DE10161055B4 - Über Mikrowellen regenerierbare Dieselpartikelabfangeinrichtung - Google Patents
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Abstract
Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor mit einer Partikelabfangeinrichtung (10), die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, mit Kanälen (12, 14), einer Mikrowellenquelle (26, 28), die Mikrowellen erzeugt, und mikrowellenabsorbierenden Materialien um die Mikrowellen zu absorbieren und die Partikelabfangeinrichtung (10) zu erwärmen um so die Partikel abzubrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrowellenabsorbierenden Materialien axiale Bänder/Streifen (40) umfassen, die entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle (14) mit geschlossenem Ende verteilt sind.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dieselpartikelabfangeinrichtung. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Regenerierung einer Dieselpartikelabfangeinrichtung durch Verwendung von Mikrowellenstrahlung.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Verschärfte Gesetze haben die zulässigen Niveaus an durch Dieselmotoren erzeugten Partikeln abgesenkt. Die Partikel können allgemein als ein Ruß gekennzeichnet werden, der durch Partikelfilter oder -abfangeinrichtungen gefangen und verringert wird. Derzeitige Partikelfilter oder -abfangeinrichtungen enthalten ein Trennmedium mit sehr kleinen Poren, die Partikel abfangen. Wenn sich abgefangenes Material in der Partikelabfangeinrichtung ansammelt, steigt der Widerstand in Bezug auf die Strömung in der Partikelabfangeinrichtung, wodurch einen Gegendruck erzeugt wird. Die Partikelabfangeinrichtung muss dann regeneriert werden, um die Partikel/den Ruß in der Partikelabfangeinrichtung abzubrennen und damit den Gegendruck zu beseitigen und eine Luftströmung durch die Partikelabfangeinrichtung zuzulassen. Bisherige Vorgehensweisen zur Regenerierung einer Partikelabfangeinrichtung betrafen die Verwendung einer Energiequelle, wie beispielsweise eines Brenners oder eines elektrischen Heizers, um eine Verbrennung der Partikel zu bewirken. Es hat sich herausgestellt, dass eine Partikelverbrennung in einer Dieselpartikelabfangeinrichtung mit diesen bisherigen Vorgehensweisen schwierig zu steuern ist und einen übermäßigen Temperaturanstieg zur Folge haben kann.
- Ein Partikelfilter mit einer Partikelabfangeinrichtung, die durch den Motor erzeugte Partikel abfängt, mit einer Mikrowellenquelle und mikrowellenabsorbierendem Material ist in
DE 691 16 338 T2 beschrieben. - Ein Partikelfilter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus
DE 691 01 936 T2 bekannt. - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Partikelfilter und ein System zur Entfernung von Partikeln anzugeben, die leicht zu steuern sind und einen übermäßigen Temperaturanstieg vermeiden.
- Diese Aufgabe wird mit einem Partikelfilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein System mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.
- Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet. Eine bevorzugte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 9.
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung unter Verwendung von Mikrowellenenergie. Die vorliegende Erfindung lenkt Mikrowellen an ausgewählte Orte in einer Partikelabfangeinrichtung, um eine Regenerierung einzuleiten und einen Partikelaufbau zu verhindern. Dadurch, dass Mikrowellen an gewählte Orte gelenkt werden, leitet eine relativ kleine Energiemenge die Partikelverbrennung ein, die die Partikelabfangeinrichtung regeneriert. Die exotherme Verbrennung einer kleinen Menge an Partikeln wird weitergeführt, um eine größere Anzahl von Partikeln zu verbrennen.
- Die vorliegende Erfindung umfasst eine Partikelabfangeinrichtung, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Die Partikelabfangeinrichtung umfasst mikrowellenabsorbierende Materialien, die so ausgebildet sind, um Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangeinrichtung zu absorbieren. Eine Mikrowellenquelle ist wirksam mit einem Wellenleiter (Hohlleiter) gekoppelt, und ein Fokussierring kann dazu verwendet werden, die Mikrowellen an die mikrowellenabsorbierenden Materialien zu lenken. Das mikrowellenabsorbierende Material erzeugt Wärme in Ansprechen auf einfallende Mikrowellen, um Partikel abzubrennen. Vorzugsweise werden für Mikrowellen transparente Materialien für den Grundaufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung und andere Bereiche in der Partikelabfangeinrichtung verwendet, an denen es uneffizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren.
