, eine Pumpe 55 und eine Kraftstoffzufuhrleitung 50 enthalten, die zum Leiten eines Kraftstoffstroms von der Kraftstoffzufuhr 45 zu der Leistungsquelle 20 ausgebildet ist. Die Kraftstoffzufuhrleitung 50 kann zum Leiten eines Kraftstoffstroms von der Kraftstoffzufuhr 45 zu dem Ansaugrohr 35 der Leistungsquelle 20 ausgebildet sein. Die Pumpe 55 kann in der Kraftstoffzufuhrleitung 50 angeordnet und zum Fördern einer Kraftstoffmenge aus der Kraftstoffzufuhr 45, Beaufschlagen des Kraftstoffs mit Druck und Leiten des mit Druck beaufschlagtem Kraftstoffs zu dem Ansaugrohr 35 ausgebildet sein. Alternativ ist vorgesehen, dass die Leistungsquelle 20 einen (nicht gezeigten) Injektor enthalten kann, der jeder der Brennkammern 25 zugeordnet ist und zum Einspritzen von Kraftstoff in jede der Brennkammern 25 ausgebildet ist.
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Das Leistungssystem 10 kann ferner Vorrichtungen enthalten, die vor oder während einer Verbrennung eine Zufuhr einer Zusatzstofflösung zu dem Kraftstoffstrom bereitstellen. Genauer kann das Leistungssystem 10 eine Zusatzstoffzufuhr 60, die zum Speichern und Zuführen einer Zusatzstoffmenge ausgebildet ist, und einen Zusatzstoffinjektor 70, der zum Einspritzen von Zusatzstoff (Additiv) in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoffstrom ausgebildet ist, enthalten. Das Leistungssystem 10 kann ferner eine Pumpe 65 enthalten, die zum Pumpen des Zusatzstoffes von der Zusatzstoffzufuhr 60 zu dem Zusatzstoffinjektor 70 ausgebildet ist. Die Pumpe 65 kann eine beliebige Art einer hochgenauen Dosierpumpe mit niedriger Strömungsrate sein. Die Pumpe 65 kann eine Membranpumpe oder eine andere bekannte Pumpe sein. Der Zusatzstoffinjektor 70 kann an einer geeigneten Stelle in dem Leistungssystem 10 angeordnet sein. Beispielsweise kann der Zusatzstoffinjektor 70 zumindest teilweise in der Kraftstoffzufuhrleitung 50, zumindest teilweise in der Kraftstoffzufuhr 45, benachbart zu dem Ansaugrohr 35 oder benachbart zu den Brennkammern 25 angeordnet sein. Zusatzstoff kann durch den Zusatzstoffinjektor 70 in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoff eingespritzt werden. Beispielsweise kann Zusatzstoff vor oder während einer Verbrennung in die Kraftstoffzufuhrleitung 50, die Kraftstoffzufuhr 45, das Ansaugrohr 35, die Brennkammern 25 oder an einer anderen geeigneten Stelle der Kraftstoffversorgung 40 oder der Leistungsquelle 20 eingespritzt werden. Wie in 1 dargestellt, kann sich der Zusatzstoffinjektor 70 stromaufwärts der Leistungsquelle 20 befinden und den Zusatzstoff stromaufwärts der Leistungsquelle 20 in das Ansaugrohr 35 einspritzen. Es ist vorgesehen, dass der Zusatzstoffinjektor 70 mechanisch, hydraulisch oder elektrisch betätigt wird.
