CN101297104B - 柴油机颗粒过滤器的再生 - Google Patents

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Abstract

通过燃烧在受控的再生过程中捕获的聚集的碳颗粒使多孔陶瓷柴油机颗粒过滤器再生，其中，热以升温或分级加热速率引入过滤器，该速率低于颗粒燃烧过程快速地、大面积地进行使过滤器温度升高至过滤器损毁的程度的速率。

Description

柴油机颗粒过滤器的再生
本申请要求2005年10月28日提交的，发明名称为“柴油机颗粒过滤器的分级再生”的美国临时申请60/731,116的利益。
本申请还要求2005年10月28日提交的，发明名称为“柴油机颗粒过滤器再生的最小放热”的美国临时申请60/731,117的利益。
发明背景
在世界范围内，正在发展或完善控制柴油机发动机排放的新立法。结果是，柴油机发动机设计者和发展更好发动机控制及废气处理技术的重装备制造商正在付出更多的努力。这种努力包括发展用于捕获存在于所有柴油机发动机废气流中的颗粒(如烟灰)的柴油机颗粒过滤器(DPF)技术的项目。目前和将来的立法要求倾向于颗粒过滤技术的应用，这种技术可有效地除去柴油机动力交通工具废气流中的至少一些含碳颗粒(如烟灰)。陶瓷柴油机颗粒过滤器(DPF)是因此做出的技术选择，通过壁流过滤将废气流中的烟灰滤出。
目前柴油机颗粒过滤器共有的特点是，在发动机运转的聚集期内不断聚集烟灰和其他颗粒。期望达到烟灰的连续氧化，但连续氧化对整个发动机运行范围甚至对包括催化涂层的过滤器设计(称为“催化的”过滤器，与“未催化的”过滤器相反)并不可行。因此，应用柴油机排放控制的柴油机颗粒过滤器系统的一个必要方面是，一旦捕获颗粒的聚集量开始反作用于发动机运转，过滤器必须定期清理或“再生”。
为了进行所述定期主动再生，，通常加热进入过滤器的废气至高于600℃以点燃并烧掉聚集的烟灰来升高柴油机颗粒过滤器的进口温度。例如，可通过附加燃料在有或没有氧化催化剂的支持下燃烧来完成废气加热。
在柴油机工业中，过滤器再生被认为是有困难的。过滤器的进口条件(废气温度和流量，废气组成)，以及过滤器中的烟灰负载水平，对柴油机颗粒过滤器的再生性能有重要的影响。在许多情况下，烟灰燃烧可在过滤器中产生极大的放热，导致过滤器破裂和/或熔融并降低过滤效果。因此，要重点关注用于降低过滤器损坏风险的新技术的发展，包括缓和与不可控再生(即，以聚集烟灰快速且不可控燃烧为特征的再生)密切相关的极高过滤器温度。
同时，特别是在动力驾驶条件下，有利的是快速完成再生过程以减少燃料的经济成本并达到几乎完全再生。快速再生也能降低遇到不利的边界条件(称为“降至空转”(Drop-to-Idle)(DTI))的可能性，此时空转发动机产生的废气流量不足以有效地降低烟灰燃烧过程中的最高过滤器温度。
快速升温至超过烟灰燃烧温度(通常为650-750℃)的高进口温度可实现快速再生。所述高进口温度通常引起燃烧过程，以从柴油机颗粒过滤器的进口向出口很快地进行，导致可能在柴油机颗粒过滤器的出口表面附近形成极高的温度而损毁过滤器。另外，快速加热再生会形成不均衡的和不完全的烟灰燃烧，其中，过滤器中心被再生，而其外围边缘仍保留一定程度的未燃烧的烟灰。这使得发动机控制系统很难预测实际的过滤器烟灰负载水平以及何时开始下一个过滤器再生循环。
在这些情况下，用于应对产品失败可能的一种策略是降低柴油机颗粒过滤器的最大可允许的烟灰负载水平，由此增加再生频率。不幸的是，这种策略引起再生均一性、再生效率和燃料效率损耗，另外还会导致由引发再生的气缸里燃料后喷射的过量使用引起的高发动机油稀释水平。后一效果降低了油润滑性并对发动机喷射和发动机寿命有负面影响。
工业上，在不同的发动机工作条件下进行了发动机测功器研究，这些工作条件可近似地模拟实际车辆在不同的公路和越野工作环境中遇到的情况。在这些研究过程中，评估了用于在再生循环开始时引发烟灰燃烧的各种系统，包括燃料的后喷射、氧化催化剂的应用、燃烧附加燃料的燃烧器的应用、以及置于颗粒过滤器上游的同轴废气加热器的应用。所有这些都能有效地引发过滤器再生，但到目前为止，没有一种能有效控制引发烟灰燃烧后的再生过程。
例如，美国专利5,551,971公开了一种系统，其中，用于监测再生过程中过滤器温度的热电偶和一电控制单元相连接，当过滤器温度超过某些设定值时，该控制单元可降低输入过滤器的总热量。这种方法的一个缺点是需要在废气系统和过滤器本身中直接放置热电偶和关联电路。另一个问题是无论是否中断引发该燃烧的额外热能供应，已知过滤器中都会因不可控的烟灰燃烧而产生过高的过滤器温度。
