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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Abgasbehandlungssystem,
und insbesondere ein Verfahren zur Kraftstoffsteuerung in einem Abgasbehandlungssystem
mit einer vorübergehenden Motorsteuerung.
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Hintergrund
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Motoren,
einschließlich Dieselmotoren, Erdgasmotoren und anderer
bekannter Motoren, geben ein komplexes Gemisch aus Luftschadstoffen
ab. Die Luftschadstoffe können aus gasförmigen
und festen Materialien bestehen, die Stickoxide (NOx) und Partikel
enthalten. Auf Grund eines zunehmenden Umweltbewusstseins sind Abgasemissionsvorschriften strenger
geworden, und die von einem Motor emittierte Menge an NOx und Partikeln
kann abhängig von dem Typ des Motors, der Größe
des Motors und/oder der Klasse des Motors vorgeschrieben sein.
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Ein
Verfahren, das von Motorherstellern dazu verwendet wurde, die Vorschriften
in Bezug auf an die Umwelt abgegebenes NOx zu erfüllen,
bestand darin, Abgas von einem Motor für eine anschließende
Verbrennung zurück zu dem Motor zu führen. Das
rückgeführte Abgas verringert die Konzentration
von Sauerstoff in der dem Motor zugeführten Einlassluft,
was wiederum die maximale Verbrennungstemperatur in den Zylindern
des Motors absenkt. Die verringerte Temperatur verlangsamt den mit
der Verbrennung verbundenen chemischen Prozess und verringert dadurch
die Bildung von NOx.
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Ein
von Motorherstellern zum Verringern der an die Umwelt abgegebenen
Menge an Partikeln verwendetes Verfahren beinhaltet das Entfernen
der Partikel aus dem Abgasstrom eines Motors mittels einer als ein
Partikelfilter bezeichneten Vorrichtung. Ein Partikelfilter ist
zum Auffangen von Partikeln ausgebildet und besteht normalerweise
aus einem Filtermedium mit einem Drahtgeflecht oder einer keramischen
Wabenstruktur. Wenngleich es auf effiziente Weise Partikel aus einem
Abgasstrom entfernt, kann die Verwendung des Partikelfilters über
einen längeren Zeitraum dazu führen, dass sich
in dem Filtermedium Partikel ansammeln, wodurch die Funktionalität des
Filters und als Folge davon die Motorleistung verringert wird. Die
angesammelten Partikel können über einen als Regenerierung
bezeichneten Prozess aus dem Filtermedium entfernt werden. Zum Einleiten
einer Regenerierung des Filtermediums muss die Temperatur der in
dem Filtermedium eingeschlossenen Partikel auf eine Verbrennungsschwelle
angehoben werden, bei der die Partikel in der Gegenwart von Sauerstoff
weggebrannt werden.
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Wenngleich
die Rückführung von Abgas und die Verwendung eines
Partikelfilters den Ausstoß von NOx und Partikeln in die
Atmosphäre minimieren können, können
beide Verfahren die Menge an Sauerstoff, die in den Motor eintritt
und denselben verlässt, beeinflussen oder durch diese beeinflusst
werden. Genauer arbeitet eine Abgasrückführung
(engl.: exhaust gas recirculation, EGR) so, dass die in den Motor
eintretende und für eine Verbrennung zur Verfügung
stehende Menge an Sauerstoff verringert wird. Die Regenerierung
des Partikelfilters erfordert Sauerstoff, damit das Wegbrennen der
eingefangenen Partikel ermöglicht wird. Somit kann die
Regenerierung des Partikelfilters bei einem EGR-Betrieb lediglich
eine geringe Wirkung entfalten, da die für eine Regenerierung
zur Verfügung stehende Sauerstoffmenge durch die Verwendung
der EGR verringert wird. Aus diesem Grund können bei einigen
Anwendungen die zwei Abgasbehandlungsverfahren einander ausschließen
oder für eine Regenerierung zusätzliche oder dafür
vorgesehene Sauerstoffquellen benötigen.
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Ein
Ansatz zur Verwendung sowohl einer EGR als auch einer Partikelfalle
bzw. einer Regenerierung in dem selben Motorsystem ist in der am
14. Juli 2005 veröffentlichten
US-Patentveröffentlichung Nr.
2002/50,150,218 (der Veröffentlichung '218) von
Crawley
et al. beschrieben. Genauer beschreibt die Veröffentlichung
'218 einen Motor mit einem Abgasrückführungssystem
und einer Emissionsbeseitigungsanordnung. Die Emissionsbeseitigungsanordnung
enthält einen mit Kraftstoff befeuerten Brenner, der zum
Regenerieren des Partikelfilters stromaufwärts eines Partikelfilters
angeordnet ist. Während eines Betriebs des Motors strömt
Abgas durch das Partikelfilter, wodurch Ruß (d. h. Partikel)
in dem Filter aufgefangen wird. Das behandelte Abgas wird dann durch
ein Abgasrohr in die Atmosphäre abgegeben. Während
des Betriebs des Motors betreibt eine Steuereinheit von Zeit zu
Zeit selektiv den mit Kraftstoff befeuerten Brenner zum Regenerieren
des Partikelfilters. Bei einer Konfiguration benutzt die Emissionsbeseitigungsanordnung
keine zusätzliche Luft. Daher wird die Position eines EGR-Ventils
mit der Regenerierung des Partikelfilters koordiniert. Das heißt,
zum Erhöhen sowohl der Temperatur als auch des Sauerstoffgehalts
des Abgases wird das EGR-Ventil des Motors für einen Zeitraum
von etwa 10 Minuten vorübergehend geschlossen. Während dieses
Zeitraums wird der mit Kraftstoff befeuerte Brenner, der mit einem
Kraftstoffstrom und ausreichend Sauerstoff in dem Abgas versorgt
wird, betätigt, damit er das Partikelfilter aufheizt und
dadurch regeneriert.