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Das Nachbehandlungssystem 30 kann zum Verringern von Emissionen von schädlichen Gasen und Feststoffen ausgebildet sein, die von der Leistungsquelle 20 nach einem Verbrennungsprozess emittiert werden. Das Nachbehandlungssystem 30 kann einen Abgaskrümmer 85 mit Abgaskanälen enthalten, wobei jeder Kanal mit einer der Brennkammern 35 in Fluidverbindung steht. Das Nachbehandlungssystem 30 kann einen Kanal 90 enthalten, der in Fluidverbindung mit dem Abgaskrümmer 85 stehen kann. Das Nachbehandlungssystem 30 kann in dem Kanal 90 verschiedene Vorrichtungen zum Verringern von schädlichen Gasen und Feststoffen in dem Abgas enthalten. Beispielsweise kann das Nachbehandlungssystem 30 ein Partikelfilter 95 enthalten, das zumindest teilweise in dem Kanal 90 angeordnet ist und zum Auffangen von Partikeln, während das Abgas durch denselben geht, ausgebildet ist. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, ist für Fachleute offensichtlich, dass das Nachbehandlungssystem 30 ebenfalls einen kraftstoffbefeuerten Brenner oder eine dem Partikelfilter 95 zugeordnete Heizvorrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Abgases oder der in dem Partikelfilter 95 gefangenen Partikel zum Oxidieren der Partikel während eines Regenerationsprozesses enthalten kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Temperatur des Abgases durch eine Steuerung der Verbrennung der Brennkraftmaschine erhöht werden. Bei solchen Ausführungsformen ist möglicherweise kein kraftstoffbefeuerter Brenner und keine Heizvorrichtung in dem Nachbehandlungssystem 30 enthalten. Es ist vorgesehen, dass das Nachbehandlungssystem 30 andere bekannte Komponenten wie eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion, eine NOx-Falle, eine SOx-Reduktionsvorrichtung, etc. enthalten kann.
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Das Partikelfilter 95 kann ein beliebiges Partikelfilter sein, beispielsweise ein Sintermetallfaserdurchflussfilter, ein Kordierit- oder Siliziumkarbidwandstromfilter oder ein anderes bekanntes Partikelfilter. Das Partikelfilter 95 kann ein Gehäuse 100 und ein Filtersubstrat 105 enthalten, das zumindest teilweise im Gehäuse 100 angeordnet ist. Das Filtersubstrat 105 kann ein Drahtgeflechtmedium, ein Keramikwabenfiltermedium oder ein anderes geeignetes bekanntes Medium enthalten. Wenn der Abgasstrom durch das Filtermedium geht, können Partikel, beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, auf das Filtermedium treffen und von diesem aufgefangen werden. Im Laufe der Zeit können sich auf den Oberflächen des Filtersubstrats Partikel ansammeln, und das Filtermedium kann gesättigt werden. Diese Ansammlung von Partikeln kann die Abgasströmung durch das Partikelfilter 95 verringern und sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit des Motors auswirken.
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Das Leistungssystem 10 kann ein Steuerungssystem 120 enthalten, das zum Steuern des Betriebs des Leistungssystems 10 ausgebildet ist. Das Steuerungssystem 120 kann eine Steuerung 80 enthalten, die ein bereits vorhandenes Maschinensteuermodul oder eine separate Steuerung sein kann. Die Steuerung 80 kann verschiedenen Systemen und Vorrichtungen des Leistungssystems 10 zugeordnet sein. Beispielsweise kann die Steuerung 80 wenigstens der Leistungsquelle 20, dem Nachbehandlungssystem 30 oder der Kraftstoffversorgung 40 zugeordnet sein. Die Steuerung 80 kann Betriebsabläufe der Leistungsquelle 20, die Nachbehandlung von Abgas und die Kraftstoffzufuhr steuern. Bei einem anderen Beispiel kann die Steuerung 80 ebenfalls wenigstens der Zusatzstoffzufuhr 60, dem Zusatzstoffinjektor 70 oder der Pumpe 65 zugeordnet sein. Die Steuerung 80 kann zum Steuern der Einspritzung des Zusatzstoffes in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoffausgebildet sein. Die Steuerung 80 kann die Menge und den Zeitpunkt der Einspritzung des Zusatzstoffes durch Steuern wenigstens der Zusatzstoffzufuhr 60, des Zusatzstoffinjektors 70 oder der Pumpe 65 regulieren.
