Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffreformers zur Regenerierung einer DPNR-Vorri

专利摘要:
Eine Emissionsbegrenzungsbaugruppe umfasst eine oder mehrere DPNR-Vorrichtungen, um sowohl NOx als auch Rußpartikel aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors zu entfernen. Reformatgas aus einem Kraftstoffreformer wird zum wahlweisen Regenerieren der DPNR-Vorrichtung bzw. -Vorrichtungen verwendet. Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Emissionsbegrenzungsbaugruppe offenbart.
公开号:DE102004029235A1
申请号:DE102004029235
申请日:2004-06-17
公开日:2005-02-17
发明作者:Samuel N. Columbus Crane jun.；Yougen Columbus Kong；William Columbus Taylor III
申请人:Arvin Technologies Inc；
IPC主号:F02M27-02

专利说明:
[0001] DieseAnmeldung ist eine Teilfortführungder gemeinsam übertragenenanhängigenUS-Patentanmeldung Nr. 10/246,118, eingereicht am 18. September2002, die die Prioritätder am 25. Januar 2002 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/351,580 beansprucht,die beide in ihrer Gesamtheit hierin mit einbezogen werden.
[0002] Wirverweisen zurückauf die gleichzeitig anhängigeUS-GebrauchsmusteranmeldungNr. 10/345,654 mit dem Titel "Methodand Apparatus for Removing NOx and Soot from Engine Exhaust Gas" (Verfahren und Vorrichtungzum Entfernen von NOx und Ruß ausMotorabgas), eingereicht am 16. Januar 2003, die auf denselben Rechtsnachfolger übertragenist wie die vorliegende Annmeldung und die hierin mit einbezogenwird.
[0003] Dievorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Kraftstoffreformerund insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreibeneines Kraftstoffreformers, um einer DPNR-Vorrichtung (Diesel PartikelNOx Reduktion) Reformatgas zuzuführen.
[0004] EinKraftstoffreformer wird betrieben, um einen Kohlenwasserstoffkraftstoffzu einem Reformatgas zu reformieren. Im Falle eines On-Board-Kraftstoffreformerswie zum Beispiel eines zu einem Fahrzeug oder einem feststehendenEnergieerzeuger gehörigenKraftstoffreformers kann das von dem Kraftstoffreformer produzierteReformatgas beim Betrieb eines Verbrennungsmotors als Kraftstoffoder Kraftstoffzusatz verwendet werden. Das Reformatgas kann außerdem dazuverwendet werden, eine zu einem Verbrennungsmotor gehörige Emissionsbegrenzungsvorrichtungzu regenerieren oder anderweitig zu konditionieren, oder kann alsBrennstoff füreine Brennstoffzelle verwendet werden.
[0005] Gemäß einerveranschaulichenden Ausführungsformwird ein Energiesystem mit einem Kraftstoffreformer, einer Emissionsbegrenzungsvorrichtungund einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Der Kraftstoffreformerreformiert Kohlenwasserstoffkraftstoffe, um ein Reformatgas zu erzeugen,das sowohl der Emissionsbegrenzungsvorrichtung als auch der Brennstoffzellezugeführtwird.
[0006] Gemäß einerspezielleren veranschaulichenden Ausführungsform wird ein Fahrzeugsystemeines Fernlasters bereitgestellt, das Folgendes umfasst: einen Kraftstoffreformer,der so konfiguriert ist, dass Kohlenwasserstoffkraftstoff zu einemReformatgas reformiert wird, eine Emissionsbegrenzungsvorrichtungzum Behandeln der Emissionen von einem Verbrennungsmotor, und eineBrennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Energie. Das Reformatgas vondem Kraftstoffreformer wird sowohl der Emissionsbegrenzungsvorrichtungals auch der Brennstoffzelle zugeführt. Auf diese Weise kann dasReformatgas verwendet werden, um die Emissionsbegrenzungsvorrichtungwährenddes Betriebs des Motors zu regenerieren oder anderweitig zu konditionieren, während esgleichzeitig dazu verwendet wird, die Brennstoffzelle während desStillstands des Motors zu betreiben. Elektrische Energie von derBrennstoffzelle kann zum Antrieb einer elektrisch betriebenen Kabinenheiz-und Kühlbaugruppeverwendet werden, wobei sich der Motor im Leerlauf befinden muss.
[0007] Gemäß einerweiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird ein einzigerKraftstoffreformer dazu verwendet, eine kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppemit einer Anzahl verschiedener Vorrichtungen zum Behandeln einerAnzahl verschiedener Abgasemissionen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotorszu regenerieren oder anderweitig zu konditionieren.
[0008] Gemäß einerspezielleren veranschaulichenden Ausführungsform hat die kombinierteEmissionsbegrenzungsbaugruppe einen NOx-Abscheider und einen Rußpartikelfilter.In einem solchen Fall wird das Reformatgas aus dem Kraftstoffreformerdazu verwendet, sowohl den NOx-Abscheider als auch den Rußpartikelfilterwahlweise zu regenerieren.
[0009] Gemäß einerweiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird ein Kraftstoffreformerin verschiedenen Betriebsarten betrieben, um verschiedene Mengenund/oder Zusammensetzungen von Reformatgas zu erzeugen und verschiedenenKomponenten zuzuführen.
[0010] Gemäß einerspezielleren beispielhaften Ausführungsformwird der Kraftstoffreformer in einer Betriebsart betrieben, um einebestimmte Menge und/oder Zusammensetzung von Reformatgas zu erzeugenund einem NOx-Abscheiderzuzuführen,und wird dann in einer anderen Betriebsart betrieben, um eine andereMenge und/oder Zusammensetzung von Reformatgas zu erzeugen und einemRußpartikelfilterzuzuführen.Analog dazu wird der Kraftstoffreformer in einer Betriebsart betrieben,um eine bestimmte Menge und/oder Zusammensetzung von Reformatgaszu erzeugen und einer Brennstoffzelle zuzuführen, und wird dann in eineranderen Betriebsart betrieben, um eine andere Menge und/oder Zusammensetzungvon Reformatgas zu erzeugen und einer Emissionsbegrenzungsvorrichtungzuzuführen.
[0011] Gemäß einerweiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird ein Kraftstoffreformerbetrieben, um Reformatgas zu erzeugen und einer oder mehreren DPNR-Vorrichtungenzuzuführen,die zu einer Emissionsbegrenzungsbaugruppe gehören.
[0012] Gemäß einerspezielleren beispielhaften Ausführungsformumfasst eine Emissionsbegrenzungsbaugruppe zwei DPNR-Vorrichtungen,die in getrennten parallelen Strömungswegenangeordnet sind. Der Kraftstoffreformer kann betrieben werden, umdie erste DPNR-Vorrichtung zu regenerieren, während die zweite DPNR-VorrichtungMotorabgas behandelt (d.h. NOx und Rußpartikel in dem Abgas absorbiert).Sobald die erste DPNR-Vorrichtung regeneriert wurde, kann der Kraftstoffreformerbetrieben werden, um die zweite DPNR-Vorrichtung zu regenerieren,währenddie erste Vorrichtung Motorabgas behandelt.
[0013] Dieobigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Offenbarung werdenaus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
[0014] 1 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm einer Kraftstoffreformierungsbaugruppe mit einem Plasmakraftstoffreformerunter der Steuerung eines elektronischen Steuergeräts;
[0015] 2 ist eine schematischeQuerschnittsansicht des Plasmakraftstoffreformers von 1;
[0016] 3 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm eines Antriebssystems;
[0017] 4 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm des Antriebssystems von 3,wie es beim Bau eines Fahrzeugs verwendet wird;
[0018] 5 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Antriebssystems;
[0019] 6 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm des Antriebssystems von 5,wie es beim Bau eines Fahrzeugs verwendet wird;
[0020] 7 ist eine schematischeQuerschnittsansicht eines Rußpartikelfilters,der beim Bau der Antriebssysteme von 3-6 verwendet werden kann;
[0021] 8 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm einer kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe;
[0022] 9 ist eine schematischeQuerschnittsansicht der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppevon 8;
[0023] 10 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm eines Systems mit zwei der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppenvon 9, die in einerparallelen Anordnung positioniert sind;
[0024] 11 ist eine Ansicht ähnlich 10, in der aber ein Systemdargestellt ist, das zwei Plasmakraftstoffreformer hat;
[0025] 12 ist ein vereinfachtesBlockdiagramm einer Emissionsbegrenzungsbaugruppe;
[0026] 13 ist ein Flussdiagrammeiner Steuerroutine, die von dem Steuergerät ausgeführt wird, um die NOx-Regenerierungder DPNR-Vorrichtungen von 12 zu überwachenund zu steuern;
[0027] 14 ist ein Flussdiagrammeiner Steuerroutine, die von dem Steuergerät ausgeführt wird, um die Rußregenerierungder DPNR-Vorrichtungen von 12 zu überwachenund zu steuern; und
[0028] 15 ist eine Ansicht ähnlich 12, in der aber eine weitereAusführungsformeiner Emissionsbegrenzungsvorrichtung dargestellt ist, die mit DPNR-Vorrichtungenarbeitet.
[0029] Wiehierin näherbeschrieben wird, kann ein Kraftstoffreformer gemäß den Konzeptender vorliegenden Offenbarung dazu verwendet werden, ein Reformatgaszu erzeugen und sowohl einer Brennstoffzelle als auch einer Emissionsbegrenzungsvorrichtungzuzuführen.Auf diese Weise kann der Kraftstoffreformer dazu verwendet werden,den Betrieb der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, während gleichzeitigdie Emissionsbegrenzungsvorrichtung regeneriert oder anderweitigkonditioniert wird. Wenn der Kraftstoffreformer eine Komponenteeines Fahrzeugsystems (z.B. eines Fernlasters) oder eines feststehendenEnergieerzeugers ist, erlaubt der Kraftstoffreformer die Behandlungvon Abgasen aus dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs oder Energieerzeugers während desBetriebs des Motors, während gleichzeitigwährenddes Stillstands des Motors (d.h. wenn der Motor nicht läuft) elektrischeEnergie durch die Brennstoffzelle erzeugt werden kann.
[0030] EinKraftstoffreformer kann gemäß weiteren Konzeptender vorliegenden Offenbarung auch dazu verwendet werden, eine kombinierteEmissionsbegrenzungsbaugruppe mit einer Anzahl verschiedener Vorrichtungenzum Behandeln einer Anzahl verschiedener Abgasemissionen aus demAbgas eines Verbrennungsmotors zu regenerieren oder anderweitig zukonditionieren. Zum Beispiel wird der Kraftstoffreformer betrieben,um ein Reformatgas zu erzeugen und einer Emissionsbegrenzungsbaugruppemit einem NOx-Abscheider und einem Rußpartikelfilter zuzuführen. Ineinem solchen Fall wird das Reformatgas aus dem Kraftstoffreformerdazu verwendet, sowohl den NOx-Abscheiderals auch den Rußpartikelfilterwahlweise zu regenerieren.
[0031] EinKraftstoffreformer kann gemäß zusätzlichenKonzepten der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Betriebsartenbetrieben werden, um verschiedene Mengen und/oder Zusammensetzungenvon Reformatgas zu erzeugen und verschiedenen Komponenten zuzuführen. Wennzum Beispiel der Kraftstoffreformer betrieben wird, um Reformatgaszu erzeugen und sowohl einem NOx-Abscheider als auch einem Partikelfilterzuzuführen,kann der Kraftstoffreformer in einer Betriebsart betrieben werden,um eine bestimmte Menge und/oder Zusammensetzung von Reformatgaszu erzeugen und dem NOx-Abscheiderzuzuführen,und kann dann in einer anderen Betriebsart betrieben werden, umeine andere Menge und/oder Zusammensetzung von Reformatgas zu erzeugenund dem Partikelfilter zuzuführen.Ein ähnlichesSteuerschema kann auch in dem Fall verwendet werden, wo der Kraftstoffreformer dazuverwendet wird, Reformatgas zu erzeugen und sowohl einer Brennstoffzelleals auch einer Emissionsbegrenzungsvorrichtung zuzuführen. Insbesonderekann der Kraftstoffreformer in einer Betriebsart betrieben werden,um eine bestimmte Menge und/oder Zusammensetzung von Reformatgaszu erzeugen und der Brennstoffzelle zuzuführen, und kann dann in eineranderen Betriebsart betrieben werden, um eine andere Menge und/oderZusammensetzung von Reformatgas zu erzeugen und der Emissionsbegrenzungsvorrichtungzuzuführen.
[0032] EinKraftstoffreformer kann gemäß weiteren Konzeptender vorliegenden Offenbarung außerdem dazuverwendet werden, Reformatgas zu erzeugen und einer oder mehrerenDPNR-Vorrichtungen zuzuführen,die zu einer Emissionsbegrenzungsbaugruppe gehören. Zum Beispiel kann eineEmissionsbegrenzungsbaugruppe so konfiguriert sein, dass sie zweiDPNR-Vorrichtungenaufweist, die in getrennten parallelen Strömungswegen angeordnet sind.Der Kraftstoffreformer kann betrieben werden, um die erste DPNR-Vorrichtung der beidenzu regenerieren, währenddie zweite DPNR-Vorrichtung der beiden Motorabgas behandelt (d.h.NOx und Rußpartikelin dem Abgas absorbiert). Sobald die erste DPNR-Vorrichtung regeneriertwurde, kann der Kraftstoffreformer betrieben werden, um die zweiteDPNR-Vorrichtung zu regenerieren, während die erste Vorrichtung Motorabgasbehandelt.
[0033] Derhierin beschriebene Kraftstoffreformer kann als jede Art von Kraftstoffreformerausgeführt sein,wie zum Beispiel als katalytischer Kraftstoffreformer, als thermischerKraftstoffreformer, als Dampfkraftstoffreformer oder jede andereArt von Kraftstoffreformer mit partieller Oxidation. Der Kraftstoffreformerder vorliegenden Offenbarung kann auch als Plasmakraftstoffreformerausgeführtsein. Ein Plasmakraftstoffreformer verwendet Plasma, um eine Mischungvon Luft und Kohlenwasserstoffkraftstoff in ein Reformatgas umzuwandeln,das unter anderem reich ist an Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid.Systeme mit Plasmakraftstoffreformern werden offenbart in dem US-PatentNr. 5,425,332 von Rabinovich et al.; dem US-Patent Nr. 5,437,250von Rabinovich et al.; dem US-Patent Nr. 5,409,784 von Bromberget al.; und dem US-Patent Nr. 5,887,554 von Cohn et al., deren Offenbarungenjeweils hierin mit einbezogen werden. Weitere Beispiele für Systememit Plasmakraftstoffreformern werden offenbart in der gleichzeitiganhängigenUS-PatentanmeldungNr. 10/158,615 mit dem Titel "LowCurrent Plasmatron Fuel Converter Having Enlarged Volume Discharges" (Schwachstrom-Plasmatron- Kraftstoffumwandlermit Entladungen von größerem Volumen),die am 30. Mai 2002 von A. Rabinovich, N. Alexeev, L. Bromberg,D. Cohn und A. Samokhin eingereicht wurde, zusammen mit der gleichzeitiganhängigenUS-PatentanmeldungNr. 10/411,917 mit dem Titel "Plasmatron FuelConverter Having Decoupled Air Flow Control" (Plasmatron-Kraftstoffumwandler mitgetrennter Regelung des Luftstroms), die am 11. April 2003 von A. Rabinovich,N. Alexeev, L. Bromberg, D. Cohn und A. Samokhin eingereicht wurde,wobei die Offenbarungen beider Anmeldungen hierin mit einbezogenwerden.
[0034] Für die Zweckeder folgenden Beschreibung werden die Konzepte der vorliegendenOffenbarung hierin anhand eines Plasmakraftstoffreformers beschrieben.Wie oben beschrieben, kann der Kraftstoffreformer der vorliegendenOffenbarung jedoch als jede Art von Kraftstoffreformer ausgeführt sein, unddie beigefügtenAnsprüchesollten nicht als auf eine bestimmte Art von Kraftstoffreformerbeschränkt interpretiertwerden, sofern dies nicht ausdrücklich angegebenist.
[0035] Anhandvon 1 und 2 wird nun eine beispielhafteAusführungsformeiner Plasmakraftstoffreformierungsbaugruppe 10 mit einemPlasmakraftstoffreformer 12 und einem Steuergerät 16 dargestellt.Der Plasmakraftstoffreformer 12 reformiert (d.h. wandeltum) Kohlenwasserstoffkraftstoffe zu einem Reformatgas, das unteranderem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Der Plasmakraftstoffreformer 12 ansich kann, wie hierin weiter beschrieben wird, beim Bau eines On-Board-Kraftstoffreformierungssystemseines Fahrzeugs oder feststehenden Energieerzeugers verwendet werden.Auf diese Weise kann das von dem On-Board-Plasmakraftstoffreformer 12 produzierteReformatgas beim Betrieb eines Verbrennungsmotors als Kraftstoffoder Kraftstoffzusatz verwendet werden, wodurch der Wirkungsgraddes Motors erhöhtwird, währendgleichzeitig die von dem Motor produzierten Emissionen verringertwerden. Das von dem On-Board-Plasmakraftstoffreformer 12 erzeugteReformatgas kann außerdemdazu verwendet werden, eine zu dem Verbrennungsmotor gehörige Emissionsbegrenzungsvorrichtungzu regenerieren oder anderweitig zu konditionieren. Wenn darüber hinausdas Fahrzeug oder der feststehende Energieerzeuger mit einer Brennstoffzellewie zum Beispiel einer Hilfsantriebseinheit (APU) ausgerüstet ist,kann das Reformatgas von dem On-Board-Kraftstoffreformer 12 auchals Brennstoff fürdie Brennstoffzelle verwendet werden.
[0036] Gemäß 2 umfasst der Plasmakraftstoffreformer 12 einePlasmaerzeugungsbaugruppe 42 und einen Reaktor 44.Der Reaktor 44 umfasst ein Reaktorgehäuse 48 mit einer daringebildeten Reaktionskammer 50. Die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 istan einem oberen Abschnitt des Reaktorgehäuses 48 befestigt.Die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 umfasst eine obere Elektrode 54 undeine untere Elektrode 56. Die Elektroden 54, 56 sindim Abstand voneinander angeordnet, um dazwischen einen Elektrodenabstand 58 zubilden. Durch einen Isolator 60 werden die Elektroden elektrischvoneinander isoliert.
[0037] DieElektroden 54, 56 sind mit einer elektrischenStromquelle 36 (siehe 1)elektrisch verbunden, so dass dann, wenn sie unter Strom stehen, einerder Elektroden ein elektrischer Strom zugeführt wird, wodurch ein Plasmalichtbogen 62 über den Elektrodenabstand 58 (d.h.zwischen den Elektroden 54, 56) erzeugt wird.Ein Kraftstoffeinleitungsmechanismus wie zum Beispiel ein Kraftstoffinjektor 38 spritzteinen Kohlenwasserstoffkraftstoff 64 in den Plasmalichtbogen 62.Der Kraftstoffinjektor 38 kann jede Art von Kraftstoffeinspritzmechanismussein, der eine gewünschteMenge Kraftstoff in die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 einspritzt.Bei bestimmten Konfigurationen kann es wünschenswert sein, den Kraftstoffvor oder währendder Einspritzung des Kraftstoffs in die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 zu zerstäuben. SolcheKraftstoffinjektorbaugruppen (d.h. Injektoren, die den Kraftstoffzerstäuben)sind im Handel erhältlich.
[0038] Gemäß 2 hat die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 eineringförmigeLuftkammer 72. Druckluft wird durch einen Lufteinlass 74 indie Luftkammer 72 eingeleitet und wird danach durch den Elektrodenabstand 58 radialnach innen gelenkt, um den Plasmalichtbogen 62 nach innenzu "biegen". Durch dieses Biegendes Plasmalichtbogens 62 wird sichergestellt, dass dereingespritzte Kraftstoff 64 durch den Plasmalichtbogen 62 gelenktwird. Durch dieses Biegen des Plasmalichtbogens 62 wirdauch die Erosion der Elektroden 56, 58 verringert.Außerdemwird durch das Einleiten von Luft in den Elektrodenabstand 58 eingewünschtesGemisch von Luft und Kraftstoff ("Luft/Kraftstoff-Gemisch") erzeugt. Insbesonderewird der Kraftstoff durch den Plasmareformer 12 reformiertoder auf andere Weise in Form eines Gemisches von Luft und Kraftstoffverarbeitet. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des durch den Kraftstoffreformerreformierten Luft/Kraftstoff-Gemisches wird über die Steuerung des Kraftstoffinjektors 38 undeines Lufteinlassventils 40 gesteuert. Das Lufteinlassventil 40 kannals jede Art von elektronisch gesteuertem Luftventil ausgeführt sein.Das Lufteinlassventil 40 kann als diskretes Bauelementausgeführt sein,wie in 2 gezeigt, oderkann in die Konstruktion des Plasmakraftstoffreformers 12 integriertsein. In jedem Fall steuert das Lufteinlassventil 40 die Mengean Luft, die in die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 eingeleitetwird, wodurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des durch den Plasmakraftstoffreformer 12 verarbeitetenLuft/Kraftstoff-Gemisches gesteuert wird.
[0039] Dieuntere Elektrode 56 erstreckt sich nach unten in das Reaktorgehäuse 48.An sich wird aus dem Plasmalichtbogen 62 austretendes Gas(entweder reformiert oder teilweise reformiert) in die Reaktionskammer 50 eingeleitet.Ein Katalysator 78 kann in der Reaktionskammer 50 angeordnetsein. Der Katalysator 78 vervollständigt den Prozess der Kraftstoffreformierungoder behandelt das Gas in anderer Weise, bevor das Reformatgas durcheinen Gasauslass 76 austritt. Insbesondere kann das gesamteoder ein Teil des aus der Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 austretendenGases nur teilweise reformiert sein, und der Katalysator 78 istso konfiguriert, dass der Reformierungsprozess vervollständigt wird(d.h. eine Reaktion katalysiert wird, die den Reformierungsprozessdes aus der Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 austretenden teilweisereformierten Gases vervollständigt).Der Katalysator 78 kann als jede Art von Katalysator ausgeführt sein,der so konfiguriert ist, dass er solche Reaktionen katalysiert.In einer beispielhaften Ausführungsformist der Katalysator 78 als Substrat ausgeführt, aufdem ein Edelmetall oder eine sonstige Art von katalytischem Materialangeordnet ist. Ein solches Substrat kann aus Keramik, Metall odereinem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Das katalytischeMaterial kann zum Beispiel als Platin, Rhodium, Palladium einschließlich Kombinationenderselben zusammen mit allen anderen ähnlichen katalytischen Materialienausgeführt sein.Wie nachfolgend nähererläutertwird, kann der Plasmakraftstoffreformer 12 ohne den Katalysator 78 ausgeführt sein.
[0040] Gemäß 2 hat der Plasmakraftstoffreformer 12 einenzugehörigenTemperatursensor 34. Der Temperatursensor 34 dientals Rückkopplungsmechanismus,um die Temperatur einer gewünschten Strukturdes Plasmakraftstoffreformers 12 oder des hindurchströmenden Gaseszu ermitteln. Zum Beispiel kann der Temperatursensor 34 verwendetwerden, um die Temperatur des von dem Plasmakraftstoffreformer 12 produziertenReformatgases, die Umgebungstemperatur in der Reaktionskammer 50, dieTemperatur des Katalysators 78, etc. zu messen. Der Temperatursensor 34 kannan jedem beliebigen Ort angeordnet sein. Der Temperatursensor 34 kann insbesondere,wie in durchgehenden Linien dargestellt, in der Reaktionskammer 50 inoperativem Kontakt mit einer Struktur (z.B. dem Katalysator 78 oder denWändender Reaktionskammer 50) oder einer Substanz (z.B. dem Gasin der Reaktionskammer 50) angeordnet sein. Dazu kann derTemperatursensor 34 in physischem Kontakt mit der Strukturoder Substanz angeordnet sein oder kann in einem vorbestimmten Abstandweg von der Struktur bzw. außerhalbdes Stroms der Substanz angeordnet sein, je nach Art und Konfigurationdes Temperatursensors.
[0041] Alternativkann die Temperatur der gewünschtenStruktur oder Substanz indirekt ermittelt werden. Der Temperatursensor 34 kanninsbesondere, wie gestrichelt dargestellt, so angeordnet sein, dassdie Temperatur des durch die Reaktionskammer 50 oder eineGasleitung 80 strömendenReformatgases erfasst wird, nachdem es durch den Auslass 76 ausgeleitetwurde. Eine solche Temperaturmessung kann verwendet werden, um dieTemperatur einer weiteren Struktur wie zum Beispiel des Katalysators 78 oderdes Reaktorgehäuses 48 zuberechnen. Der Temperatursensor 34 kann dagegen so angeordnetsein, dass die Temperatur des Reaktorgehäuses 48 mit einersolchen Temperaturmessung erfasst wird, die dann mit der Temperaturdes Reformatgases korreliert wird. In jedem Fall kann eine durchden Temperatursensor 34 erfasste indirekte Temperatur miteiner gewünschtenTemperatur korreliert werden.
