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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regenerationsvorrichtung
und genauer auf eine Regenerationsvorrichtung, die eine luftunterstützte Treibstoffdüse
aufweist.
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Stand der Technik
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Motoren,
einschließlich Dieselmotoren, Benzinmotoren, Motoren, die
mit gasförmigen Treibstoffen angetrieben werden, und andere,
gemäß Stand der Technik bekannte Motoren stoßen
eine komplexe Mischung aus luftverschmutzenden Stoffen aus. Diese
luftverschmutzenden Stoffe umfassen Feststoffe, die als Schweb-
bzw. Feinstaub oder Ruß bekannt sind. Aufgrund verstärkter
Rücksichtnahme auf die Umwelt sind die Standards bezüglich
der Abgasemissionen strenger geworden, und die Menge an Feinstaub,
die von einem Motor ausgestoßen wird, wird in Abhängigkeit
von der Art des Motors, der Größe des Motors und/oder
der Motorklasse vorgeschrieben.
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Ein
Verfahren, das von Motorenherstellern eingesetzt wurde, um den Regulierungen
bezüglich des in die Umwelt ausgestoßenen Feinstaubs
nachzukommen, war die Entfernung des Feinstaubs aus dem Abgasstrom
eines Motors mit Hilfe einer Vorrichtung, die als „Partikel-Falle” bezeichnet
wurde. Eine „Partikel-Falle” ist ein Filter, der
gestaltet wurde, um Feinstaub einzufangen, und besteht typischerweise aus
einem Drahtgewebe oder einem keramischen Wabenmedium. Die Verwendung
der Parikelfalle über längere Zeiträume
hinweg kann jedoch dazu führen, dass sich der Feinstaub
in dem Medium ansammelt, und somit die Funktionalität und
daraus folgend die Leistung des Motors verringert.
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Der
gesammelte Feinstaub kann von dem Filter durch einen Regeneration
genannten Prozess entfernt werden. Um die Regeneration des Filters
anzustoßen, muss die Temperatur des innerhalb des Filters
vorhandenen Feinstaubs bis zu einer Verbrennungsschwelle angehoben
werden, bei der der Feinstaub abgebrannt wird. Ein Weg, die Temperatur
des Feinstaubs zu erhö hen, ist es, einen als Katalysator wirkenden
Stoff wie beispielsweise Dieselkraftstoff in den Abgasstrom des
Motors zu injizieren und den injizierten Treibstoff zu entzünden.
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Typischerweise
wird der Kraftstoff während des Injizierens aus Gründen
effizienter Verteilung und/oder Verbrennung zerstäubt.
Der Treibstoff wird zerstäubt, indem unter hohem Druck
stehender Treibstoff durch sehr kleine Einlassöffnungen
in dem Injektor geleitet wird. Obwohl dieses Verfahren des Zerstäubens
effektiv ist, ist es auch problematisch. Insbesondere führt
die sehr geringe Größe der Einlassöffnungen
selbst zu gelegentlichen Verkrustungen und Verstopfungen. Ein verkrusteter
Injektor muss gereinigt werden, um die Verkrustungen zu beseitigen,
und muss ersetzt werden, wenn die Verkrustungen durch die Reinigung
nicht entfernt werden können. Zudem können die
hohen Treibstoffdrücke, die für eine angemessene
Zerstäubung notwendig sind, teuer in der Erzeugung und
schwierig unterzubringen sein.
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Ein
Versuch, das Verkrusten in einem Abgasbehandlungsinjektor zu minimieren,
während gleichzeitig das Zerstäuben verbessert
wird, wird in der
U.S. Patentveröffentlichung
Nr. 2006/0101810 (die '810er-Veröffentlichung)
durch Angelo et al., veröffentlicht am 18 Mai 2006, beschrieben.
Insbesondere offenbart die die '810er-Veröffentlichung
eine Emissionssteuerungsvorrichtung, die einen Treibstoffinjektor
aufweist. Unter Druck stehender Treibstoff und Luft werden werden
in den Treibstoffinjektor geleitet, der den Treibstoff mit der Luft
mischt und die Mischung durch eine Düse in einen Abgasstrom
injiziert. Dieses Injizieren verursacht einen rapiden Druckabfall
in der Mischung, der dazu führt, dass sich die unter Druck
stehende Luft schnell ausdehnt, was den Treibstoffsprühstoss
in feine Teilchen aufbricht.
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In
einem in der '810er-Veröffentlichung offenbarten Ausführungsbeispiel
kann der Treibstoffinjektor die Emissionssteuerungsvorrichtung in
Strömungsrichtung oberhalb eines Katalysators positioniert
sein, der in Strömungsrichtung oberhalb eines Dieselpartikelfilters
positioniert ist. Wenn die Treibstoff/Luft-Mischung innerhalb des
Katalysators verbrennt, befindet sich die Temperatur des Abgases, das
den Katalysator verlässt und sich in Richtung des Dieselpartikelfilters
bewegt, innerhalb eines Verbrennungstemperaturbereiches des in dem
Filter eingefangenen Feinstaubs.
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In
einem anderen in der '810er-Veröffentlichung offenbarten
Ausführungsbeispiel kann der Treibstoffinjektor die Treibstoff/Luft-Mischung
direkt in den Dieselpartikelfilter injizieren, ohne einen durch eine
Verbrennung hervorgerufenen Vorheizprozess innerhalb eines in Strömungsrichtung
oberhalb gelegenen Katalysators aufzuweisen. In einem solchen Ausführungsbeispiel
entzündet sich der Treibstoff mit einem als Katalysator
wirkenden Stoff auf dem Dieselpartikelfilter, und verursacht dadurch
die Oxidation des Feinstaubs auf dem Filter.