发明概述
本发明提供了柴油机颗粒过滤器再生的方法，通过调节通入过滤器的受热废气的加热速率来引发燃烧，以有效地控制其后的燃烧过程。这些方法适用于任何一种过滤器材料，过滤器结构和再生时存在于过滤器中的可燃颗粒的负载，也可应用于催化的及非催化的柴油机颗粒过滤器，以及由低热导陶瓷(如堇青石和/或钛酸铝)组成的过滤器。
过滤器再生过程的有用的特征是，由于热输入过滤器而引发烟灰燃烧，一些烟灰开始燃烧发生的燃烧反应产生更多热量引起过滤器内烟灰燃烧的连锁反应。从这方面来说，再生过程可被认为是一有“热动量”的过程。最初的燃烧产生大量的热，或一特定的初始温度。然后，随着剩余烟灰的反应的进行，得自剩余烟灰燃烧的更多热量在短时间内使温度又升高。燃烧的结果是，柴油颗粒过滤器内温度快速上升。另外，如果在更短时间内增加了更多的热量，则更多的烟灰同时燃烧。
根据这一点，烟灰燃烧的动力学在一定程度上将受到加热升温速率的影响，因为这一速率决定了燃烧的烟灰的初始体积的大小。初始燃烧量及其产生的燃烧热量使过滤器内更充分地燃烧。如果快速加热初始体积的量，则其中较大一部分的烟灰将更迅速地燃烧，从而导致更高的下游温度，使其后下游过滤器体积的燃烧动力更大，且在过滤器长度的下方也同样。因此，快速升温或过滤器加热速率赋予了将整体放热达到极限状态的燃烧动量。
采用更合适的升温速率，使加热更缓慢地发生，从而使得只有小部分聚集烟灰开始燃烧，并只生成少量燃烧热。接着，流过过滤器的正常废气流可充分稀释和消散该生成的热量，而不引起过高的温度。燃烧连锁反应仍然发生，但由于最初产生的较低温度和较低的热增加速率，烟灰燃烧在较长的时间区间内发生，并发生在燃烧放热的最高点，由此使最高过滤器再生温度明显降低。
因此，一方面，本发明包括一种再生柴油机颗粒过滤器的方法，该方法从过滤器中除去一定量的收集的可燃颗粒物(例如，烟灰本身或和其它未完全燃烧的废气冷凝物)。通常，这种再生包括通过任何合适的手段将热输入过滤器以升高物质的温度至物质的燃烧温度的步骤。但是，在本发明中，燃烧或点燃热以低于过滤器损毁极限加热速率的加热升温速率输入过滤器。所述极限加热升温速率是这样的速率，此速率下，烟灰可大面积地同时燃烧到有效达到超过最高过滤器再生温度(即，温度等于或甚至大于过滤器的熔点)的程度。
在一些其他实施方式中，本发明包括分级升温至引发再生所需的废气进口温度，以能维持温度升高速率在最大安全速率或其附近，但不超过最大安全速率。这使得由于高峰值温度和温度梯度，甚至在再生循环过程中遇到的不利条件(如DTI条件)下引起的柴油机颗粒过滤器损毁的风险降到最低。
在本发明中，用于包含捕获可燃颗粒的多孔陶瓷颗粒过滤器的再生的分级方法包括：第一或初始阶段，在此阶段，过滤器温度或至少过滤器中所含的烟灰和其它可燃颗粒的温度只升至初始再生温度范围。该初始范围是温度限定的，即由上限温度限定，它高得足以引发捕获颗粒燃烧，但又不足以使烟灰完全燃烧，也不足以引发过滤器内的烟灰广泛燃烧导致因烟灰燃烧放热而使过滤器损毁。
其后，向过滤器中进一步输入热以引发第二阶段的再生。此阶段包括向过滤器增加附加热能，通常在得自第一再生阶段的燃烧仍在进行的同时，增加的热能足以使过滤器的温度升至高于第一阶段的上限温度。增加的热量会使过滤器中捕获颗粒进一步燃烧，并且如果数量或持续时间足够，基本上完成所有剩余的捕获颗粒的充分燃烧，从而使过滤器完全再生。
对任意选择的过滤器和过滤系统组成和设计可选择用于第一阶段再生的上限温度，所述上限温度因过滤器的化学组成、开始再生时过滤器内捕获的可燃颗粒的数量和性质、以及与过滤器操作条件有关的其它已知变量而不同。然而，一种可容易且有效使用的有用的上限温度可引发烟灰燃烧，但不向过滤器中输入附加热量时烟灰不能完全燃烧。另一有用的限制是，在等于或低于由于引发捕获颗粒燃烧产生的烟灰燃烧放热时，该温度不足以使过滤器温度升高至大于过滤器破裂或熔化的温度。
从前述内容中可以明显看出，对于任何特定的系统，极限加热升温速率或分级加热温度很大程度上取决于构建过滤器的材料、过滤器的结构设计、以及存在于过滤器中的将被除去的可燃颗粒的量。但是，对于任意过滤器设计和烟灰负载条件，这些速率和温度可简单地通过如下方式常规确定，即在加热升温速率或分级加热温度范围内进行再生，并在过滤器内的径向和轴向位置(在那里通常因再生形成高温)确定可观测到的最高过滤器温度。
本发明的再生方法与传统方法相比，烟灰燃烧可更好地预测和更加均一化，再生效率与传统方法相当或更高，且燃料消耗量低，并且可应用于目前这些申请里提及的任一已知的柴油机颗粒过滤器材料制得的过滤器中。
附图说明
参照附图以便更好地理解本发明，其中：