- Bei der vorliegenden Erfindung sind die mikrowellenreflektierenden und -leitenden Materialien so ausgebildet, um die Mikrowellen zu leiten und zu reflektieren, bis sie auf das mikrowellenabsorbierende Material einfallen. Die Mikrowellen ”prallen” tatsächlich um die Partikelabfangeinrichtung herum auf, bis sie auf die mikrowellenabsorbierenden Materialien auftreffen. Durch strategisches Anordnen mikrowellenabsorbierender Materialien können Mikrowellen wirksam an den Orten verwendet werden, an denen sie am nötigsten sind, um das Abbrennen der Partikel einzuleiten.
- Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mikrowellenleitenden und -reflektierenden Materialien so ausgebildet, um eine konstruktive Interferenz für die Mikrowellenenrgie vorzusehen, wodurch die Amplitude der Mikrowellen erhöht wird, die auf das mikrowellenabsorbierende Material einfallen.
- Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mikrowellenleitenden und -reflektierenden Materialien so ausgebildet, um ein Energieplasma zu erzeugen und damit die Energie zu erhöhen, die dazu verwendet wird, um die Partikel in der Partikelabfangeinrichtung zu verbrennen.
- Die Verwendung von Mikrowellen bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht ferner, dass die Häufigkeit der Regeneration der Partikelabfangeinrichtung genau gesteuert werden kann. Die vorliegende Erfindung kann Regenerierungen auf Grundlage von empirisch gebildeten Betriebsdaten einer Partikelabfangeinrichtung planen und/oder einen Drucksensor verwenden, um zu bestimmen, wann die Partikelabfangeinrichtung eine Regenerierung erfordert.
- ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
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1 ist eine schematische Darstellung einer monolithischen Partikelabfangeinrichtung für Wandströmung. -
2 ist eine schematische Darstellung, die die Abgasströmung durch eine Partikelabfangeinrichtung zeigt. -
3 ist eine schematische Darstellung des Mikrowellenregenerationssystemes. -
4 ist eine schematische Darstellung, die eine Erwärmung des Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt. -
5 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flammenfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die in4 gezeigte Erwärmung des Endstopfens erzeugt wird. -
6 und7 sind schematische Darstellungen einer Partikelabfangeinrichtung unter Verwendung einer Axialkanalerwärmung. -
8 und9 sind schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Partikelabfangeinrichtung, die eine Mittelkanalbanderwärmung zeigt. -
10 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Mittelkanalerwärmung. -
11 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flammenfront und die Wärmefreigabe zeigt, die durch die Mittelkanalerwärmung von10 erzeugt wird. -
12 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Mittelkanalerwärmung kombiniert mit der Erwärmung des Endstopfens. -
13 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flammenfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die Mittelkanal- und Erwärmung des Endstopfens von12 erzeugt wird. - Die Erfindung ist insbesondere in
8 und9 dargestellt.10 bis13 erläutern nur zusätzlich die Funktion eines axialen Streifens. -
1 bis7 sind schematische Darstellungen, die zur Erläuterung dienen, ohne dass sie speziell erfindungsgemäß ausgestaltete Gegenstände zeigen. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist eine schematische Darstellung einer typischen monolithischen Partikelabfangeinrichtung10 für Wandströmung, die in Dieselanwendungen verwendet wird und hier allgemein als ”Partikelabfangeinrichtung” bezeichnet ist. Die Partikelabfangeinrichtung10 umfasst abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle14 und offene Zellen/Kanäle12 . Abgase, wie beispielsweise diejenigen, die durch einen Dieselmotor erzeugt werden, treten in die Kanäle14 mit geschlossenen Enden ein, scheiden partikuläres Material16 ab und treten durch die offenen Kanäle12 aus. In2 ist eine detailliertere Ansicht der Abgasströmung durch die Kanäle mit geschlossenem Ende14 und offenem Ende12 gezeigt. Stopfen18 werden dazu verwendet, die Enden der Kanäle12 und14 abzudichten. Die Wände20 der Partikelabfangeinrichtung bestehen vorzugsweise aus einer porösen Keramikwabenwand aus Cordierit-Material, wobei aber beliebiges Keramikwabenmaterial innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt. - Mikrowellen werden durch den porösen Cordierit-Monolithen nur schlecht absorbiert, während bestimmte Ferrite (wie beispielsweise NiZnFeO2 und NiMnFeO2), wenn sie beispielsweise kurzen Expositionen mit Mikrowellen in der Größenordnung von 2,45 GHz ausgesetzt sind, sehr schnell erwärmt werden können. Diese Materialien können in der Nähe des Endstopfens des Einlasskanals konzentriert und häufig Mikrowellen ausgesetzt werden, um eine Regenerierung der Partikelabfangeinrichtung einzuleiten und den Aufbau von partikulärem Material in kritischen Bereichen der Abfangeinrichtung zu verhindern. Die Endstopfen können aus diesen Ferritpulvern in einer Aluminiumoxidmatrix (alumina matrix) hergestellt werden. Alternativ dazu können die mikrowellenabsorbierenden Materialien auch in die Cordierit-Beschichtungen gemischt werden, um eine breite Oberflächenerwärmung zu erreichen, was aber den Verbrauch an elektrischer Energie erhöht.