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Obwohl
die Emissionssteuerungsvorrichtung der '810er-Veröffentlichung
das Zerstäuben verbessern und die Wahrscheinlichkeit des
Verkrustens verringern kann, kann sein Einsatz beschränkt
sein. Insbesondere ist die Emissionssteuerungsvorrichtung nur ein
Dosiersystem (d. h., es zündet die injizierte Treibstoff/Luft-Mischung
nicht aktiv), das möglicherweise nur bei bestimmten Motorzuständen
betrieben werden kann, wenn die Temperatur des Auspuffs bereits über
einer vorbestimmten Schwelle ist. In Situationen, in denen die Auspufftemperaturen
unterhalb der vorbestimmten Schwelle sind, kann die Emissionssteuerungsvorrichtung
möglicherweise nicht in der Lage sein, die Partikelfalle
zu regenerieren.
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Zusätzlich
können die Bauteil- und Wartungskosten der Vorrichtung
erheblich sein, weil die Emissionssteuerungsvorrichtung der '810er-Veröffentlichung
auf einem als Katalysator wirkenden Stoff zur Zündung und
Verbrennung der injizierten Treibstoff/Luft-Mischung beruht. Insbesondere
kann die zusätzliche Katalysatorkomponente die anfänglichen Kosten
der Vorrichtung steigern, während Service und/oder Ersatz
der Katalysatorkomponente die Wartungskosten steigern können.
Weiterhin ist es möglich, dass die Verbrennung der injizierten
Treibstoff/Luft-Mischung unzuverlässig wird, wenn der als Katalysator
wirkende Stoff altert und/oder verbraucht wird.
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Die
Regenerationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung löst
eines oder mehrere der oben dargestellten Probleme.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Regenerationsvorrichtung.
Die Regenerationsvorrichtung kann ein Gehäuse umfassen, welches
einen Treibstoffdurchlass und einen ersten Luftdurchlass aufweist.
Die Regenerationsvorrichtung kann auch einen Injektor aufweisen,
welcher in dem Gehäuse mit dem Treibstoffdurchlass und dem
ersten Luftdurchlass in strömungsmitteltechnischer Verbindung
stehend angebracht ist. Die Regenerationsvorrichtung kann weiterhin
einen Verbrennungsbehälter aufweisen, der derart verbunden
ist, dass er eine Treibstoff/Luft-Mischung von dem Injektor und
der Verbrennungsluftzufuhr aufnimmt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Regeneration einer Partikelfalle, die einen Abgasstrom
aufnimmt. Das Verfahren kann das Mischen von Treibstoff mit Luft
vor einem Injektionsereignis umfassen, sowie das Injizieren der
Mischung von Treibstoff und Luft, um den Treibstoff während
des Injektionsereignises zu zerstäuben. Das Verfahren kann
weiterhin das Zünden des zerstäubten Kraftstoffs
außerhalb des Abgasstroms umfassen, sowie das Einführen
der gezündeten Treibstoff/Luft-Mischung in den Abgasstrom
oberhalb der Partikelfalle.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische und diagrammartige Darstellung eine beispielhaften
offenbarten Antriebseinheit, und
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2 ist
eine Auschnittsdarstellung einer beispielhaften offenbarten Regenerationsvorrichtung zur
Verwendung in Verbindung mit der Antriebseinheit der 1.
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Detaillierte Beschreibung
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1 stellt
eine Antriebseinheit 10 dar, welche aufweist: ein Treibstoffsystem 12,
ein Lufthilfssystem 13, und ein Abgasnachbehandlungssystem 14.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Antriebseinheit 10 mit
einem mobilen Fahrzeug verbunden sein, wie beispielsweise einem
Personenfahrzeug, einem Arbeitsfahrzeug, einem landwirtschaftlichen Fahrzeug
oder einem Baufahrzeug. Alternativ kann die Antriebseinheit 10 mit
einer ortsfesten Maschine wie beispielsweise einem industriellen
Stromerzeuger oder einer Feuerungsanlage verbunden sein.
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Für
die Belange dieser Offenbarung wird die Antriebseinheit 10 als
Viertakt-Dieselmotor dargestellt und beschrieben. Ein Fachmann wird
jedoch erkennen, dass die Antriebseinheit 10 jede andere
Art von Verbrennungsmaschine sein kann, beispielsweise ein mit Benzin
oder gasförmigem Kraftstoff betriebener Antrieb. Die Antriebseinheit 10 kann
einen Motorblock 16 aufweisen, der zumindest teilweise
eine Mehrzahl von Brennkammern (nicht gezeigt) definiert. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Antriebseinheit 10 vier
Brennkammern auf. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Antriebseinheit 10 eine größere
oder geringere Anzahl an Brennkammern aufweisen kann, und dass die
Brennkammern in einer Reihenanordnung, einer V-Anordnung oder jeder anderen
geeigneten Anordnung angeordnet sein können.
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Wie
ebenfalls in 1 gezeigt, kann eine Antriebseinheit 10 eine
Kurbelwelle 17 aufweisen, die drehbar innerhalb des Motorblocks 6 angeordnet ist.
Ein Pleuel (nicht gezeigt) kann eine Mehrzahl von Kolben (nicht
gezeigt) mit der Kurbelwelle 17 verbinden, sodass eine
schiebende Bewegung jedes Kolbens innerhalb der jeweiligen Brennkammer
zu einer Rotation der Kurbelwelle 17 führt. Die
Rotation der Kurbelwelle 17 kann als Abtrieb der Antriebseinheit 10 dienen,
um eine gewünschte Arbeit wie beispielsweise die Rotation
eines Generators oder die Rotation von einer oder mehrerer Antriebsachsen
eines entsprechenden Fahrzeugs zu bewirken.
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Das
Treibstoffsystem 12 kann Bestandteile aufweisen, die zusammenwirken,
um Injektionen unter Druck stehenden Treibstoffs in jede der beiden Kammern
einzubringen. Insbesondere kann das Treibstoffsystem 12 ein
Treibstoffsystem mit einer gemeinsamen Hauptleitung („Common-Rail”-System)
sein, und kann einen Tank 20 aufweisen, der gestaltet ist,
um einen Vorrat von Treibstoff aufzunehmen, wie beispielsweise DiesetTreibstoff,
und eine Treibstoffpumpanordnung 22, die gestaltet ist,
um den Treibstoff mit Druck zu beaufschlagen, und den Unter druck
stehenden Treibstoff in eine Vielzahl von Treibstoffinjektoren (nicht
gezeigt) mittels einer Leitung 24 zu leiten.