图1所示曲线绘出了两种再生循环的再生温度和效率；
图2所示曲线绘出了分级再生循环的过滤器进口和出口温度；
图3所示曲线绘出了分级再生循环的有压降的过滤器进口和轴向温度；
图4所示曲线绘出了快速升温再生循环的有压降的过滤器进口和轴向温度；
图5所示曲线绘出了在不同进口温度下引发的再生循环的过滤器压降；
图6所示曲线绘出了第一不可控再生循环的压降和最高过滤器温度；
图7所示曲线绘出了第二不可控再生循环的压降和最高过滤器温度；和
图8所示为柴油机颗粒过滤器在不同加热升温速率下进行再生所观测到的最高过滤器温度的平面图。
具体说明
本发明的一个显著的优点是，如果根据本发明在过滤器再生中应用加热升温速率，则可更广泛地、经济地使用各种高效过滤器构建材料(包括多孔堇青石陶瓷)，虽然其耐火性不如非氧化过滤器材料，并且在此之前人们认为其在高烟灰负载时引起的再生损毁风险稍高。另一优点是不考虑使用的过滤器构建材料，过滤器再生(再生通常引起可测量的燃料损耗)的间隔时间会增加。这是因为在较高的可燃颗粒的过滤器负载时能成功达到再生。
对任意特定过滤器设计和结构以及任意发动机和设计的再生引发系统，可采用如上所述的传统发动机测功器测试方法，以发展控制DPF再生循环的过滤器特性图。或者，也可利用公路上的车辆得到所述温度分布信息。再者，在对于特定发动机和燃烧引发系统的过滤器加热速率和烟灰负载范围内，引发对于特定系统和过滤器的过滤器再生循环，来确定最大烟灰负载量和加热速率，此时可加热过滤器而不会达到废气系统设计者设定的任何特定过滤器损毁极限温度。最高极限温度通常是过滤器构建材料的熔化温度。但是，发展特性图也是避免可能在较低极限温度下发生的剧烈程度较小的过滤器或废气系统损毁(如过滤器破裂)的常规手段。
ECU操作作为发动机控制系统的一部分可控制再生加热升温速率。根据再生循环间的时间长度间隔，或根据探测到(例如用废气系统压力传感器)的过滤器上的聚集颗粒的质量，可通过燃料后喷射或其它积极方式控制增加以引发烟灰燃烧的热。接着，对大量的聚集烟灰补充物可按照需要使用较慢的升温速率以控制烟灰燃烧速率。
实际应用中本发明还要考虑的是，在任意特定的再生循环中会产生再生的百分率或颗粒除去的程度。将再生循环限于最大放热可导致小于100％的再生，即没有完全除去聚集颗粒。
通过在两个部分或两个阶段中进行再生可成功地解决这个问题。对颗粒重负载的柴油机颗粒过滤器，只能使用低加热升温速率，结果是第一阶段再生只完成50-60％。为完成过滤器再生，接着可使用快速升温速率以引发第二阶段再生，燃尽剩余的聚集烟灰从而完成再生循环。总的结果是在有效的最小再生放热温度下100％再生。
附图中的图8示出了对于一特定发动机-过滤器组合，控制颗粒燃烧的再生加热升温速率和DPF继发再生循环中观测到的最高温度的效果。图8所示曲线绘出了在两种不同加热升温速率下引发的DPF再生循环中观测到的温度，这些温度以相同的时间间隔，在测量的烟灰负载柴油机颗粒过滤器上的四个间隔位置上测量。通过热电偶测量温度，热电偶中心放置在过滤器进口表面(i)和过滤器纵向中心轴(C)，中间半径(M)和与过滤器出口表面间隔的环向边缘(E)。同时，以基本上相同的颗粒负载和相同的废气流速进行再生循环，所述废气是每个再生循环中5.9L柴油机发动机以800rpm运转产生的。
用来在这些再生循环开始时引发烟灰燃烧的方法是在DPF进口上游预加热(本发明中采用电加热器)发动机废气，但是对加热废气或过滤器本身的方法不做限定。附图中绘出在过滤器进口表面测量得到的温度，如图分别为快(FI)和慢(SI)进口温度。
对所有这些测试中的加热升温速率，目标过滤器进口温度是650℃。而传统(快)再生循环使用足够高的加热升温速率使过滤器进口温度在50-75秒(FI温度线)内从环境废气温度升至目标进口温度。相反地，受控(慢)再生循环使用的加热升温速率使过滤器进口温度经100-150秒间隔(SI温度线)从环境废气温度升至目标进口温度。
加热升温速率变化的一个效果是引起温度上的变化，引发烟灰燃烧导致一个或多个可观测中心(C)、中间(M)或边缘(E)过滤器温度比过滤器进口温度升高得更快。在快进口的情况下，在中心(FC)和中间(FM)位置测得的过滤器温度在温度超过650℃时脱离并超过快进口(FI)温度线。在慢加热情况(SI)下，低于600℃时发生脱离。
从图8还可明显地看出作用于最高过滤器再生温度的较慢加热升温速率的效果。如预期的那样，各个升温速率线上的最高再生温度因过滤器内热电偶的位置而不同。通常，在几乎所有的再生条件下，过滤器中心(C)和中间(M)位置热电偶测量到的温度比边缘(E)位置热电偶测到的高得多。因此，普遍接受的是，首先要控制中心和中间半径(mid-radius)的过滤器温度以成功地避免过滤器热损毁。