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Wenngleich
der Motor der Veröffentlichung '218 sowohl ein EGR-System
als auch ein Partikelfilter benutzen und von beiden profitieren
kann, kann der Betrieb des zugehörigen Motors während
einer Regenerierung möglicherweise die Vorschriften nicht erfüllen
und/oder suboptimal sein. Das heißt, da die EGR zum Verringern
von NOx-Emissionen benutzt wird, kann der Motor dadurch, dass während
einer Partikelregenerierung die EGR abgeschaltet wird (d. h. durch
Schließen des EGR-Ventils), in diesem Zeitraum zu große
Mengen an NOx ausstoßen. Zusätzlich dazu könnte
sich, da sich relative Mengen an Luft und Kraftstoff, die in den
Motor eintreten und durch denselben verbrannt werden, ändern,
wenn sich das EGR-Ventil schließt, die Regenerierung des
Partikelfilters während der Regenerierungsdauer negativ und/oder
auf unerwartete Weise auf andere Aspekte der Motorleistung (d. h.
Leistungsabgabe, Kraftstoffverbrauch etc.) auswirken. Zusätzlich
dazu werden während einer Regenerierung große
Kraftstoffmengen verbraucht, da der mit Kraftstoff befeuerte Brenner
das gesamte von der Leistungsquelle kommende Abgas aufheizt.
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Das
offenbarte Abgasbehandlungssystem zielt darauf ab, eines oder mehrere
der vorher dargelegten Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Abgasbehandlungssystem
für eine Leistungsquelle. Das Abgasbehandlungssystem kann
ein Filter enthalten, das zum Entfernen von Partikeln aus einem
durch die Leistungsquelle erzeugten Abgasstrom stromabwärts
der Leistungsquelle angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem kann
ferner eine Regenerierungsvorrichtung enthalten, die zum Erhöhen
der Temperatur der entfernten Partikel über eine Zündschwelle
in der Nähe des Filters angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem
kann ferner ein erstes Fluidhandlingbauteil, das zum Variieren einer
Sauerstoffmenge in dem Abgasstrom stromaufwärts der Leistungsquelle
angeordnet ist, und ein zweites Fluidhandlingbauteil enthalten,
das zum Variieren des an der Regenerierungsvorrichtung vorbeigeleiteten
Abgasstroms stromabwärts der Leistungsquelle und stromaufwärts
der Regenerierungsvorrichtung angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem
kann ferner eine Steuerung enthalten, die mit der Leistungsquelle,
dem Filter, der Regenerierungsvorrichtung, dem ersten Fluidhandlingbauteil und
dem zweiten Fluidhandlingbauteil in Verbindung steht.
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Die
Steuerung kann zum Ermitteln einer Notwendigkeit einer Filterregenerierung
ausgebildet sein. Die Steuerung kann ferner zum Ermitteln einer ersten
Verstellung des ersten Fluidhandlingbauteils zum Bereitstellen von
ausreichend Sauerstoff in dem Abgasstrom für eine Filterregenerierung
ausgebildet sein. Weiter kann die Steuerung ebenfalls zum Ermitteln
einer zweiten Verstellung des zweiten Fluidhandlingbauteils zum
Bereitstellen eines ausreichenden Massenstroms in dem an der Regenerierungsvorrichtung
vorbeigeleitetem Abgas ausgebildet sein. Die Steuerung kann ferner
die Regenerierung des Filters ermöglichen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren
zur Regenerierung eines Filters, das Partikel aus einem von einer
Leistungsquelle erzeugten Abgasstrom entfernt. Das Verfahren kann
den Schritt eines Verbrennens eines Kraftstoff/Luft-Gemischs zum
Erzeugen von Leistung und eines Abgasstroms beinhalten. Das Verfahren
verwendet ein Filter zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgasstrom
und Sammeln derselben. Die Notwendigkeit einer Regenerierung des
Filters kann ermittelt werden. Zusätzlich dazu können Anpassungen
der zum Regenerieren des Filters erforderlichen Sauerstoffmenge
für die Regenerierungsvorrichtung ermittelt werden. Anpassungen
des an der Regenerierungsvorrichtung vorbeigeleiteten Abgasstroms
können ermittelt werden. Das Filter kann dann regeneriert
werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Motorsystem
mit einem Motor, der zum Verbrennen eines Kraftstoff/Luft-Gemischs
zum Erzeugen von Leistung und eines Abgasstroms ausgebildet ist.
Das Motorsystem kann ferner einen Ladelufteinlasskreis aufweisen,
der zum Einlassen von komprimierter Luft in den Motor ausgebildet
ist. Das System kann ferner einen Abgaskreis aufweisen, der zum
Leiten des Abgasstroms von dem Motor in die Atmosphäre
ausgebildet ist. Ferner kann das System ein Filter aufweisen, das
zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgasstrom stromabwärts
des Motors angeordnet ist. Das System kann ferner eine Regenerierungsvorrichtung
aufweisen, die zum Erhöhen der Temperatur der entfernten
Partikel über eine Zündschwelle in der Nähe
des Filters angeordnet ist. Ein erstes Ventil kann zum Variieren einer
Sauerstoffmenge in dem Abgasstrom stromaufwärts des Motors
angeordnet sein. Ein zweites Ventil kann ferner zum Variieren des
an der Regenerierungsvorrichtung vorbeigeleiteten Abgasstroms stromabwärts
des Motors und stromaufwärts der Regenerierungsvorrichtung
angeordnet sein. Das System kann ferner eine Steuerung enthalten,
die mit dem Motor, dem Filter, der Regenerierungsvorrichtung, dem
ersten Ventil und dem zweiten Ventil in Verbindung steht. Die Steuerung
kann zum Ermitteln einer Notwendigkeit einer Partikelfilterregenerierung ausgebildet
sein. Die Steuerung kann ferner eine erste Verstellung des ersten
Ventils ermitteln, das den Sauerstoff in dem Abgasstrom für
eine Filterregenerierung reguliert. Die Steuerung kann ebenfalls
eine zweite Verstellung des zweiten Ventils ermitteln, das den an
der Regenerierungsvorrichtung vorbeigeleiteten Abgasstrom reguliert.