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Die
Treibstoffpumpanordnung 22 kann eine oder mehrere Pumpvorrichtungen
aufweisen, die wirken, um den Druck des Treibstoffs zu erhöhen,
und einen oder mehrere unter Druck stehende Ströme des
Treibstoffs in die Leitung 24 zu leiten. in einem Beispiel
kann die Treibstoffpumpanordnung 22 eine Niederdruckquelle 26 und
eine Hochdruckquelle 28 aufweisen, die hintereinander angeordnet
sind und mittels einer Treibstoffleitung 30 strömungsmitteltechnisch
in Verbindung stehen. Die Niederdruckquelle 26 kann eine
Transfer pumpe darstellen, die einen unter geringem Druck stehenden
Zufluss zur Hochdruckquelle 28 bereitstellt. Die Hochdruckquelle 28 kann
den unter geringem Druck stehenden Zufluss aufnehmen und den Druck
des Treibstoffs in manchen Fällen auf bis zu 300 MPa steigern.
Die Hochdruckquelle 28 kann mit der Leitung 24 mittels einer
Treibstoffleitung 32 verbunden sein. Eines oder mehrerer
Filterelemente 34, wie beispielsweise ein erster Filter
und ein zweiter Filter, können in der Treibstoffleitung 32 hintereinander
vorgesehen sein, um Schmutz und/oder Wasser aus dem mittels der Treibstoffpumpanordnung 22 unter
Druck gesetzten Treibstoff zu entfernen.
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Die
Niederdruckquelle 26 oder die Hochdruckquelle 28 oder
beide können betriebsmäßig mit der Antriebseinheit 10 verbunden
sein und durch die Kurbelwelle 17 angetrieben werden. Die
Nieder- und/oder die Hochdruckquelle 26, 28 können
mit der Kurbelwelle 17 in jeder Weise verbunden sein, die dem
Fachmann leicht offensichtlich erscheint, die dazu führt,
dass eine Rotation der Kurbelwelle 17 zu einer entsprechenden
antreibenden Rotation einer Pumpenwelle führt. Beispielsweise
ist in 1 eine Pumpenantriebswelle 19 einer Hochdruckquelle 28 gezeigt,
die mit der Kurbelwelle 17 mittels einer Zahntriebs 18 verbunden
ist. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Niederdruckquelle 26 oder
die Hochdruckquelle 28 oder beide alternativ auch elektrisch, hydraulisch,
pneumatisch oder auf jede andere geeignete Art und Weise angetrieben
werden können. Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Treibstoffsystem 12 alternativ
andere Arten von Treibstoffsystemen darstellen kann, wie beispielsweise
ein mechanisches Pumpe-Düse-Einspritzsystem (mechanical unit
fuel injector system) oder ein hydraulisches Pumpe-Düse-Einspritzsystem,
in welchen der Druck des injizierten Treibstoffs innerhalb der einzelnen
Injektoren ohne Verwendung einer Hochdruckquelle erzeugt oder verstärkt
wird.
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Das
Treibstoffsystem 12 kann auch Bestandteile zur Umleitung
eines Teils des unter Druck stehenden Treibstoffs in das Abgasnachbehandlungssystem 14 aufweisen.
Beispielsweise kann das Treibstoffsystem 12, wie in 1 dargestellt,
zudem ein Treibstoffzumessventil 36 und ein Rückschlagventil 37 aufweisen,
welche beide innerhalb der Treibstoffleitung 32 vorgesehen
und eingerichtet sind, um in wählbarer Weise jeglichen
gewünschten Teil des un ter Druck stehenden Treibstoffs
mittels einer zusätzlichen Treibstoffleitung 38 in
das Abgasnachbehandlungssystem 14 zu leiten.
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Das
Luftunterstützungssystem 13 kann ein Strömungsmittel,
wie beispielsweise Luft unter Druck setzen, und dieses unter Druck
stehende Strömungsmittel dem Abgasnachbehandlungssystem 14 für
die Verbrennung zur Verfügung stellen. Beispielsweise kann
komprimierte Luft geleitet werden, um sich mit Injektionen von Treibstoff
aus der Hochdruckquelle 28 zu mischen, und dadurch die
Verbrennung innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems 14 zu
unterstützen. Für diese Zwecke kann das Luftunterstützungssystem 13 eine
Strömungsmittelversorgung 44 wie beispielsweise
einen Kompressor, eine Luftpumpe, oder jegliche geeignete andere
Quelle, und einen Vorratsbehälter, wie beispielsweise einen
Tank oder einen Druckspeicher besitzen, der ein ausreichendes Volumen
aufweist, um einen Verbrennungvorgang mit oder ohne Betrieb der
Strömungsmittelversorgung 44 zu vollenden. Eine
Strömungsmittelleitung 40 kann die Strömungsmittelversorgung 44 strömungsmitteltechnisch
mit den Bestandteilen des Abgasnachbehandlungssystems 14 an
einer in Strömungsrichtung oberhalb gelegenen Stelle verbinden. Ein
Rückschlagventil 42 kann innerhalb der Strömungsmittelleitung 40 vorgesehen
seien, um sicherzustellen, dass Treibstoff und andere Verunreinigungen
daran gehindert werden, durch die Strömungsmittelleitung 40 zur
Strömungsmittelversorgung 44 zu fließen.
Der Strom von Strömungsmittel durch die Strömungsmittelleitung 40 kann
mittels einer geeigneten Ventilanordnung (nicht gezeigt) gesteuert
werden.
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Das
Abgasnachbehandlungssystem 14 kann einen Abgaskrümmer 80 aufweisen,
der gestaltet ist, um die von der Antriebseinheit 10 erzeugten
Abgase in Richtung eines in Strömungsrichtung unterhalb des
Abgaskrümmers 80 liegenden Gehäuses 82 auszustoßen.