在如附图所示的两个不同加热升温速率的情况下，快进口(FI)加热线在过滤器的中心和中段(FC和FM温度线)达到接近1200℃的最高温度，在许多情况下这些温度足以使传统结构的多孔堇青石陶瓷过滤器结构性破裂和/或熔化。这和采用慢进口(SI)加热升温速率得到的慢中心和中间半径(SC和SM)温度曲线明显相反。在后一条件下，测量的最高SM过滤器温度接近270℃，是SI再生条件下记载的最高温度，低于采用快进口加热升温速率得到的1200℃。
从附图中的数据可以得出这样的结论，采用有效维持平均温度升高速率低于100℃/分钟的加热升温速率，将对过滤器的再生损毁提供有效的保护。因此，对特定发动机操作和评估的颗粒负载条件，在该加热速率下引发的再生将过滤器内温度的最高值限制在低于1000℃；后一温度表示对大部分由堇青石组成和标准结构的柴油机颗粒过滤器的保守再生温度限制。
这些数据也显示了慢进口加热线的慢边缘再生温度相对较低，仅仅刚超过600℃。在低升温速率条件下，这条曲线增加了从过滤器边缘部分不完全除去颗粒的可能性。如上所述，在这种情况下可进行第二再生阶段，其中，可采用快加热升温速率以安全地除去剩余的颗粒物。采用加热升温速率以使过滤器进口表面的平均温度升高速率有效达到至少125℃/分钟，如附图中快进口再生条件图所示，是第二再生步骤的合适升温速率的一个例子。
图1比较了在550-675℃范围的特定温度下由通入过滤器进口的加热的废气引发的受控和非受控再生的过滤器温度和烟灰燃烧效率。记录的是在线上温度范围内选择的进口温度的两种再生条件中的每一种的过滤器的最高温度(最高温度[℃])，以及通过再生达到的烟灰除去程度(再生效率[％])。以再生后烟灰剩余百分比形式记录烟灰除去量，在每一再生循环开始时过滤器体积内存在的总烟灰负载量为4克/升。图1中的数据证明，在较高的进口温度下，受控的再生比非受控的再生的再生效率更高。而在同样的条件下，非受控再生比受控再生产生高得多的放热响应。在较高的烟灰负载条件下，这种现象更明显。
甚至在非受控再生过程中，逐步或分级再生可与低放热响应结合以形成高再生效率。用这种方法，在较低进口温度引发的燃烧持续一段时间直到足量的烟灰被氧化，以防止在较高的进口温度下形成高放热响应。图2示出了含4克/升可燃烟灰的过滤器的分级再生过程，其中，向过滤器进口通入600℃的气体引发燃烧5分钟，在初始燃烧期后，再燃烧5分钟使气体进口温度升至650℃(DPF进口温度)。第二阶段加热有效地将过滤器中剩余烟灰完全除去。在如图2所示的分级再生中，在过滤器中心出口(DPF中心出口)观测到的再生中达到的最高过滤器温度小于750℃，而过滤器边缘附近(DPF表面出口)的过滤器温度只有约575℃。
类似的再生方法还可以更连续地应用于升温过滤器进口温度线。此时，可较快地升至初始烟灰燃烧温度，但随后以受控的、较慢的速率升高温度，以保证进口温度相对于烟灰负载一直保持在安全水平。术语“安全水平”用来表示进口温度相对于烟灰负载的关系，将在部件中达到最大放热温度和梯度，而不导致部件失败(过滤效率损失)。
图3描绘了典型的升温再生过程。类似地，图4描绘了标准“快速”升温再生。这些再生均在聚集烟灰的过滤器烟灰负载为8克/升的条件下进行。
图3所示的过程为将过滤器进口温度(i)升至550℃，接着保持这一温度2分钟，然后经约5分钟加热时间，进一步升高进口温度至650℃。过滤器前端(F)和后端(B)的温度开始超过550℃的进口温度(与出现在过滤器前端(F)的初始燃烧放热一致)，而在大部分剩余循环中，后端(B)温度高于前端(F)温度。有利地，后端放热调整过滤器较热后部的部件温度不超过约750℃。压降曲线P总体上示出了烟灰除去过程，显示了再生循环过程中过滤器中的压降变化。
图4描绘的常规的“快速”升温再生包括在较短的加热时间间隔(例如不超过约120秒)内将过滤器进口温度(曲线I)升高至650℃。如图3表示的一样，温度线为在过滤器前端(F)和后端(B)测得的再生温度，以及再生过程中过滤器的压降(曲线P)的最终变化。
图3和图4证实了再生过程中这些过滤器的温度升高很大程度上决定于进口温度。在图4中，“快速”升温条件下首先在过滤器前端超过烟灰燃烧温度，导致温度从前到后逐渐变化，引起更剧烈放热。在图3中，“升温”再生使部件后端的温度和前端同时或比前端更早达到燃烧温度，从而减少了放热响应。如DPF压降曲线(P)所示，在“升温”情况下，烟灰燃烧速率也更均一化。