Weiter kann die Steuerung ebenfalls die Regenerierung des Filters
ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Leistungsquelle mit einem beispielhaften
offenbarten Abgasbehandlungssystem.
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Detaillierte Beschreibung
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1 stellt
eine Leistungsquelle 10 mit einem beispielhaften Abgasbehandlungssystem 12 dar.
Die Leistungsquelle 10 kann ein Motor wie z. B. ein Dieselmotor,
ein Benzinmotor, ein mit einem gasförmigen Kraftstoff betriebener
Motor wie ein Erdgasmotor oder ein anderer, dem Fachmann bekannter Motor
sein. Die Leistungsquelle 10 kann alternativ eine Leistungsquelle
sein, die kein Motor ist, z. B. ein Ofen. Das Abgasbehandlungssystem 12 kann
einen Lufteinlasskreis 14, einen Abgaskreis 16und
einen Rückführungskreis 18 enthalten,
die zum Leiten von Fluiden in die Leistungsquelle 10 und
aus derselben mit der Leistungsquelle 10 verbunden sind.
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Der
Lufteinlasskreis 14 kann ein Mittel zum Einleiten von Ladeluft
in eine (nicht gezeigte) Verbrennungskammer der Leistungsquelle 10 enthalten. Der
Lufteinlasskreis 14 kann beispielsweise einen Luftreiniger 20 und
ein Einlassventil 22 enthalten, die stromaufwärts
eines oder mehrerer Kompressoren 24 fluidmäßig
verbunden sind. Es können auch zusätzliche und/oder
unterschiedliche Bauteile in dem Lufteinlasskreis 14 enthalten
sein, beispielsweise einer oder mehrere Luftkühler, die
stromaufwärts und/oder stromabwärts der Kompressoren 24 angeordnet
sind, ein Ladedruckregelventil zur Druckentlastung der Kompressoren 24 und
andere bekannte Mittel zum Zuführen von Ladeluft zu der
Verbrennungskammer der Leistungsquelle 10.
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Das
Einlassventil 22 kann den Strom von Atmosphärenluft
von dem Reiniger 20 zu den Kompressoren 24 regulieren.
Das Einlassventil 22 kann beispielsweise ein Drosselelement,
ein Absperrelement, ein Schieberelement, ein Kugelelement, ein Durchgangselement
oder irgendein anderes bekanntes Ventilelement enthalten. Das Element
des Einlassventils 22 kann in einem Durchgang 28 angeordnet sein
und gegen eine Federkraft von einer Strömungsdurchlassposition
zu einer Strömungsbegrenzungsposition verschiebbar sein.
Bei einem Beispiel kann das Element des Einlassventils 22 mit
einer (nicht gezeigten) Torsionsfeder verbunden sein, die das Element
in Richtung der Strömungsbegrenzungsposition vorspannen
kann. Wenn es sich in der Strömungsdurchlassposition befindet,
kann Atmosphärenluft im Wesentlichen ohne Begrenzung von
dem Reiniger 20 durch die Kompressoren 24 zu der
Leistungsquelle 10 geleitet werden. Das Element des Einlassventils 22 kann
entsprechend auf eine oder mehrere Eingaben zu einer beliebigen
Position zwischen der Strömungsbegrenzungsposition und
der Strömungsdurchlassposition bewegt werden.
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Die
Kompressoren 24 können zum Komprimieren der in
die Leistungsquelle 10 strömenden Luft auf einen
vorbestimmten Pegel in Reihe angeordnet und fluidmäßig
mit der Leistungsquelle 10 verbunden sein. Jeder der Kompressoren 24 kann
ein Kompressor mit fester Geometrie, ein Kompressor mit variabler
Geometrie oder irgendein anderer bekannter Kompressor sein. Es ist
auch denkbar, dass die Kompressoren 24 alternativ parallel
angeordnet sind, oder dass der Lufteinlasskreis lediglich einen
einzigen Kompressor 24 enthält. Es ist ebenfalls
denkbar, dass die Kompressoren 24 weggelassen werden, wenn
ein Lufteinlasskreis ohne Druckbeaufschlagung verwendet werden soll.
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Der
Abgaskreis 16 kann ein Mittel zum Behandeln und Leiten
des Abgasstroms aus der Leistungsquelle 10 enthalten. Der
Abgaskreis 16 kann beispielsweise eine oder mehrere Turbinen 32,
die zum Empfangen von Abgas von der Leistungsquelle 10 in
Reihe verbunden sind, ein stromabwärts der Turbinen angeordnetes
Partikelfilter 42 und einen NOx-Absorber 43 enthalten,
der stromabwärts des Partikelfilters 42 angeordnet
ist. Es ist auch denkbar, dass der Abgaskreis 16 zusätzliche
und/oder unterschiedliche Bauteile wie z. B. katalysierte Emissionssteuervorrichtungen,
Dämpfungsvorrichtungen und andere bekannte Mittel zum Behandeln
und Leiten eines Abgasstroms aus der Leistungsquelle 10 enthält.
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Jede
der Turbinen 32 kann zum Antreiben des verbundenen Kompressors 24 mit
einem der Kompressoren 24 verbunden sein. Insbesondere kann
sich, wenn sich die heißen Abgase, die aus der Leistungsquelle 10 austreten,
gegen (nicht gezeigte) Schaufeln der Turbine 32 ausdehnen,
die Turbine 32 drehen und den verbundenen Kompressor 24 antreiben.
Es ist auch denkbar, dass die Turbinen 32 alternativ parallel
angeordnet sind, oder dass lediglich eine einzige Turbine 32 in
dem Abgaskreis 16 enthalten ist. Es ist auch denkbar, dass
die Turbinen 32 weggelassen werden, und die Kompressoren 24 mechanisch,
hydraulisch, elektrisch oder auf irgendeine andere bekannte Weise
durch die Leistungsquelle 10 angetrieben werden, sofern
diese erwünscht ist.