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Das Steuerungssystem 120 kann wenigstens einen Sensor enthalten, der mit dem Abgasstrom in Fluidverbindung steht und zum Messen eines Parameters des Abgasstroms ausgebildet ist. Das Steuerungssystem 120 kann ferner wenigstens einen Sensor enthalten, der dem Partikelfilter 95 zugeordnet ist und zum Messen eines Parameters des Partikelfilters 95 ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Steuerungssystem 120 einen Temperatursensor 130 enthalten. Der Temperatursensor 130 kann zumindest teilweise in dem Kanal 90 angeordnet sein, beispielsweise stromaufwärts oder stromabwärts des Partikelfilters 95, und mit dem Abgasstrom in Fluidverbindung stehen. Der Temperatursensor 130 kann eine Temperatur des Abgasstroms messen und ein Signal erzeugen, das die gemessene Temperatur angibt. Der Temperatursensor 130 kann das Signal für eine Analyse zu der Steuerung 80 senden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 130 ebenfalls zum Messen einer dem Partikelfilter 95 zugeordnete Temperatur oder einer Temperatur der Partikel an den Oberflächen des Filtersubstrats 105 ausgebildet sein. Der Temperatursensor 130 kann integral mit einem Teil des Partikelfilters 95, beispielsweise dem Filtersubstrat 105, oder benachbart zu dem Partikelfilter 95 angeordnet sein.
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Das Steuerungssystem 120 kann einen Drucksensor 135 enthalten, der zumindest teilweise in dem Kanal 90 angeordnet ist und mit dem Abgasstrom in Fluidverbindung steht. Der Drucksensor 135 kann zum Messen eines Drucks des Abgases in dem Kanal 90 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Drucksensor 135 stromaufwärts des Partikelfilters 95 zum Überwachen eines Abgasdrucks stromaufwärts des Partikelfilters 95 angeordnet sein. Der Drucksensor 135 kann ebenfalls stromabwärts des Partikelfilters 95 angeordnet sein, sofern dies gewünscht ist. Es ist vorgesehen, dass mehr als ein Drucksensor an verschiedenen Stellen des Kanals 90 vorgesehen sein können.
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Das Steuerungssystem 120 kann ferner einen Partikelfilterbeladungssensor 125 enthalten, der zum Messen einer Beladung des Partikelfilters 95 mit Partikeln ausgebildet sein kann, beispielsweise einer Menge von Partikeln, die sich auf den Oberflächen des Filtersubstrats 105 angesammelt haben. Der Beladungssensor 125 kann ein Signal erzeugen, das die Beladung mit Partikeln angibt, und kann das Signal zu der Steuerung 80 senden. Der Beladungssensor 125 kann in das Partikelfilter 95 integriert sein oder benachbart dazu angeordnet sein.
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Zusätzlich und/oder alternativ dazu kann wenigstens die Temperatur des Abgases oder des Partikelfilters 95, der Abgasdruck in dem Kanal 90 oder die Beladung des Partikelfilters 95 von der Steuerung 80 geschätzt werden, anstatt von Sensoren gemessen zu werden. Das heißt, die Steuerung 80 kann die Temperatur, den Druck und die Beladung in Bezug auf das Abgas und/oder das Partikelfilter 95 als eine Funktion von Variablen ermitteln, die mit einer oder mehreren Betriebsbedingungen der Leistungsquelle 20 und/oder der zugeordneten Maschine zusammenhängen (d. h. unter Verwendung virtueller Sensoren). Beispielsweise können ein oder mehrere Motorleistungskennfelder, die eine Kraftstoffmenge, einen Zündzeitpunkt, eine Leistungsabgabe, eine Motordrehzahl, einen Ladedruck, eine Motortemperatur, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis und/oder andere bekannte Parameter in Beziehung setzen, in einem Speicher der Steuerung 80 gespeichert sein. Jedes dieser Kennfelder kann in Form von Tabellen, Graphen und/oder Gleichungen vorliegen und eine Ansammlung von Daten enthalten, die im Labor und/oder während des Betriebs der Leistungsquelle 20 gesammelt wurden. Die Steuerung 80 kann Daten empfangen, die sich auf den Betrieb der Leistungsquelle 10 beziehen, und auf eines oder mehrere dieser Kennfelder Bezug nehmen, um eine Temperatur, einen Druck und eine Beladung in Bezug auf das Abgas und/oder das Partikelfilter 95 für eine vorliegende Betriebsbedingung der Leistungsquelle 20 zu schätzen. Auf diese Weise kann die Steuerung 80 Temperaturdaten messen oder schätzen, anhand derer Entscheidungen in Bezug auf die Regenerierung des Partikelfilters 95 und die Einspritzung des Zusatzstoffes getroffen werden können.