图3和图4中可见的DPF压降曲线与过滤器温度和烟灰负载成比例。随着过滤器温度升高，在烟灰燃烧之前，这些曲线数值增加。达到烟灰燃烧温度时烟灰开始氧化，这些曲线趋平并开始下降。随着过滤器温度的稳定，接下来压降曲线的变化只与烟灰燃烧成比例。
再参看图4，常规升温的压降曲线上有一较小的峰，接着迅速落下，表示快速燃烧速率，导致能量突然释放和高DPF温度和梯度。在图3中，过滤器压降曲线上压力随着时间逐渐下降，表示更缓慢和更均一化的烟灰燃烧过程。结果是该部件(part)的最高DPF温度和温度梯度变化更小。
采用升温的热再生循环不一定引起特定循环时间内烟灰除去程度的下降。例如，图5示出了反映烟灰除去效率的过滤器压降变化，可在使用不同进口温度加热条件下，烟灰负载为4克/升的普通催化设计的再生过程中观测到。记录的进口加热条件包括固定的550℃(A)、600℃(B)、650℃(C)进口温度条件，以及两个升温再生循环；循环D(在600℃下加热过滤器进口3分钟，然后在650℃下加热7分钟)和循环E(在600℃下加热过滤器进口5分钟，在650℃下加热5分钟)。所有再生循环都持续相同的10分钟。图5的数据所示，如最终过滤器压降所反映的，即使通常过滤器中产生较低的最高再生温度，升温循环的再生效率和常规的单步骤再生效率基本上相同。
同样，非受控再生过程中的分级再生降低了最高过滤器温度和温度梯度。比较说明在固定废气进口温度为650℃(快速升温)条件下，引发非受控再生循环的过滤器和在初始废气进口温度为600℃加热5分钟，随后650℃加热5分钟(分级引发)的条件下，引发非受控再生循环的相同过滤器结构。
附图中图6(快速升温情况)和图7(分级情况)表示这两种情况下得到的数据。再生过滤器是烟灰负载为4克/升的堇青石过滤器。图中过滤器压降曲线(P)反映了降至空转(DTI)时压力突然下降的特征，在快升温循环中约90秒时发生(图6)，在分级循环中约330秒时发生(图7)。比较两后轴向温度线(曲线标记为T)，用600℃加热5分钟的初步再生预加热阶段，可降低在最终650℃进口温度状态中将被除去的有效烟灰负载，如图7所示，和图6中快升温情况相比，引起最高温度值明显降低(约200℃)。
分级再生应用于重型(HD)再生颗粒过滤器同样有明显的优点，尽管用于这些应用的过滤器很大以应付重型大体积废气流。通常，这些较大的过滤器要产生足以有效燃烧聚集烟灰的再生温度比较小的轻型(LD)过滤器需要更长的时间和更多的补充热量。
对轻型过滤器再生，控制常规进口废气的进口温度，如600℃，可使轴向过滤器温度迅速达到再生温度，而一些非受控释放的热量使温度朝向过滤器后端逐级升高。这种释放在柴油机颗粒过滤器中产生较高的温度和较大的温度梯度。
另一方面，进口的受控升温，使该部件的烟灰以稳定增加的速率更均一地燃烧，由此避免能量的非受控释放并维持进口温度和滤床再生温度间较小的温差。一个合适的升温速率的例子是，经过加热时间10-15分钟，将进口废气流从575℃逐渐升至约650℃。汽车卡车应用中特别有利的是严格控制重型过滤器再生中的滤床温度，其中进口温度传感器是系统控制中唯一可用的热反馈。因此，为再生控制目的的滤床温度数据不能以经济的方式获得。
HD过滤器应用的分级再生的一个重要优点是它不减少再生循坏的再生效率。对于这些应用，升温进口温度看上去有助于过滤器的边缘升至燃烧温度，使在每个循环中烟灰燃烧均一性增加。在一种效率测试中，可观察到，再生效率从在600℃下引发的常规循环的77％提高至分级循环的94％。应注意到，在固定的废气进口温度(650℃)下，甚至在烟灰负载为4克/升下，常规的再生不利于这些较大的过滤器，因为在这些再生条件下会发生过滤器损毁。
燃料经济性也是评价再生方法的重要因素，分级再生看上去也比常规再生显示出燃料效率方面的优点。下表1中比较了使用快速升温和分级再生循环的重型过滤器再生的有代表性的测试数据，在两种情况下过滤器烟灰负载为相似的7-8克/升，过滤器废气进口温度接近650℃。如这些数据所示，分级升温再生的再生效率和快速升温再生几乎相同，但分级升温再生的最大放热响应较低，在整个再生循环中的燃料消耗量低了10％。这是由于升至较低进口温度的时间早于升温至最大进口温度的时间，与燃料喷射量较低有关。
表1-重型过滤器再生
  HD再生循环   分级升温   快速升温
  烟灰负载   7/8克/升   8.0克/升
  最大过滤器进口温度(℃)   653.7℃   652.4℃
  最大过滤器再生温度(℃)   753.5℃   980.2℃
  再生效率   80.2％   79.7％
  累计燃料消耗量   1.037kg   1.149kg