[0042] Gemäß 1 unterliegen der Plasmakraftstoffreformer 12 undseine zugehörigenKomponenten der Steuerung des Steuergeräts 16. Insbesondereist der Temperatursensor 34 mit dem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 18 elektrisch verbunden, ist der Kraftstoffinjektor 38 mit demelektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 20 elektrisch verbunden, ist das Lufteinlassventil 40 mitdem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 22 elektrisch verbunden und ist die Stromquelle 36 mitdem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 24 elektrisch verbunden. Wie hierin näher beschriebenwird, kann darüberhinaus eine Anzahl weiterer zu dem Plasmakraftstoffreformer 12 gehöriger Komponentenebenfalls der Steuerung des Steuergeräts 16 unterliegenund infolgedessen elektrisch damit verbunden sein. Zum Beispielkann ein Stromumleitungsventil zum wahlweisen Umleiten eines Stromsvon Reformatgas von dem Plasmakraftstoffreformer 12 zwischeneiner beliebigen Zahl von Komponenten der Steuerung des Steuergeräts 16 unterliegen.Analog dazu kann ein Stromumleitungsventil zum wahlweisen Umleiteneines Stroms von Abgas von einem Verbrennungsmotor zwischen einerbeliebigen Zahl von Komponenten ebenfalls der Steuerung des Steuergeräts 16 unterliegen.
[0043] Wenngleichdie Signalleitungen 18, 20, 22, 24 (undjede der Signalleitungen, mit denen weitere Vorrichtungen mit demSteuergerätverbunden werden) schematisch als eine einzige Leitung dargestellt sind,versteht es sich, dass die Signalleitungen als jede Art von signalführenderBaugruppe konfiguriert sein können,die die Übertragungelektrischer Signale in eine oder in beide Richtungen zwischen dem elektronischenSteuergerät 16 undder entsprechenden Komponente erlaubt. Zum Beispiel können eine odermehrere der Signalleitungen 18, 20, 22, 24 (oderjede andere hierin offenbarte Signalleitung) als Kabelbaum mit einerAnzahl von Signalleitungen ausgeführt sein, die elektrische Signalezwischen dem elektronischen Steuergerät 16 und der entsprechendenKomponente übertragen.Es versteht sich, dass auch jede beliebige Zahl weiterer Verdrahtungskonfigurationenverwendet werden kann. Zum Beispiel können einzelne Signaldrähte verwendetwerden, oder es kann ein mit einem Signalmultiplexer arbeitendesSystem fürdie Konstruktion einer oder mehrerer Signalleitungen 18, 20, 22, 24 (oderjeder anderen Signalleitung) verwendet werden. Darüber hinauskönnendie Signalleitungen 18, 20, 22, 24 so integriertwerden, dass ein einziger Kabelbaum oder ein einziges System verwendetwird, um einige oder alle der zu dem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörigen Komponentenmit dem elektronischen Steuergerät 16 elektrischzu verbinden.
[0044] Daselektronische Steuergerät 16 istim Wesentlichen der Hauptrechner, der dafür verantwortlich ist, von zudem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörigen Sensoren gesendete elektrischeSignale zu interpretieren und zu dem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörige elektronischgesteuerte Komponenten zu aktivieren, um den Plasmakraftstoffreformer 12,den daraus austretenden Strom von Reformatgas und, in einigen Fällen, einenAbgasstrom von einem Verbrennungsmotor zu steuern. Zum Beispielkann das elektronische Steuergerät 16 dervorliegenden Offenbarung betätigtwerden, um unter anderem Beginn und Ende jedes Zyklus des Einspritzensvon Kraftstoff in die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 zu bestimmen,Menge und Verhältnisvon Luft und Kraftstoff, die in die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 einzuleitensind, zu berechnen und zu steuern, die Temperatur des Reformers 12 oderdes Reformatgases zu bestimmen, das dem Plasmakraftstoffreformer 12 zuzuführende Energieniveauzu bestimmen, zu bestimmen, welcher Komponente (z.B. einem NOx-Abscheider,einem Partikelfilter oder einer Brennstoffzelle) das Reformatgas zuzuführen ist,und die Zusammensetzung oder Menge des zu erzeugenden und einerbestimmten Komponente zuzuführenden Reformatgaseszu bestimmen.
[0045] Dazuumfasst das elektronische Steuergerät 16 eine Anzahl vonnormalerweise zu Elektronikeinheiten gehörigen elektronischen Komponenten,die bei der Steuerung der elektromechanischen Systeme verwendetwerden. Zum Beispiel kann das elektronische Steuergerät 16 nebenanderen üblicherweisein solchen Vorrichtungen enthaltenenen Komponenten einen Prozessorwie zum Beispiel einen Mikroprozessor 28 und ein Speicherbauelement 30 wiezum Beispiel ein programmierbares Nur-Lese-Speicherbauelement ("PROM") einschließlich löschbarer PROMs(EPROMs oder EEPROMs) umfassen. Das Speicherbauelement 30 istso konfiguriert, dass es unter anderem Befehle in Form von beispielsweise einerSoftwareroutine (oder -routinen) speichert, die es bei Ausführung durchden Prozessor 28 erlaubt (erlauben), dass das elektronischeSteuergerät 16 denBetrieb des Plasmakraftstoffreformers 12 steuert.
[0046] Daselektronische Steuergerät 16 umfasst außerdem eineanaloge Schnittstellenschaltung 32. Die analoge Schnittstellenschaltung 32 wandeltdie Ausgangssignale von den verschiedenen Sensoren des Kraftstoffreformers(z.B. dem Temperatursensor 34) oder sonstigen zu den zudem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörigen Komponenten gehörigen Sensorenin ein Signal um, das sich zur Präsentation an einem Eingangdes Mikroprozessors 28 eignet. Insbesondere wandelt dieanaloge Schnittstellenschaltung 32 unter Verwendung einesAnalog/Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) (nicht dargestellt) oder dergleichendie von den Sensoren erzeugten analogen Signale in ein digitalesSignal zur Verwendung durch den Mikroprozessor 28 um. Esversteht sich, dass der A/D-Wandler als diskretes Bauelement oder Anzahlvon Bauelementen ausgeführtsein kann oder in den Mikroprozessor 28 integriert seinkann. Außerdemversteht es sich, dass die analoge Schnittstellenschaltung 32 umgangenwerden kann, wenn einer oder mehrere der zu dem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörigen Sensorenein digitales Ausgangssignal erzeugen.
[0047] Analogdazu wandelt die analoge Schnittstellenschaltung 32 Signalevon dem Mikroprozessor 28 in ein Ausgangssignal um, dasden zu dem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörigen elektronischgesteuerten Komponenten (z.B. dem Kraftstoffinjektor 38, demLufteinlassventil 40, der Stromquelle 36 oder sonstigenSystemkomponenten wie zum Beispiel einem Gasstromumleitungsventiloder dergleichen) präsentiertwerden kann. Insbesondere wandelt die analoge Schnittstellenschaltung 32 unterVerwendung eines Digital/Analog-Wandlers (D/A-Wandlers) (nicht dargestellt)oder dergleichen die von dem Mikroprozessor 28 erzeugtendigitalen Signale in analoge Signale um, die von den zu dem Kraftstoffreformer 12 gehörigen elektronischgesteuerten Komponenten wie zum Beispiel dem Kraftstoffinjektor38, dem Lufteinlassventil 40 oder der Stromquelle 36 verwendet werden.Es versteht sich, dass analog zu dem oben beschriebenen A/D-Wandlerder D/A-Wandlerals diskretes Bauelement oder Anzahl von Bauelementen ausgeführt seinkann oder in den Mikroprozessor 28 integriert sein kann.Außerdemversteht es sich, dass die analoge Schnittstellenschaltung 32 umgangenwerden kann, wenn eine oder mehrere der zu dem Plasmakraftstoffreformer 12 gehörigen elektronischgesteuerten Komponenten mit einem digitalen Eingangssignal arbeiten.
[0048] Daselektronische Steuergerät 16 kanndaher betrieben werden, um den Betrieb des Plasmakraftstoffreformers 12 undder zugehörigenKomponenten zu steuern. Insbesondere führt das elektronische Steuergerät 16 eineRoutine aus, die unter anderem ein Regelschema umfasst, bei demdas elektronische Steuergerät 16 dieAusgängeeiner Anzahl von Sensoren überwacht,um die Eingängein die zugehörigenelektronisch gesteuerten Komponenten zu steuern. Dazu kommuniziertdas elektronische Steuergerät 16 mitden zu dem Kraftstoffreformer und dem System, in dem er verwendetwird, gehörigen Sensoren,um unter zahlreichen anderen Dingen Menge, Temperatur und/oder Druckder dem Plasmakraftstoffreformer 12 zugeführten Luftund/oder des zugeführtenKraftstoffs, die Menge von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in demReformatgas, die Temperatur des Reformers oder des Reformatgases, dieZusammensetzung des Reformatgases, das Sättigungsniveau einer Emissionsbegrenzungsvorrichtung (z.B.eines NOx-Abscheiders oder Partikelfilters), etc. zu ermitteln.Ausgerüstetmit diesen Daten führtdas elektronische Steuergerät 16 jedeSekunde zahlreiche Berechnungen durch und schlägt in vorprogrammierten TabellenWerte nach, um Algorithmen auszuführen, um Funktionen durchzuführen wie zumBeispiel die Ermittlung, wann oder wie lange der Kraftstoffinjektoroder eine sonstige Kraftstoffeinleitungsvorrichtung des Kraftstoffreformersgeöffnetist, die Steuerung des in den Kraftstoffreformer eingespeisten Energieniveaus,die Steuerung der durch das Lufteinlassventil eingeleiteten Mengean Luft, die Steuerung der Stellung eines Stromumleitungsventils,das dafürverantwortlich ist, den Strom von Reformatgas oder Abgas von einerKomponente zur anderen zu lenken, die Ermittlung der Menge und/oderZusammensetzung des zu erzeugenden und einer bestimmten KomponentezuzuführendenReformatgases, etc.
[0049] Anhandvon 3 ist nun ein Antriebssystem 110 miteinem Verbrennungsmotor 112 wie zum Beispiel einem Dieselmotor,dem Kraftstoffreformersystem 10, einer Brennstoffzelle 116 undeiner Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 dargestellt.Kohlenwasserstoffkraftstoff aus einem Kraftstofftank 120 wirddem Plasmakraftstoffreformer 12 zugeführt. Der Kohlenwasserstoffkraftstoffin dem Kraftstofftank 120 kann derselbe von dem Motor 112 verbrannteKohlenwasserstoffkraftstoff (z.B. Benzin oder Dieselkraftstoff)sein oder kann alternativ eine Art von Kohlenwasserstoffkraftstoffsein, die sich von dem Kraftstoff des Motors unterscheidet.
[0050] Wieoben beschrieben, reformiert der Plasmakraftstoffreformer 12 derKraftstoffreformerbaugruppe 10 Kohlenwasserstoffkraftstoffzu einem Reformatgas wie zum Beispiel einem Gas, das reich ist anWasserstoff und Kohlenmonoxid. Das Reformatgas wird dann einer Anzahlweiterer zu dem Antriebssystem 110 gehöriger Komponenten zugeführt. Zum Beispielkann der Plasmakraftstoffreformer 12 verwendet werden,um der Brennstoffzelle 116 Reformatgas zuzuführen. Insbesonderekann Kohlenwasserstoffkraftstoff aus dem Kraftstofftank 120 durch denPlasmakraftstoffreformer 12 zu einem Reformatgas reformiertwerden, das in die Brennstoffzelle 116 eingeleitet wird.Die Brennstoffzelle 116 des Antriebssystems 110 kannals jede Art von Brennstoffzelle bereitgestellt sein. Zum Beispielkann die Brennstoffzelle 116 als alkalische Brennstoffzelle(AFC), phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC), Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle(PEMFC), Feststoffoxid-Brennstoffzelle(SOFC), Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (MCFC) oder jede andereArt von Brennstoffzelle ausgeführtsein.
[0051] DieBrennstoffzelle 116 verarbeitet das Reformatgas aus demPlasmakraftstoffreformer 12, um elektrische Energie zuerzeugen, die beim Betrieb des Antriebssystems 110 oderanderer Komponenten verwendet wird. Zum Beispiel kann von der Brennstoffzelle 116 erzeugteelektrische Energie von zu dem Antriebssystem gehörigen Komponenten verbrauchtwerden. Zum Beispiel kann von der Brennstoffzelle 116 erzeugteelektrische Energie zum Betrieb einer Anzahl elektrischer Zusatzaggregate wiezum Beispiel der Systemelektronik oder dergleichen verwendet werden.Es versteht sich, dass die Brennstoffzelle 116 in Verbindungmit einer oder mehreren Batterien (nicht dargestellt) betriebenwerden kann, um elektrische Energie vor dem Verbrauch durch zu demSystem gehörigeelektrische Komponenten zu speichern.
[0052] DasReformatgas kann außerdemder Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zugeführt werden. Indiesem Fall kann das wasserstoffreiche Gas verwendet werden, umeinen chemischen Katalysator oder Absorber zu regenerieren, diebestimmte Emissionen (z.B. HC, CO, NOx, SOx und, im Falle eines Dieselmotors,kohlenstoffhaltige Partikel oder "Ruß") aus den von demVerbrennungsmotor 112 ausgestoßenen Abgasen entfernen. Insbesonderekann die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 einen oder mehrereKatalysatoren oder ähnlicheVorrichtungen umfassen, um unverbrannte Gase in den Abgasen nochzu verbrennen oder anderweitig zu behandeln. Die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 ansich kann Platin, Rhodium, Palladium oder andere ähnlicheMaterialien umfassen, die fürdie zum Verbrennen oder sonstigen Behandeln jeglicher unverbrannterKohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid benötigte chemische Reaktion Katalysatorensind, indem diese Stoffe in Wasserdampf, Kohlendioxid und andereweniger toxische Gase umgewandelt werden. Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 kannverwendet werden, um den Katalysator zu konditionieren oder einsolches Emissionsbegrenzungsverfahren anderweitig zu erleichtern.
[0053] DieEmissionsbegrenzungsvorrichtung 118 kann außerdem einenoder mehrere Absorber, Abscheider, Filter oder ähnliche Vorrichtungen zum Absorbierenund Entfernen von Verbindungen wie zum Beispiel Oxiden von Stickstoff(NOx), Oxiden von Schwefel (SOx) und/oder Ruß umfassen. Wie hierin anhandvon 5 und 6 ausführlicher beschrieben wird,könnenzusätzlicheOxidationskatalysatoren in Verbindung mit den Abscheidern der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 verwendetwerden, um bestimmte Verbindungen zu oxidieren, die aus den Abscheidernausgestoßenwerden (z.B. H₂S). Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 kann zumRegenerieren solcher Absorber, Abscheider und Filter verwendet werden.Insbesondere werden Absorber, Abscheider und Filter während ihresBetriebs einem Regenerationsprozess unterzogen, bei dem die in demAbsorber, Abscheider oder Filter zurückgehaltene Verbindung herausgespült wird.Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 kann dem Absorber,Abscheider oder Filter zugeführtwerden, um einen solchen Regenerationsprozess zu erleichtern.
[0054] Einbeim Bau der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 verwendeterNOx-Abscheider kann jedeArt von handelsüblichemNOx-Abscheider sein. Wenn der Motor 112 als Dieselmotorausgeführtist, ist der NOx-Abscheider als magerer NOx-Abscheider ausgeführt, umdas Zurückhaltenund Entfernen von NOx unter den zu Dieselabgasen gehörigen magerenBedingungen zu erleichtern. Spezielle Beispiele für NOx-Abscheider,die beim Bau der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 verwendetwerden können,umfassen unter anderem NOx-Abscheider, die bei EmeraChem, LLC ausKnoxville, Tennessee (ehemals bekannt als Goal Line EnvironmentalTechnologies, LLC aus Knoxville, Tennessee) erhältlich sind, bzw. NOx-Abscheideraus Materialien, die dort erhältlichsind.
[0055] Einbeim Bau der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 verwendeterRußpartikelfilterkann jede Art von handelsüblichemPartikelfilter sein. Zum Beispiel kann der Rußpartikelfilter als jeder bekannte Abgaspartikelfilterausgeführtsein, zum Beispiel als "Tiefenfilter" oder "Wandströmungsfilter". Tiefenfilter können ausgeführt seinals Metallsiebfilter, Metall- oder Keramikschaumfilter, Keramikfasersiebfilterund dergleichen. Wandströmungsfilterdagegen können alsCordierit- oder Siliciumcarbid-Keramikfiltermit einander abwechselnden, auf der Vorder- und Rückseitedes Filters verschlossenen Kanälenausgeführt sein,wodurch das hindurchströmendeGas in einen Kanal hinein, durch die Wände hindurch und durch einenanderen Kanal hinaus gedrücktwird. Darüber hinauskann der Rußpartikelfilterauch mit einem katalytischen Material wie zum Beispiel einem katalytischenMaterial aus Edelmetall imprägniertsein.
[0056] DerRußpartikelfilterzur Verwendung als Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 kannaußerdemals jede der Vorrichtungen ausgeführt sein, die beschrieben werdenin der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenenvorläufigenUS-PatentanmeldungNr. 60/375,134 mit dem Titel "Apparatus andMethod for Regenerating a Particulate Filter of an Exhaust Systemof an Internal Combustion Engine" (Vorrichtungund Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters eines Abgassystemseines Verbrennungsmotors), eingereicht am 24. April 2002 von RudolfM. Smaling, die in ihrer Gesamtheit hierin mit einbezogen wird.Gemäß 7 kann eine gemäß der Lehreder oben genannten vorläufigenPatentanmeldung konstruierte beispielhafte Emissionsbegrenzungsvorrichtung 300 alsPartikelfilterbaugruppe 302 mit einem Katalysator 304 undeinem dem Katalysator 304 nachgeschalteten Rußpartikelfilter 306 konfiguriertsein. Der Katalysator 304 kann in einem vorbestimmten Abstandvon dem Rußfilter 306 angeordnetsein (wie in 7 gezeigt),kann in Kontakt mit dem Rußpartikelfilter 306 angeordnetsein, oder kann sogar als mit dem Rußpartikelfilter 306 gemeinsameStruktur (z.B. eine gemeinsame Struktur mit einem einem Filterabschnittvorgeschalteten Katalysatorabschnitt) gefertigt sein.
[0057] DerKatalysator 304 kann als jede Art von Katalysator ausgeführt sein,der so konfiguriert ist, dass er die hierin beschriebenen Reaktionenkatalysiert. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Katalysator 304 alsSubstrat ausgeführt,auf dem ein katalytisches Material aus Edelmetall oder einer sonstigenArt angeordnet ist. Ein solches Substrat kann aus Keramik, Metalloder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Das katalytischeMaterial kann zum Beispiel als Platin, Rhodium, Palladium einschließlich Kombinationendavon neben anderen ähnlichenkatalytischen Materialien ausgeführt sein.
[0058] DerRußpartikelfilter 306 hält dagegenRuß oderandere Partikel zurück,die in den unbehandelten Abgasen von dem Motor 112 vorhandensein. Der Rußpartikelfilter 306 kannals jeder bekannte Abgaspartikelfilter ausgeführt sein, wie zum Beispieldie oben beschriebenen "Tiefenfilter" oder "Wandströmungsfilter". Ähnlich wieoben beschrieben, kann der Rußpartikelfilter 306 auchmit einem katalytischen Material wie zum Beispiel einem katalytischenMaterial aus Edelmetall imprägniertsein.
[0059] Während einesRegenerationszyklus wird Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 in Kontaktmit dem Katalysator 304 gebracht, um eine Oxidationsreaktionzwischen dem Sauerstoff im Abgas des Motors 112 und demReformatgas zu katalysieren. Insbesondere wenn das Reformatgas inGegenwart von Abgas in Kontakt mit dem Katalysator 304 gebrachtwird, katalysiert der Katalysator 304 eine Oxidationsreaktion,die das in dem Reformatgas vorhandene Wasserstoffgas und den inden Abgasen vorhandenen Sauerstoff unter anderem zu Wasser umwandelt.Darüberhinaus katalysiert der Katalysator eine Oxidationsreaktion, diedas in dem Reformatgas vorhandene Kohlenmonoxid und den in den Abgasenvorhandenen Sauerstoff in Kohlendioxid umwandelt. Diese beiden Oxidationsreaktionensind stark exotherm und produzieren folglich Wärme, die zu dem nachgeschaltetenRußpartikelfilter 306 übertragenwird. Die Wärme,die zur Veranschaulichung im Bereich von 600– 650°C liegen kann, entzündet undverbrennt in dem Partikelfilter 306 zurückgehaltene Rußpartikel,wodurch der Filter 306 regeneriert wird.
[0060] Gemäß 8 und 9 kann die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 auchals eine kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 ausgeführt sein,die Vorrichtungen zum Behandeln vieler verschiedener in dem Abgasstromvorhandener Verbindungen aufweist. Wie hierin anhand von 8 und 9 näherbeschrieben wird, kann die kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 insbesondereso ausgeführtsein, dass sie sowohl einen NOx-Abscheider als auch eine Rußpartikelfilterbaugruppe zumZurückhaltenund Entfernen von NOx und Ruß ausden Motorabgasen enthält.In diesem Fall wird die Regeneration beider Vorrichtung durch dieVerwendung des Plasmakraftstoffreformers 12 erleichtert.
[0061] Anhandvon 4 wird nun einespezielle beispielhafte Implementierung des Antriebssystems 110 dargestellt.Das Antriebssystem 110 in seiner Ausführung gemäß 4 wird insbesondere beim Bau eines Fahrzeugswie zum Beispiel eines Fernlasters 150 verwendet. An sichwird ein zu dem Lastkraftwagen 150 gehöriges Getriebe 122 durchden Ausgang des Motors 112 angetrieben oder anderweitigmechanisch betätigt.
[0062] Beider in 4 dargestelltenbeispielhaften Ausführungsformkann die Brennstoffzelle 116 betrieben werden, um eineAnzahl von zu dem Lastkraftwagen 150 gehörigen Komponentenmit elektrischer Energie zu versorgen. Die Brennstoffzelle 116 kann zumBeispiel betrieben werden, um ein Heiz- und Kühlsystem 124 mit elektrischerEnergie zu versorgen. Insbesondere kann der Lastkraftwagen 150 mit einerelektrisch betriebenen Heizung 126 und/oder Klimatisierungseinheit 128 ausgestattetsein, die mit der von der Brennstoffzelle 116 erzeugtenelektrischen Energie betrieben werden, um einen zu dem Lastkraftwagen 150 gehörigen Fahrgastraum 130 (z.B.eine Kabine) zu heizen und zu kühlen.
[0063] Weiterezu dem Lastkraftwagen 150 gehörige Fahrzeugkomponenten 132 können ebenfallsmit der von der Brennstoffzelle 116 erzeugten elektrischen Energiebetrieben werden. Diese Komponenten 132 können dieAußen-und Innenbeleuchtung des Lastkraftwagens, Zusatzaggregate (z.B.Radio), elektronische Steuersysteme (z.B. Motorsteuermodul, Bremsensteuermodul,etc.), Motorbauelemente (z.B. Kraftstoffpumpe, Kraftstoffeinspritzsystem,etc.) oder dergleichen umfassen. Außerdem versteht es sich, dasselektrische Energie von der Brennstoffzelle 116 ggf. auchzum Betreiben des Plasmakraftstoffreformers 12 verwendetwerden kann.
[0064] Wiehierin beschrieben, kann die Brennstoffzelle 116 so konfiguriertsein, dass sie im Wesentlichen genauso, wie bei einem in herkömmlicherWeise konstruierten Lastkraftwagen durch eine Lichtmaschine (undzugehörigeBatterien) Energie bereitgestellt wird, dem gesamten Lastkraftwagen 150 elektrischeEnergie zuführenkann. Bei Verwendung der Brennstoffzelle 116 zum Bereitstellenvon elektrischer Energie fürden Lastkraftwagen 150 muss jedoch der Verbrennungsmotor 112 nichtbetrieben werden (d.h. der Motor 112 muss nicht laufen),um nachhaltige Mengen an elektrischer Energie genauso bereitzustellen,als müssteEnergie durch eine herkömmlicheLichtmaschinenanordnung bereitgestellt werden.