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Mikrowellensystemes22 . Das System22 umfasst eine Partikelabfangeinrichtung10 , die in dem Abgasstrom eines Dieselmotores angeordnet ist. Die Partikelabfangeinrichtung10 umfasst ein mikrowellenabsorbierendes Material24 , wie beispielsweise Siliziumcarbid, das so ausgebildet ist, um Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangeinrichtung10 zu absorbieren, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung jedoch jegliche bekannten mikrowellenabsorbierenden Materialien umfasst. Eine Mikrowellenenergiequelle26 und eine Mikrowellenantenne28 sind wirksam mit einem Wellenleiter30 und einem optionalen Fokussierring32 gekoppelt, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbierende Material24 zu lenken. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Mikrowellenantenne28 direkt mit dem Gehäuse der Partikelabfangeinrichtung10 gekoppelt. Das mikrowellenabsorbierende Material24 erzeugt Wärme in Antwort auf einfallende Mikrowellen, um das Abbrennen von Partikeln in der Partikelabfangeinrichtung10 einzuleiten. Materialien, wie beispielsweise Cordierit, die für Mikrowellen transparent sind, können für den grundsätzlichen Aufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung10 und anderer Bereiche in der Partikelabfangeinrichtung10 verwendet werden, an denen es uneffizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren. Da das Cordierit Mikrowellenenergie nicht absorbiert, ”prallen” die Mikrowellen solange rundherum auf, bis sie auf das mikrowellenabsorbierende Material24 auftreffen. Die Kanäle12 und14 sind ferner so ausgebildet, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbierende Material24 zu führen. Die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung10 kann durch die Eigenschaften und den Ort der mikrowellenabsorbierenden Materialien und durch Steuerung der Anwendung der Mikrowellenenergie reguliert werden. - Die
4 und5 zeigen eine Erwärmung des Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung10 . Der Endstopfen18 von4 besteht aus mikrowellenabsorbierendem Material. Das Dieselabgas ist mit Partikeln34 beladen und strömt durch die Keramikwabenwände20 , wobei Ruß16 an den oberstromigen Wänden20 der Partikelabfangeinrichtung10 abgeschieden wird. Auf den mikrowellenabsorbierenden Stopfen18 einfallende Mikrowellen erwärmen den Stopfen18 , und der erwärmte Stopfen18 leitet das Abbrennen des Rußes16 ein, um die Wände20 der Partikelabfangeinrichtung10 zu reinigen, wie durch Wellen17 gezeigt ist, die die Flammenfront der Partikelabbrennung darstellen. Bei einer Konfiguration mit Erwärmung des Endstopfens erfolgt das Abbrennen anfänglich an dem Ende des Kanales14 mit geschlossenem Ende, wo die Partikelmasse oder der Ruß16 am größten ist, und breitet sich zu dem Rest dieses Kanales14 mit dem geschlossenen Ende aus. Die exotherme Verbrennung einer relativ kleinen Menge an Partikeln, die durch den Endstopfen18 gezündet werden, wird übertragen, um eine relativ große Russmenge zu verbrennen. -
5 veranschaulicht die Leistungsfähigkeit der in4 gezeigten Partikelabfangeinrichtung. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion der Distanz des Kanals14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe des Endstopfens18 vorgesehen und breitet sich dann als eine Abbrennflammenfront aus, wie durch Pfeil19 gezeigt ist. - Die
6 und7 sind schematische Zeichnungen einer Partikelabfangeinrichtung10 , die eine Axialkanalerwärmung verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der in1 gezeigten Partikelabfangeinrichtung10 , wobei mikrowellenabsorbierendes Material38 an die Kanäle14 mit geschlossenem Ende hinzugefügt ist. Das mikrowellenabsorbierende Material38 ist linear entlang einer Wand oder entlang von Wänden der Kanäle14 mit geschlossenen Enden angeordnet, wie in den6 und7 gezeigt ist. - Die