总之，发现对所有重型和轻型柴油机颗粒过滤器平台，根据时间、过滤器中烟灰负载水平和其他进口条件调整进口温度，可有效地减轻在受控和非受控烟灰再生中因非受控性能量释放引起过滤器损毁的潜在风险。这些分级再生方法的优点还包括通常较高的再生工艺效率和控制，再生循环内改进的燃料经济性和降低的后-点火燃料喷射油稀释率，由于可允许较高的烟灰负载，所需的过滤器再生频率较小。由于整个过滤器容器内烟灰再生更均一化，可安全地升温至较高的进口温度以改进边缘加热和过滤器再生。再生均一性改进了预测烟灰负载的发动机控制器性能，并因此避免了在烟灰过量负载条件下可能的损毁。

Claims (4)

1.一种柴油机颗粒过滤器的再生方法，该方法通过升高捕获的可燃颗粒物的温度至该可燃颗粒物的燃烧温度以除去该捕获的可燃颗粒物，其中，热引入过滤器的加热速率低于过滤器损毁极限加热速率；
所述加热速率是包括以下步骤的分级加热速率：
升高过滤器或颗粒的温度至由上限温度限制的初始再生温度范围，以引发捕获颗粒的燃烧，所述加热速率是有效维持过滤器进口表面的平均温度上升速率低于100℃/分钟的升温加热速率；和
随后，在燃烧过程中，向过滤器添加附加的热能，该热能足以升高过滤器的温度至大于上限温度以使捕获颗粒进一步燃烧；热引入过滤器的加热升温速率使过滤器进口表面的平均温度上升速率有效地达到至少125℃/分钟。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上限温度等于或低于使过滤器内的捕获颗粒不完全燃烧的温度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上限温度等于或低于这样的温度，在此温度捕获颗粒燃烧的放热不足以升高过滤器温度至大于过滤器的熔点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上限温度等于或低于这样的温度，在此温度捕获颗粒燃烧的放热不足以升高过滤器温度至大于1000℃。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7677028B2 (en) * 2006-02-28 2010-03-16 Caterpillar Inc. Particulate trap regeneration temperature control system
US8316638B2 (en) * 2007-12-12 2012-11-27 GM Global Technology Operations LLC Control system for a particulate matter filter
CA2777407A1 (en) * 2008-10-17 2010-04-22 Nxtgen Emission Controls Inc. Fuel processor with improved carbon management control
DE102008043036B4 (de) * 2008-10-22 2014-01-09 Ford Global Technologies, Llc Verbrennungsmotor mit Turboladung und Niederdruck-Abgasrückführung
US8950177B2 (en) * 2009-06-17 2015-02-10 GM Global Technology Operations LLC Detecting particulate matter load density within a particulate filter
GB2477310A (en) * 2010-01-29 2011-08-03 Gm Global Tech Operations Inc Particle filter regeneration with a fault detection step
JP2011220252A (ja) * 2010-04-12 2011-11-04 Hino Motors Ltd 後処理バーナシステムの燃焼昇温制御方法及び装置
BR112013005632A2 (pt) 2010-09-09 2019-09-24 Dow Global Technologies Llc sistema de filtro de particulado diesel, processo para controlar um ciclo de regeneração de um filtro de particulado diesel, método para controlar o comprimento de um filtro de particulado diesel e método para reduzir a temperatura de pico de um filtro de particulado diesel
