CN101307712A - 电加热微粒过滤器制备方法和系统 - Google Patents

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Abstract

电加热微粒过滤器制备方法和系统。提供一种控制微粒过滤器再生的控制系统。该系统大体上包括控制向穿过微粒过滤器的废气中喷射燃料的燃料控制模块。再生模块控制流向微粒过滤器的电流以在已经向废气中喷射燃料之后启动再生。

Description

电加热微粒过滤器制备方法和系统
政府权利声明
本发明是根据美国政府能源部(DoE)合约No.DE-FC-04-03AL67635做出的。美国政府对本发明拥有一定的权利。
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
这一部分的说明仅仅提供与本发明有关的背景技术而并不构成现有技术。
柴油发动机因压缩比更高以及柴油燃料的能量密度更高而通常比汽油发动机具有更高的效率。柴油燃烧循环产生微粒，这些微粒通常由布置在废气气流中的微粒过滤器(PF)从柴油废气中过滤得到。一段时间之后，PF变得充满并且必须清除收集的柴油微粒。在再生过程中，柴油微粒在PF内燃烧。
一些再生方法通过前表面加热器点燃在PF前面存在的微粒物质。随后利用由PF加热面附近存在的微粒物质的燃烧或由穿过PF的加热废气产生的热量实现对PF内存在的微粒物质的再生。在一些情况下，在再生完成之前熄灭PF内微粒物质的燃烧。
发明内容
因而，提供一种控制微粒过滤器再生的控制系统。该系统大体上包括控制向穿过微粒过滤器的废气中喷射燃料的燃料控制模块。再生模块控制流向微粒过滤器的电流以在已经向废气中喷射燃料之后启动再生。
在其它特征中，提供一种控制微粒过滤器再生的控制方法。该方法大体上包括：向穿过微粒过滤器的废气中喷射燃料；以及控制流向微粒过滤器的电流以在已经向废气中喷射燃料之后启动再生。
从在此提出的描述中将会清楚地了解到其它应用领域。应该认识到所述描述和具体实例仅仅是为了示例说明，而并不是要限制本发明的范围。
附图说明
在此描述的附图仅仅是示例性的，而绝不是要限制本发明的范围。
图1是根据本发明不同方面的示例性车辆的功能结构图，所述车辆包括微粒过滤器和微粒过滤器预处理系统。
图2是示例性壁流整体式微粒过滤器的横截面图。
图3包括微粒过滤器的示例性前表面的透视图，其示出多种型式的电阻通路。
图4是示例性微粒过滤器的前表面和加热器插入件的透视图。
图5是图2所示的示例性微粒过滤器的一部分包括导电涂层的横截面图。
图6是表示根据本发明不同方面的示例性微粒过滤器预处理系统的数据流程图。
图7是表示根据本发明不同方面的示例性微粒过滤器预处理方法的流程图。
图8是表示根据本发明不同方面的微粒过滤器预处理方法中的示例性温度控制方法的流程图。
具体实施方式
以下描述实质上仅仅是示例性的，并不是要限制本发明公开的内容、应用或用途。应该认识到在所有附图中，相应附图标记表示相同或相应的部件和特征。在此采用的术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电路、执行一个或多个软件或硬件程序的处理器(共用、专用或组)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它提供所需功能的适当部件。
现在参照图1，根据本发明的不同方面示出了包括示例性柴油发动机系统11的示例性车辆10。认识到柴油发动机系统11实质上仅仅是示例性的并且可以在包含微粒过滤器的多种发动机系统中实施在此描述的微粒过滤器预处理系统。这些发动机系统可以包括但不局限于汽油直喷发动机系统和均电荷压缩点燃发动机系统。为了便于论述，以柴油发动机系统为例论述本发明。
涡轮增压柴油发动机系统11包括燃烧空气和燃料混合物以产生驱动转矩的发动机12。空气通过穿过空气过滤器14进入系统。空气穿过空气过滤器14并被吸入涡轮增压器18。涡轮增压器18压缩进入系统10的新鲜空气。通常对空气的压缩越大，发动机12的输出越大。压缩空气随后在进入进气歧管22之前穿过空气冷却器20。