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Das Nachbehandlungssystem 30 kann eine Ionisationsvorrichtung 140 enthalten. Die Ionisationsvorrichtung 140 kann zumindest teilweise stromaufwärts des Partikelfilters 95 in dem Abgaskanal 90 angeordnet sein. Die Ionisationsvorrichtung 140 kann mit einer ersten Ladevorrichtung 145 verbunden sein, die zum Zuführen einer Spannung einer vorbestimmten Polarität, beispielsweise einer positiven Spannung, zu der Ionisationsvorrichtung 140 ausgebildet ist. Demzufolge kann die Ionisationsvorrichtung 140 geladen werden und ihrerseits eine erste Ladung, beispielsweise eine positive Ladung, auf die Feststoffpartikel und die Zusatzstoffpartikel in dem Abgas aufbringen, wenn das Abgas die Ionisationsvorrichtung passiert. Somit können die Feststoffpartikel und die Zusatzstoffpartikel mit einer gleichen Ladung, beispielsweise einer positiven Ladung, elektrostatisch aufgeladen werden.
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Das Nachbehandlungssystem 30 kann ferner eine zweite Ladevorrichtung 155 enthalten, die zum Aufbringen einer zweiten Ladung auf das Partikelfilter 95 ausgebildet sein kann. Die zweite Ladung kann eine Polarität aufweisen, die entgegengesetzt zu der der ersten Ladung ist, die auf die Feststoffpartikel und die Zusatzstoffpartikel aufgebracht wird. Die zweite Ladevorrichtung 155 kann mit einem geeigneten Teil des Partikelfilters 95 verbunden sein, beispielsweise dem Filtersubstrat 105 oder dem Gehäuse 100. Die zweite Ladevorrichtung 155 kann beispielsweise dem Filtersubstrat 105 des Partikelfilters 95 eine Spannung zuführen, so dass das Filtersubstrat 105 des Partikelfilters 95 elektrostatisch mit der zweiten Ladung aufgeladen werden kann.
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Wenigstens eine der ersten und der zweiten Ladevorrichtung 145 und 155 kann mit der Steuerung 80 verbunden sein und von derselben gesteuert werden. Die Steuerung 80 kann beispielsweise den Betrag und die Polarität von Spannungen, die der Ionisationsvorrichtung 140 und dem Partikelfilter 95 zugeführt werden, durch Steuern der ersten und der zweiten Ladevorrichtung 145 und 155 steuern. Mit anderen Worten, die Steuerung 80 kann den Betrag und die Polarität der Ladungen, die auf die Feststoffpartikel und die Zusatzstoffpartikel und das Partikelfilter 95 aufgebracht werden, steuern. Wenngleich sie als separate Vorrichtungen gezeigt sind, kann bei einigen Ausführungsformen wenigstens die erste Ladevorrichtung 145 oder die zweite Ladevorrichtung 155 integral mit der Steuerung 80 ausgebildet sein.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte System kann bei einem beliebigen Leistungssystem zum Verringern der aufgrund einer Verbrennung erzeugten Feststoffe und Ermöglichen einer Regenerierung eines Partikelfilters angewandt werden. Beispielsweise kann das offenbarte Nachbehandlungssystem 30 bei mobilen Systemen wie Motoren angewandt werden, die mobile Fahrzeuge, beispielsweise Automobile, Sattelschlepper, Baugeräte, Schiffe, etc., mit Leistung versorgen. Das Nachbehandlungssystem 30 kann ferner auf stationäre Maschinen wie Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Leistung angewandt werden.
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Die Leistungsquelle 20 kann ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zum Erzeugen von Leistung und Abgas verbrennen. Die Kraftstoffversorgung 40 kann der Leistungsquelle 20 Kraftstoff zuführen. Die Pumpe 55 kann Kraftstoff aus der Kraftstoffzufuhr 45 fördern, den Kraftstoff mit Druck beaufschlagen und den mit Druck beaufschlagten Kraftstoff zu dem Ansaugrohr 35 leiten. Der Kraftstoff kann mit von einem (nicht gezeigten) Luftzufuhrsystem empfangener Luft vermischt werden und für eine Verbrennung zu den Brennkammern 25 geleitet werden. Die Leistungsquelle 20 kann nach einer Verbrennung einen Abgasstrom abgeben. Der Abgasstrom kann aus den Brennkammern 25 ausgelassen und durch den Abgaskrümmer 85 zu dem Nachbehandlungssystem 30 geleitet werden, wo das Abgas behandelt wird. Der Abgasstrom kann ein komplexes Gemisch aus Luftschadstoffen enthalten, die Feststoffe enthalten können. Die Abgabe von Feststoffen an die Umgebung kann durch Leiten des Abgasstroms durch das Partikelfilter 95 verringert werden.