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Das
Partikelfilter 42 kann zum Entfernen von Partikeln aus
dem Abgasstrom von der Leistungsquelle 10 stromabwärts
der Turbinen 32 angeordnet sein. Es ist denkbar, dass das
Partikelfilter 42 elektrisch leitende oder nicht leitende
grobmaschige Metall- oder Keramikelemente enthält. Es ist
ferner denkbar, dass das Partikelfilter 42 einen (nicht
gezeigten) Katalysator zum Verringern einer Zündtemperatur
der durch das Partikelfilter 42 eingefangen Partikel, ein
Mittel 45 zum Regenerieren der durch das Partikelfilter 42 eingefangenen
Partikel oder sowohl einen Katalysator als auch ein Mittel zur Regenerierung
enthält. Der Katalysator kann die Reduktion von HC, CO
und/oder Partikeln unterstützen und kann beispielsweise
ein Basismetalloxid, ein geschmolzenes Salz und/oder ein Edelmetall
enthalten. Das Mittel 45 zur Regenerierung kann unter anderem einen
mit Kraftstoff befeuerten Brenner 47, einen Heizer mit
elektrischem Widerstand, eine Motorsteuerungsstrategie oder ein
anderes geeignetes Mittel zur Regenerierung enthalten. Es ist ferner
denkbar, dass das Partikelfilter 42 an einer anderen Stelle
des Rückführungskreises 18 angeordnet
ist, sofern dies erwünscht ist.
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Der
NOx-Absorber 43 kann eines oder mehrere Substrate enthalten,
die mit einem flüssigen oder gasförmigen Katalysator
wie beispielsweise einem Washcoat, das ein Edelmetall enthält,
beschichtet sind oder diesen auf andere Weise enthalten. Der Katalysator
kann zum Reduzieren der Nebenprodukte der Verbrennung in dem Abgasstrom
mittels einer selektiven katalytischen Reduktion (engl.: selective catalytic
reduction, SCR) oder eines NOx-Einfangs benutzt werden. Bei einem
Beispiel kann ein Reagens wie Harnstoff stromaufwärts des
NOx-Absorbers 43 in den Abgasstrom eingespritzt werden.
Der Harnstoff kann zu Ammoniak zerfallen, der mit dem NOx in dem
Abgas zur Bildung von H2O und N2 reagiert.
Bei einem anderen Beispiel kann das NOx in dem Abgas durch eine
Vorrichtung, die ein Bariumsalz enthält, aufgefangen werden
und in regelmäßigen Abständen über
einem Katalysator zum Bilden von CO2 und
N2 abgegeben und reduziert werden. Der NOx-Absorber 43kann
ebenfalls dazu benutzt werden, Partikel zu oxidieren, die in dem
Abgasstrom zurückbleiben, nachdem dieser durch das Partikelfilter 42 gegangen
ist, sofern dies erwünscht ist.
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Ein
erster Umleitungskreis 34 kann zum selektiven Leiten der
Ladeluft von dem Kompressor 24 um die Leistungsquelle 10 herum
zu dem Mittel 45 zur Regenerierung des Partikelfilters 42 dem
Lufteinlasskreis 14 und dem Abgaskreis 16 zugeordnet
sein. Ein Umleitungsventil 36 kann in dem Kreis 34 angeordnet
sein und beispielsweise ein Drosselelement, ein Absperrelement,
ein Schieberelement, ein Kugelelement, ein Durchgangselement oder
irgendein anderes bekanntes Ventilelement enthalten, das zum Regulieren
des Ladeluftstroms durch den Umleitungskreis 34 bewegbar
ist.
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Der
Rückführungskreis 18 kann ein Mittel zum
Zurückleiten eines Teils des Abgasstroms der Leistungsquelle 10 von
dem Abgaskreis 16 zu dem Lufteinlasskreis 14 enthalten.
Der Rückführungskreis 18 kann beispielsweise
eine Einlassöffnung 40, ein Rückführungsventil 46 und
eine Auslassöffnung 48 enthalten. Es ist denkbar,
dass der Rückführungskreis 18 zusätzliche
und/oder unterschiedliche Bauteile wie einen Abgaskühler,
einen Katalysator, eine elektrostatische Ausfällungsvorrichtung,
ein Schutzgassystem und andere bekannte Mittel zum Zurückleiten
von im Wesentlichen partikelfreien Abgas aus dem Abgaskreis 16 in
den Einlasskreis 14 enthält. Wenn ein Teil des
Abgases von dem Abgaskreis 16 über die Einlassöffnung 40 in
den Rückführungskreis 18 eintritt, kann
das Abgas durch das Rückführungsventil 46 auf
eine gewünschte Durchströmungsrate begrenzt werden
und über die Auslassöffnung 48 zu dem
Einlasskreis 14 geleitet werden. Die Einlassöffnung 40 kann
zum Empfangen von mindestens einem Teil des Abgasstroms von der
Leistungsquelle 10 mit dem Abgaskreis 16 verbunden
sein. Genauer kann die Einlassöffnung 40 zum Empfangen
von Abgasen mit niedrigem Druck von den Turbinen 32 stromabwärts
der Turbinen 32 angeordnet sein.
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Ein
zweiter Umleitungskreis 76 kann zum selektiven Leiten von
mindestens einem Teil des Abgases von der Leistungsquelle 10 um
den Abgaskreis 16, stromabwärts des Partikelfilters 42 und
in die Einlassöffnung 40 des Rückführungskreises 18 dem Rückführungskreis 18 zugeordnet
sein. Ein Umleitungsventil 78 kann in dem Umleitungskreis 76 angeordnet
sein und beispielsweise ein 2-Wege- oder 3-Wege-Ventil enthalten,
das ein Drosselelement, ein Absperrelement, ein Schieberelement,
ein Kugelelement, ein Durchgangselement oder ein anderes bekanntes
Ventilelement enthält. Das Umleitungsventil kann benachbart
zu der zweiten Leistungsquelle 10 und stromabwärts
derselben angeordnet sein. Ferner kann das Umleitungsventil 76 stromaufwärts
des mit Kraftstoff befeuerten Brenners 47 angeordnet sein.