[0065] Reformatgasaus dem Plasmakraftstoffreformer 12 kann während desBetriebs des Motors 112 erzeugt und der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zugeführt werden.Insbesondere steuert das elektronische Steuergerät 16 während desBetriebs des Verbrennungsmotors 112 den Betrieb des Plasmakraftstoffreformers 12 so,dass Reformatgas erzeugt und der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zugeführt wird,um die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 während desBetriebs des Motors 112 wahlweise zu regenerieren oderanderweitig zu behandeln. Währenddes Stillstands des Motors (d.h. während Zeiten, in denen derMotor nicht läuft)steuert das elektronische Steuergerät 16 jedoch den Betriebdes Plasmakraftstoffreformers 12 so, dass Reformatgas erzeugtund der Brennstoffzelle 116 zugeführt wird, um die Erzeugungvon elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle 116 zuerlauben. In diesem Fall ist die mechanische Leistung des Motors 112 nichtnotwendig, um nachhaltige Mengen an Energie bereitzustellen, wodurchder Betrieb elektrischer Zusatzaggregate (z.B. das Heiz- und Kühlsystem 124)erleichtert wird, ohne dass der Motor 112 sich im Leerlaufbefinden oder anderweitig betrieben werden muss.
[0066] Einelektronisch gesteuertes Stromumleitungsventil 136 wirdverwendet, um den Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wahlweisezwischen der Brennstoffzelle 116 und der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zulenken. Das Umleitungsventil 136 ist mit dem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 138 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 136 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Infolgedessen kann das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wahlweiseentweder zu der Brennstoffzelle 116 oder zu der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 lenken.
[0067] Esversteht sich, dass der Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 beibestimmten Systemkonfigurationen mit Hilfe des Stromumleitungsventils 136 geteiltwerden kann, wobei ein Teil des Reformatgases der Brennstoffzelle 116 zugeführt wirdund ein anderer Teil des Reformatgases der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zugeführt wird.Insbesondere könnteauch, falls gewünscht,ein Teil des von dem Plasmakraftstoffreformer 12 produziertenReformatgases währenddes Betriebs des Motors 112 der Brennstoffzelle 116 zugeführt werden.Insbesondere kann die Brennstoffzelle 116 betrieben werden,um elektrische Energie bereitzustellen, wenn der Motor 112 läuft, undnicht nur, wenn der Motor 112 nicht läuft.
[0068] Anhandvon 5 wird nun eineweitere beispielhafte Ausführungsformeines Antriebssystems (nachfolgend mit dem Bezugszeichen 210 bezeichnet)dargestellt. Das Antriebssystem 210 ist dem Antriebssystem 110 von 3 und 4 etwas ähnlich. An sich werden in 5 und 6 dieselben Bezugszeichen verwendet,um gemeinsame Komponenten zu bezeichnen, die bereits anhand von 3 und 4 erläutertwurden, wobei auf eine zusätzlicheErläuterung derselbenverzichtet wird.
[0069] Gemäß 5 ist die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 desAntriebssystems 210 als zwei Abscheider 232, 234 ausgeführt. Durchdie Abscheider 232, 234 werden bestimmte Verbindungen ausden Motorabgasen wie zum Beispiel NOx und SOx absorbiert, gespeichertoder auf sonstige Weise entfernt. Sobald sie absorbiert sind, werdendie Verbindungen dann einer katalytischen Regenerationsreaktionunterzogen, die die Verbindungen in weniger schädliche Verbindungen zerlegt,bevor sie ausgestoßenwerden.
[0070] Durchein Umleitungsventil 236 wird der Strom von Abgasen ausdem Motor 112 wahlweise zwischen den Abscheidern 232, 234 umgeleitet.Zum Beispiel könnendie Abgase aus dem Motor 112 durch den Abscheider 232 geleitetwerden, während derAbscheider 234 "offline" gehalten wird. Solange eroffline ist, kann der Abscheider 234 regeneriert werden.Sobald der Abscheider 234 regeneriert wurde, kann die Stellungdes Umleitungsventils 236 so umgeschaltet werden, dassAbgase aus dem Motor 112 durch den Abscheider 234 geleitetwerden, währendder Abscheider 232 zu Regenerationszwecken offline ist.
[0071] Esversteht sich, dass das Abgasumleitungsventil 236 entwederals Zweistellungsventil oder, in einigen Konfigurationen, als Ventilmit veränderlicher Strömung ausgeführt seinkann. Bei Verwendung eines Zweistellungsventils wird der Strom derAbgase zu dem offline geschalteten Abscheider 232, 234 vollständig unterbrochen.Mit anderen Worten, der offline geschaltete Abscheider 232, 234 istgegen den Strom von Abgasen isoliert. Bei Verwendung eines Ventilsmit veränderlicherStrömungjedoch kann eine gewünschteMenge des Abgasstroms durch den offline geschalteten Abscheider 232, 234 gelenktwerden. Mit Hilfe dieses verminderten Stroms kann der Regenerationsprozessdes Abscheiders 232, 234 je nach Art und Konstruktiondes Abscheiders 232, 234 erleichtert werden. Während derRegeneration eines NOx-Abscheiderskann es zum Beispiel wünschenswertsein, wenig bis gar keinen Strom von Abgasen durch den Abscheiderzu haben. Im Falle der Regeneration eines Rußpartikelfilters wie zum Beispiel desin der oben genannten und hierin mit einbezogenen vorläufigen US-Patentanmeldungbeschriebenen Filters kann es wünschenswertsein, während derRegeneration des Filters ein gewisses Maß an Strom von Abgasen durchden Filter zu haben. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, einen kontrolliertenStrom von Abgas durch den Filter zu leiten, um ausreichende Mengenan Sauerstoff zuzuführen,um die Oxidationsreaktionen auf der Vorderseite des vorgeschaltetenKatalysators (d.h. des Katalysators, der die Wärme zum Verbrennen des Rußes in demnachgeschalteten Filter erzeugt) aufrechtzuerhalten und ausreichendeMengen an Sauerstoff bereitzustellen, um den Ruß in dem Rußfilter mit der durch den Katalysatorerzeugten Wärmezu verbrennen.
[0072] Umauf diese Weise arbeiten zu können,ist das Umleitungsventil 236 mit dem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 238 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 236 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Das elektronische Steuergerät 16 lenktdaher, neben seinen anderen Funktionen, den Strom von Abgas ausdem Motor 112 wahlweise entweder zu dem Abscheider 232 oderzu dem Abscheider 234 oder im Falle eines Umleitungsventils 236 mit veränderlicherStrömungzu einer Kombination der beiden Abscheider 232, 234.
[0073] DasSteuerschema zum Steuern der Stellung des Umleitungsventils 236 kannauf eine Anzahl verschiedener Arten konstruiert sein. Zum Beispiel kannein zeitbasiertes Steuerschema benutzt werden, bei dem die Stellungdes Umleitungsventils 236 in Abhängigkeit von der Zeit geändert wird.Die Regeneration der Abscheider 232, 234 kannzum Beispiel in vorbestimmten Zeitintervallen durchgeführt werden.
[0074] Alternativkann ein sensorbasiertes Steuerschema benutzt werden. In einem solchenFall wird die Stellung des Umleitungsventils 236 in Abhängigkeitvom Ausgang eines oder mehrerer zu den Abscheidern 232, 234 gehöriger Sensorengeändert. DieRegeneration eines der Abscheider 232, 234 kannzum Beispiel beginnen, wenn der Ausgang aus dem(den) zu dem speziellenAbscheider 232, 234 gehörigen NOx-Sensor(en) (nichtdargestellt) auf ein vorbestimmtes Sättigungsniveau hinweist.
[0075] EinStromumleitungsventil 246 wird verwendet, um Reformatgasaus dem Plasmakraftstoffreformer 12 zu dem entsprechendenAbscheider 232, 234 zu lenken. Insbesondere leitetdas Umleitungsventil 246 den Strom von Reformatgas wahlweisezwischen den Abscheidern 232, 234 um. Reformatgas ausdem Plasmakraftstoffreformer 12 wird zum Beispiel durchdas Umleitungsventil 246 zu dem Abscheider 232 geleitet,wenn der Abscheider 232 offline ist und einen Regenerationszyklusdurchläuft. Wennes Zeit ist, den Abscheider 234 zu regenerieren, kann dieStellung des Umleitungsventils 246 so umgeschaltet werden,dass Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 durchdas Umleitungsventil 246 zu dem Abscheider 234 geleitetwird, wenn der Abscheider 234 zu Regenerationszwecken offline ist.
[0076] Umauf diese Weise zu arbeiten, ist das Umleitungsventil 246 mitdem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 248 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 246 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Daher lenkt das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wahlweiseentweder zu dem Abscheider 232 oder zu dem Abscheider 234.
[0077] Dasvon dem Steuergerät 16 ausgeführte Steuerschemasteuert die Stellung der verschiedenen Umleitungsventile, um Reformatgasund Abgase wahlweise zu dem entsprechenden Abscheider 232, 234 zulenken. Insbesondere koordiniert das Steuergerät 16 die Stellungder Reformatgasumleitungsventile 136 und 246 mitdem Abgasumleitungsventil 236, um den Strom von Reformatgasund Abgas zu dem entsprechenden Abscheider 232, 234 zulenken. Vor allem wenn das Abgasumleitungsventil 236 sopositioniert ist, dass Abgas durch den Abscheider 232 geleitetwird (d.h. der Abscheider 234 ist offline), sind die Reformatgasumleitungsventile 136, 246 jeweilsso positioniert, dass der Strom von Reformatgas von dem Plasmakraftstoffreformer 12 zudem Abscheider 234 gelenkt wird, wodurch dessen Regenerationerleichtert wird. Wenn dagegen das Abgasumleitungsventil 236 sopositioniert ist, dass Abgas durch den Abscheider 234 geleitetwird (d.h. der Abscheider 232 ist offline), sind die Reformatgasumleitungsventile 136, 246 jeweilsso positioniert, dass der Strom von Reformatgas von dem Plasmakraftstoffreformer 12 zudem Abscheider 232 gelenkt wird, wodurch dessen Regenerationerleichtert wird.
[0078] Esversteht sich, dass die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 sokonfiguriert sein kann, dass sie einen oder mehrere zusätzlicheKatalysatoren enthält,die in Verbindung mit den Abscheidern 232, 234 wirken.Zum Beispiel kann der Oxidationskatalysator (nicht dargestellt)den Abscheidern 232, 234 nachgeschaltet sein,um jegliches H₂S zu oxidieren, das in denaus den Abscheidern 232, 234 ausgestoßenen Gasenvorhanden sein kann.
[0079] DieEmissionsbegrenzungsvorrichtung 118 des Antriebssystems 210 kannebenfalls so konfiguriert sein, dass sie einen oder mehrere Rußpartikelfilterwie zum Beispiel die oben beschriebenen Rußpartikelfilter enthält. In einemsolchen Fall könnendie Rußpartikelfilterin einer ähnlichenparallelen Konfiguration wie die Abscheider 232, 234 angeordnet sein,wobei ein Rußpartikelfilterbetrieben wird, um Ruß ausdem Strom von Abgasen zurückzuhalten, während derandere Rußpartikelfilterzu Regenerationszwecken offline ist. Falls gewünscht, kann der Rußpartikelfilteralternativ in derselben Struktur untergebracht sein wie die Abscheider 232, 234.Die Verwendung eines Rußpartikelfiltersist von besonderem Nutzen, wenn der Verbrennungsmotor 112 als Dieselmotorausgeführtist.
[0080] Anhandvon 6 ist nun eine speziellebeispielhafte Implementierung des Antriebssystems 210 dargestellt. Ähnlich wiehierin anhand von 4 beschrieben,kann das Antriebssystem 210 insbesondere beim Bau einesFahrzeugs wie zum Beispiel des Fernlasters 150 verwendetwerden. In einem solchen Fall kann der Plasmakraftstoffreformer 12 betrieben werden,um der Brennstoffzelle 116 des Lastkraftwagens und denAbscheidern 232, 234 der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 Reformatgaszuzuführen.
[0081] Analogdazu kann die Brennstoffzelle 116 des Energiesystems 210,wie hierin anhand von 4 beschrieben,betrieben werden, um einer Anzahl von zu dem Lastkraftwagen 150 gehörigen Komponentenelektrische Energie zuzuführen.Zum Beispiel kann die Brennstoffzelle 116 betrieben werden, umder elektrisch betriebenen Heizung 126 und/oder Klimatisierungseinheit 128 desHeiz- und Kühlsystems 124 desLastkraftwagens elektrische Energie zuzuführen, wodurch der Kabine 30 desLastkraftwagens 150 erwärmteund gekühlteLuft zugeführtwird. Darüberhinaus könnensonstige Fahrzeugkomponenten 132 wie zum Beispiel die Außen- undInnenbeleuchtung des Lastkraftwagens, Zusatzaggregate (z.B. Radio),elektronische Steuersysteme (z.B. Motorsteuermodul, Bremsensteuermodul,etc.), Motorbauelemente (z.B. Kraftstoffpumpe, Kraftstoffeinspritzsystem,etc.) oder dergleichen durch die von der Brennstoffzelle 116 desAntriebssystems 210 erzeugte elektrische Energie angetriebenwerden. Elektrische Energie von der Brennstoffzelle 116 kann auchzum Betreiben des Plasmakraftstoffreformers 12 verwendetwerden. Wie hierin beschrieben, braucht der Plasmakraftstoffreformer 12 insbesondereelektrische Energie zum Erzeugen eines Plasmafeldes. Diese elektrischeEnergie kann durch die Brennstoffzelle 116 bereitgestelltwerden.
[0082] Esversteht sich, dass ein Energieerzeugungsschema implementiert seinkann, um die mechanische Leistung des Motors während des Betriebs desselbenzu verstärken.Elektrische Energie kann zum Beispiel den elektrischen Komponenten desLastkraftwagens (z.B. dem Heiz- und Kühlsystem 124, demPlasmakraftstoffreformer 12, etc.) während des Betriebs des Motors 112 mitHilfe eines herkömmlichenEnergieerzeugungssystems (z.B. einer Lichtmaschine) zugeführt werden,wobei elektrische Energie von der Brennstoffzelle 116 dazubenutzt wird, die elektrischen Komponenten des Lastkraftwagens während desStillstands des Motors (d.h. wenn der Motor 112 nicht läuft) anzutreiben.
[0083] DieKonfigurationen der hierin beschriebenen Antriebssysteme können entsprechendden Bedürfnisseneiner gegebenen Anwendung verändert werden.Zum Beispiel muss der Plasmakraftstoffreformer 12 nichtnur in Verbindung mit der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 von 5 und 6 (d.h. einer Vorrichtung, die die Abscheider 232, 234 enthält) verwendetwerden, sondern kann vielmehr in Verbindung mit jeder Art von Emissionsbegrenzungsvorrichtungverwendet werden. Analog dazu muss die Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 von 5 und 6 nicht nur in Verbindung mit dem Plasmakraftstoffreformer 12 verwendetwerden, sondern kann vielmehr in Verbindung mit jeder Art von Kraftstoffreformerverwendet werden.
[0084] Darüber hinaushaben die hierin beschriebenen Antriebssysteme zahlreiche weitereAnwendungen. Zum Beispiel könnendie hierin beschriebenen Antriebssysteme beim Bau eines Hybridfahrzeugs verwendetwerden. In diesem Fall kann die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors 112 mechanischmit einem Energieerzeuger verbunden werden, der mechanische Rotationsenergiein elektrische Energie umwandelt, die in den Batterien des Hybridfahrzeugszur Verwendung durch den Elektromotor des Fahrzeugs gespeichertwird.
[0085] Diehierin beschriebenen Antriebssysteme haben auch zahlreiche andereAnwendungen als Fahrzeugantriebssysteme. Zum Beispiel können die hierinbeschriebenen Antriebssysteme beim Bau eines feststehenden Energieerzeugungssystemsverwendet werden. In einem solchen Fall kann die mechanische Leistungdes Verbrennungsmotors 112 mechanisch mit einem Energieerzeugerverbunden werden, der mechanische Rotationsenergie in elektrischeEnergie umwandelt. Darüberhinaus kann die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors 112 zumAntrieb eines zu einer Pumpenbaugruppe gehörigen Pumpenmechanismus oderdergleichen verwendet werden.
[0086] DieKonfiguration der hierin beschriebenen Antriebssysteme kann auchmodifiziert werden, um Reformatgas anderen zu dem System gehörigen Komponentenzusätzlichzu der Brennstoffzelle und der Emissionsbegrenzungsvorrichtung zuzuführen. ZumBeispiel kann Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer dem Einlassdes Verbrennungsmotors zugeführtwerden. Durch die Verbrennung von Reformatgas als einzige Kraftstoffquelleoder als Kraftstoffzusatz werden Emissionen während des Betriebs des Motorstatsächlichsignifikant verringert. Dies ist besonders nützlich, wenn der Verbrennungsmotor 112 alsMotor mit Fremdzündungausgeführt ist,der einen Kohlenwasserstoffkraftstoff wie zum Beispiel Benzin, Erdgas,Methanol oder Propan verbrennt. Bei einer solchen Konfiguration(d.h. Reformatgas wird vor der Verbrennung dem Einlass des Motorszugeführt)kann es möglichsein, infolge der Verringerung der von dem Motor produzierten Emissioneneinen oder mehrere Emissionsbegrenzungsmechanismen aus dem Energiesystemzu eliminieren.
[0087] Umdem Verbrennungsmotor Reformatgas zuzuführen, kann der Motor so konfiguriertsein, dass er einen Vergaser enthält, um das Reformatgas in die Brennräume desMotors einzuleiten, eine Kraftstoffeinspritzbaugruppe zum Einspritzendes Reformatgases in die Brennräumedes Motors oder jede andere ähnlicheVorrichtung, je nach der speziellen Konstruktion des Motors. Alternativkann das bestehende Kraftstoffzuführungssystem des Motors dahingehend modifiziertsein, dass Kohlenwasserstoffkraftstoff und Reformatgas gleichzeitigin die Brennräumedes Motors eingespritzt oder anderweitig eingeleitet werden. DerKraftstoffreformer kann so konfiguriert sein, dass Reformatgas über eineFluidverbindung jedem solchen zu dem Motor gehörigen Mechanismus zugeführt wird.
[0088] Anhandvon 8 und 9 wird nun eine kombinierteEmissionsbegrenzungsbaugruppe 400 dargestellt. Die Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 kannals Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 der hierin beschriebenenAntriebssysteme 110, 210 verwendet werden. DieEmissionsbegrenzungsbaugruppe kann jedoch auch beim Bau vieler andererSysteme verwendet werden, einschließlich Systemen, die eine Brennstoffzelleenthalten könnenoder nicht. Die kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 hateine Anzahl verschiedener Vorrichtungen zum Behandeln einer Anzahlverschiedener Abgasemissionen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors. Wienun ausführlicherbeschrieben wird, kann zum Beispiel der Plasmakraftstoffreformer 12 betrieben werden,um ein Reformatgas zu erzeugen und einer Emissionsbegrenzungsbaugruppezuzuführen,die sowohl einen NOx-Abscheider 402 alsauch einen Rußpartikelfilter 404 hat.In einem solchen Fall wird das Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 dazuverwendet, sowohl den NOx-Abscheider 402 als auch den Rußpartikelfilter 404 wahlweisezu regenerieren.
[0089] Gemäß 9 können der NOx-Abscheider 402 undder Rußpartikelfilter 404 ingetrennten Gehäusenuntergebracht sein, die zum Beispiel mit Hilfe von Abschnitten desAbgasrohres miteinander verbunden sind. Alternativ können derNOx-Abscheider 402 und der Rußpartikelfilter 404 ineinem gemeinsamen Gehäusegefertigt sein.
[0090] Esversteht sich, dass die Komponenten (d.h. der NOx-Abscheider 402 undder Rußpartikelfilter 404)in jeder beliebigen Reihenfolge oder Anordnung entsprechend denBedürfnisseneines gegebenen Systems positioniert sein können. Aufgrund einer Anzahlvon Überlegungenbezüglichder Konstruktion des Systems kann es insbesondere wünschenswertsein, eine Vorrichtung der anderen vorzuschalten, während beianderen Systemkonstruktionen die entgegengesetzte Positionierungwünschenswertersein kann. Bei der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformist der Rußpartikelfilter 404 derEmissionsbegrenzungsbaugruppe 400 dem NOx-Abscheider 402 nachgeschaltet.Wie hierin beschrieben wird, erleichtert eine solche Anordnung dieSteuerung sowohl des Regenerationsprozesses des NOx-Abscheidersals auch des Regenerationsprozesses des Rußpartikelfilters.
[0091] Wiebei den oben anhand von 3-6 beschriebenen NOx-Abscheidernkann der NOx-Abscheider 402 der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 jedeArt von handelsüblichem NOx-Abscheidersein. Wenn die Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 zur Behandlungvon Abgasen eines Dieselmotors verwendet wird, ist der NOx-Abscheider 402 alsmagerer NOx-Abscheiderausgeführt,um das Absorbieren und Entfernen von NOx unter den bei Dieselabgasenauftretenden mageren Bedingungen zu erleichtern. Spezielle Beispielefür NOx-Abscheider,die beim Bau der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe verwendetwerden können,umfassen unter anderem die oben genannten NOx-Abscheider, die beiEmeraChem erhältlichsind, bzw. NOx-Abscheider die mit Materialien hergestellt sind,die bei EmeraChem erhältlich sind.
[0092] Derbeim Bau der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 verwendeteRußpartikelfilterkann jede Art von handelsüblichemPartikelfilter sein. Ähnlichwie oben anhand der Rußfiltervon 3-6 beschrieben, kann der Rußpartikelfilter 404 zumBeispiel als jeder bekannte Abgaspartikelfilter wie zum Beispielein "Tiefenfilter" oder ein "Wandströmungsfilter" ausgeführt sein.Tiefenfilter können alsMetallsiebfilter, Metall- oder Keramikschaumfilter, Keramikfasersiebfilterund dergleichen ausgeführt sein.Wandströmungsfilterkönnendagegen als Cordierit- oder Siliciumcarbid-Keramikfilter mit einander abwechselnden,auf der Vorder- und Rückseitedes Filters verschlossenen Kanälenausgeführtsein, wodurch das hindurchströmendeGas in einen Kanal hinein, durch die Wände hindurch und aus einemanderen Kanal hinaus gedrücktwird. Darüberhinaus kann der Rußpartikelfilter 404 auchmit einem katalytischen Material wie zum Beispiel einem katalytischen Materialaus Edelmetall imprägniertsein. Bei der hierin beschriebenen und in 8 und 9 dargestelltenbeispielhaften Ausführungsformist der Rußpartikelfilter 404 derkombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 als eineder in der oben genannten und hierin mit einbezogenen vorläufigen US-PatentanmeldungNr. 60/375,134 beschriebenen Vorrichtungen ausgeführt.
[0093] Anhandvon 9 wird nun die kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 näher dargestellt.Der NOx-absorbierende Katalysator 406 des NOx-Abscheiders 402 istin einer inneren Kammer 408 eines Gehäuses 410 untergebracht.Das Gehäuse 410 hatein stromaufwärtigesEnde 412, das mit einem Abgasrohr 414 verbundenist, und ein stromabwärtigesEnde 416, das mit einem Abgasrohr 418 verbundenist. Das stromaufwärtigeEnde 412 des Gehäuses 410 bildeteinen Abgaseinlass 420, während das stromabwärtige Ende 416 desGehäuses 410 einenAbgasauslass 422 bildet. Daher treten Abgase aus dem Dieselmotordurch den Abgaseinlass 420 in das Gehäuse 410 ein, werdendurch den NOx-absorbierenden Katalysator 406 geleitet und werdendann überden Abgasauslass 422 aus dem Gehäuse 410 ausgestoßen.