8 und9 sind schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Partikelabfangeinrichtung10 , die eine Mittelkanalbanderwärmung verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der in1 gezeigten Partikelabfangeinrichtung10 , wobei die Kanäle14 mit geschlossenem Ende mit Bändern40 aus mikrowellenabsorbierendem Material versehen sind. Die Bänder40 aus mikrowellenabsorbierendem Material sind in gewählten Bereichen entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle14 mit geschlossenem Ende angeordnet, wie in den9 und10 gezeigt ist. Der exakte Ort der mikrowellenabsorbierenden Bänder40 an den Kanalwänden und das Muster der Kanäle, die mit Bändern/Streifen versehen sind, kann für die jeweilige Anwendung experimentell bestimmt werden. - Die
10 und11 zeigen die Mittelkanal- oder Banderwärmung in einer Partikelabfangeinrichtung10 der vorliegenden Erfindung. Das Dieselabgas ist mit Partikeln34 beladen und strömt durch die Keramikwabenwände20 , wobei der Ruß16 an den Wänden20 der Partikelabfangeinrichtung20 abgeschieden wird. Mikrowellen, die auf das mikrowellenabsorbierende Band (Streifen)40 einfallen, erwärmen das Band40 , und das erwärmte Band40 leitet das Abbrennen des Rußes16 ein, um die Wände20 der Partikelabfangeinrichtung10 zu reinigen. Bei einer Mittelkanal- oder Banderwärmungskonfiguration der vorliegenden Erfindung erfolgt das anfängliche Abbrennen, wenn die Binder40 in einem Kanal14 mit geschlossenem Ende angeordnet sind, wie in10 gezeigt ist. -
11 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung10 , die in10 gezeigt ist. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion der Distanz des Kanals14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe der Bänder40 vorgesehen und breitet sich dann als eine Abbrennflammenfront aus, wie durch Pfeil41 gezeigt ist. - Die
12 und13 sind schematische Ansichten einer Partikelabfangeinrichtung10 , die eine Kombination aus Banderwärmung und Erwärmung des Endstopfens verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der Partikelabfangeinrichtung10 , die in1 gezeigt ist, wobei die Kanäle14 mit geschlossenem Ende und ein mikrowellenabsorbierender Endstopfen18 mit Bändern40 aus mikrowellenabsorbierendem Material versehen sind. Diese Kombination von mikrowellenabsorbierenden Bändern40 und mikrowellenabsorbierenden Endstopfen18 leitet das Abbrennen der Partikel im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Kanales14 mit geschlossenem Ende ein. -
13 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung10 , die in12 gezeigt ist. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion der Distanz des Kanals14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe des Bandes40 und des Endstopfens18 vorgesehen und breitet sich dann als Abbrennflammenfronten aus, wie durch Pfeile51 und53 gezeigt ist.
Claims (9)
- Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor mit einer Partikelabfangeinrichtung (
10 ), die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, mit Kanälen (12 ,14 ), einer Mikrowellenquelle (26 ,28 ), die Mikrowellen erzeugt, und mikrowellenabsorbierenden Materialien um die Mikrowellen zu absorbieren und die Partikelabfangeinrichtung (10 ) zu erwärmen um so die Partikel abzubrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrowellenabsorbierenden Materialien axiale Bänder/Streifen (40 ) umfassen, die entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle (14 ) mit geschlossenem Ende verteilt sind. - Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrowellenabsorbierende Material Endstopfen (
18 ) umfasst. - Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mikrowellenabsorbierendes Material (
38 ) in im Wesentlichen linearer Art und Weise entlang der Länge der Kanäle (14 ) der Partikelabfangeinrichtung (10 ) aufgebracht ist. - Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrowellenabsorbierende Material (
18 ,38 ,40 ) Siliziumcarbid ist. - Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelabfangeinrichtung (
10 ) aus einem mikrowellentransparenten Material besteht. - Partikelfilter nach Anspruch 5, wobei das mikrowellentransparente Material Cordierit ist.
- Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung (
10 ) durch Steuerung der Mikrowellenstrahlung gesteuert wird. - System zur Entfernung von Partikeln mit – einer Partikelabfangeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – einer Mikrowellenantenne (
28 ), die mit einer Mikrowellenquelle (26 ) gekoppelt ist und – einem Mikrowellenwellenleiter (30 ), der mit der Mikrowellenantenne (28 ) gekoppelt ist, um die Mikrowellen zu dem mikrowellenabsorbierenden Material (18 ,38 ,40 ) zu leiten. - Verwendung eines Systems nach Anspruch 8 in einem Dieselmotor.
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