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Das
Rückführungsventil 46 kann fluidmäßig über
einen Fluidurchgang 52 mit der Einlassöffnung 40 und über
einen Fluiddurchgang 54 mit der Auslassöffnung 48 verbunden
sein. Auf diese Weise kann das Rückführungsventil 46 zum
selektiven Durchlassen oder Begrenzen des Abgasstroms aus dem Abgaskreis 16 in
den Lufteinlasskreis 14 angeordnet sein.
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Die
Auslassöffnung 48 kann zum Leiten des durch das
Rückführungsventil 46 regulierten Abgasstroms
zu dem Lufteinlasskreis 14 fluidmäßig
mit dem Rückführungsventil 46 verbunden
sein. Genauer kann die Auslassöffnung 48 stromaufwärts
der Kompressoren 24 mit dem Lufteinlasskreis 14 verbunden
sein, derart, dass die Kompressoren 24 den Abgasstrom aus
der Auslassöffnung 48 saugen können.
Bei einem alternativen Hochdruckabgasrückführungskreis
kann die Auslassöffnung 48 auch stromabwärts
der Kompressoren 24 angeordnet sein, wenn dies erwünscht
ist.
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Ein
Steuerungssystem 62 kann Komponenten enthalten, die zum
Ermitteln und Steuern von Betriebscharakteristiken des Einlass-,
des Auslass- und des Rückführungskreises 14, 16, 18 Wechselwirken. Insbesondere
kann das Steuerungssystem 62 eine Steuerung 66 enthalten,
die jeweils über Kommunikationsleitungen 68, 70, 72, 74 und 80 mit
dem Lufteinlassventil 22, dem Umleitungsventil 36,
dem Rückführungsventil 46, dem Mittel 45 zur
Regenerierung des Partikelfilters 42, der Leistungsquelle 10 und
dem Umleitungsventil 78 in Verbindung steht. Es ist denkbar,
dass zusätzliche Sensoren wie beispielsweise ein Motordrehzahlensensor,
ein Abgastemperatur- oder -sauerstoffsensor, ein Einlassluftdruck- oder
-temperatursensor, ein Kraftstoffstrom- oder -drucksensor, ein NOx-Sensor
oder irgendein anderer bekannter Sensor ebenfalls in dem Steuerungssystem
enthalten sind und mit der Steuerung 66 in Verbindung stehen,
sofern dies erwünscht ist.
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Die
Steuerung 66 kann als ein einzelner oder als mehrere Mikroprozessoren
ausgeführt sein, die ein Mittel zum Steuern eines Betriebs
des Einlass-, des Abgas- und des Rückführungskreises 14, 16, 18 und
der Leistungsquelle 10 enthalten. Zahlreiche kommerziell
verfügbare Mikroprozessoren können dazu ausgebildet
sein, die Funktionen der Steuerung 66 auszufüllen.
Es ist offensichtlich, dass die Steuerung 66 ohne weiteres
ein allgemeiner Leistungsquellenmikroprozessor sein könnte,
der dazu in der Lage ist, zahlreiche Motorfunktionen zu steuern.
Die Steuerung 66 kann einen Speicher, eine Sekundärspeichervorrichtung
und einen Prozessor und andere Komponenten zum Laufenlassen einer
Anwendung enthalten. Verschiedene andere Schaltungen können der
Steuerung 66 zugeordnet sein, etwa eine Leistungsversorgungsschaltung,
eine Signalverarbeitungsschaltung, eine Solenoidtreiberschaltung
und andere Arten von Schaltungen.
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Eines
oder mehrere Kennfelder, die sich auf eine Abgassauerstoffkonzentration,
einen Ladedruck, eine Einlasslufttemperatur, eine Einlassluftströmungsrate,
eine Motorkraftstoffeinspitzmenge, ein Einspritztiming, einen Einspritzdruck,
eine Motorleistungsabgabe, eine Abgasluftströmungsrate,
einen Abgasemissionspegel und/oder eine erforderliche Einstellung
oder Konfiguration eines ersten und eines zweiten Fluidhandlingbauteils
beziehen, können in dem Speicher der Steuerung 66 gespeichert sein.
Jedes dieser Kennfelder kann eine Ansammlung von Daten in Form von
Tabellen, Graphen und/oder Gleichungen sein.
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Die
Steuerung 66 kann eine Eingabe empfangen, die eine Notwendigkeit
einer Partikelfilterregenerierung anzeigt, und kann auf die vorher
beschriebenen Kennfelder Bezug nehmen, um eine Verstellung eines
ersten Fluidhandlingbauteils (d. h. des Einlassventils 22,
des Kompressors 24, des Umleitungsventils 36,
des Rückführungsventils 46 etc.) zu ermitteln,
die dazu erforderlich ist, in dem Abgasstrom ausreichend Sauerstoff
für ein Regenerierungsereignis bereitzustellen. D. h.,
zum Erreichen einer für eine Regenerierung des Partikelfilters 42 geeigneten
Temperatur muss eine zum ordnungsgemäßen Verbrennen
des durch den Brenner 47 eingespritzten Kraftstoffs ausreichende
Sauerstoffzufuhr vorhanden sein. Die Steuerung 66 kann
ferner zum Ermitteln einer Verstellung eines zweiten Fluidhandlingbauteils
(d. h. des Umleitungsventils 78, des Rückführungsventils 46 etc.),
die dazu erforderlich ist, die minimale Abgasluftströmungsrate
zum Ermöglichen des Regenerierungsereignisses bereitzustellen,
auf die Kennfelder Bezug zu nehmen.
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Somit
kann die Steuerung 66 ansprechend auf die angezeigte Notwendigkeit
einer Regenerierung zum Ermitteln eines erhöhten Öffnungsgrads des
Einlassventils 22 (d. h. einer verringerten Begrenzung
des Einlassventils 22), der ermöglicht, dass mehr
Sauerstoff in die Leistungsquelle 10 eintritt und durch
dieselbe zu dem Brenner 47 gelangt, einer Änderung
einer Kompressorcharakteristik, die einen Druck und/oder eine Strömungsrate
der Luft erhöht, die in die Leistungsquelle 10 eintritt
und durch dieselbe geht, einer zunehmenden Öffnung des
Umleitungsventils 36, die eine Luftmenge erhöht,
die direkt zu dem Abgas stromabwärts der Leistungsquelle 10 umgleitet
wird, und/oder einer verringerten Öffnung des Rückführungsventils 46 (d.
h. einer erhöhten Begrenzung des Abgases, das zu dem Lufteinlasskreis 14 zurückgeführt
wird), auf die Kennfelder Berg nehmen, derart, dass sich die Konzentration des
Sauerstoffs, der in die Leistungsquelle 10 eintritt und
dieselbe verlässt, erhöht.