[0094] DerNOx-Abscheider 402 hat einen Einlass 424 zur Aufnahmevon Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12. DerEinlass 424 kann als Öffnungkonfiguriert sein, die in den Wändendes Gehäuses 410 gebildetist, oder kann alternativ ein Rohr, eine Verbindungsbaugruppe odersonstige Struktur umfassen, die sich durch die Wand des Gehäuses 410 erstreckt.Wenn das Reformatgas stromaufwärtsvon dem stromaufwärtigenEnde 412 des Gehäuses 410 eingeleitetwird, wirkt der Abgaseinlass 420 des Gehäuses 410 außerdem alsReformatgaseinlass des NOx-Abscheiders 402.
[0095] DerPlasmakraftstoffreformer 12 steht in Fluidverbindung mitdem zu dem NOx-Abscheider 402 gehörigen Reformatgaseinlass. Insbesondereist ein erstes Ende einer Fluidleitung 426 mit dem Auslass desPlasmakraftstoffreformers 12 (über ein nachfolgend beschriebenesStromumleitungsventil 466) verbunden, während sich ein zweites Endeder Fluidleitung 426 durch so den Gaseinlass 424 erstrecktbzw. damit verbunden ist, dass Reformatgas in die Kammer 408 desGehäuses 410 eingeleitetwerden kann. Auf diese Weise kann Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 mitdem NOx-absorbierenden Katalysator 406 in Kontakt gebrachtwerden.
[0096] Gemäß 8 und 9 ist das elektronische Steuergerät 16 außerdem mitzwei NOx-Sensoren 428, 430 über zwei Signalleitungen 432 bzw. 434 elektrischverbunden. Die NOx-Sensoren 428, 430 dienen zumErfassen des Unterschieds in der NOx-Konzentration auf dem NOx-absorbierenden Katalysator 406,um festzustellen, wann der NOx-Abscheider 402 regeneriertwerden muss. Insbesondere wirken die NOx-Sensoren 428, 430 zusammen, umdie durch den NOx-absorbierenden Katalysator 406 aus denAbgasen entfernte (d.h. absorbierte) NOx-Menge zu ermitteln. Wenndie durch den NOx-absorbierenden Katalysator 406 absorbierte NOx-Mengeauf ein vorbestimmtes Niveau abnimmt, beginnt das elektronischeSteuergerät 16 denRegenerationsprozess. Wenngleich gemäß 8 und 9 dabeizwei NOx-Sensoren verwendet werden, kann selbstverständlich gewünschtenfallsein einziger NOx-Sensor auf der stromabwärtigen Seite des NOx-absorbierendenKatalysators 406 verwendet werden. Bei einer solchen Konfigurationwürde das elektronischeSteuergerät 16 überwachen,wann die von dem einzigen NOx-Sensor erfasste NOx-Konzentrationeinen vorbestimmten oberen Schwellenwert überschreitet, im Unterschiedzur Überwachung desNOx-Entfernungswirkungsgradsauf dem NOx-absorbierenden Katalysator 406.
[0097] Alternativkönnenauch andere Steuerschemata verwendet werden, um einen Regenerationszykluszu beginnen. Zum Beispiel kann ein zeitbasiertes Steuerschema verwendetwerden, bei dem der NOx-Abscheider 402 in Abhängigkeitvon der Zeit regeneriert wird. In einem solchen Fall wird die Regenerationdes NOx-Abscheiders 402 in vorbestimmten Zeitintervallendurchgeführt.
[0098] Anhandvon 9 nun wiederum wirdder Rußpartikelfilter 404 auchnäher dargestellt.Ein Katalysator 436 und ein Filter 438 des Rußpartikelfilters 404 sindin einer inneren Kammer 440 eines Gehäuses 442 untergebracht.Das Gehäuse 442 hatein stromaufwärtigesEnde 444, das mit dem sich von dem stromabwärtigen Ende 416 desNOx-Abscheidergehäuses 410 erstreckendenAbgasrohr 418 verbunden ist. Das Gehäuse 442 hat außerdem einmit einem Abgasrohr 448 verbundenes stromabwärtiges Ende 446,das entweder zur Atmosphäreoffen ist oder mit einer zusätzlichenKomponente des Abgassystems (nicht dargestellt) verbunden ist, dieder kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 nachgeschaltetist. Das stromaufwärtigeEnde 444 des Gehäuses 442 bildeteinen Abgaseinlass 450, während das stromabwärtige Ende 446 desGehäuses 442 einenAbgasauslass 452 bildet. Daher treten Abgase aus dem Motordurch den Abgaseinlass 450 in das Gehäuse 442 ein, werdendurch den Katalysator 436 und den Rußfilter 438 geleitetund werden dann überden Abgasauslass 452 aus dem Gehäuse 442 ausgestoßen.
[0099] DerRußpartikelfilter 404 hateinen Einlass 454 zur Aufnahme von Reformatgas von demPlasmakraftstoffreformer 12. Analog zu dem Einlass des NOx-Abscheiders 402 kannder Einlass des Rußpartikelfilters 404 als Öffnung konfiguriertsein, die in den Wändendes Gehäuses 442 gebildetist, oder kann alternativ ein Rohr, eine Verbindungsbaugruppe oder sonstigeStruktur umfassen, die sich durch die Wand des Gehäuses 442 erstreckt.Wenn das Reformatgas stromaufwärtsvon dem stromaufwärtigenEnde 444 des Gehäuses 442 eingeleitetwird, wirkt darüberhinaus der Abgaseinlass 450 des Gehäuses 442 als Reformatgaseinlassdes Rußpartikelfilters 404.
[0100] DerPlasmakraftstoffreformer 12 steht in Fluidverbindung mitdem zu dem Rußpartikelfilter 404 gehörigen Reformatgaseinlass.Insbesondere ist ein erstes Ende einer Fluidleitung 456 mitdem Auslass des Plasmakraftstoffreformers 12 (über dasnachfolgend beschriebene Stromumleitungsventil 466) verbunden,währendsich ein zweites Ende der Fluidleitung 456 so durch denGaseinlass 454 erstreckt bzw. damit verbunden ist, dassReformatgas in die Kammer 440 des Gehäuses 442 eingeleitetwerden kann. Auf diese Weise kann das Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 ineinen Strom von Abgas aus dem Motor und in Kontakt mit dem Katalysator 436 eingeleitetwerden. Währendeines Regenerationszyklus wird insbesondere, wie oben anhand von 7 beschrieben, Reformatgasaus dem Plasmakraftstoffreformer 12 in Kontakt mit demKatalysator 436 gebracht, um eine Oxidationsreaktion zwischendem Sauerstoff im Abgas des Motors und dem Reformatgas zu katalysieren.Vor allem wenn das Reformatgas in Gegenwart von Abgas (oder einer anderenSauerstoffquelle) in Kontakt mit dem Katalysator 436 gebrachtwird, katalysiert der Katalysator 436 eine Oxidationsreaktion,die das in dem Reformatgas vorhandene Wasserstoffgas und den inden Abgasen vorhandenen Sauerstoff unter anderem in Wasser umwandelt.Darüberhinaus katalysiert der Katalysator 436 eine Oxidationsreaktion,die das in dem Reformatgas vorhandene Kohlenmonoxid und den in denAbgasen vorhandenen Sauerstoff in Kohlendioxid umwandelt. Diesebeiden Oxidationsreaktionen sind stark exotherm und produziereninfolgedessen Wärme,die zu dem nachgeschalteten Rußfilter 438 übertragenwird. Die Wärme,die zur Veranschaulichung im Bereich von 600–650°C liegen kann, entzündet undverbrennt in dem Rußfilter 438 zurückgehalteneRußpartikel,wodurch der Rußpartikelfilter 404 regeneriertwird.
[0101] Gemäß 8 und 9 ist das elektronische Steuergerät 16 außerdem mitzwei Drucksensoren 458, 460 über zwei Signalleitungen 462 bzw. 464 elektrischverbunden. Mit Hilfe der Drucksensoren 458, 460 kannder Druckunterschied auf dem Rußpartikelfilter 404 erfasstwerden, um festzustellen, wann der Rußfilter 438 regeneriertwerden muss. Insbesondere wenn der Druckabfall auf dem Rußpartikelfilter 404 aufeinen vorbestimmten Wert ansteigt, beginnt das elektronische Steuergerät 16 denFilterregenerationsprozess. Wenngleich gemäß 8 und 9 dabeizwei Drucksensoren verwendet werden, kann selbstverständlich gewünschtenfallsein einziger Drucksensor auf beiden Seiten des Rußpartikelfilters 404 verwendetwerden. Bei einer solchen Konfiguration würde das elektronische Steuergerät 16 überwachen,wann der von dem einzigen Drucksensor erfasste Druck einen vorbestimmtenoberen Schwellenwert überschreitetbzw. unter einem vorbestimmten unteren Schwellenwert liegt, im Unterschiedzur Überwachungdes Druckabfalls auf dem Rußpartikelfilter 404.
[0102] Wieoben angedeutet, wird ein elektronisch gesteuertes Stromumleitungsventil 466 verwendet, umden Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wahlweisezwischen dem NOx-Abscheider 402 und dem Rußpartikelfilter 404 zulenken. Insbesondere ist ein Ende einer Fluidleitung 480 mitdem Auslass 76 des Plasmakraftstoffreformers verbunden,währenddas andere Ende der Fluidleitung 480 mit dem Einlass desUmleitungsventils 466 verbunden ist. Ein erster Auslassdes Umleitungsventils 466 steht über die Fluidleitung 426 in Fluidverbindungmit dem Einlass 424 des NOx-Abscheiders 402, während einzweiter Auslass des Umleitungsventils 466 über dieFluidleitung 456 mit dem Einlass 454 des Rußpartikelfilters 404 inFluidverbindung steht.
[0103] DasUmleitungsventil 466 ist mit dem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 468 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 466 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Infolgedessen lenkt das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wahlweiseentweder zu dem NOx-Abscheider 402 oder zu dem Rußpartikelfilter 404.Währenddes Betriebs des Motors führtdas elektronische Steuergerät 16 dahereine Steuerroutine aus, die unter anderem feststellt, wann die jeweiligenKomponenten der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 zuregenerieren sind. Aufgrund der Art des jeweils verwendeten Steuerschemas(z.B. ein sensorbasiertes Steuerschema oder ein zeitbasiertes Steuerschema)stellt das elektronische Steuergerät 16 insbesonderefest, wann der NOx-Abscheider 402 und der Rußpartikelfilter 404 zuregenerieren sind und bringt danach das Umleitungsventil 466 ineine gewünschteStellung, um den Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 zuder entsprechenden Vorrichtung (d.h. entweder zu dem NOx-Abscheider 402 oderzu dem Rußpartikelfilter 404)zu lenken. Es versteht sich, dass bei bestimmten Systemkonfigurationen derStrom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 mitHilfe des Stromumleitungsventils 466 geteilt werden kann,wobei ein Teil des Reformatgases dem NOx-Abscheider 402 zugeführt wirdund ein anderer Teil des Reformatgases dem Rußpartikelfilter 404 zugeführt wird.
[0104] Anhandvon 10 wird nun einAbgasbehandlungssystem dargestellt, bei dem zwei Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400 verwendetwerden, die in einer parallelen Anordnung ähnlich wie die Abscheider 232, 234 von 5 und 6 positioniert sind. In 10 werden dieselben Bezugszeichen verwendet,um gemeinsame Komponenten zu bezeichnen, die bereits anhand von 8 und 9 erläutertwurden, wobei auf eine zusätzlicheErläuterungderselben verzichtet wird. Darüberhinaus wurde eine Anzahl von Komponenten von 8 und 9 (z.B.die zu den Sensoren gehörigenSignalleitungen) im Interesse einer klaren Beschreibung weggelassen.
[0105] Gemäß 10 wird der Strom von Abgasen durchein Abgasumleitungsventil 470 wahlweise zwischen den zweikombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400 umgeleitet.Zum Beispiel könnenAbgase aus dem Motor 112 durch eine der Baugruppen 400 geleitetwerden, währenddie andere Baugruppe 400 offline gehalten wird. Solangesie offline ist, könnender NOx-Abscheider 402 oder der Rußpartikelfilter 404 derBaugruppe 400 oder beide einer Regeneration unterzogenwerden. Sobald der NOx-Abscheider 402 und/oder der Rußpartikelfilter 404 regeneriertwurden, kann die Stellung des Umleitungsventils 470 soumgeschaltet werden, dass Abgase aus dem Motor durch die geraderegenerierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 geleitetwerden, währenddie andere Baugruppe 400 zu Regenerationszwecken offlineist.
[0106] Esversteht sich, dass das Abgasumleitungsventil 470 entwederals Zweistellungsventil oder, in einigen Konfigurationen, als Ventilmit veränderlicher Strömung ausgeführt seinkann. Bei Verwendung eines Zweistellungsventils wird der Strom vonAbgasen zu dem offline gehaltenen kombinierten Emissionsbegrenzungssystem 400 vollständig unterbrochen.Mit anderen Worten, die offline gehaltene kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 ist gegenden Strom von Abgasen isoliert. Bei Verwendung eines Ventils mitveränderlicherStrömungkann jedoch eine gewünschteMenge des Abgasstroms durch die offline gehaltene kombinierte Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 gelenktwerden. Dieser verminderte Strom kann dazu dienen, den Regenerationsprozessdes NOx-Abscheiders 402 oder des Rußpartikelfilters 404 oderbeider zu erleichtern. Währendder Regeneration des NOx-Abscheiders 402 kann es zum Beispielwünschenswertsein, wenig bis gar keinen Strom von Abgasen durch den Abscheiderzu haben. Im Falle der Regeneration des Rußpartikelfilters 404 kannes jedoch wünschenswertsein, ein gewisses Maß anStrom von Abgasen durch den Filter 404 zu haben. Es kannzum Beispiel wünschenswertsein, einen kontrollierten Strom von Abgas durch den Filter 404 zuleiten, um ausreichende Mengen an Sauerstoff zuzuführen, umdie Oxidationsreaktionen auf der Vorderseite des stromaufwärtigen Katalysators 436 aufzurechtzuerhaltenund ausreichende Mengen an Sauerstoff bereitzustellen, um den Ruß in demRußfilter 438 mitder von dem Katalysator 436 erzeugten Wärme zu verbrennen.
[0107] Umauf diese Weise zu arbeiten, ist das Umleitungsventil 470 mitdem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 472 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 470 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Daher lenkt das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Abgas aus dem Motor oder einenTeil des Stroms von Abgas aus dem Motor wahlweise zu den entsprechendenkombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400.
[0108] DasSteuerschema zum Steuern der Stellung des Umleitungsventils 470 kannauf eine Anzahl verschiedener Arten ausgelegt sein. Zum Beispiel kannein zeitbasiertes Steuerschema verwendet werden, bei dem die Stellungdes Umleitungsventils 470 in Abhängigkeit von der Zeit geändert wird.Zum Beispiel kann die Regeneration der einzelnen Vorrichtungen derkombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400 in vorbestimmtenZeitintervallen durchgeführtwerden.
[0109] Wieoben beschrieben, kann alternativ ein sensorbasiertes Steuerschemaverwendet werden, um festzustellen, wann ein spezieller NOx-Abscheider 402 oderein spezieller Rußpartikelfilter 404 der Baugruppen 400 regeneriertwerden muss. In einem solchen Fall wird die Stellung des Umleitungsventils 470 inAbhängigkeitvom Ausgang eines oder mehrerer zu den Baugruppen 400 gehöriger Sensorengeändert.Zum Beispiel kann die Regeneration eines der NOx-Abscheider 402 beginnen, wennder Ausgang der zu dem speziellen Abscheider 402 gehörigen NOx-Sensoren 428, 430 aufein vorbestimmtes Sättigungsniveauhinweist. Analog dazu kann die Regeneration eines der Rußpartikelfilter 404 beginnen, wennder Ausgang der zu dem speziellen Rußpartikelfilter 404 gehörigen Drucksensoren 458, 460 auf einvorbestimmtes Sättigungsniveauhinweist.
[0110] EinStromumleitungsventil 474 wird verwendet, um Reformatgasaus dem Plasmakraftstoffreformer 12 zu der entsprechendenEmissionsbegrenzungsbaugruppe 400 zu lenken. Mit anderenWorten, das Umleitungsventil 474 leitet den Strom von Reformatgaswahlweise zwischen den zwei Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400 um.Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wird zumBeispiel durch das Umleitungsventil 474 und zu einer bestimmtenEmissionsbegrenzungsbaugruppe 400 geleitet, wenn die Baugruppeoffline ist und einen Regenerationszyklus durchläuft.
[0111] Umauf diese Weise zu arbeiten, ist das Umleitungsventil 474 mitdem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 476 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 474 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Daher lenkt das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 wahlweisezu einer der beiden Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400.Von da wird der Strom von Reformatgas durch das Umleitungsventil 466 weitergeleitet,so dass der Strom von Reformatgas von dem Plasmakraftstoffreformer 12 zuder entsprechenden zu der speziellen Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 gehörigen Vorrichtung(d.h. entweder zu dem NOx-Abscheider 402 oder zu dem Rußpartikelfilter 404)gelenkt wird.
[0112] Dasvon dem Steuergerät 16 ausgeführte Steuerschemasteuert die Stellung der verschiedenen Umleitungsventile, um Reformatgasund Abgas wahlweise zu der entsprechenden Vorrichtung der kombiniertenEmissionsbegrenzungsbaugruppen 400 zu lenken. Insbesonderekoordiniert das Steuergerät 16 dieStellung der Reformatgasumleitungsventile 466 und 474 mitder Stellung des Abgasumleitungsventils 470, um den Stromvon Reformatgas und den Strom von Abgas zu der entsprechenden Vorrichtung(d.h. entweder zu dem NOx-Abscheider 402 oderzu dem Rußpartikelfilter 404)der entsprechenden kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 zulenken. Insbesondere wenn das Abgasumleitungsventil 470 sopositioniert ist, dass Abgas durch eine spezielle Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 (d.h.durch die online geschaltete Baugruppe 400) gelenkt wird,sind die Reformatgasumleitungsventile 466 und 474 jeweilsso positioniert, dass der Strom von Reformatgas aus dem Plasmakraftstoffreformer 12 zuder entsprechenden Vorrichtung der offline geschalteten Baugruppe 400 gelenktwird, wodurch deren Regeneration erleichtert wird. Wie oben beschrieben,kann in einem solchen Fall das Abgasumleitungsventil 470 wahlweiseso positioniert werden, dass ein kontrollierter Strom von Abgasendurch die offline geschaltete Baugruppe 400 möglich ist, wennein solcher kontrollierter Strom während des Regenerationsprozessesvon Nutzen ist.
[0113] Anhandvon 11 wird nun einAbgasbehandlungssystem dargestellt, das dem in 10 dargestellten System ähnlich ist.In 11 werden dieselbenBezugszeichen verwendet, um gemeinsame Komponenten zu bezeichnen,die bereits anhand von 10 erläutert wurden,wobei auf eine zusätzliche Erläuterungderselben verzichtet wird.
[0114] DasSystem von 11 ist imWesentlichen dasselbe wie das System von 10, außer dass zwei Plasmakraftstoffreformer 12 verwendetwerden. Die Verwendung einer Vielzahl von Kraftstoffreformern istbesonders nützlich,wenn die Reformatgasanforderungen des Systems die Produktionskapazität eineseinzigen Reformers übersteigen.
[0115] Beider in 11 dargestelltenbeispielhaften Ausführungsformist jeder Plasmakraftstoffreformer 12 einer der Baugruppen 400 "zugeordnet". Mit anderen Worten,Reformatgas aus einem bestimmten Plasmakraftstoffreformer 12 dientzum Regenerieren eines der NOx-Abscheider 402 und einesder Rußpartikelfilter 404,wird aber nicht beim Regenerieren des anderen Abscheiders 402 oderFilters 404 verwendet. Es versteht sich jedoch, dass entsprechendden Bedürfnisseneiner gegebenen Systemkonstruktion die Plasmakraftstoffreformer 12 betriebenwerden können,um Reformatgas zu erzeugen und jeder der zu den beiden Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400 gehörigen Vorrichtungenzuzuführen.In einem solchen Fall könnenein Gasführungs-/Ventileinstellungsschemaund ein zugehörigesSteuerschema dazu ausgelegt sein, die Zufuhr von Reformatgas zujeder der Vorrichtungen der beiden kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppen 400 zuerlauben.
[0116] Wienun näherbeschrieben wird, kann der Plasmakraftstoffreformer 12 inverschiedenen Betriebsarten betrieben werden, um verschiedene Mengenund/oder Zusammensetzungen von Reformatgas zu erzeugen und verschiedenenVorrichtungen zuzuführen.Wie hierin beschrieben, kann insbesondere ein einziger Plasmakraftstoffreformer 12 betriebenwerden, um Reformatgas zu erzeugen und einer Anzahl verschiedenerVorrichtungen wie zum Beispiel einer Brennstoffzelle, einem NOx-Abscheider, einemRußpartikelfilter,einem Einlass eines Verbrennungsmotors, etc. zuzuführen. Wenngleichjeder dieser Vorrichtungen eine gemeinsame Menge und/oder Zusammensetzungvon Reformatgas zugeführtwerden kann, kann es bei bestimmten Systemkonstruktionen wünschenswertsein, einer oder mehreren solcher Vorrichtungen eine Menge und/oderZusammensetzung von Reformatgas zuzuführen, die anders ist als dieMenge und/oder Zusammensetzung, die einer oder mehreren anderenVorrichtungen zugeführtwird.
[0117] Dievon dem Plasmakraftstoffreformer 12 während eines gegebenen Zeitraumsproduzierte Menge an Reformatgas kann auf eine Anzahl verschiedenerArten gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Plasmakraftstoffreformer 12 während des gegebenenZeitraums wahlweise betrieben werden, um die von dem Reformer produzierteMenge an Reformatgas zu steuern. Insbesondere ist ein besondersnützlichesMerkmal des Plasmakraftstoffreformers 12 sein relativ raschesAnsprechen auf die Forderung nach einer Änderung in der Produktion von Reformatgas.In der Tat kann die von dem Plasmakraftstoffreformer 12 produzierteMenge an Reformatgas unter anderem aufgrund der Strömungsgeschwindigkeitenvon Luft und Kraftstoff, die in den Reformer eingeleitet werden,und aufgrund des dem Kraftstoffreformer zugeführten Energieniveaus rasch erhöht oderherabgesetzt werden. Darüberhinaus kann der Plasmakraftstoffreformer 12 außerdem für eine gewisseZeit abgeschaltet werden, indem der durch die Stromquelle 36 (siehe 1) den Elektroden 54, 56 (siehe 2) zugeführte Strom unterbrochen wird.Die Verwendung solcher Abschaltzeiten kann dazu benutzt werden,die Menge an Reformatgas zu steuern, die erzeugt und einer bestimmten Vorrichtungwährendeines gegebenen Zeitraums zugeführtwird.
[0118] Dieeiner bestimmten Vorrichtung zugeführte Menge an Reformatgas kannauch dadurch gesteuert werden, dass der Strom von Reformatgas zuder bestimmten Vorrichtung unabhängigvon der von dem Plasmakraftstoffreformer 12 erzeugten Menge anReformatgas gesteuert wird. Insbesondere kann das hierin beschriebeneSteuerschema zum Steuern der verschiedenen Reformatgasumleitungsventileso ausgelegt werden, dass ein Strom von Reformatgas für eine Zeitdauer,die von der Zeitdauer verschieden ist, in der das Ventil so positioniertist, dass der Strom von Reformatgas zu einer anderen Vorrichtunggelenkt wird, zu einer gegebenen Vorrichtung gelenkt wird. Mit anderenWorten, das Ventileinstellungsschema, nach dem der Strom von Reformatgaszu bestimmten Vorrichtungen gelenkt wird, kann so ausgelegt sein,dass verschiedenen Vorrichtungen verschiedene Mengen an Reformatgaszugeführtwerden.
[0119] Ebensokann die Zusammensetzung des von dem Plasmakraftstoffreformer 12 produzierten Reformatgasesauf eine Anzahl verschiedener Arten gesteuert werden. Zum BeispielkönnenReformatgase unterschiedlicher Zusammensetzung produziert werden,indem das Luft/Kraftstoff-Verhältnisdes von dem Plasmakraftstoffreformer 12 verarbeiteten Luft/Kraftstoff-Gemischesverändertwird. Darüberhinaus kann der Ort (könnendie Orte), an dem (an denen) Luft in den Plasmakraftstoffreformer 12 eingeleitetwird, die Zusammensetzung des produzierten Reformatgases ebenfallsverändern.Insbesondere kann, wie oben beschrieben, Luft an einer Anzahl verschiedenerOrte in den Plasmakraftstoffreformer 12 eingeleitet werden.Luft wird zum Beispiel durch den Lufteinlass 74 in denPlasmakraftstoffreformer 12 eingeleitet. Luft wird außerdem inden Plasmakraftstoffreformer 12 eingeleitet, indem derKraftstoff vor der Einspritzung mit dem Kraftstoffinjektor 38 mit Luftgemischt wird. Darüberhinaus kann der Plasmakraftstoffreformer 12 auch so ausgeführt sein,dass er zusätzlicheLufteinlässeaufweist. Zum Beispiel kann der Plasmakraftstoffreformer 12 soausgelegt sein, dass er einen Lufteinlass zum Einleiten von Luftdirekt in die Reaktorkammer 50 aufweist (d.h. ohne zuerstdurch die Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 geleitet zu werden).Durch Veränderndes Anteils des durch jeden dieser Einlasse eingeleiteten Luftstroms insgesamtkann die Zusammensetzung des Reformatgases verändert werden.
