CN101070770B - 经由电阻表面加热的柴油微粒过滤器再生 - Google Patents

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Abstract

提供一种处理由发动机产生的废气的排气系统。该系统包括：过滤来自废气的微粒的微粒过滤器(PF)，其中PF的上游端接收来自发动机的废气；和电阻材料栅格，该电阻材料栅格应用到PF外部上游表面并选择性地加热穿过栅格的废气以启动PF中微粒的燃烧。

Description

经由电阻表面加热的柴油微粒过滤器再生
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年3月24日提交的序列号为60/786059的美国临时申请的利益。上述申请所公开的内容作为引用在此合并到本申请中。 
政府权利声明
本申请的某些主题是在由能源部签订的合同号为DE-FC-04-03AL67635的项目下开展的。美国政府在该发明中享有一定权利。 
技术领域
本发明涉及用于加热微粒过滤器的方法和系统。 
背景技术
本部分的陈述仅仅提供涉及本发明的背景信息，并且可以不构成现有技术。 
由于增加的压缩比和柴油燃料更高的能量密度，柴油发动机典型地比汽油发动机具有更高的效率。柴油燃烧循环产生微粒，该微粒典型地通过布置在排气流中的微粒过滤器(PF)从柴油废气中过滤出。随着时间的流逝，PF装满，必须将收集到的柴油微粒清除。在再生过程中，柴油微粒在PF中燃烧。 
传统的再生方法在主燃烧事件后，将燃料喷射到排气流中。燃烧后喷射的燃料在一个或更多放置在排气流中的催化剂上燃烧。燃料在催化剂上燃烧的过程中所释放的热升高了排气温度，其燃烧了PF中收集到的碳烟微粒。然而，该方法会导致高于需求的更高温度偏移，这样对包括PF在内的排气系统部件有害。 
发明内容
因此，提供一种处理由发动机产生的废气的排气系统。该系统包括：过滤来自废气的微粒的微粒过滤器(PF)，其中PF的上游端接收来自 发动机的废气；电阻材料栅格，该电阻材料栅格应用到PF外部上游表面并选择性地加热穿过栅格的废气以启动PF中微粒的燃烧；以及，导热涂层，该导热涂层应用到PF外部上游表面，其中，栅格的电阻材料与导热涂层相接触，并且电阻材料将热能传递到导热涂层以启动导热涂层上存在的微粒的燃烧。 
在其他特征上，提供一种排气系统中的微粒过滤器(PF)的再生方法。该方法包括：在PF的前侧外部表面应用电阻材料栅格；通过向电阻材料供给电流而加热栅格；经由加热的栅格引起位于PF正面的微粒的燃烧；将由微粒燃烧所产生的热引导到PF中以引起PF中微粒的燃烧；以及，用导热材料涂覆PF的入口，并且所述应用进一步包括应用栅格，以使得电阻材料与导热涂层相接触，并将热能传递给导热涂层。 
根据在此提供的描述，进一步适用的范围将变得显而易见。应该知道的是，说明和特定的例子仅仅旨在说明目的，并不意味着限定本发明的范围。 
附图说明
在此描述的附图仅仅用于说明目的，并不意味着以任何方式限定本发明的范围。 
图1为包括微粒过滤器的车辆的功能方框图。 
图2为壁流整体式微粒过滤器横截面视图。 
图3包括显示电阻路径各种图案的PF正面透视图。 
图4为PF的正面和加热器插片的透视图。 
图5为包括导电涂层的图2中的PF的一部分的横截面视图。 
具体实施方式
下列描述实质上仅仅是示意性的，而不是限制本发明的应用或使用。应当理解，全部图中，相应的附图标记表示相同或相应的部分和特征。如本文所使用的，术语模块指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享、专用或组群)和存储器、组合逻辑电路和/或可提供所述功能的其它适合部件。 
现在参考图1，根据本发明示意性地示出了典型柴油机系统10。应当理解，柴油机系统10实质上仅仅是示意性的，本文描述的分区加热 微粒过滤器再生系统可在执行微粒过滤的各种发动机系统中使用。这种发动机系统可包括，但不限于，汽油直喷发动机系统和均质压燃发动机系统。为方便描述，本发明描述柴油机系统。 
涡轮增压柴油机系统10包括燃烧空气与燃料混合物以产生驱动转矩的发动机12。空气通过空气滤清器14进入该系统。空气通过空气滤清器14，吸入涡轮增压器18。涡轮增压器18压缩进入系统10的新鲜空气。通常空气的压缩越高，发动机12的输出就越大。然后压缩空气在进入进气歧管22之前通过空气冷却器20。 
进气歧管22中的空气分配进入气缸26。尽管示出了四个气缸26，但是应当理解，本发明的系统和方法可在具有多个气缸的发动机中使用，包括但不限于2、3、4、5、6、8、10和12个气缸。还应当理解，本发明的系统和方法可在V型气缸结构中使用。燃料通过燃料喷射器28喷入气缸26。来自压缩空气的热点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生废气。废气排出气缸26，进入排气系统。 
排气系统包括排气歧管30、柴油氧化催化剂(DOC)32和微粒过滤器(PF)34。可选择地，EGR阀(未示出)将一部分废气再循环进进气歧管22。剩余的废气通往涡轮增压器18以驱动涡轮。涡轮有助于从空气滤清器14接收的新鲜空气的压缩。废气从涡轮增压器18流过DOC 32和PF 34。DOC 32基于燃烧后的空气/燃料比氧化废气。氧化的量提高了废气的温度。PF 34从DOC 32接收废气，并过滤掉废气中存在的所有碳烟。 
控制模块44基于各种检测信息控制发动机和PF再生。更具体地，控制模块44估计PF 34的负载。当估计的负载达到阈值水平(例如，5克/公升的微粒物质)，并且废气流率处于期望范围中时，控制通过电源46到PF 34的电流以启动再生过程。再生过程的持续时间基于PF 34之中的微粒物质的量而变化。预计再生过程可持续在4-6分钟之间。但是，仅在再生过程的启动部分期间施加电流。更具体地，电能将PF面加热阈值周期(例如1-2分钟)。加热穿过正面的废气。使用位于PF 34的加热面附近的微粒物质的燃烧或穿过PF的加热的废气产生的热而实现剩余的再生过程。 
尤其参照图2，PF 34优选地为整体式微粒收集器，并包括交替的封 闭单元/通道50和开口单元/通道52。单元/通道50，52典型地为正方形横截面，轴向穿越部件。PF34的壁58优选地由堇青石材料的多孔陶瓷蜂巢壁组成。应该知道的是，任何陶瓷蜂巢材料都认为落入本发明的范围之内。相邻通道在如56所示的每个端部处塞紧。这样推动柴油悬浮微粒穿过作为机械过滤器的多孔基底壁。微粒物质沉积在封闭通道50中，废气穿过开口通道52排出。碳烟微粒59流入PF34中并收集到其中。 
为了再生的目的，包括电阻材料的栅格64附装到称为PF34正面的前侧外部表面。电流供给电阻材料以产生热能。应该知道的是，厚膜加热技术可以用于将栅格64连接于PF34。例如，可以涂覆如银或镍铬合金的加热材料，随即对PF34的正面进行蚀刻或使用掩模。在各种其他实施例中，栅格由如不锈钢的电阻材料组成，且使用陶瓷粘合剂连接于PF。 
还应该知道的是，电阻材料可以应用在图3所示的各种单个或多路径图案中。电阻材料的多个部分可去除以产生路径。在各种实施例中，如图4所示的穿孔的加热器插片70可以连接于PF34的正面。在以上提及的任何实施例中，穿过PF 34的废气携带PF34正面产生的热能向通道50，52之下一段短距离。增加的热能点燃位于PF34入口附近的微粒物质。从微粒的燃烧中产生的热随即引导着穿过PF以引起PF中剩余微粒的燃烧。 
尤其参照图5，热的导热涂层72另外可以应用到通道50，52的入口62。涂层72可以延伸向封闭通道50的开口端之下一段短距离。在各种实施例中，导热涂层在PF正面一英寸内延伸。栅格64的电阻材料与导热涂层72相接触。当电能通过电阻材料时，热能传递到导热涂层72。来自导热涂层72的热点燃位于PF34入口附近的微粒物质。 
本领域的技术人员从前面的描述应当能够理解，本发明的清楚教导可以各种不同的形式执行。因此，尽管根据其具体实施例描述了本发明，但是由于通过对附图、说明书以及所附权利要求的研究，其它修改对于本领域的技术人员是显而易见的，因此本发明的实际范围应当不限于此。 