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Zusatzstoff kann an einer geeigneten Stelle des Leistungssystems 10 vor oder während einer Verbrennung in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoffstrom eingespritzt werden. Der Zusatzstoff kann zum Ermöglichen der Regenerierung des Partikelfilters 95, zum Verbessern einer gleichmäßigen Verteilung der Partikel auf den Oberflächen des Filtersubstrats 105 oder zu anderen geeigneten Zwecken ausgebildet sein. Der Zusatzstoff kann ein eisenbasiertes Material sein, beispielsweise Dicyclopentadienyleisen oder ein anderes geeignetes Material. Der Zusatzstoffinjektor 70 kann eine vorbestimmte Menge des Zusatzstoffes in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoffstrom einspritzen. Alternativ dazu kann der Zusatzstoffinjektor 70 den Zusatzstoff in das Ansaugrohr 35 oder die Brennkammern 25 einspritzen. Der Zusatzstoff kann zusammen mit dem Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Brennkammern 25 verbrannt werden.
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Nach einer Verbrennung kann der Zusatzstoff zu Partikeln werden und zusammen mit Feststoffpartikeln in dem Abgas vorliegen. Wenn das Abgas die Ionisationsvorrichtung 10 passiert, kann die Ionisationsvorrichtung 140 eine elektrische Ladung, beispielsweise eine positiv elektrische Ladung auf die Zusatzstoffpartikel und die Feststoffpartikel aufbringen. Die Steuerung 80 kann die Ionisationsvorrichtung 140 durch Steuern der Spannung, die der Ionisationsvorrichtung 140 von der ersten Ladevorrichtung 145 zugeführt wird, steuern. Demzufolge können die Zusatzstoffpartikel und die Feststoffpartikel mit gleichnamigen Ladungen derselben Polarität, beispielsweise mit positiver Polarität, elektrostatisch geladen werden.
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Die geladenen Zusatzstoffpartikel und die Feststoffpartikel können einander aufgrund der elektrostatischen Kraft zwischen zwei Ladungen mit derselben Polarität abstoßen. Genauer kann zwischen beliebigen geladenen Zusatzstoffpartikeln und beliebigen geladenen Partikeln der Feststoffpartikel eine abstoßende Kraft vorliegen. Als eine Folge der abstoßenden Kraft kann eine gleichmäßige Verteilung der Feststoffpartikel und/oder der Zusatzstoffpartikel in dem Abgas erzeugt werden. Folglich kann, wenn die Feststoffpartikel und/oder die Zusatzstoffpartikel an den Oberflächen des Filtersubstrats 105 haften, eine gleichmäßige Verteilung der Feststoffpartikel und/oder der Zusatzstoffpartikel auf den Oberflächen des Filtersubstrats 105 erreicht werden. Eine gleichförmige Verteilung der Feststoffpartikel und der Zusatzstoffpartikel kann eine Effizienz der Regenerierung der Feststoffpartikel verbessern, was zurückbleibende Feststoffpartikel, die an dem Filtersubstrat 105 zurückbleiben, wenn ein Regenerationsprozess beendet wird, verringern oder eliminieren kann.
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Die Steuerung 80 kann die zweite Ladevorrichtung 155 zum Anlegen einer Gegenspannung an einen Teil des Partikelfilters 95, beispielsweise das Filtersubstrat 105, steuern. Mit anderen Worten, wenn beispielsweise der Ionisationsvorrichtung 140 eine positive Spannung zugeführt wird, kann dem Filtersubstrat 105 eine negative Spannung zugeführt werden. Daher können, wenn die positiv geladenen Feststoffpartikel und Zusatzstoffpartikel bei dem Filtersubstrat 105 ankommen, die positiv geladenen Feststoffpartikel und Zusatzstoffpartikel aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen den entgegengesetzten elektrischen Ladungen von den Oberflächen des negativ geladenen Filtersubstrats 105 angezogen werden. Auf diese Weise können die Partikel besser von dem Filtersubstrat 105 aufgefangen werden. Insbesondere können kleinere Partikel, die sonst durch das Geflecht des Filtersubstrats 105 gehen würden, wenn sie nicht elektrostatisch geladen wären, aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen den positiv geladenen Partikeln und dem negativ geladenen Filtersubstrat 105 aufgefangen werden.