Das Gehäuse 82 des Abgasnachbehandlungssystems 14 kann
eine zylindrische oder rohrförmige Leitung sein, um Abgase
und Festpartikel für die Verarbeitung durch verschiedene
Emissionssteuerungsvorrichtungen von der Antriebseinheit 10 fortzuleiten,
Das heisst, dass das Gehäuse 82 für eine Nachbehandlungsvorrichtung 48 eine
strukturelle Stütze bieten kann.
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Die
Nachbehandlungsvorrichtung 48 kann in der zylindrischen
Ausdehnung (d. h., im Querschnitt) des Gehäuses 82 angebracht
und an ihrem Umfang entweder entfernbar oder fest an dem Gehäuse 82 befestigt
sein. Die Nachbehandlungsvorrichtung 48 kann jede Art von
Dieselpartikelfilter („DPF”, diesel particulate
filter) darstellen, wie beispielsweise einen Cordierit- oder Siliziumkarbid-Wandstromfilter,
einen Metallfaserdurchflussfilter oder einen Nebenstromfilter. Wenn
Abgas aus der Antriebseinheit 10 durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 strömt,
können Abgasbeimengungen wie beispielsweise Feinstaub durch
die Nachbehandlungsvorrichtung 48 aus dem Abgasstrom abgeschieden
werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Offenbarung kann die Nachbehandlungsvorrichtung 48 beim
Herausfiltern der Partikel eine Effizienz von 99% aufweisen. Zudem
ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem 14 andere
Bestandteile aufweisen kann, wie beispielsweise eine Turbine, ein
Abgasrezirkulationssystem, eine katalytische Behandlungsvorrichtung
oder jeden anderen gemäß Stand der Technik bekannten
Bestandteil eine Abgassystems.
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Im
Laufe der Zeit kann sich der Feinstaub in der Nachbehandlungsvorrichtung 48 ansammeln und,
falls dies ungehindert geschieht, könnte die Ansammlung
von Feinstaub ausreichend sein, um den Strom des Abgases durch die
Nachbehandlungsvorrichtung 48 einzuschränken oder
sogar zu blockieren, was zu einem Anstieg des Rückstaudrucks
in der Antriebseinheit 10 führen kann. Ein Anstieg
des Rückstaudrucks der Antriebseinheit 10 könnten
die Fähigkeit der Antriebseinheit, frische Luft anzusaugen
verringern, was zu einer verringerten Leistung, gesteigerten Abgastemperaturen
und einem schlechten Treibstoffverbrauch führt. Daher kann
das Abgasnachbehandlungssystem 14 eine Regenerationsvorrichtung 50 in
strömungsmitteltechnischer Verbindung mit dem Gehäuse 82,
ein Treibstoffsystem 12 und ein Luftunterstützungssystem 13 aufweisen.
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Die
Regenerationsvorrichtung 50 kann Bestandteile aufweisen,
die eingerichtet sind, um die Ansammlung von Feinstaub innerhalb
der Nachbehandlungsvorrichtung in periodischen Abständen
zu verringern. Beispielsweise kann die Regenerationsvorrichtung 50 ein
Gehäuse 52, einen Injektor 54, einen
Verbrennungsbehälter 56, eine Zündvorrichtung 58,
und andere Bestandteile aufweisen, die gestaltet sind, um Strömungsmittel
zu ihnen oder zwischen ihnen zu befördern. Im Allgemeinen
kann das Gehäuse 52 unter Druck stehendes Strömungsmittel
aus der Treibstoffleitung 38 und Luft aus der Strömungsmittelleitung 40 empfangen
und strömungsmitteltechnisch mit dem Injektor 54 verbinden.
Folglich kann die Regenerationsvorrichtung 50 eine Mischung
aus Luft und Kraftstoff liefern, und die Mischung an einer Stelle
nahe der Nachbehandlungsvorrichtung 48 verbrennen, um die
darin eingeschlossenen Partikel zu oxidieren und freizusetzen.
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Es
ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem 14 zusätzliche
oder andere Bestandteile aufweisen kann, wie beispielsweise eines oder
mehrere Stellventile, eine Steuerung, einen Drucksensor, einen Strömungssensor,
eine Vorrichtung für das Blockieren des Durchstroms, und
andere gemäß Stand der Technik bekannte Bestandteile.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem 14 auch
eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (selective
catalytic reduction device, SCR device) und einen dazugehörigen
Injektor aufweist, der annähernd identisch mit dem Injektor 54 ist,
um ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff in den Abgasstrom
oberhalb der Vorrichtung zur katalytischen Reduktion zu injizieren.
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2 stellt
ein Ausführungsbeispiel der Regenerationsvorrichtung 50 dar.
In diesem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 52 der
Regenerationsvorrichtung 50 eine mittige bzw. zentrale
abgestufte Bohrung 55 und eine ringförmige Bohrung 60 aufweisen.
Die ringförmige Bohrung 60 kann eine im wesentlichen
ringförmige bzw. toroidförmige Luftkammer 63 definieren,
die um die mittige bzw. zentrale abgestufte Bohrung 55 angeordnet
ist. Das Gehäuse 52 kann auch einen ersten Lufteinlass 69 und
einen Treibstoffeinlass 71 aufweisen, die beide in strömungsmitteltechnischer
Verbindung mit der mittigen abgestuften Bohrung 55 stehen.
Das Gehäuse 52 kann in einem Ausführungsbeispiel
einen Luftdurchlass 68 aufweisen, um eine strömungsmitteltechnische
Verbindung zwischen dem ersten Lufteinlass 69 und der mittigen
abgestuften Bohrung 55 herzustellen. Das Gehäuse 52 kann
zudem einen Treibstoffdurchlass (nicht gezeigt) aufweisen, um eine
strömungsmitteltechnische Verbindung zwischen dem Treibstoffeinlass 71 und
der mittigen abgestuften Bohrung 55 herzustellen. Dementsprechend
können der erste Lufteinlass 69 und der Luftdurchlass 68 eine
strömungsmitteltechnische Verbindung der Strömungsmittelleitung 40 des
Lufthilfssystems 13 und der mittigen abgestuften Bohrung 55 herstellen.