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Ferner
kann die Steuerung 66 ansprechend auf die angezeigte Notwendigkeit
einer Regenerierung zum Ermitteln einer erhöhten Begrenzung
bei dem Umleitungsventil 78, das die Abgasluftströmungsrate
in dem Abgaskreis 16 verringert (d. h. die Abgasluftströmungsrate
in dem Umleitungskreis 76 erhöht), und/oder einer
erhöhten Öffnung des Rückführungsventils 46 (d.
h. einer verringerten Begrenzung des Abgases, das zu dem Lufteinlasskreis 14 zurückgeführt
wird) auf die Kennfelder Bezug nehmen, derart, dass die Massenströmungsrate
der zu dem Brenner 47 gelieferten Luft verringert wird.
Die Notwendigkeit einer Regenerierung kann auf einer verstrichenen
Zeitdauer, einem Druck oder einer Temperatur des Abgases, die stromaufwärts
des Partikelfilters 42 gemessen oder vorhergesagt werden, einem
Druckunterschied, der über dem Partikelfilter 42 gemessen
oder vorhergesagt wird, einem errechneten Ausmaß einer
Rußbeladung oder einem anderen, ähnlichen Parameter
basieren. Es ist denkbar, dass die Steuerung 66 Konflikte
zwischen den vorher erwähnten Kennfeldern zum Optimieren
von Sauerstoff- und Abgasluftströmungsraten zum Erzielen
einer Regenerierung des Partikelfilters 42 auf eine Weise
beseitigt, die einen Energie- und einen Kraftstoffverbrauch verringert.
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Die
Steuerung 66 kann ferner dazu ausgebildet sein, eine Korrektur
des Betriebs der Leistungsquelle 10 zu ermitteln, die dazu
notwendig ist, den an den Fluidhandlingbauteilen vorgenommenen Verstellungen
Rechnung zu tragen. Genauer kann sich bei einer Verstellung des Öffnungsgrads
des Lufteinlassventils 22, einer Änderung der
Charakteristik des Kompressors 24 zum Erhöhen
eines Drucks und/oder einer Strömungsrate der Luft, die
in die Leistungsquelle 10 eintritt, einer Erhöhung
einer Öffnung des Umleitungsventils 36 und/oder
einer Verringerung einer Öffnung des Rückführungsventils 46 das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Leistungsquelle erheblich ändern.
Wenn beispielsweise das Lufteinlassventil 22 weiter geöffnet
wird, wird die Konfiguration oder die Leistung des Kompressors 24 zum
Erhöhen des Ladedrucks und/oder des Einlassluftstroms geändert,
oder wenn das Rückführungsventil 46 weiter
geschlossen wird, kann sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
der Leistungsquelle 10 erhöhen. Im Gegensatz dazu
kann sich, wenn das Umleitungsventil 36 weiter geöffnet
wird, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Leistungsquelle 10 verringern.
Demzufolge können die Leistungsabgabe, die Betriebstemperaturen,
die Abgasemissionspegel, der Kraftstoffverbrauch und andere Leistungsfaktoren
der Leistungsquelle 10 beeinflusst werden. Außerdem
kann zum dauerhaften Liefern einer angeforderten Leistungsabgabe,
Sicherstellen, dass der Betrieb der Leistungsquelle 10 innerhalb
der Spezifikationen bleibt, die Emissionen der Leistungsquelle 10 weiterhin
die gesetzlichen Bestimmungen erfüllen und die allgemeine
Leistung der Leistungsquelle 10 für einen Betreiber
derselben akzeptabel bleibt, während des Regenerierungsereignisses
eine Korrektur der Charakteristiken der Leistungsquelle 10 erforderlich
sein. Einige dieser Charakteristiken können unter anderem eine
Kraftstoffzufuhrcharakteristik (Einspritzungsmenge, Druck, Zahl
und/oder Verteilung der Einspritzungsschüsse, Einspritzungstiming
etc.) und eine Lufteinlasscharakteristik (Ladedruck, Motorventiltiming
etc.) enthalten. Die Steuerung 66 kann ermitteln, welche
Korrektur zum Aufrechterhalten eines gleichbleibenden oder sogar
verbesserten Leistungsquellenbetriebs 10 während
des Regenerierungsereignisses (d. h. während des Zeitraums,
in dem die Betriebscharakteristiken des Abgas- oder des Rückführungskreises 16, 18 zum
Durchführen einer Regenerierung des Partikelfilters 42 angepasst
werden) erforderlich sind.
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Die
Steuerung 66 kann sowohl die zur Partikelfilterregenerierung
erforderliche(n) Verstellung(en) als auch die Korrektur(en) des
Betriebs der Leistungsquelle im Wesentlichen gleichzeitig durchführen.