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Die Steuerung 80 kann die Regenerierung des Partikelfilters 95 und/oder die Einspritzung des Zusatzstoffes steuern. Beispielsweise kann die Steuerung 80 während des Betriebs des Leistungssystems 10 die Beladung des Filtersubstrats 105 mit Partikeln durch einen Beladungssensor 125 überwachen. Wenn der Beladungssensor 125 anzeigt, dass die Partikelbeladung des Filtersubstrats 105 eine vorbestimmte Beladungsschwelle überschreitet, kann die Steuerung 80 einen Regenerationsprozess zum Regenerieren des Partikelfilters 95 aktivieren. Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann die Steuerung 80 den Druck des Abgasstroms stromaufwärts des Partikelfilters 95 durch den Drucksensor 135 überwachen, der ein Signal erzeugen kann, das den Druck des Abgasstroms angibt, und das Signal zu der Steuerung 80 senden kann. Die Steuerung 80 kann basierend auf dem gemessenen Druck des Abgasstroms bestimmen, ob ein Regenerationsprozess zum Regenerieren des Partikelfilters 95 erforderlich ist. Es ist vorgesehen, dass die Steuerung 80 ebenfalls basierend auf der Temperatur des Abgasstroms und/oder der von dem Filtersubstrat 105 aufgefangenen Partikel, die durch den Temperatursensor 130 gemessen wird, bestimmen kann, ob eine Regenerierung zum Regenerieren des Partikelfilters 95 erforderlich ist. Die Steuerung 80 kann eine Regenerierung basierend auf wenigstens der von dem Beladungssensor 125 gemessenen Beladung, dem von dem Drucksensor 135 gemessenen Druck oder der von dem Temperatursensor 130 gemessenen Temperatur aktivieren.
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Die Steuerung 80 kann die Temperatur des Abgasstroms und/oder die Temperatur des Partikelfilters 95 durch den Temperatursensor 130 überwachen. Der Temperatursensor 130 kann ein Signal erzeugen, das die gemessene Temperatur angibt, und das Signal zu der Steuerung 80 senden. Bei einer Ausführungsform kann die Steuerung 80 nach einer Bestimmung, dass ein Regenerationsprozess zum Regenerieren des Partikelfilters 95 erforderlich ist, basierend auf wenigstens der von dem Beladungssensor 125 gemessenen Last, der von dem Temperatursensor 130 gemessenen Temperatur oder dem von dem Drucksensor 135 gemessenen Druck die Menge an Zusatzstoff, die von dem Zusatzstoffinjektor 70 einzuspritzen ist, und den Zeitpunkt zum Einspritzen des Zusatzstoffes bestimmen.
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Beispielsweise kann die Steuerung 80 die Menge und den Zeitpunkt der Einspritzung des Zusatzstoffes basierend auf der von dem Beladungssensor 125 gemessenen Beladung ermitteln. Nachdem die Steuerung 80 das von dem Beladungssensor 125 erzeugte Signal empfangen hat und bestimmt hat, dass eine Regenerierung notwendig ist, kann die Steuerung 80 den Zusatzstoffinjektor 70 und die Pumpe 65 zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Zusatzstoff in den Kraftstoffstrom, der der Leistungsquelle 20 zugeführt wird, aktivieren.
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Bei einem anderen Beispiel kann, wenn die Steuerung 80 das von dem Temperatursensor 130 erzeugte Temperatursignal empfängt und bestimmt, dass die Temperatur des Abgases oder des Partikelfilters 95 eine vorbestimmte Temperaturschwelle erreicht hat, die Steuerung 80 die Pumpe 65 und/oder den Zusatzstoffinjektor 70 zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Zusatzstoff in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoffstrom aktivieren.