JP5660847B2 (ja) * 2010-10-20 2015-01-28 三菱重工業株式会社 ディーゼルエンジンの排気浄化装置
JP5736759B2 (ja) * 2010-12-15 2015-06-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
WO2013063137A1 (en) * 2011-10-26 2013-05-02 Boshart Automotive Testing Service, Inc. Over temperature / pressure safety device for diesel particulate filters
EP3282107B1 (en) * 2013-04-03 2019-08-14 Volvo Truck Corporation Method for regenerating an exhaust after treatment device
GB2539232B (en) * 2015-06-10 2020-07-29 Gm Global Tech Operations Llc Method of operating a selective catalytic reduction on filter of an automotive system
WO2019036344A1 (en) 2017-08-14 2019-02-21 Carrier Corporation TRANSPORT REFRIGERATION SYSTEM AND METHOD FOR REGENERATING A DIESEL PARTICULATE FILTER
CN112761759B (zh) * 2021-02-01 2022-03-15 联合汽车电子有限公司 一种基于温度模型控制汽油机颗粒捕集器断油再生的方法
US12092048B2 (en) 2022-03-10 2024-09-17 Cummins Emission Solutions Inc. Systems and methods for controlling regeneration of aftertreatment systems including multiple legs

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5853459A (en) * 1996-07-18 1998-12-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Exhaust as purifying method, exhaust gas filter, and exhaust gas filter purifying apparatus using same
CN1432100A (zh) * 2000-05-30 2003-07-23 排放技术有限公司 微粒捕集器
US6941750B2 (en) * 2002-01-25 2005-09-13 C.R.F Societa Consortile Per Azioni Method of determining the amount of particulate accumulated in a particulate filter

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9325492D0 (en) 1993-12-14 1994-02-16 Engelhard Corp Improved particulate filter,and system and method for cleaning same
EP1203869B1 (de) 2000-11-03 2002-08-21 Ford Global Technologies, Inc., A subsidiary of Ford Motor Company Regelungsanordnung und Verfahren zur Unterbrechung der Regeneration eines Partikelfilters eines Dieselmotors