Zudem können der Treibstoffeinlass 71 und der
Treibstoffdurchlass (nicht gezeigt) eine strömungsmitteltechnische
Verbindung der Treibstoffleitung 38 des Treibstoffsystems 12 und
der mittigen abgestuften Bohrung 55 herstellen. Das Gehäuse 52 kann
zudem einen zweiten Lufteinlass 59 aufweisen, der in strömungsmitteltechnischer
Verbindung mit der ringförmigen Bohrung 60 steht.
Der zweite Lufteinlass 59 kann Luft, die möglicherweise
nicht mit Treibstoff vermischt sein kann, zur Verwendung bei der
Verbrennung von einer Aussenfläche des Gehäuses 52 zu der
ringförmigen Bohrung 60 leiten. Beispielsweise kann
der zweite Lufteinlass 59 eine strömungsmitteltechnische
Verbindung zwischen der Luftleitung 40 des Lufthilfssystems 13 und
der Luftkammer 63 herstellen. Es ist vorgesehen, dass eine
separate Quelle für Verbrennungsluft bereitgestellt sein
kann, falls gewünscht. Das Gehäuse 52 kann
auch eine Mehrzahl von Kühldurchlässen 61 aufweisen,
die in jeder gewünschten Anordnung angebracht sein können,
um eine thermische Behandlung bestimmter Bereiche der Regenerationsvorrichtung 50 bereitzustellen.
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Die
mittige abgestufte Bohrung 55 kann den Injektor 54 aufnehmen,
sodass er axial in Richtung des Verbrennungsbehälters 56 ausgerichtet
ist. Der Injektor 54 kann die mittige abgestufte Bohrung
in mindestens zwei koaxiale und konzentrische Strömungsmitteldurchlässe
unterteilen. Beispielsweise kann der Injektor 54 einen
zentralen Strömungsmitteldurchlass 70 aufweisen,
der mittels der mittigen abgestuften Bohrung 55 in strömungsmitteltechnischer
Verbindung mit dem Treibstoffeinlass 71 steht. Der Injektor 54 kann
ebenfalls einen äußeren, ringförmigen
Strömungsmitteldurchlass 74 aufweisen, der koaxial
und konzentrisch zum zentralen Strömungsmitteldurchlass 70 verläuft.
Der ringförmige Strömungsmitteldurchlass 74 kann
mit dem ersten Lufteinlass 69 mittels des Luftdurchlasses 68 und
der mittigen abgestuften Bohrung 55 in strömungsmitteltechnischer
Verbindung stehen. Der Injektor 54 kann auch eine Injektorspitze 77 aufweisen,
die geschlitzte Durchlässe 76 aufweist, die sich
von dem zentralen Durchlass 70 zum ringförmigen
Durchlass 74 radial nach aussen erstrecken, sowie eine
Düsenöffnung 78. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel können der erste Lufteinlass 61,
der Luftdurchlass 68, und der ringförmige Luftdurchlass 74 einen
vergleichsweise strömungsmitteldichten Luftkreislauf 72 zur
Beförderung von Luft von der Strömungsmittelleitung 40 zur Injektorspitze 77 bereitstellen.
Der Treibstoffeinlass 71, der zentrale Strömungsmitteldurchlass 70,
und die geschlitzten Durchlässe 76 können
einen vergleichsweise strömungsmitteldichten Treibstoffkreislauf 73 zur
Beförderung von Treibstoff von der Treibstoffleitung 38 zur
Injektorspitze bereitstellen. Eines oder mehrere Rückschlagventile
(nicht gezeigt) können in jeglichem oder allen dieser Durchlässe
angebracht sein, falls gewünscht, um einen in eine Richtung
gerichteten Strom der jeweiligen Strömungsmittel sicherzustellen
und/oder um deren Volumina zu verringern, die einer regelmäßigen
Reinigung bedürfen könnten.
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Der
Injektor 54 kann innerhalb der Injektorspitze 77 eine
Mischung aus Treibstoff und Luft erzeugen, wenn unter Druck stehender
Treibstoff durch den zentralen Durchlass 70 und nach aussen
durch die geschlitzten Durchlässe 76 strömt,
um sich dort mit unter Druck stehender Luft zu treffen bzw. diese zu
kreuzen, die durch den ringförmigen Durchlass 74 strömt.
Der Injektor 54 kann die Mischung aus Treibstoff und Luft
durch die Düsenöffnung 78 aus der Injektorspitze 77 leiten.
Der Injektor 54 kann somit einen gewünschten zerstäubten
Treibstoffsprühstoss für den Verbrennungsbehälter 56 bereitstellen.
Der Injektor 54 kann derart zu betätigen sein,
dass er das zerstäubte Treibstoff/Luft-Gemisch zu vorherbestimmten
Zeitpunkten, mit vorherbestimmten Drücken und Durchflussraten
in den Verbrennungsbehälter 56 injiziert. Der
zeitliche Ablauf des Injektionsvorgangs in den Verbrennungsbehälter 56 kann
mit einer Sensoreingabe synchronisiert sein, die von einem Wärmefühler
(nicht gezeigt), einem oder mehreren Drucksensoren (nicht gezeigt),
einem Zeitschalter (nicht gezeigt), oder jeglichen anderen ähnlichen Sensorvorrichtungen
empfangen wird, sodass die Injektionsvorgänge des Kraftstoffs
im Wesentlichen mit einer Ansammlung von Feinstaub innerhalb der Nachbehandlungsvorrichtung 48 (mit
Bezug auf 1) korrespondieren bzw. zusammenfallen.