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Bei einem anderen Beispiel kann die Steuerung 80, wenn sie das von dem Drucksensor 135 erzeugte Signal empfängt und bestimmt, dass der Druck des Abgases einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, die Pumpe 65 und/oder den Zusatzstoffinjektor 70 zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Zusatzstoff in den der Leistungsquelle 20 zugeführten Kraftstoffstrom aktivieren. Wenn Zusatzstoff eingespritzt wird, kann die Steuerung 80 den Zusatzstoffinjektor 70 zum kontinuierlichen Einspritzen des Zusatzstoffes für eine vorbestimmte Zeit oder zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Zusatzstoff in einem vorbestimmten Zeitintervall, beispielsweise 30 Sekunden, steuern. Die Einspritzung des Zusatzstoffes kann durch die Steuerung 80 beendet werden, wenn die Regenerierung beendet wird, oder zu einer anderen geeigneten Zeit. Beispielsweise kann die Steuerung 80 basierend auf wenigstens dem von dem Drucksensor 135 gemessenen Druck, der von dem Temperatursensor 130 gemessene Temperatur oder der von dem Beladungssensor 125 gemessenen Beladung bestimmen, wann die Einspritzung des Zusatzstoffes zu beenden ist.
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Während einer Regenerierung des Partikelfilters 95 kann die Steuerung 80 die Verbrennung in den Brennkammern 25 und/oder einen kraftstoffbefeuerten Brenner (nicht gezeigt) oder eine Heizvorrichtung (nicht gezeigt), die dem Partikelfilter 95 zugeordnet sind, zum Erhöhen der Temperatur des Abgases und/oder der in dem Filtersubstrat 105 gefangenen Partikel zum Oxidieren der Partikel steuern. Wenn die Temperatur auf einen Oxidationstemperaturbereich, beispielsweise 500–600°C, erhöht wird, können die Partikel oxidiert werden. An dem Filtersubstrat 105 kann der Zusatzstoff eine chemische Reaktion durchlaufen, die als Katalysator für eine Oxidierung der Partikel dienen kann. Beispielsweise kann ein eisenbasierter Zusatzstoff die Zünd- oder Oxidationsschwellentemperatur der Partikel absenken, wodurch eine Oxidierung der Partikel bei einer relativ niedrigen Temperatur ermöglicht wird und somit die Regenerierung des Partikelfilters 95 erleichtert wird.
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Bei einigen Ausführungsformen kann aufgrund des Absenkens der zum Oxidieren oder Entzünden der Partikel erforderlichen Temperatur durch den Zusatzstoff der zum Erhöhen der Temperatur des Abgases oder der Temperatur des Partikelfilters 95 erforderliche Aufwand, wenn die Verbrennung in der Leistungsquelle 20 gesteuert oder ein kraftstoffbefeuerter Brenner betrieben oder eine Heizvorrichtung gesteuert wird, deutlich verringert werden.
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Ein Regenerationsprozess kann eine vorbestimmte Zeit dauern, beispielsweise 10 Minuten. Während des Regenerationsprozesses können Partikel, die sich an dem Filtersubstrat 105 angesammelt haben, von den Oberflächen des Filtersubstrats 105 weggebrannt werden. Aufgrund der abstoßenden Kraft zwischen den geladenen Partikeln und/oder dem Zusatzstoff in dem Abgas können die Partikel gleichmäßiger auf den Oberflächen des Filtersubstrats 105 verteilt werden. Demzufolge können während des Regenerationsprozesses die Partikel, die sich an den Oberflächen des Filtersubstrats 105 angesammelt haben, gleichmäßig verbrannt werden. Nach der Verbrennung der Partikel können zumindest einige der Zusatzstoffpartikel von den Oberflächen des Filtersubstrats 105 abgeschieden werden und in dem Gehäuse 100 gespeichert werden. Die Zusatzstoffpartikel können später für eine Entsorgung oder ein Recyceln gesammelt werden, beispielsweise während einer regelmäßigen Wartung des Partikelfilters 95.
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Für Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem Leistungssystem der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsformen werden für Fachleute unter Berücksichtigung der Beschreibung und bei einer Anwendung des hierin beschriebenen Systems offensichtlich werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich exemplarisch sein, wobei der wahre Schutzbereich der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente festgelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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