DE10103771A1 (de) 2001-01-27 2002-08-14 Omg Ag & Co Kg Verfahren zur Wiederherstellung der katalytischen Aktivität eines Katalysators, welcher im Abgastrakt eines Dieselmotors angeordnet ist und wenigstens eine Oxidationsfunktion aufweist
US6843055B2 (en) 2001-06-22 2005-01-18 Nissan Motor Co., Ltd. Regeneration of diesel particulate filter for diesel engine
FR2835565B1 (fr) 2002-02-05 2004-10-22 Saint Gobain Ct Recherches Procede de gestion de moyens de decolmatage d'un filtre a particules
US6829890B2 (en) 2002-08-13 2004-12-14 International Engine Intellectual Property Company, Llc Forced regeneration of a diesel particulate filter
JP4140371B2 (ja) 2002-12-16 2008-08-27 日産自動車株式会社 パティキュレートフィルタの再生装置及びエンジンの排気ガス浄化装置
US6862927B2 (en) 2003-05-16 2005-03-08 Corning Incorporated Filters for engine exhaust particulates
JP4225153B2 (ja) 2003-07-30 2009-02-18 日産自動車株式会社 排気フィルタの再生制御装置
JP4075755B2 (ja) * 2003-09-22 2008-04-16 トヨタ自動車株式会社 内燃機関のフィルタ過昇温抑制方法
ITTO20030999A1 (it) 2003-12-12 2005-06-13 Fiat Ricerche Metodo di attivazione della rigenerazione di un filtro del particolato in base ad una stima della quantita' di particolato accumulata nel filtro del particolato.
JP4103813B2 (ja) * 2004-02-02 2008-06-18 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5853459A (en) * 1996-07-18 1998-12-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Exhaust as purifying method, exhaust gas filter, and exhaust gas filter purifying apparatus using same
CN1432100A (zh) * 2000-05-30 2003-07-23 排放技术有限公司 微粒捕集器
US6941750B2 (en) * 2002-01-25 2005-09-13 C.R.F Societa Consortile Per Azioni Method of determining the amount of particulate accumulated in a particulate filter

Also Published As

Publication number Publication date
EP1948914A4 (en) 2010-10-27
EP1948914A2 (en) 2008-07-30
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US20090241513A1 (en) 2009-10-01
US7841170B2 (en) 2010-11-30
EP1948914B1 (en) 2011-12-28
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