Das heißt, sobald die Steuerung 66 die erforderliche(n)
Verstellung(en) und die erforderliche(n) Korrektur(en) ermittelt
hat, können sowohl die Verstellungen als auch die Korrekturen
derart implementiert werden, dass die Leistung der Leistungsquelle 10 während
des Regenerierungsereignisses im Wesentlichen in einem gewünschten
Leistungsbereich bleibt oder in diesen eintritt. Im Rahmen dieser
Offenbarung kann der Ausdruck „im Wesentlichen gleichzeitig” einen
vorbestimmten Zeitraum bezeichnen, in dem durch die Steuerung 66 mehrere
Aktionen durchgeführt werden, beispielsweise wenn die Steuerung 66 die
Verstellung(en) und die Korrektur(en) innerhalb weniger Sekunden
(oder schneller) implementiert.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Abgasbehandlungssystem kann mit einer Vorrichtung des
Verbrennungstyps wie beispielsweise einem Motor, einem Ofen oder
einer anderen bekannten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden,
bei der sich ein Partikelfiltergenerationsereignis auf die Leistung
der Vorrichtung des Verbrennungstyps auswirken kann. Das offenbarte Behandlungssystem
kann durch Voraussehen einer Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
der Vorrichtung während des Ereignisses, Ermitteln einer Auswirkung,
die die Änderung auf die Vorrichtung haben wird, und Korrigieren
von Betriebscharakteristiken der Vorrichtung während des
Ereignisses zur Berücksichtigung der Auswirkung eine gleichbleibende oder
sogar verbesserte Leistung der Vorrichtung des Verbrennungstyps
aufrechterhalten. Im Folgenden wird der Betrieb des Abgasbehandlungssystems
erklärt.
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Atmosphärenluft
kann über das Einlassventil 22 in den Lufteinlasskreis 14 gesaugt
und durch die Kompressoren 24 geleitet werden, wo sie vor
einem Eintritt in die Verbrennungskammer der Leistungsquelle 10 auf
einen vorbestimmten Pegel mit Druck beaufschlagt werden kann. Kraftstoff
kann vor oder nach dem Eintritt in die Verbrennungskammer der Leistungsquelle 10 mit
der mit Druck beaufschlagten Luft gemischt werden und dann zum Erzeugen
von mechanischer Arbeit und eines Abgasstroms, der gasförmige
Verbindungen und Partikel enthält, durch die Leistungsquelle 10 verbrannt
werden. Der Abgasstrom kann von der Leistungsquelle 10 zu
den Turbinen 32 geleitet werden, wo die Ausdehnung der
heißen Gase bewirken kann, dass sich die Turbinen 32 drehen,
wodurch die verbundenen Kompressoren 24 zum Komprimieren
der Einlassluft gedreht werden. Nach dem Austritt aus den Turbinen 32 und
dem Durchströmen des Partikelfilters 32 kann der
Abgasstrom in zwei im Wesentlichen partikelfreie Ströme geteilt
werden, einschließlich eines ersten Stroms, der zu dem
Lufteinlasskreis 14 zurückgeleitet wird, und eines
zweiten Stroms, der in die Atmosphäre geleitet wird.
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Der
durch die Einlassöffnung 40 geleitete Strom des
Abgases mit einer verringerten Zahl von Partikeln kann durch die
Kompressoren 24 über das Rückführungsventil 46 zurück
in den Lufteinlasskreis 14 gesaugt werden. Die gesteuerte
Begrenzung des Abgases durch das Rückführungsventil 46 kann
sich auf die Abgasmenge auswirken, die durch die Kompressoren 24 über
den Lufteinlasskreis 14 zu der Leistungsquelle 10 gesaugt
wird.
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Der
rückgeführte Abgasstrom kann dann mit der in die
Verbrennungskammern eintretenden Luft gemischt werden. Das Abgas,
dass zu den Verbrennungskammern der Leistungsquelle 10 geleitet
wird, kann die Sauerstoffkonzentration darin verringern, was wiederum
die maximale Verbrennungstemperatur in der Leistungsquelle 10 absenkt.
Die abgesenkte maximale Verbrennungstemperatur kann die chemische
Reaktion des Verbrennungsprozesses verlangsamen, wodurch die Bildung
von Stickoxiden abnimmt. Auf diese Weise können die durch
die Leistungsquelle 10 erzeugten gasförmigen Schadstoffe ohne
die negativen Auswirkungen und die schlechte Leistung, die dadurch
verursacht werden, dass übermäßig viele
Schadstoffpartikel in die Leistungsquelle 10 eingeleitet
werden, verringert werden. Wenn der zweite Abgasstrom durch die
Einlassöffnung 40 geht, kann er zum Entfernen
von NOx und anderen Schadstoffen aus dem Abgas durch einen Katalysator
geleitet werden.
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Nachdem
die Leistungsquelle eine gewisse Zeit in Betrieb war, kann die Ansammlung
von Partikeln in dem Partikelfilter 42 erheblich sein und eine Regenerierung
erforderlich machen. Zum Regenerieren des Partikelfilters 42 kann
der mit Kraftstoff befeuerte Brenner 47 stromaufwärts
des Partikelfilters 42 eine Kraftstoffmenge in den Abgasstrom
der Leistungsquelle 10 einspritzen. Zum Gewährleisten
eines effizienten Verbrennens des eingespritzten Kraftstoffs und
einer vollständigen Regenerierung des Partikelfilters 42 muss
in dem Abgasstrom eine ausreichend hohe Konzentration an Sauerstoff
vorhanden sein. Der Sauerstoff kann auf mindestens zwei Weisen zugeführt
werden, einschließlich direkt von dem Kompressor 24 über
den Umleitungskreis 34 oder indirekt von dem Kompressor 24 über
die Leistungsquelle 10.
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Zur
direkten Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas
von der Leistungsquelle 10 kann das Umleitungsventil 36 zum
Verringern einer Begrenzung des Ladeluftstroms, der durch den Umleitungsstrom 34 geht,
bewegt werden. Die Luftmenge, die durch den Kreis 34 geht,
kann dazu ausreichen, das Partikelfilter 42 zu regenerieren,
und wie vorher beschrieben durch die Steuerung 66 reguliert sein.
Dadurch, dass erlaubt wird, dass eine größere Luftmenge
durch den Kreis 34 geht, steht jedoch möglicherweise
weniger Luft für eine Verbrennung in der Leistungsquelle 10 zur
Verfügung (d. h. das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
kann abnehmen), wenn die Verstellung des Umleitungsventils 36 nicht
berücksichtigt wird. Eine niedrigeres Luft/Kraftstoff-Verhältnis
kann Abgastemperaturen und Emissionen der Leistungsquelle 10 erhöhen,
während gleichzeitig eine Leistungsabgabe und eine Kraftstoffeffizienz derselben
verringert werden.