Beispielsweise können Treibstoff und Luft injiziert werden,
wenn die Temperatur des durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 strömenden Abgases
eine vorbestimmte Temperatur überschreitet. Alternativ oder
zusätzlich dazu können Treibstoff und Luft injiziert
werden, wenn der Druck des durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 strömenden
Abgases ein vorbestimmtes Druckniveau übersteigt, oder
wenn der Druckabfall durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 hindurch
einen vorbestimmten Differenzwert übersteigt. Es ist vorgesehen,
dass Treibstoff und Luft auch auf Basis fester regelmäßiger
Abstände injiziert werden können, zusätzlich
zu oder unabhängig von Druck- und Temperaturzuständen,
wenn gewünscht.
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Das
Gehäuse 52 kann zudem eine Zündvorrichtung 58 aufweisen,
die durch eine Aussenfläche (nicht gezeigt) des Gehäuses 52 aufgenommen
wird, um den zerstäubten Treibstoff aus dem Injektor 54 zu zünden.
Insbesondere kann die Zündvorrichtung 58 ein Aussengewinde
aufweisen, das mit einem Innengewinde des Gehäuses 52 in
Eingriff tritt. Während eines Regenerationsvorgangs oder
wenn ein Katalysator innerhalb der Nachbehandlungsvorrichtung 48 eine
erhöhte Temperatur benötigt, kann die Temperatur
des Abgases, das die Antriebseinheit 10 verlässt zu
gering sein, um eine Selbstentzündung des aus dem Injektor 54 versprühten
Treibstoffs und der Luft zu verursachen. Um die Verbrennung der
Treibstoff/Luft-Mischung und folglich des eingefangenen Feinstaubs
einzuleiten, kann die Mischung in Richtung der Zündvorrichtung 58 gesprüht
oder in anderer Art und Weise injiziert werden, um eine örtlich
angereicherte Atmosphäre zu erzeugen, die leicht durch
die Zündvorrichtung 58 gezündet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel, in dem die Zündvorrichtung 58 eine
Zündkerze ist, kann ein von dieser stammender Funke die
Treibstoff/Luft-Mischung zünden, wobei eine Flamme entsteht,
die in Richtung des eingefangenen Feinstaubs augestossen oder auf
andere Art und Weise in dessen Richtung bewegt werden kann. Wenn
die Treibstoff/Luft-Mischung zündet, kann die Temperatur
bis auf ein Niveau steigen, das eine Verbrennung des in der Nachbehandlungsvorrichtung 48 gefangenen Feinstaubs
verursacht und/oder bis auf ein Niveau, das den effizienten Betrieb
eines Katalysators unterstützt. Es ist zudem vorgesehen,
dass die Zündvorrichtung 58 alternativ eine elektrische
Heizvorrichtung aufweisen kann, falls gewünscht, um jegliches Verschmutzen
der Injektorspitze 77 zu verringern.
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Das
Gehäuse 52 kann zudem einen sich nach unten erstreckenden
Flansch 62 aufweisen, der eine zentrale zurückgesetzte Öffnung 64 besitzt.
Die zentrale zurückgesetzte Öffnung 64 kann
eine Verwirbelungsplatte 66 aufnehmen. Die Verwirbelungsplatte 66 kann
ein ringförmiges ebenes Bauteil sein, das rund um die Injektorspitze 77 angeordnet
ist, und innerhalb der zentralen zurückgesetzten Öffnung 64 des
Flansches 62 angeordnet ist. Die Verwirbelungsplatte 66 kann
fest in die zentrale zurückgesetzte Öffnung 64 eingepresst
sein und/oder mit einem Sprengring bzw. Sicherungsring an Ort und
Stelle gehalten werden. Die Verwirbelungsplatte 66 kann
auch mittig zu dem Injektor 54 und dem Gehäuse 52 ausgerichtet
sein, und in seiner Winkelposition bezüglich des Gehäuses 52 durch
einen oder mehrere Fixierstifte festgelegt sein.
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Die
Verwirbelungsplatte 66 kann zusammen mit der ringförmigen
Bohrung 60 des Gehäuses 52 die Luftkammer 63 bilden,
die durch den zweiten Lufteinlass 59 mit unter Druck stehender
Luft versorgt sein kann. Die Verwirbelungsplatte 66 kann
einen Mehrzahl ringförmig angeordneter Luftdurchlässe 67 aufweisen,
die die Luft aus der Luftkammer 63 strömungsmitteltechnisch
mit dem Verbrennungsbehälter 56 verbinden. Die
Luftdurchlässe 67 können Verbrennungsluft
aus dem zweiten Lufteinlass 59 mit der Mischung aus Treibstoff
und Luft aus dem Injektor 54 innerhalb des Verbrennungsbehälters 56 mischen, um
die Verbrennung darin zu verbessern. Die Luftdurchlässe 67 können
in abwechselnden oder sich gegenüberliegenden Richtungen
orientiert sein, um sich kreuzende Strömungen innerhalb
des Verbrennungsbehälters 56 zu erzeugen. Es ist
vorgesehen, dass die Luftdurchlässe 67 zusätzlich
oder alternativ unter Druck stehende Luft zum Zweck der Kühlung und/oder
Isolierung an den äusseren Umfang des Verbrennungsbehälters 56 leiten
können, falls gewünscht. Die Verwirbelungsplatte 66 kann
auch Öffnungen (nicht gezeigt) aufweisen, um die Zündvorrichtung 58 aufzunehmen.
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Der
sich nach unten erstreckende Flansch 62 des Gehäuses 52 kann
ein ringförmiges Ende des Verbrennungsbehälters 56 aufnehmen.
Der Verbrennungsbehälter 56 (mit Bezug auf 1)
kann ein rohrförmiges Bauteil darstellen, das verwendet
wird, um eine gezündete Treibstoff/Luft-Mischung (d. h. den
Flammenstrahl) axial von der Regenerationsvorrichtung 50 in
den Abgas strom durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 zu
richten. Insbesondere kann der Verbrennungsbehälter 56 eine
zentrale Öffnung aufweisen, die Treibstoff und Luft von
dem Injektor 54 und Luft aus der Luftkammer 63 strömungsmitteltechnisch
mit dem Abgasstrom verbindet. Der Verbrennungsbehälter 56 kann
eine Flammenstabilisierungsplatte (nicht gezeigt) an einem Ende
aufweisen, um eine Drosselung bzw. Restriktion bereitzustellen,
die ein Pulsieren innerhalb der Regenerationsvorrichtung 50 minimiert.