[0120] DerBetrieb der Stromquelle 36 kann ebenfalls verändert werden,um veränderlicheReformatgaszusammensetzungen zu produzieren. Durch Verändern derStromabgabemenge oder der Frequenz der Stromquelle 36 kanndie Zusammensetzung des Reformatgases verändert werden.
[0121] DieZusammensetzung des Reformatgases kann auch verändert werden durch Verändern des Vorhandenseins,der Anzahl oder der Art des Katalysators, durch den das Reformatgasnach seinem Austritt aus der Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 geleitetwird. Wie oben angedeutet, kann der Plasmakraftstoffreformer 12zum Beispiel mit oder ohne einen in dem Reaktionsraum 50 positioniertenKatalysator (d.h. mit oder ohne den Katalysator 78 von 2) ausgeführt sein.Das von einem Plasmakraftstoffreformer mit einem solchen Katalysatorproduzierte Reformatgas hat eine andere Zusammensetzung als dasvon einem Plasmakraftstoffreformer, der keinen solchen Katalysatorhat, produzierte Reformatgas. Dazu kann ein Plasmakraftstoffreformermit einem internen Gasleitungs-/Ventileinstellungsschema ausgelegtsein, das einen Umgehungsströmungsweg aufweist,um das aus der Plasmaerzeugungsbaugruppe 42 austretendeGas wahlweise entweder durch den in dem Reaktionsraum 50 positionierten Katalysator 78 oderalternativ um diesen Katalysator herum zu führen. Alternativ kann der Katalysatoraus dem Reaktionsraum entfernt und in einem separaten Gehäuse positioniertwerden. In einem solchen Fall kann Reformatgas wahlweise durch einsolches Gehäusegeleitet werden oder kann ein solches Gehäuse umgehen, um Reformatgasemit unterschiedlichen Zusammensetzungen zu produzieren.
[0122] Außerdem verstehtes sich, dass auch zusätzlicheKatalysatoren verwendet werden können, umReformatgase verschiedener Zusammensetzungen zu produzieren. Insbesonderekönnenunabhängigdavon, ob ein Katalysator in dem Reaktionsraum 50 angeordnetist oder nicht, eine Anzahl zusätzlicher Katalysatorenverwendet werden, um das Reformatgas zu behandeln. Ein Leitungs-/Ventileinstellungsschemakann so ausgelegt sein, dass das Reformatgas wahlweise durch einenoder mehrere solcher zusätzlicherKatalysatoren geleitet wird, um Reformatgase verschiedener Zusammensetzungenzu produzieren.
[0123] Wieoben anhand von 1 und 2 beschrieben, kann der Plasmakraftstoffreformer 12 betrieben werden,um ein Reformatgas zu produzieren, das unter anderem reich ist anWasserstoff und Kohlenmonoxid. Die Menge einer jeden dieser Verbindungenin dem Reformatgasstrom kann auf die oben beschriebenen Arten verändert werden.Darüberhinaus kann auf die oben beschriebene Weise auch ein Strom von Reformatgaserzeugt werden, das reich ist an anderen Verbindungen. Zum Beispielkann auch Reformatgas erzeugt werden, das reich ist an Acetylen, Methan,Propanol oder Ethanol.
[0124] DurchVerändernder Menge und/oder Zusammensetzung des erzeugten und einer bestimmtenVorrichtung zugeführtenReformatgases kann der Betrieb der Vorrichtung mit dem Wirkungsgraddes Kraftstoffreformers ausgeglichen werden. Insbesondere kann derBetrieb des Plasmakraftstoffreformers 12 so konfiguriertsein, dass eine Menge und/oder Zusammensetzung von Reformatgas erzeugtund zugeführtwird, die ausreicht, um den Betrieb der Vorrichtung zu unterstützen, ohne "verschwenderisch" zu sein. Insbesonderekorreliert der Wirkungsgrad des Systems sowohl mit der Menge anproduziertem Reformatgas als auch mit der "Reinheit" des Gases. Zum Beispiel braucht dasSystem mehr Energie, um eine relativ große Menge an Reformat zu produzieren,als um eine relative kleine Menge an Reformatgas zu produzieren.Analog dazu braucht das System mehr Energie, um ein Reformatgaszu produzieren, das eine relativ große Menge Wasserstoff enthält, als eines,das eine kleinere Menge Wasserstoff enthält.
[0125] Aufgrundder obigen Beschreibung versteht es sich, dass das elektronischeSteuergerät 16 so konfiguriertsein kann, dass eine Steuerroutine ausgeführt wird, die eine individuelleAuslegung der Menge und/oder Zusammensetzung des erzeugten und denverschiedenen Vorrichtungen zugeführten Reformatgases erlaubt.Im Falle der anhand von 3-6 beschriebenen Antriebssystemekann zum Beispiel der Plasmakraftstoffreformer 12 betrieben werden,um ein Reformatgas zu erzeugen und der Brennstoffzelle 116 zuzuführen, daseine andere Zusammensetzung hat als das Reformatgas, das erzeugtund der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zugeführt wird.Tatsächlicharbeiten bestimmte Arten von Brennstoffzellen effizienter, wennihnen ein Reformatgas zugeführtwird, das zum Beispiel reich ist an Wasserstoff. Während dieEmissionsbegrenzungsvorrichtung 118 mit Reformatgas regeneriert werdenkann, das reich ist an Wasserstoff, kann die Regeneration auch miteinem Reformatgas aufrechterhalten werden, das nicht in einem solchenMaß reformiertwurde. Insbesondere kann die Regeneration der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 miteinem Reformatgas aufrechterhalten werden, das reich ist an Kohlenwasserstoffen,die größer sindals Wasserstoff. Zum Beispiel kann die Regeneration der Emissionsbegrenzungsvorrichtungunter Verwendung eines Reformatgases aufrechterhalten werden, das ausreichendeMengen an Acetylen, Methan, Propanol oder Ethanol enthält. Daherkann der Plasmakraftstoffreformer 12 in einer Betriebsartbetrieben werden, in der wasserstoffreiches Reformatgas erzeugtund der Brennstoffzelle 116 zugeführt wird, und auch in eineranderen Betriebsart, in der Reformatgas, das reich ist an größeren Kohlenwasserstoffen, erzeugtund der Emissionsbegrenzungsvorrichtung 118 zugeführt wird.
[0126] Wieoben im Zusammenhang mit der Erläuterungder 3-6 angedeutet, kann Reformatgas aus demPlasmakraftstoffreformer 12 auch dem Einlass des Verbrennungsmotors 112 zugeführt werden. Ineinem solchen Fall kann die Menge und/oder Zusammensetzung des demMotor 112 zugeführtenReformatgases verschieden sein von der Menge und/oder Zusammensetzungdes einer anderen Vorrichtung (z.B. der Brennstoffzelle 116)zugeführten Reformatgases.
[0127] Ein ähnlichesSchema kann währendder Regeneration der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 von 8-11 verwendet werden.
[0128] Insbesonderekann es bei bestimmten Konstruktionen wünschenswert sein, wasserstoffreiches Reformatgaszu erzeugen und einer der Vorrichtungen (z.B. dem NOx-Abscheider 402 oderdem Rußpartikelfilter 404)zuzuführen,währendReformatgas, das reich ist an größeren Kohlenwasserstoffen,erzeugt und der anderen Vorrichtung zugeführt wird. Zum Beispiel kannder Plasmakraftstoffreformer 12 in einer Betriebsart betriebenwerden, in der wasserstoffreiches Reformatgas erzeugt und dem NOx-Abscheider 402 zugeführt wird,und auch in einer anderen Betriebsart, in der Reformatgas, das reichist an größeren Kohlenwasserstoffen,erzeugt und dem Rußpartikelfilter 404 zugeführt wird,oder umgekehrt.
[0129] EinSteuerschema, das die jeder Vorrichtung zugeführte Menge an Reformatgas verändert, kann während derRegeneration der kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe 400 ebenfallsverwendet werden. Insbesondere kann es wünschenswert sein, eine Mengean Reformatgas zu erzeugen und einer der Vorrichtungen (z.B. demNOx-Abscheider 402 oder dem Rußpartikelfilter 404)zuzuführen,die von der der anderen Vorrichtung zugeführten Menge an Reformatgasverschieden ist. Zum Beispiel kann der Plasmakraftstoffreformer 12 ineiner Betriebsart betrieben werden, in der eine erste Menge an Reformatgaserzeugt und dem NOx-Abscheider 402 zugeführt wird,und auch in einer anderen Betriebsart, in der eine zweite, kleinereMenge an Reformatgas erzeugt und dem Rußpartikelfilter 404 zugeführt wird,oder umgekehrt.
[0130] Anhandvon 12 ist nun eineweitere Ausführungsformeiner Emissionsbegrenzungsbaugruppe (hierin mit dem Bezugszeichen 500 bezeichnet) dargestellt.Die Emissionsbegrenzungsbaugruppe 500 umfasst zwei Dieselpartikel-NOx-Reduktionsvorrichtungen(DPNR-Vorrichtungen) 502, 504 zum Entfernen undBehandeln von sowohl NOx als auch Rußpartikeln, die in dem Abgasvon dem Verbrennungsmotor 112 (z.B. einem Dieselmotor,einem Benzinmotor, einem Benzinmotor mit Direkteinspritzung odereinem Erdgasmotor) vorhanden sind. Die DPNR-Vorrichtungen 502, 504 sindparallel zueinander angeordnet. An sich wird die DPNR-Vorrichtung 502 zweckseiner klaren Beschreibung hierin als die rechte DPNR-Vorrichtungbezeichnet, währenddie DPNR-Vorrichtung 504 hierin als die linke DPNR-Vorrichtungbezeichnet wird. Eine solche Verwendung von Richtungsangaben (d.h.rechts und links) soll jedoch nicht auf eine bestimmte Ausrichtungschließen lassen,sondern wird hierin vielmehr nur zur Vereinfachung der Beschreibungverwendet.
[0131] DieDPNR-Vorrichtungen 502, 504 können jede Art von DPNR-Vorrichtungsein, die das Absorbieren und Entfernen von NOx und Rußpartikelnunter den in Verbindung mit Abgasen aus Dieselmotoren, Benzinmotorenmit Direkteinspritzung oder Erdgasmotoren auftretenden mageren Bedingungenerleichtert. Spezielle Beispiele für DPNR-Vorrichtungen, die alsdie DPNR-Vorrichtungen 502, 504 der vorliegendenOffenbarung verwendet werden können,umfassen unter anderem die DPNR-Vorrichtungen gemäß den US-PatentanmeldungenNr. 2002/0165063 A1, 2002/0056273 A1 und 2003/0010022 A1, die jeweilshierin mit einbezogen werden. Die DPNR-Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarungkönnenauch als jede der DPNR-Vorrichtungen ausgeführt sein, die in dem SAE Technical PaperNr. 2002-01-0957 mit dem Titel "Simultaneous PMand NOx Reduction System for Diesel Engines" (System zur gleichzeitigen Reduktionvon NOx und Partikeln bei Dieselmotoren) von Nakatani et al offenbartsind, das ebenfalls hierin mit einbezogen wird.
[0132] Wiein den oben genannten, hierin mit einbezogenen Veröffentlichungenbeschrieben wird, ist eine DPNR-Vorrichtung im Wesentlichen eineStruktur, die Rußpartikelabsorbiert und mit einem NOx-speichernden Reduktionskatalysatormaterial beschichtetist, wodurch NOx ebenfalls absorbiert wird. Daher absorbiert eineDPNR-Vorrichtung sowohl Rußpartikelals auch NOx. Eine beispielhafte DPNR-Vorrichtung ist als poröse monolithischeWabenstruktur ausgeführt,die mit einem NOx-speichernden Reduktionskatalysator beschichtetist. Filterkanälein der Struktur werden alternativ verschlossen, um den Abgasstromdurch die poröseWand zu drücken,wo Rußpartikelvorübergehendabsorbiert werden. Das NOx-speichernde Reduktionskatalysatormaterialist auf beiden Substratwändenund auch im Inneren der Substratporen aufgebracht.
[0133] DieEmissionsbegenzungsbaugruppe 500 umfasst außerdem einenOxidationskatalysator 506. Der Katalysator 506 kannals jede Art von Katalysator ausgeführt sein, der so konfiguriertist, dass er Oxidationsreaktionen in einem Abgasstrom katalysiert.Bei einer beispielhaften Ausführungsformist der Katalysator 506 als Substrat ausgeführt, aufdem ein Edelmetall oder eine andere Art von katalytischem Materialangeordnet ist. Ein solches Substrat kann aus Keramik, Metall odereinem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Das katalytischeMaterial kann zum Beispiel als Platin, Rhodium, Palladium einschließlich Kombinationenderselben zusammen mit allen anderen ähnlichen katalytischen Materialien ausgeführt sein.Wenn er den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 nachgeschaltetist, kann der Katalysator 506 bewirken, dass jeglicherWasserstoff- oder Kohlenwasserstoff"rückstand" aus den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 beseitigtwird. Zum Beispiel kann der Oxidationskatalysator 506 verwendetwerden, um H₂, bestimmte Kohlenwasserstoffeoder H₂S zu oxidieren, die in den aus denVorrichtungen 502, 504 austretenden Gasen vorhandensein können.
[0134] Gemäß 12 leitet ein Umleitungsventil 508 denStrom von Abgas aus dem Motor 112 wahlweise zwischen denDPNR-Vorrichtungen 502, 504 um. Insbesondere kanndas Umleitungsventil 508 betrieben werden, um einen Stromvon Abgas aus dem Motor 112 zwischen einem rechten Strömungsweg 510 undeinem linken Strömungsweg 512 umzuleiten.Die rechte DPNR-Vorrichtung 502 ist im rechten Strömungsweg 510 sopositioniert, dass durch den rechten Strömungsweg 510 strömendes Abgasoder Reformatgas durch die rechte DPNR-Vorrichtung 502 geleitet wird.Die linke DPNR-Vorrichtung 504 ist im linken Strömungsweg 512 sopositioniert, dass durch den linken Strömungsweg 512 strömendes Abgasoder Reformatgas durch die linke DPNR-Vorrichtung 504 geleitetwird.
[0135] Wieaußerdemin 12 gezeigt, sindder rechte Strömungsweg 510 undder linke Strömungsweg 512 durchein Strömungsverbindungselement 514 verbunden.Das Strömungsverbindungselement 514 istden DPNR-Vorrichtungen 502, 504 nach- und demOxidationskatalysator 506 vorgeschaltet. Infolgedessenwird aus den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 austretendesGas durch den Oxidationskatalysator 506 geleitet.
[0136] Beider hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsform werden eine Anzahlvon Fluidleitungen wie zum Beispiel Rohre, Schläuche oder dergleichen verwendet,um die verschiedenen Strömungswegezu schaffen. Insbesondere steht ein Abgaseinlass 516 desUmleitungsventils 508 übereine Fluidleitung 520 in Fluidverbindung mit einem Abgaskrümmer 518 desMotors 112. Ein rechter Auslass 522 des Umleitungsventils 508 steht über eineFluidleitung 526 in Fluidverbindung mit einem Einlass 524 derrechten DPNR-Vorrichtung 502, während ein linker Auslass 528 desUmleitungsventils 508 übereine Fluidleitung 532 mit einem Einlass 530 derlinken DPNR-Vorrichtung 504 in Fluidverbindung steht. Ein Auslass 534 derrechten DPNR-Vorrichtung 502 steht über eine Fluidleitung 536 mitdem Strömungsverbindungselement 514 inFluidverbindung, währendein Auslass 538 der linken DPNR-Vorrichtung 504 über dieFluidleitung 540 mit dem Strömungsverbindungselement 514 inFluidverbindung steht. Über eineFluidleitung 542 steht das Strömungsverbindungselement 514 miteinem Einlass 544 des Oxidationskatalysators 506 inFluidverbirdung. Übereine Fluidleitung 546 ist ein Auslass 548 desOxidationskatalysators 506 entweder offen zur Atmosphäre odermit einer zusätzlichenKomponente des Abgassystems (nicht dargestellt) verbunden, die demOxidationskatalysator 506 nachgeschaltet ist.
[0137] Beieiner solchen Konfiguration kann Abgas von dem Motor 112 durchdie Emissionsbegrenzungsbaugruppe 500 geleitet werden,um unter anderem NOx und Rußpartikeldaraus zu entfernen. Dazu kann Abgas wahlweise zwischen die beiden DPNR-Vorrichtungen 502, 504 geleitetwerden, um sowohl eine Abgasbehandlung als auch eine Regenerationder Vorrichtung zu erlauben. Zum Beispiel kann Abgas durch die rechteDPNR-Vorrichtung 502 geleitet werden, während die linke DPNR-Vorrichtung 504 "offline" gehalten wird. Während sieoffline ist, kann die linke DPNR-Vorrichtung 504 einerNOx- und Rußregenerationunterzogen werden. In diesem Fall wird Abgas über einen Fluidweg geleitet,der die Fluidleitung 520 aus dem Abgaskrümmer 518,das Umleitungsventil 508, die Fluidleitung 526 zuder rechten DPNR-Vorrichtung 502, durch die Vorrichtung 502 unddie Fluidleitung 536 zu dem Strömungsverbindungselement 514,die Fluidleitung 542 zu dem Oxidationskatalysator 506,durch den Katalysator 506 und durch die Fluidleitung 546 hinausumfasst.
[0138] Sobalddie linke DPNR-Vorrichtung 504 regeneriert wurde, kanndie Stellung des Umleitungsventils 508 so umgeschaltetwerden, dass Abgas aus dem Motor 112 durch die linke DPNR-Vorrichtung 504 geleitetwird, währenddie rechte DPNR-Vorrichtung 502 zur NOx- und Rußregenerationoffline ist. In diesem Fall wird Abgas über einen Fluidweg, der die Fluidleitung 520 ausdem Abgaskrümmer 518,das Umleitungsventil 508, die Fluidleitung 532 zuder linken DPNR-Vorrichtung 504, durch die Vorrichtung 504 unddie Fluidleitung 540 zu dem Strömungsverbindungselement 514,die Fluidleitung 542 zu dem Oxidationskatalysator 506,durch den Katalysator 506 und durch die Fluidleitung 546 hinausumfasst.
[0139] DasUmleitungsventil 508 leitet nicht nur Abgas von dem Motor 112 zuder entsprechenden DPNR-vorrichtung 502, 504 um,sondern ist außerdemso konfiguriert, dass es Reformatgas von dem Kraftstoffreformer 12 zuder entsprechenden DPNR-Vorrichtung 502, 504 umleitet.Insbesondere steht der Auslass 76 (siehe 2) des Kraftstoffreformers 12 über dieFluidleitung 80 in Fluidverbindung mit einem Reduktionsfluideinlass 548 desUmleitungsventils 508. Das Umleitungsventil 508 leitet Reformatgasvon dem Kraftstoffreformer 12 zu der offline geschaltetenDPNR-Vorrichtung 502, 504 um. Insbesondere wirdMotorabgas, wie oben beschrieben, von dem Umleitungsventil 508 durcheine der Vorrichtungen 502, 504 geleitet, während dieandere Vorrichtung zur Regeneration offline gehalten wird. Das Umleitungsventil 508 leitetMotorabgas durch eine der Vorrichtungen 502, 504,währendes Reformatgas von dem Kraftstoffreformer 12 durch dieandere Vorrichtung 502, 504 leitet. Daher kannein einziges Ventil verwendet werden, um sowohl Motorabgas als auchReformatgas zu der entsprechenden DPNR-Vorrichtung 502, 504 zuleiten, wodurch es überflüssig wird,viele verschiedene Ventile zu verwenden. Ein Umleitungsventil für diesenZweck wird beschrieben in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr.10/345,681 mit dem Titel "Method andApparatus for Directing Exhaust Gas and Reductant Fluid in an EmissionAbatement System" (Verfahrenund Vorrichtung zum Lenken von Abgas und Reduktionsfluid in einemEmissionsbegrenzungssystem) (Anwaltsakte Nr. 9501-72272, 03MRA0123),die am 16. Januar 2003 eingereicht wurde, auf denselben Rechtsnachfolger übertragenist wie die vorliegende Anmeldung und hierin mit einbezogen wird.Es versteht sich jedoch, dass die Verwendung eines einzigen Umleitungsventilszwar eine Anzahl von Vorteilen hat, doch auch andere Ventilanordnungen,einschließlichVentilanordnungen mit einer Vielzahl von Ventilen, im Rahmen derKonzepte der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können.
[0140] DasUmleitungsventil 508 ist mit dem elektronischen Steuergerät 16 über eineSignalleitung 550 elektrisch verbunden. An sich unterliegtdie Stellung des Umleitungsventils 508 der Steuerung deselektronischen Steuergeräts 16.Daher lenkt das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Abgas von dem Motor 112 und denStrom von Reformatgas von dem Kraftstoffreformer 12 wahlweiseentweder zu der rechten DPNR-Vorrichtung 502 oder zu derlinken DPNR-Vorrichtung 504 oder zu einer Kombination derbeiden Vorrichtungen 502, 504.
[0141] DasSteuerschema zum Steuern der Stellung des Umleitungsventils 508 kannauf eine Anzahl verschiedener Arten ausgelegt sein. Zum Beispiel kannein sensorbasiertes Steuerschema verwendet werden. In einem solchenFall wird die Stellung des Umleitungsventils 508 in Abhängigkeitvom Ausgang eines oder mehrerer zu den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 gehöriger Sensorengeändert.Zum Beispiel kann die Regeneration einer der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 beginnen,wenn der Ausgang aus einem NOx-Sensor 552 auf ein vorbestimmtes NOx-Akkumulationsniveauin der online geschalteten Vorrichtung hinweist. Insbesondere istder NOx-Sensor 552 so positioniert, dass er den NOx-Gehaltdes durch die Fluidleitung 542 strömenden Abgases erfassen kann.In dieser den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 nachgeschaltetenLage kann der Sensor 552 zur Überwachung des NOx-Akkumulationsniveausder DPNR-Vorrichtung 502, 504, durch die Motorabgas geleitetwird (d.h. der online geschalteten Vorrichtung), verwendet werden.Wenn der Ausgang des NOx-Sensors 552 anzeigt, dass einebestimmte DPNR-Vorrichtung 502, 504 regeneriertwerden muss, schaltet an sich das Steuergerät 16 die Vorrichtung 502, 504,die regeneriert werden muss, offline und schaltet die andere Vorrichtung 502, 504 auf dieoben beschriebene Weise online.
[0142] Alternativkann ein zeitbasiertes Steuerschema verwendet werden, bei dem dieStellung des Umleitungsventils 508 in Abhängigkeitvon der Zeit geändertwird. Zum Beispiel kann die Regeneration der Vorrichtungen 502, 504 invorbestimmten Zeitintervallen durchgeführt werden. In einem solchenFall kann der NOx-Sensor 552 überhaupt weggelassen werdenoder als "Ausfallschutz" verwendet werden, umsicherzustellen, dass die Regeneration während eines Zeitintervallsnicht vorzeitig benötigtwird.
[0143] Darüber hinauskann ein Steuerschema mit Motorkennfeld verwendet werden, bei demdie Stellung des Umleitungsventils 508 in Abhängigkeitvon der Motorlast überdie Zeit geändertwird. Insbesondere kann ein Motorkennfeld erzeugt werden, das es demSteuergerät 16 erlaubt,die von dem Motor 112 erzeugte NOx-Menge anhand der Motorlastbedingungenfestzustellen. Wenn das Steuergerät 16 feststellt, dassder Motor 112 eine vorbestimmte NOx-Menge erzeugt hat,wobei eine solche Menge in der online geschalteten Vorrichtung 502, 504 absorbiertwird, schaltet das Steuergerät 16 dieStellung des Umleitungsventils 508 um, wodurch die Vorrichtungzur Regeneration offline geschaltet wird und Abgas durch die andereVorrichtung geleitet wird. Wie bei dem zeitbasierten Steuerschemakann der NOx-Sensor 552 aus diesem Steuerschema ganz weggelassenwerden oder lediglich als "Ausfallschutz" verwendet werden,um sicherzustellen, dass die Regeneration während eines dargestellten Intervallsnicht vorzeitig benötigtwird.
[0144] Wasdie Beseitigung von Rußpartikelnaus den Vorrichtungen 502, 504 angeht, so kannbei Verwendung einer katalysierten Vorrichtung die Rußregenerationder Vorrichtungen 502, 504 in erster Linie infolgeder Einleitung von Wärmeaus dem Motorabgas in die Vorrichtungen 502, 504 durchgeführt werden.Mit anderen Worten, in den Vorrichtungen 502, 504 absorbierterRuß wirdwährenddes Betriebs des Motors 112 ständig entzündet oder anderweitig aus denVorrichtungen beseitigt. Notfalls kann der Betrieb des Motors 112 vorübergehendgeändertwerden, um die Beseitigung von Rußpartikeln aus den Vorrichtungen 502, 504 zuerleichtern. Zum Beispiel kann der Motor 112 so betriebenwerden, dass die Abgastemperaturen ansteigen, wodurch die Oxidationsgeschwindigkeitder absorbierten Rußpartikelansteigt. Eine Möglichkeithierfürist die Erzeugung eines starken Stroms von Abgas aus dem Motor 112,um die Oxidation der in den Vorrichtungen 502, 504 absorbiertenRußpartikelzu stimulieren. Neben einem Anstieg der Abgastemperaturen verbessertdie Erzeugung eines solchen starken Gasstroms auch die katalytischeWirksamkeit der Edelmetalle der Vorrichtungen 502, 504 underzeugt eine zusätzlicheMenge an aktivem Sauerstoff, wodurch die Oxidationscharakteristikder Rußpartikelerhöhtwird.