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Zum
Minimieren der Auswirkung, die die Verstellung des Umleitungsventils 36 auf
die Leistung der Leistungsquelle 10 haben kann, können
verschiedene Betriebscharakteristiken der Leistungsquelle 10 korrigiert
werden. Beispielsweise können der Ladedruck und/oder die
Strömungsrate der Luft an einem Einlass der Leistungsquelle 10 erhöht
werden. Diese Erhöhung kann durch Korrigieren eines Betriebs
des Kompressors 24, Korrigieren einer Einstellung eines
Ladedruckregelventils und/oder Korrigieren einer Einstellung eines
Motorventils (d. h. eines Öffnens, eines Schließens,
einer Hubhöhe oder einer Hubdauer des Motors) während
des Regenerierungsereignisses erhalten werden. Zum Minimieren der
Unterbrechung der Leistungsfähigkeit der Leistungsquelle 10 können
die Verstellung des Umleitungsventils 36 und die Korrektur
der Leistungsquelle 10 im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden.
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Zum
indirekten Erhöhen der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas
von der Leistungsquelle 10 kann das Rückführungsventil 46 zum
Erhöhen einer Begrenzung des Abgasstroms, der in die Leistungsquelle 10 geleitet
wird, bewegt werden. Durch Erhöhung der Abgasbegrenzung
kann eine größere Frischluftmenge in die Leistungsquelle 10 gepresst/gesaugt
werden, derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem aus der
Leistungsquelle 10 austretendem Abgas dazu ausreichen kann,
das Partikelfilter 42 zu regenerieren. Wie vorher beschrieben, kann
die Bewegung des Abgasrückführungsventils 46 durch
die Steuerung 66 reguliert werden. Durch das Verringern
der durch die Leistungsquelle 10 rückgeführten
Abgasmenge kann jedoch die Erzeugung von NOx zunehmen, wenn die
Verstellung des Rückführungsventils 46 nicht
berücksichtigt wird. Eine erhöhte Erzeugung von
NOx kann bewirken, dass die Leistungsquelle 10 gesetzliche
Vorschriften nicht erfüllt.
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Zum
Minimieren der Auswirkungen, die die Verstellungen des Rückführungsventils 46 auf
die Leistung der Leistungsquelle 10 (d. h. auf die Erzeugung
von NOx) haben können, können verschiedene Betriebscharakteristiken
der Leistungsquelle 10 korrigiert werden. Beispielsweise
können zum Minimieren der Erzeugung von NOx während
des Regenerierungsereignisses eine in die Leistungsquelle 10 eingespritzte
Kraftstoffmenge, ein Timing der Einspritzungen und/oder eine Verteilung
der Einspritzungen angepasst werden. Diese Änderungen des
Kraftstoffeinspritzungsprofils können über eine
Regulierung einer Leistungsquellenkraftstoffversorgung durch eine
Steuerung durchgeführt werden.
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Zum
Minimieren der Unterbrechung der Leistungsfähigkeit der
Leistungsquelle 10 können die Verstellungen des
Rückführungsventils 46 und die Korrektur
der Leistungsquelle 10 im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt
werden. Ähnliche Verstellungen und Korrekturen können
in Verbindung mit anderen Fluidhandlingbauteilen vorgenommen werden.
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Zusätzlich
zur Regulierung der erforderlichen Sauerstoffmenge, die zum Durchführen
einer Regenerierung benötigt wird, kann die Steuerung 66 während
eines Regenerierungsereignisses ebenfalls die Menge eines Abgasluftmassenstroms
optimieren, der von der Leistungsquelle 10 zu dem Regenerierungsmittel 45 geliefert
wird, das als der Brenner 47 gezeigt ist. Während
eines Regenerierungsereignisses kann die Steuerung 66 die
Menge des Abgasluftstroms, der zu dem Brenner 47 geleitet
wird, direkt verringern. Das Umleitungsventil 78 kann zum
Erhöhen einer Begrenzung eines Abgasluftmassenstroms, der
zu dem Brenner 47 geliefert wird, bewegt werden. Dadurch
wird zumindest ein Teil der Abgasluft um den Brenner und das Partikelfilter
herum geleitet. Der Teil der Abgasluft, der um den Abgaskreis 16 herum
geleitet wird, geht durch den Umleitungskreis 76 und in
den Rückführungskreis 18. Durch die Verringerung
der Menge eines Abgasluftstroms, der zu dem Abgaskreis 16 geliefert
wird, steht dem Regenerierungsmittel 45 weniger Abgasluft
zum Aufheizen zur Verfügung, wodurch die zum Regenerieren des
Partikelfilters 42 erforderliche an Energie- oder Kraftstoffmenge
verringert wird.
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Da
das offenbarte Abgasbehandlungssystem einen Betrieb einer Leistungsquelle
in Verbindung mit einer Steuerung von zughörigen Fluidhandlingbauteilen
korrigieren kann, kann ein Partikelfilterregenerierungsereignis
erhalten werden, das sich nicht wesentlich auf die Leistung der
Leistungsquelle auswirkt. Insbesondere kann das offenbarte Abgasbehandlungssystem
sicherstellen, dass Abgasemissionsvorschriften eingehalten werden
und/oder eine optimale Motorleistung erhalten wird, selbst wenn eine
auf Grund der Regenerierung erforderliche Verstellung eines Fluidhandlingbauteils
vorgenommen wird. Tatsächlich tritt, da die Leistungsquellenkorrektur
im Wesentlichen gleichzeitig mit der aufgrund der Regenerierung
erforderlichen Verstellung vorgenommen werden kann, wenn überhaupt
nur eine geringfügige Unterbrechung der Leistungsabgabe
der Leistungsquelle 10 auf.
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Für
Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und
Variationen an dem offenbarten Abgasbehandlungssystem vorgenommen werden
können. Andere Ausführungsformen werden für
Fachleute unter Berücksichtigung der Beschreibung und bei
Verwendung des offenbarten Partikelregenerierungssystems offensichtlich
werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als
exemplarisch betrachtet werden, wobei der wahre Schutzbereich 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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- - US 2002/50,150,218 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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