Der Verbrennungsbehälter 56 kann im wesentlichen
gerade sein und eine vorbestimmte Länge aufweisen, die
bei der Herstellung entsprechend einer gewünschten Flammeneinleitungsstelle
(die Entfernung, über die sich eine aus der Zündung
der Treibstoff/Luft-Mischung resultierende Flamme aus dem Verbrennungsbehälter 56 in den
Abgasstrom hinein erstreckt), eingestellt wird. In einem Beispiel
kann sich diese gewünschte Einleitungsstelle ungefähr
zwölf Zoll von der Flammenstabilisierungsplatte des Verbrennungsbehälters
entfernt befinden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
Regenerationsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann auf eine
Vielzahl von Abgasbehandlungsvorrichtungen angewendet werden, die ausgewählt
höhere Temperaturen für die Regeneration benötigen.
Beispielsweise kann die offenbarte Regenerationsvorrichtung die
Temperaturen in einer Nachbehandlungsvorrichtung einer Antriebseinheit durch
das Injizieren einer zerstäubten Mischung aus Treibstoff
und Luft, das Zünden der zerstäubten Mischung,
und das Leiten der gezündeten Mischung in Richtung der
Nachbehandlungsvorrichtung der Antriebseinheit erhöhen.
Durch Verwendung der Luftunterstützung zur Erzeugung der
zerstäubten Mischung aus Treibstoff und Luft kann die offenbarte
Regenerationsvorrichtung kleine, leicht verstopfende Injektoröffnungen
und die Hochdrucktreibstoffinjektion überflüssig
machen. Der Betrieb der Antriebseinheit 10 wird nun erklärt
werden.
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Mit
Bezug auf 1 können Luft und Treibstoff
für die nachfolgende Verbrennung in die Verbrennungskammern
(nicht gezeigt) der Antriebseinheit 10 gesogen werden.
Insbesondere kann Treibstoff aus dem Treibstoffsystem 12 in
die Verbrennungskammern der Antriebseinheit 10 injiziert,
dort mit Luft vermischt und verbrannt werden, um eine mechanische
Abtriebsleistung sowie einen Abgasstrom heisser Gase zu erzeugen.
Der Abgasstrom kann eine komplexe Mischung aus luftverschmutzenden
Stoffen beinhalten, die aus gasförmigem und festem Material
besteht, welches Feinstaubs beinhalten kann. Wenn dieser partikelbeladene
Abgasstrom von der der Antriebseinheit 10 durch den Abgaskrümmer 80 geleitet
wird, kann der Feinstaub aus dem Abgasstrom durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 herausgefiltert
werden. Im Laufe der Zeit kann sich der Feinstaub innerhalb der
Nachbehandlungsvorrichtung 48 ansammeln und, falls das
ungehindert geschieht, könnten die Ansammlungen bedeutsam
genug sein, um den Abgasstrom zu beschränken oder gar zu
behindern. Wie oben angedeutet, kann die Einschränkung
des Abgasstroms aus der Antriebseinheit 10 den Rückstaudruck
der Antriebseinheit 10 erhöhen und die Fähigkeit
der Einheit, frische Luft anzusaugen, verringern, was zu einer verringerten
Leistung der Antriebseinheit 10 führt, sowie zu
gesteigerten Abgas- bzw. Auspufftemperaturen und einer schlechten
Treibstoffausnutzung.
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Die
Nachbehandlungsvorrichtung 48 kann regeneriert werden,
um die unerwünschte Ansammlung von Feinstaub darin zu verhindern.
Die Regeneration kann periodisch oder basierend aus einer auslösenden
Bedingung, wie beispielsweise einer verstrichenen Zeitspanne des
Betriebs des Motors, einem durch die Nachbehandlungsvorrichtung 48 hindurch
gemessenen Druckunterschieds, einer Temperatur des aus der Antriebseinheit 10 strömenden
Abgases, oder jeder anderen gemäß Stand der Technik bekannten
Bedingung.
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Zur
Vorbereitung der Regeneration der Nachbehandlungsvorrichtung 48 kann
das Treibstoffsystem 12 der Regenerationsvorrichtung 50 einen Vorrat
an unter Druck stehendem Treibstoff mittels der Treibstoffleitung 38 zur
Verfügung stellen, und das Luftunterstützungssystem 13 kann
der Regenerationsvorrichtung 50 mittels der Strömungsmittelleitung 40 einen
Vorrat von unter Druck stehender Luft zur Verfügung stellen.
Der unter Druck stehende Treibstoff kann in die Regenerationsvorrichtung 50 durch
den Treibstoffeinlass 71 eintreten und zum Injektor 54 in
der zentralen abgestuften Bohrung 55 strömen.
Der Treibstoff kann durch den zentralen Durchlass 70 des
Injektors 54 in Richtung der Injektorspitze 77 und
radial nach aussen in Richtung des ringförmigen Durchlasses 74 durch
die geschlitzten Durchlässe 77 (76, Anm.d.Übersetzers)
strömen. Die unter Druck stehende Luft kann gleichzeitig am
ersten Lufteinlass 69 in die Regenerationsvorrichtung 50 eintreten
und durch den Luftdurchlass 68 in den Injektor 54 in
der zentralen abgestuften Bohrung 55 strömen.
Die Luft kann durch den ringförmigen Durchlass 74 des
Injektors 54 strömen und kann mit dem durch die
geschlitzten Durchlässe 76 strömenden
Treibstoff gekreuzt und gemischt werden, wenn sie die Injektorspitze 77 erreicht.