[0145] Unterbestimmten Umständenkann jedoch eine oder beide der Vorrichtungen 502, 504 miteiner Menge an Rußpartikelnimprägniertwerden, die mit Hilfe der Motorwärmeallein nicht entfernt werden können.Wenn zum Beispiel die Motorbetriebsbedingungen dazu führen, dasseine abnorm großeMenge an Rußpartikelnerzeugt wird (und daher von den Vorrichtungen 502, 504 absorbiertwird), sind die DPNR-Vorrichtungen 502, 504 vielleichtnicht in der Lage, die Rußpartikelmit Hilfe der Abgaswärmeallein vollständigdaraus zu entfernen.
[0146] Wenndarüberhinaus der Motor 112 unter anhaltend instationären Bedingungen(z.B. Anlassen, Leerlauf, etc.) betrieben wird, werden die Abgastemperaturengesenkt, wodurch der Regenerationswirkungsgrad der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 verringertwird. In solchen Fällenbzw. in jedem sonstigen Fall, wo eine oder beide der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 miteiner Menge an Rußpartikelnimprägniertwerden können,die mit Hilfe der Abgaswärme allein(oder eines geändertenMotorbetriebs) nicht entfernt werden können, kann Reformatgas ausdem Kraftstoffreformer 12 dazu verwendet werden, die Beseitigungvon Rußpartikelnaus den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 zu unterstützen. Insbesondere kanneine Menge an Reformatgas aus dem Kraftstoffreformer 12 indie DPNR-Vorrichtungen 502, 504 eingeleitet werden,um die Oxidation der darin absorbierten Rußpartikel zu erleichtern. DerWasserstoff, das Kohlenmonoxid und die leichten Kohlenwasserstoffeaus dem Reformatgas reagieren mit Sauerstoff, um in den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 ausreichendWärme zuerzeugen, um die in den Vorrichtungen absorbierten Rußpartikelabzubrennen oder anderweitig zu verbrennen.
[0147] Gemäß 12 hat jede der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 zweizugehörigeDrucksensoren 554, 556. Das elektronische Steuergerät 16 istmit den Drucksensoren 554, 556 über zweiSignalleitungen 558, 560 elektrisch verbunden.Die Drucksensoren 554, 556 können verwendet werden, um festzustellen,wann die DPNR-Vorrichtungen 502, 504 die Unterstützung desKraftstoffreformers 12 bei der Rußregeneration brauchen. Insbesondereerfassen die Drucksensoren 554, 556 den Druckunterschied aufden DPNR-Vorrichtungen 502, 504, um das Rußakkumulationsniveauin den Vorrichtungen zu ermitteln. Insbesondere wenn der Druckabfallauf einer gegebenen DPNR-Vorrichtung 502, 504 aufeinen vorbestimmten Wert ansteigt, stellt das elektronische Steuergerät 16 fest,dass die gegebene DPNR-Vorrichtung 502, 504 regeneriertwerden muss, und beginnt mit dem unterstützten Rußregenerationsprozess (d.h.Reformatgas wird zu der gegebenen DPNR-Vorrichtung geleitet). Anstelleeiner solchen Anordnung mit zwei Sensoren kann gewünschtenfallsein einziger Drucksensor auf beiden Seiten der DPNR-Vorrichtung 502, 504 verwendetwerden. Bei einer solchen Konfiguration würde das elektronische Steuergerät 16 überwachen,wann der von dem einzigen Drucksensor erfasste Druck einen vorbestimmtenoberen Schwellenwert übersteigtoder unter einem vorbestimmten unteren Schwellenwert liegt, im Unterschiedzur Überwachungdes Druckabfalls auf der DPNR-Vorrichtung 502, 504.Wenn bei jeder dieser Sensorkonfigurationen der Sensorausgang anzeigt,dass eine der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 eineRußpartikelregenerationbraucht, betreibt das Steuergerät 16 denKraftstoffreformer 12 so, dass ein Strom von Reformatgaserzeugt wird, der zu der DPNR-Vorrichtung 502, 504 gelenktwird, wodurch der oben beschriebene unterstützte Regenerationsprozess begonnenwird.
[0148] Esversteht sich, dass auch andere Schemata der unterstützten Rußregenerationunter Verwendung von Reformatgas aus dem Kraftstoffreformer 12 inBetracht gezogen werden. Zum Beispiel können die DPNR-Vorrichtungen 502, 504 mitder in dem Kraftstoffreformer 12 erzeugten Wärme von Rußpartikelngereinigt werden, indem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des von dem Kraftstoffreformer 12 verarbeitetenLuft/Kraftstoff-Gemisches erhöhtwird (d.h. durch Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches miteinem Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis zwischen 1,4 und 4,0und nicht wie üblichzwischen 1,0 und 1,4). Mit dieser Betriebsweise werden H₂ und CO in dem Reformatgas ganz oder teilweisein Wärmein dem Reformer 12 umgewandelt. Diese Wärme kann dann durch das Systemzu den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 befördert werden,um den Rußregenerationsprozesszu erleichtern. Dieser Magerbetrieb des Kraftstoffreformers 12 kannauch dazu verwendet werden, die DPNR-Vorrichtungen 502, 504 vorübergehendauf ihre Entschwefelungstemperatur (z.B. ~ 600°C) zu erwärmen. An sich kann ein Schemaverwendet werden, bei dem Wärmeaus dem Kraftstoffreformer 12 dazu verwendet wird, dieDPNR-Vorrichtungen 502, 504 zuentschwefeln und Rußpartikel ausden DPNR-Vorrichtungen 502, 504 zubeseitigen.
[0149] Anhandvon 13 wird nun eineSteuenoutine 700 zum Steuern des Betriebs der DPNR-Vorrichtungenwährenddes Betriebs des Motors 112 dargestellt. Die Steuerroutine 700 beginntmit Schritt 702, in dem das Steuergerät 16 das NOx-Akkumulationsniveauin der online geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 ermittelt.Wie oben beschrieben, kann das NOx-Akkumulationsniveau in der onlinegeschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 auf eineAnzahl verschiedener Arten ermittelt werden. Zum Beispiel kann derNOx-Sensor 552 verwendet werden, wobei das Steuergerät 16 indiesem Fall die Signalleitung, die den Sensor 552 mit demSteuergerät 16 verbindet,um den Ausgang des Sensors 552 zu überwachen, abtastet oder inanderer Weise liest. Wie oben beschrieben, weisen die von dem NOx-Sensor 552 erzeugtenAusgangssignale auf das NOx-Akkumulationsniveauder online geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 hin.Alternativ kann das Steuergerät 16 dasNOx-Akkumulationsniveau der online geschalteten DPNR-Vorrichtungermitteln, indem es die Zeitdauer ermittelt, die verstrichen ist, seitdie DPNR-Vorrichtung das letzte Mal regeneriert wurde. Darüber hinauskann das Steuergerät 16 auchdas Akkuinulationsniveau der online geschalteten Vorrichtung mitHilfe eines Motorkennfeldverfahrens ermitteln. In jedem Fall gehtdie Steuerroutine 700 weiter zu Schritt 704, sobalddas Steuergerät 16 dasNOx-Akkumulationsniveau der online geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 ermittelthat.
[0150] InSchritt 704 stellt das Steuergerät 16 fest, ob dasNOx-Akkumulationsniveau in der online geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 eineRegeneration der Vorrichtung notwendig macht. Insbesondere kannein vorbestimmtes Akkumulationsniveau bzw. ein "Sollwert" festgelegt werden, bei dem die DPNR-Vorrichtung eineNOx-Regeneration braucht. An sich stellt das Steuergerät 16 inSchritt 704 fest, ob das NOx-Akkumulationsniveau der onlinegeschalteten DPNR-Vorrichtung gleich oder größer ist als der Sollwert. Wenndas NOx-Akkumulationsniveauin der online geschalteten DPNR-Vorrichtung unter dem Sollwert liegt,kehrt die Steuerroutine 700 zu Schritt 702 zurück, um mitder Überwachungdes NOx-Akkumulationsniveaus in der online geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 fortzufahren.Wenn jedoch das NOx-Akkumulationsniveau in der online geschaltetenDPNR-Vorrichtung 502, 504 größer oder gleich dem Sollwertist, wird ein Steuersignal erzeugt, und die Steuerroutine 700 gehtweiter zu Schritt 706.
[0151] InSchritt 706 lenkt das Steuergerät 16 Motorabgas wiederzu der offline geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504.Insbesondere erzeugt das Steuergerät 16 ein Ausgangssignalauf der Signalleitung 550, wodurch das Umleitungsventil 508 vonseiner aktuellen Ventilstellung in die entgegengesetzte Ventilstellungbewegt wird. Durch diese Bewegung des Umleitungsventils 508 wirdder online/offline-Status der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 umgeschaltet.Wenn zum Beispiel die rechte DPNR-Vorrichtung 502 onlineist (und in Schritt 704 festgestellt wird, dass sie über denSollwert hinaus gesättigtist), erzeugt das Steuergerät 16 einAusgangssignal auf der Signalleitung 550, das bewirkt,dass das Umleitungsventil 508 von seiner aktuellen Ventilstellungin die entgegengesetzte Ventilstellung bewegt wird, wodurch dieDPNR-Vorrichtung 504 online geschaltet wird. Wenn dagegendie linke DPNR-Vorrichtung 504 online ist (und in Schritt 704 festgestelltwird, dass sie überden Sollwert hinaus gesättigtist), erzeugt das Steuergerät 16 einAusgangssignal auf der Signalleitung 550, das bewirkt,dass das Umleitungsventil 508 von seiner aktuellen Ventilstellungin die entgegengesetzte Ventilstellung bewegt wird, wodurch die DPNR-Vorrichtung 502 onlinegeschaltet wird. Sobald die Stellung des Umleitungsventils 508 aufdiese Weise umgeschaltet wurde, wird Motorabgas zu der neuerdingsonline geschalteten DPNR-Vorrichtung gelenkt. Die Steuerroutine 700 gehtdann weiter zu Schritt 708.
[0152] InSchritt 708 regeneriert das Steuergerät 16 die neuerdingsoffline geschaltete DPNR-Vorrichtung 502, 504 (d.h.die DPNR-Vorrichtung, die in Schritt 704 als über denSollwert hinaus gesättigtermittelt wurde). Insbesondere beginnt das Steuergerät 16 denBetrieb des Kraftstoffreformers 12, um damit Reformatgaszu erzeugen. Das aus dem Kraftstoffreformer 12 austretendeReformatgas wird dann zu dem Umleitungsventil 508 geleitet,wo das Reformatgas aufgrund der in Schritt 706 vorgenommenenUmstellung des Ventils zu der offline geschalteten DPNR- Vorrichtung gelenktwird. Die Steuerroutine 700 geht dann zurück zu Schritt702, um die Überwachungder online geschalteten DPNR-Vorrichtung zu beginnen.
[0153] Wieoben beschrieben, wird aus der online geschalteten DPNR-Vorrichtung 502, 504 austretendesAbgas durch den Oxidationskatalysator 506 geleitet. Infolgedessenwird jeglicher "Rückstand" aus den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 (z.B.Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe oder H₂S)durch den Oxidationskatalysator 506 oxidiert.
[0154] Wieebenfalls oben beschrieben, wird die Rußpartikelregeneration der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 weitgehenddurch die Einleitung von Wärme ausdem Motorabgas aufrechterhalten. Mit anderen Worten, in den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 absorbierteRußpartikelwerden währenddes Betriebs des Motors ständigentzündetoder anderweitig aus den Vorrichtungen beseitigt. Darüber hinauskönnenBetriebsparameter des Motors 112 vorübergehend geändert werden,um die Rußpartikelregenerationzu erleichtern (z.B. erhöhteAbgastemperatur). Unter bestimmten Umständen können die DPNR-Vorrichtungen 502, 504 jedochmit einer Menge an Rußpartikelnimprägniertwerden, die mit Hilfe der Motorwärmeallein nicht entfernt werden kann.
[0155] Umdiese Situationen zu überwachen,führt dasSteuergerät 16 eineSteuerroutine 800 aus, wie in 14 gezeigt. Die Steuerroutine 800 wirdgleichzeitig mit der Steuerroutine 700 von 13 ausgeführt. Die Routine 800 beginntmit Schritt 802, bei dem das Steuergerät 16 das Rußakkumulationsniveauin einer oder in beiden DPNR-Vorrichtungen 502, 504 ermittelt.Insbesondere werden die Signalleitungen 558, 560 vondem Steuergerät 16 abgetastetoder anderweitig gelesen, um den Ausgang der Drucksensoren 554 bzw. 556 zu überwachen.Wie oben beschrieben, spiegeln die von den Drucksensoren 554, 556 erzeugtenAusgangssignale den Druckabfall auf der DPNR-Vorrichtung 502, 504 widerund sind somit ein Hinweis auf das Rußakkumulationsniveau in derVorrichtung. Sobald das Steuergerät 16 das Rußakkumulationsniveauin einer gegebenen Vorrichtung 502, 504 ermittelthat, geht die Steuerroutine 800 weiter zu Schritt 804.
[0156] InSchritt 804 stellt das Steuergerät 16 fest, ob dasRußakkumulationsniveauin der gegebenen DPNR-Vorrichtung 502, 504 eineRußpartikelregenerationder Vorrichtung 502, 504 notwendig macht. Insbesonderekann ein vorbestimmtes Rußakkumulationsniveaubzw. ein "Sollwert" festgelegt werden, beidem angenommen wird, dass die DPNR-Vorrichtung 502, 504 beiihrer RußregenerationUnterstützungbraucht. Zum Beispiel kann ein Sollwert in Form einer von einemMotorkennfeld erhaltenen Größe oderein gemessener Abgasstrom verwendet werden. An sich stellt das Steuergerät 16 inSchritt 804 fest, ob das Rußakkumulationsniveau der DPNR-Vorrichtung 502, 504 gleichoder größer istals der Sollwert. Wenn das Rußakkumulationsniveauin der DPNR-Vorrichtung 502, 504 unter dem Sollwert liegt,geht die Steuerroutine 800 zurück zu Schritt 802,um mit der Überwachungdes Rußakkumulationsniveausin den DPNR-Vorrichtungen 502, 504 fortzufahren.Wenn das Rußakkumulationsniveauin einer der DPNR-Vorrichtungen 502, 504 jedochgrößer odergleich dem Sollwert ist, wird ein Steuersignal erzeugt, und dieSteuerroutine 800 geht weiter zu Schritt 806.
[0157] InSchritt 806 positioniert das Steuergerät 16 das Umleitungsventil 508 so,dass Reformatgas von dem Kraftstoffreformer 12 zu der DPNR-Vorrichtung 502, 504 geleitetwerden kann, die eine Rußregenerationbraucht. Insbesondere erzeugt das Steuergerät 16 ein Ausgangssignalauf der Signalleitung 550, wodurch das Umleitungsventil 508 ineine Ventilstellung bewegt wird, in der Reformatgas zu der DPNR-Vorrichtungumgeleitet werden kann, die eine Rußregeneration braucht. DieSteuerroutine 800 geht dann weiter zu Schritt 808.
[0158] InSchritt 808 beginnt das Steuergerät 16 den Betrieb desKraftstoffreformers 12, so dass Reformatgas damit erzeugtwird. Das aus dem Kraftstoffreformer 12 austretende Reformatgaswird dann zu der gewähltenDPNR-Vorrichtung geleitet, um deren Rußregeneration zu erleichtern.Die Steuerroutine 800 geht dann zurück zu Schritt 802,um mit der Überwachungdes Rußakkumulationsniveausin den Vorrichtungen zu beginnen.
[0159] Anhandvon 15 wird nun eineEmissionsbegrenzungsbaugruppe dargestellt, die der in 12 dargestellten Baugruppe ähnlich ist.In 15 werden dieselbenBezugszeichen verwendet, um gemeinsame Komponenten zu bezeichnen,die bereits anhand von 12 erläutert wurden,wobei auf eine zusätzlicheErläuterungderselben verzichtet wird.
[0160] DasSystem von 15 ist demSystem von 12 etwas ähnlich mitder Ausnahme, dass nur eine einzige DPNR-Vorrichtung 502 verwendetwird. Die Verwendung einer einzigen DPNR-Vorrichtung kann im Falledes nachträglichenEinbaus in ein Fahrzeug von Nutzen sein.
[0161] Beider Baugruppe von 15 werdenzwei Abgasumleitungsventile 902, 904 anstelledes Umleitungsventils 508 verwendet. Die Verwendung der Umleitungsventile 902, 904 erlaubtdas Einleiten von Motorabgas entweder durch einen Vorrichtungsströmungsweg 906 oderdurch einen Umgehungsströmungsweg 908.Gemäß 15 ist die DPNR-Vorrichtung 502 indem Vorrichtungsströmungsweg 906 positioniert,aber von dem Umgehungsströmungsweg 908 isoliert.Wenn sich das Umleitungsventil 902 in seiner geöffnetenStellung befindet und sich das Umleitungsventil 904 inseiner geschlossenen Stellung befindet, wird an sich Abgas von demMotor 112 überden Vorrichtungsströmungsweg 906 unddamit durch die DPNR-Vorrichtung 502 gelenkt. Wenn sich dasUmleitungsventil 902 jedoch in seiner geschlossenen Stellungbefindet und das Umleitungsventil 904 sich in seiner geöffnetenStellung befindet, wird Abgas von dem Motor 112 über denUmgehungsströmungsweg 908 gelenktund umgeht damit die DPNR-Vorrichtung 502.
[0162] Umauf diese Weise zu arbeiten, sind die Umleitungsventile 902, 904 mitdem elektronischen Steuergerät 16 über zweiSignalleitungen 912 bzw. 914 elektrisch verbunden.An sich unterliegt die Stellung eines jeden der Umleitungsventile 902, 904 der Steuerungdes elektronischen Steuergeräts 16.Daher lenkt das elektronische Steuergerät 16 neben seinensonstigen Funktionen den Strom von Abgas wahlweise von dem Motor 112 entwederzu der DPNR-Vorrichtung 502 oder zu dem Umgehungsströmungsweg 908 oderzu einer Kombination von beiden.
[0163] DasSteuerschema zum Steuern der Stellung der Umleitungsventile 902, 904 kannauf eine Anzahl verschiedener Arten ausgelegt sein. Zum Beispielkann ein ähnlichessensorbasiertes Steuerschema wie das hierin anhand von 12 beschriebene verwendetwerden. In einem solchen Fall wird die Stellung eines jeden derUmleitungsventile 904, 902 in Abhängigkeitvom Ausgang des NOx-Sensors 552 geändert. Wennder Ausgang des NOx-Sensors 552 anzeigt, dass die DPNR-Vorrichtung 502 regeneriertwerden muss, betätigtdas Steuergerät 16 an sichdie Umleitungsventile 902, 904, um das Abgas vondem Motor 112 durch den Umgehungsströmungsweg 908 zu lenken,wodurch die DPNR-Vorrichtung 502 unter Verwendung von Reformatgas ausdem Kraftstoffreformer 12 in der oben beschriebenen Weiseoffline regeneriert werden kann.
[0164] Alternativkann ein zeitbasiertes Steuerschema verwendet werden, bei dem dieStellung eines jeden der Umleitungsventile 902, 904 inAbhängigkeit vonder Zeit geändertwird. Zum Beispiel kann die Regeneration der DPNR-Vorrichtung 502 invorbestimmten Zeitintervallen durchgeführt werden. In einem solchenFall kann der NOx-Sensor 552 ganz weggelassen werden oderlediglich als "Ausfallschutz" verwendet werden,um sicherzustellen, dass die Regeneration während eines Zeitintervallsnicht vorzeitig benötigtwird.
[0165] Darüber hinauskann ein Steuerschema mit Motorkennfeld verwendet werden, bei demdie Stellung eines jeden der Umleitungsventile 902, 904 in Abhängigkeitvon der Motorlast überdie Zeit verändertwird. Insbesondere kann ein Motorkennfeld erzeugt werden, das esdem Steuergerät 16 erlaubt, dievon dem Motor 112 erzeugte NOx-Menge anhand der Motorlastbedingungenfestzustellen. Wenn das Steuergerät 16 feststellt, dassder Motor 112 eine vorbestimmte NOx-Menge erzeugt hat, wobei diese Mengein der DPNR-Vorrichtung 502 absorbiert wird, betätigt dasSteuergerät 16 dieUmleitungsventile 902, 904, um das Abgas von demMotor 112 durch den Umgehungsströmungsweg 908 zu lenken,wodurch die DPNR-Vorrichtung 502 unter Verwendung von Reformatgasaus dem Kraftstoffreformer 12 in der oben beschriebenenWeise offline regeneriert werden kann. Wie bei dem zeitbasiertenSteuerschema kann der NOx-Sensor 552 aus diesem Steuerschemaganz weggelassen werden oder lediglich als "Ausfallschutz" verwendet werden, um sicherzustellen,dass die Regeneration währendeines dargestellten Intervalls nicht vorzeitig gebraucht wird.
[0166] DieDPNR-Vorrichtung 502 kann auch auf jede der oben anhandder DPNR-Vorrichtungen 502, 504 von 12 beschriebenen Arten vonRußpartikelngereinigt werden. Insbesondere kann die DPNR-Vorrichtung 502 derBaugruppe von 15 unterVerwendung der Abgaswärmevon Rußpartikelngereinigt werden. Darüberhinaus kann der Betrieb des Motors 112 geändert werden,um diese Rußregenerationder DPNR-Vorrichtung zu erleichtern. In bestimmten Fällen kannes jedoch notwendig sein, eine unterstützte Rußregeneration der DPNR-Vorrichtung 502 derBaugruppe von 15 durchzuführen, beider Reformatgas aus dem Kraftstoffreformer 12 der DPNR-Vorrichtungzugeführt wird.
[0167] Wieaus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich wird, stellen dieKonzepte der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Merkmale und Vorteilegegenüberanderen Systemen bereit. Zum Beispiel erlauben die Konzepte dervorliegenden Offenbarung unter anderem den Betrieb eines Heiz- undKlimatisierungssystems eines Fernlasters, ohne dass gleichzeitigder Motor des Lastkraftwagens arbeiten muss. Ein solches Merkmalist vorteilhaft sowohl für denKraftstoffverbrauch als auch aus Gründen der Emissionsreduktion.
[0168] IndemReformatgas erzeugt und den Emissionsbegrenzungsvorrichtungen dervorliegenden Offenbarung zugeführtwird, wird darüberhinaus der Wirkungsgrad dieser Vorrichtungen verbessert. Außerdem wirdauch die Anzahl und Art der Verbindungen, die behandelt werden können, verbessert.
[0169] DurchVerwendung einer kombinierten Emissionsbegrenzungsbaugruppe kannaußerdemein einziger Kraftstoffreformer verwendet werden, um eine Anzahlverschiedener Abgasbehandlungsvorrichtungen zu regenerieren. Aufdiese Weise kann eine Vielzahl von Verbindungen im Abgas (z.B. NOx undRuß) mitHilfe einer einzigen Baugruppe aus dem Abgasstrom entfernt werden.
[0170] Fernerwird durch die "individuelleAuslegung" der Mengeund/oder Zusammensetzung des erzeugten und den verschiedenen VorrichtungenzugeführtenReformatgases der mit dem Betrieb des Plasmakraftstoffreformers 12 verbundeneWirkungsgrad verbessert. Mit anderen Worten, der Betrieb des Plasmakraftstoffreformers 12 kanndahingehend verfeinert werden, dass eine Menge und/oder Zusammensetzungeines Reformatgases erzeugt wird, die ausreicht, um den Betriebeiner gegebenen Vorrichtung zu unterstützen, ohne "verschwenderisch" zu sein.
[0171] Darüber hinausverbessert die Verwendung eines Kraftstoffreformers zum Regeneriereneiner DPNR-Vorrichtung die Funktionsweise derselben gegenüber anderenRegenerationsschemata. Insbesondere reduziert die Verwendung vonReformatgas die Anzahl von Fällen,in denen die DPNR-Vorrichtung übermäßig entwedermit NOx oder mit Rußpartikelngesättigtwird.
[0172] Beidieser Offenbarung sind zwar verschiedene Modifikationen und alternativeFormen möglich, dochwurden in den Zeichnungen spezielle beispielhafte Ausführungsformenderselben beispielhaft dargestellt und wurden hierin näher beschrieben.Es versteht sich jedoch, dass keine Absicht besteht, die Offenbarungauf die speziell offenbarten Formen zu beschränken, sondern es sollen imGegenteil alle in den Geist und Umfang der Offenbarung fallendenModifikationen, Äquivalenteund Alternativen abgedeckt werden.
[0173] Esgibt eine Vielzahl von Vorteilen der vorliegenden Offenbarung, diesich aus den verschiedenen Merkmalen der hierin beschriebenen Vorrichtungen,Systeme und Verfahren ergeben. Es sei angemerkt, dass alternativeAusführungsformender Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarungunter Umständennicht alle der beschriebenen Merkmale aufweisen, aber dennoch zumindesteinige der Vorteile dieser Merkmale genießen. Der Durchschnittsfachmannkann ohne weiteres seine eigenen Implementierungen von Vorrichtungen,Systemen und Verfahren entwickeln, die ein oder mehr Merkmale dervorliegenden Offenbarung enthalten und in den Geist und Umfang dervorliegenden Offenbarung fallen.