Claims (18)

1.一种处理由发动机产生的废气的排气系统，包括：
过滤来自废气的微粒的微粒过滤器(PF)，其中PF的上游端接收来自发动机的废气；
电阻材料栅格，所述电阻材料栅格应用到PF的外部上游表面，并选择性地加热穿过栅格的废气以启动PF中微粒的燃烧；以及
导热涂层，所述导热涂层应用到PF外部上游表面，其中，栅格的电阻材料与导热涂层相接触，并且电阻材料将热能传递到导热涂层以启动导热涂层上存在的微粒的燃烧。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，栅格为不锈钢，并且其中栅格使用陶瓷粘合剂而应用到PF的外部上游表面。
3.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，栅格使用厚膜加热而应用到外部上游表面。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其特征在于，栅格由银和镍铬合金中的至少一种组成。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，栅格包括电输入和电输出，并且其中电流经由电输入和电输出而通过栅格。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，微粒过滤器为包括多个开口通道和多个封闭通道的壁整体式微粒收集器。
7.根据权利要求6所述的排气系统，其特征在于，栅格是穿孔的，以使得当应用到PF上时，栅格中的开口与微粒过滤器的开口通道相配合。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，微粒过滤器包括应用到多个开口和封闭通道的入口的导热涂层，其中导热涂层延伸向开口通道的上游部分之下，并且其中电阻材料将热能传递到导热涂层以启动PF上游部分中存在的微粒的燃烧。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，栅格包括以单路径图案形成的电阻材料的路径。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，栅格包括以多路径图案形成的电阻材料的路径。
11.根据权利要求5所述的系统，进一步包括控制模块，所述控制模块控制电流在PF再生循环的初始时间段期间供给到栅格。 
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，控制模块估计PF中的微粒量，并且其中当所述量超过阈值量时供给电能。
13.一种再生排气系统中的微粒过滤器(PF)的方法，包括：
将电阻材料栅格应用到PF的前侧外部表面；
通过向电阻材料供给电流而加热栅格；
经由加热的栅格引起PF正面上存在的微粒的燃烧；
将由微粒燃烧产生的热引导入PF中以引起PF中微粒的燃烧；以及
用导热材料涂覆PF的入口，并且所述应用进一步包括应用栅格，以使得电阻材料与导热涂层相接触，并将热能传递给导热涂层。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，涂覆入口进一步包括涂覆PF开口通道的上游部分。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述应用包括应用包括以单通道模式限定在PF前侧外部表面上的电阻材料的栅格。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述应用包括应用包括以多路径图案限定的电阻材料的栅格到PF前侧外部表面上。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，加热栅格在PF再生循环初始时间段期间发生。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括估计PF中的微粒量，并且其中当所述量超过阈值量时，加热栅格发生。 
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