Somit kann eine Treibstoff/Luft-Mischung innerhalb der Injektorspitze 77 gebildet
und dann durch die Düsenöffnung 78 ausgestossen
werden. Wenn die Treibstoff/Luft-Mischung aus der Düsenöffnung 78 austritt,
kann ein schneller Druckabfall in der Mischung zur schnellen Ausdehnung
führen und den Treibstoff in zerstäubte Partikel
aufbrechen.
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Gleichzeitig
kann Verbrennungsluft in die kreisförmige Bohrung 60 der
Regenerationsvorrichtung 50 durch den zweiten Lufteinlass 59 eintreten. Die
Verbrennungsluft innerhalb der Luftkammer 63 kann durch
Luftöffnungen 67 in den Verbrennungsbehälter 56 geleitet
werden. Aufgrund der Winkel der Luftöffnungen 67 kann
die Verbrennungsluft, die in den Verbrennungsbehälter 56 eintritt,
quer- bzw. kreuzströmen und sich mit dem zerstäubten
Sprühnebel des Injektors 54 mischen.
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Um
die Regeneration einzuleiten, können der zerstäubte
Treibstoff aus dem Injektor 54 und die Verbrennungsluft
aus der Luftkammer 63 wahlweise mit einer bestimmten Rate
bzw. Geschwindigkeit in den Verbrennungsbehälter 56 injiziert
und entzündet werden. Wenn eine Injektion von zerstäubtem
Treibstoff und Luft in den Verbrennungsbehälter 63 sprüht, kann
ein Funken aus der Zündvorrichtung 58 den zerstäubten
Treibstoff und die Luft zünden. Alternativ kann die Hitze
einer elektrischen Spule oder einer anderen Zündquelle
den zerstäubten Treibstoff und die Luft zünden.
Der Verbrennungsbehälter 56 kann den gezündeten
Treibstoff und die Luft in das Gehäuse 82 des
Abgaskrümmers 80 und in Richtung der Nachbehandlungsvorrichtung 48 leiten.
Der gezündete Strom aus Treibstoff und Luft kann die Temperatur des
innerhalb der Nachbehandlungsvorrichtung 48 gefangenen
Feinstaubs bis zur Verbrennungsschwelle des gefangenen Feinstaubs
steigern und auf diese Weise den Feinstaub abbrennen und die Nachbehandlungsvorrichtung 48 regenerieren.
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Weil
die vorliegende offenbarte Regenerationsvorrichtung den Treibstoff
durch das Mischen mit unter Druck stehender Luft vor dem Injizieren
zerstäubt, kann auf die Injektion von Treibstoff unter
hohem Druck verzichtet werden. Herkömmliche Verfahren zur
Erzeugung zerstäubten Kraftstoffs, wie beispielsweise Hochdruckquellen
und kleine Düsenöffnungen können unnötig
sein. Die Verwendung größerer Düsenöffnungen
in der hier offenbarten Regenerationsvorrichtung kann aufgrund ihrer
geringeren Anfälligkeit für Ablagerungen vorteilhaft
sein. Daher können die Öffnungen robuster sein
und mit geringerer Wahrscheinlichkeit verstopfen oder verschmutzen.
Zudem verringert die Möglichkeit den herkömmlichen
Treibstoffdruck zu verwenden die Notwendigkeit teurer und komplexer
Treibstoffsysteme, die eine Doppel-Treibstoffversorgung und komplizierte
Algorithmen verwenden, um hohe Zerstäubungsdrücke zu
erreichen. Dementsprechend werden Herstell-, Wartungs- und Austauschkosten
des vorliegenden Systems verringert.
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Zudem
kann die vorliegende offenbarte Regenerationsvorrichtung, weil sie
die injizierte Treibstoff/Luft-Mischung aktiv zündet, in
jedem Motorzustand betätigt bzw. betrieben werden, einschließlich in
Situationen, in denen die Auspufftemperaturen unterhalb einer Schwelle
für die passive Regeneration liegen. Daher kann das System
verlässlicher sein und kann fortwährende und erfolgreiche
Regenerationsvorgänge auf effiziente Weise sicherstellen,
und dies mit Bestand- bzw. Bauteilen, die eine verlängerte
Lebensdauer aufweisen.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen der Regenerationsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung
vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung
abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann
nach Betrachtung der Beschreibung und Ausführung der hierin
offenbarten Regenerationsvorrichtung offensichtlich sein. Beispielsweise
kann die offenbarte Regenerationsvorrichtung, obwohl die offenbarte
Regenerationsvorrichtung derart dargestellt wird, dass sie unter
Druck stehenden Treibstoff aus einem Treibstoffsystem bezieht, alternativ
unter Druck stehenden Treibstoff aus einer separaten dedizierten
Quelle beziehen, falls gewünscht. Weiterhin ist vorgesehen, dass
der Injektor 54 ebenso einfach angepasst werden kann, um
Ammoniak, AdBLue und/oder Harnstoff innerhalb einer Vorrichtung
zur selektiven kataly tischen Reduktion (selective catalytic reduction
device, SCR device) zu injizieren, falls gewünscht. Es ist
beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele lediglich
als beispielhaft betrachtet werden, wobei der wahre Umfang der Offenbarung
durch die folgenden Ansprüche und ihre Entsprechungen angezeigt
wird.
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Zusammenfassung
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Eine
Regenerationsvorrichtung (50) für ein Abgasbehandlungssystem
wird offenbart. Die Regenerationsvorrichtung kann ein Gehäuse
(52) mit einem Treibstoffdurchlass (71) und einem
ersten Luftdurchlass (68) besitzen. Die Regenerationsvorrichtung
kann auch einen Injektor (54) angeordnet in einem Gehäuse
in strömungsmitteltechnischer Verbindung mit dem Treibstoffdurchlass
und dem ersten Luftdurchlass stehend aufweisen. Die Regenerationsvorrichtung
kann ferner einen Verbrennungsbehälter (56) aufweisen,
der dergestalt angeschlossen ist, dass er eine Treibstoff/Luft-Mischung
von dem Injektor empfangen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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