权利要求:
Claims (19)
[1] Verfahren zum Betreiben einer Emissionsbegrenzungsbaugruppe,wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Feststellen,ob die Regeneration einer ersten DPNR-Vorrichtung durchzuführen ist,und Erzeugen eines ersten DPNR-Regenerationssignals in Reaktiondarauf; und Betreiben eines Kraftstoffreformers, um Reformatgas zuproduzieren und in Reaktion auf die Erzeugung des ersten DPNR-Regenerationssignalsder ersten DPNR-Vorrichtung zuzuführen.
[2] Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgendenSchritte umfasst: Feststellen, ob die Regeneration einer zweiten DPNR-Vorrichtungdurchzuführenist, und Erzeugen eines zweiten DPNR-Regenerationssignals in Reaktiondarauf; und Betreiben des Kraftstoffreformers, um Reformatgas zuproduzieren und in Reaktion auf die Erzeugung des zweiten DPNR-Regenerationssignalsder zweiten DPNR-Vorrichtung zuzuführen.
[3] Verfahren nach Anspruch 2, das ferner die folgendenSchritte umfasst: Positionieren eines Umleitungsventils ineiner ersten Ventilstellung, um Reformatgas in Reaktion auf die Erzeugungdes ersten DPNR-Regenerationssignals zurersten DPNR-Vorrichtung zu lenken; und Positionieren des Umleitungsventilsin einer zweiten Ventilstellung, um Reformatgas in Reaktion aufdie Erzeugung des zweiten DPNR-Regenerierungssignalszur zweiten DPNR-Vorrichtung zu lenken.
[4] Verfahren nach Anspruch 2, das ferner die folgendenSchritte umfasst: Positionieren eines Umleitungsventils ineiner ersten Ventilstellung, um einen Strom von Abgas durch die ersteDPNR-Vorrichtung in Reaktion auf die Erzeugung des ersten DPNR-Regenerationssignalszu verringern; und Positionieren des Umleitungsventils in einerzweiten Ventilstellung, um den Strom von Abgas durch die zweiteDPNR-Vorrichtung in Reaktion auf die Erzeugung des zweiten DPNR-Regenerationssignalszu verringern.
[5] Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner der Schrittvorgesehen ist, Abgase von einem Verbrennungsmotor durch die ersteDPNR-Vorrichtung zu leiten, wobei der Schritt des Ermittelns gleichzeitigmit dem Schritt des Zuführensder Abgase durchgeführt wird.
[6] Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt desErmittelns, ob die Regeneration der ersten DPNR-Vorrichtung durchgeführt werdenmuss, das Erfassen der NOx-Menge in einem Strom von Abgas umfasst.
[7] Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt desErmittelns, ob die Regeneration der ersten DPNR-Vorrichtung durchgeführt werdenmuss, das Erfassen eines Druckabfalls über die erste DPNR-Vorrichtungumfasst.
[8] Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Schrittdes Ermittelns, ob die Regeneration der ersten DPNR-Vorrichtungdurchgeführtwerden muss, festgestellt wird, ob eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichenist, seit die erste DPNR-Vorrichtung das letzte Mal regeneriertwurde.
[9] Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Schrittdes Ermittelns, ob die Regeneration der ersten DPNR-Vorrichtungdurchgeführtwerden muss, eine NOx-Menge ermittelt wird, die von einem Verbrennungsmotorproduziert wurde, seit die erste DPNR-Vorrichtung das letzte Malregeneriert wurde.
[10] Emissionsbegrenzungsbaugruppe, die Folgendes umfasst: eineerste DPNR-Vorrichtung mit einem Gaseinlass; einen Kraftstoffreformermit einem Gasauslass, der mit dem Gaseinlass der ersten DPNR-Vorrichtungin Fluidverbindung steht; und ein elektronisches Steuergerät, das mitdem Kraftstoffreformer elektrisch verbunden ist, wobei das elektronischeSteuergerätFolgendes umfasst: (i) einen Prozessor und (ii) eine mit dem Prozessorelektrisch verbundene Speichervorrichtung, wobei in der Speichervorrichtungeine Vielzahl von Befehlen gespeichert sind, die bei Ausführung durchden Prozessor bewirken, dass der Prozessor: (a) feststellt,ob die Regeneration der ersten DPNR-Vorrichtung durchzuführen ist,und in Reaktion darauf ein erstes DPNR-Regenerationssignal erzeugt;und (b) den Kraftstoffreformer so betreibt, dass Reformatgasproduziert und in Reaktion auf die Erzeugung des ersten DPNR-Regenerationssignalszu dem Gaseinlass der ersten DPNR-Vorrichtung geleitet wird.
[11] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 10,die ferner eine zweite DPNR-Vorrichtung mit einem Gaseinlass umfasst,wobei: der Gasauslass des Kraftstoffreformers mit dem Gaseinlassder zweiten DPNR-Vorrichtung in Fluidverbindung steht; und dieVielzahl von Befehlen bei Ausführungdurch den Prozessor ferner bewirken, dass der Prozessor (a) feststellt,ob eine Regeneration der zweiten DPNR-Vorrichtung durchzuführen ist,und in Reaktion darauf ein zweites DPNR-Regenerationssignal erzeugt; und (b)den Kraftstoffreformer so betreibt, dass Reformatgas produziertund in Reaktion auf die Erzeugung des zweiten DPNR-Regenerationssignals zudem Gaseinlass der zweiten DPNR-Vorrichtung geleitet wird.
[12] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 11,die ferner ein mit dem elektronischen Steuergerät elektrisch verbundenes Umleitungsventil umfasst,wobei: das Umleitungsventil in Fluidverbindung steht mit (i) demGaseinlass der ersten DPNR-Vorrichtung, (ii) dem Gaseinlass derzweiten DPNR-Vorrichtung und (iii) dem Gasauslass des Kraftstoffreformers,und die Vielzahl von Befehlen bei Ausführung durch den Prozessor fernerbewirken, dass der Prozessor (a) das Umleitungsventil in einer erstenVentilstellung positioniert, um in Reaktion auf die Erzeugung des erstenDPNR-RegenerationssignalsReformatgas zu dem Gaseinlass der ersten DPNR-Vorrichtung zu leiten, und (b) das Umleitungsventilin einer zweiten Ventilstellung positioniert, um in Reaktion aufdie Erzeugung des zweiten DPNR-Regenerationssignals Reformatgaszu dem Gaseinlass der zweiten DPNR-Vorrichtung zu leiten.
[13] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 10,die ferner einen NOx-Sensor umfasst, der so konfiguriert ist, dasser die NOx-Menge in einem Strom von Abgas erfasst, wobei die Vielzahlvon Befehlen bei Ausführungdurch den Prozessor ferner bewirken, dass der Prozessor anhand desAusgangs des NOx-Sensors feststellt, ob eine Regeneration der erstenDPNR-Vorrichtung durchzuführenist.
[14] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 10,die ferner einen Drucksensor umfasst, der so konfiguriert ist, dasser einen Druckabfall auf der ersten DPNR-Vorrichtung erfasst, wobeidie Vielzahl von Befehlen bei Ausführung durch den Prozessor fernerbewirken, dass der Prozessor anhand des Ausgangs des Drucksensorsfeststellt, ob eine Regeneration der ersten DPNR-Vorrichtung durchzuführen ist.
[15] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 10,wobei die Vielzahl von Befehlen bei Ausführung durch den Prozessor fernerbewirken, dass der Prozessor das erste DPNR-Regenerationssignal erzeugt,wenn eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, seit die ersteDPNR-Vorrichtung das letzte Mal regeneriert wurde.
[16] Emissionsbegrenzungsbaugruppe, die Folgendes umfasst: eineerste DPNR-Vorrichtung zum Entfernen von NOx und Rußpartikelnaus einem Abgas eines Verbrennungsmotors; und einen Plasmakraftstoffreformerzum Reformieren eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs zu einem Reformatgas,wobei der Plasmakraftstoffreformer mit der DPNR-Vorrichtung in Fluidverbindungsteht.
[17] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 16,die ferner eine zweite DPNR-Vorrichtung umfasst, die mit dem Plasmakraftstoffreformerin Fluidverbindung steht, wobei die erste DPNR-Vorrichtung und diezweite DPNR-Vorrichtungin getrennten parallelen Strömungswegenangeordnet sind.
[18] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 17,die ferner Folgendes umfasst: ein Stromumleitungsventil, dasmit der ersten DPNR-Vorrichtung, der zweiten DPNR-Vorrichtung unddem Plasmakraftstoffreformer in Fluidverbindung steht, wobei dasStromumleitungsventil betätigt werdenkann, um Reformatgas von dem Plasmakraftstoffreformer zwischen derersten DPNR-Vorrichtung und der zweiten DPNR-Vorrichtung umzuleiten.
[19] Emissionsbegrenzungsbaugruppe nach Anspruch 18,die ferner ein elektronisches Steuergerät umfasst, das mit dem Plasmakraftstoffreformerund dem Stromumleitungsventil elektrisch verbunden ist, wobei daselektronische Steuergerätso konfiguriert ist, dass es den Betrieb sowohl des Plasmakraftstoffreformersals auch des Stromumleitungsventils dahingehend steuert, dass (i)Reformatgas währendeines ersten Zeitraums von dem Plasmakraftstoffreformer zu der erstenDPNR-Vorrichtung geleitet wird, und (ii) Reformatgas während eineszweiten Zeitraums von dem Plasmakraftstoffreformer zu der zweitenDPNR-Vorrichtung geleitet wird.

类似技术:

---

公开号 | 公开日 | 专利标题

---

EP1198020B1|2011-01-12|Brennstoffzellen-Antriebssystem

---

JP3826770B2|2006-09-27|燃料改質システム

---

EP1787349B1|2010-10-27|System für saubere energie

---

DE19628796C1|1997-10-23|Abgasreinigungsanlage mit Stickoxid-Adsorbern für eine Brennkraftmaschine

---

US8181445B2|2012-05-22|Device and method for exhaust gas aftertreatment

---

KR20150059535A|2015-06-01|배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법

---

US7784276B2|2010-08-31|Exhaust gas purifier and method of control therefor

---

DE19753718C1|1999-07-08|Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors

---

JP5229610B2|2013-07-03|System mechanism and method combining fuel reforming and supply for post-discharge treatment device and anti-idle device SOFCAPU

---

EP1643094B1|2009-06-17|Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine und zugehöriges Betriebsverfahren

---

US7721532B2|2010-05-25|Method and system for regeneration of a catalyst

---

US7251929B2|2007-08-07|Thermal management of hybrid LNT/SCR aftertreatment during desulfation

---

US7240484B2|2007-07-10|Exhaust treatment systems and methods for using the same

---

USRE46512E1|2017-08-15|Internal combustion engine with exhaust-gas purification system, and method for purifying the exhaust gas from an internal combustion engine

---

US7386977B2|2008-06-17|Method and apparatus for regenerating NOx adsorbers

---

CA2700270C|2013-05-28|Exhaust gas purification system and exhaust gas purification method

---

US5845485A|1998-12-08|Method and apparatus for injecting hydrogen into a catalytic converter

---

US7331170B2|2008-02-19|Exhaust emission control device

---

US7171801B2|2007-02-06|Filter system

---

JP4870411B2|2012-02-08|フィルタ脱硫酸化システム及び方法

---

US7571602B2|2009-08-11|Exhaust aftertreatment system and method of use for lean burn internal combustion engines

---

DE60012250T2|2005-07-28|Verfahren zur Reinigung von Verbrennungsabgasen

---

US7797928B2|2010-09-21|Method and apparatus for purifying exhaust gases

---

US7361320B2|2008-04-22|Exhaust gas purification unit with reducing agent supply

---

US6311650B1|2001-11-06|Vehicle having a driving internal-combustion engine and having a fuel cell system for the power supply to electric consuming devices of the vehicle and method for operating such a vehicle

同族专利:

---

公开号 | 公开日

---

JP2005048772A|2005-02-24|

---

US6959542B2|2005-11-01|

---

US20050072140A1|2005-04-07|

引用文献:

---

公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

---

法律状态:
2010-04-22| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|

优先权:

---

申请号 | 申请日 | 专利标题

---