进气歧管22内的空气被分配到气缸26内。尽管示出了四个气缸26，但将会认识到本发明的系统和方法可以在具有多个气缸-包括但不局限于2、3、4、5、6、8、10和12个气缸的发动机中得到实施。还将会认识到本发明的系统和方法可以在V型气缸构造中得到实施。通过燃料喷射器28将燃料喷入气缸26内。来自压缩空气的热量点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧形成废气。废气从气缸26中排入废气系统内。
废气系统包括废气歧管30、柴油氧化催化剂(DOC)32、以及微粒过滤器(PF)34。可选择地，EGR阀(未示出)使一部分废气重新循环回到进气歧管22内。其余废气被导入涡轮增压器18以驱动涡轮。涡轮便于对从空气过滤器14接收到的新鲜空气进行压缩。废气从涡轮增压器18流动穿过DOC 32和PF 34。DOC 32根据后燃空气/燃料比氧化废气。氧化量提高了废气的温度。PF 34从DOC 32接收废气并对废气中存在的任何微粒物质进行过滤。
控制模块44根据不同的感应和/或模制信息控制发动机和PF再生。更具体地，控制模块44估计PF 34的加载。当估计的加载达到界限值(例如每升中5克微粒物质)并且废气流速处于所需范围内时，控制经由电源46到达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内微粒物质的量而改变。可以预见再生过程持续1-6分钟。然而，在再生过程的初始段仅施加电流。更具体地，电能在界限期(例如1-2分钟)内加热PF 34的表面。穿过前表面的废气得到加热。利用通过在PF 34的加热表面附近存在的微粒物质的燃烧或通过穿过PF 34的加热废气产生的热量完成其余再生过程。
在一些情况下，PF 34内的微粒物质的燃烧由某些发动机操作条件熄灭。例如，会由发动机加速事件熄灭再生。为了防止这种熄灭，控制模块44根据传感器信号和/或模制信号以及本发明的微粒过滤器预处理方法和系统利用燃料对PF 34进行预处理。燃料的预处理提高了PF 34中的燃烧热量级，从而防止了燃烧熄灭。
在不同实施方式中，废气温度传感器47根据废气温度产生废气温度信号。质量气流传感器48根据进入或排出发动机12的空气产生废气信号。电流和/或电压传感器49根据由电源46向PF 34供给的电压和/或电流产生电流和/或电压信号。氧传感器51根据废气中的含氧量产生含氧量信号。在不同实施方式中，控制模块44接收这些信号并利用燃料对PF 34进行预处理，同时控制燃烧温度，使得不会过热。例如通过在燃烧循环之后在废气中喷入燃料实现对燃料的预处理，所述喷入燃料例如通过将燃料喷入废气中的燃料喷射器28或后燃烧喷射器53。
具体参照图2，PF 34优选是整体式微粒收集装置并包括交替关闭的单元/通道50和打开的单元/通道52。单元/通道50，52通常横截面为正方形，轴向延伸穿过所述部件。PF 34的壁58优选由堇青石材料的多孔陶瓷蜂窝壁构成。可以认识到任何陶瓷蜂窝材料都被认为是落入本发明的范围内。相邻通道在以56表示的每一端交替被塞住。这样迫使柴油悬浮微粒穿过作为机械过滤器的多孔基底壁。微粒物质沉积在关闭通道50内并且废气穿过打开通道52排出。微粒物质59流入PF34内并被收集在其中。
为了进行再生，包括电阻材料的栅格64粘附在被称为PF 34前表面的前外表面上。向电阻材料施加电流以产生热能。认识到可以采用厚膜加热技术将栅格64粘附在PF 34上。例如，可以向PF 34的前表面涂敷随后刻蚀加热材料例如银或镍铬合金或者施加掩模。在不同的其它实施方式中，栅格64包括电阻材料例如不锈钢并利用粘合剂粘附在PF 34上或压配合在PF 34上。
还认识到可以以图3所示的各种单或多路径型式施加电阻材料。可以去除部分电阻材料以形成通道。在不同的实施方式中，图4所示的多孔加热器插入件70可以粘附在PF 34的前表面上。在上述任何一种实施方式中，穿过PF 34的废气携带在PF 34前表面产生的热能沿通道50，52移动短距离。增加的热能点燃在PF 34入口附近存在的微粒物质。通过微粒燃烧产生的热量随后被引导穿过PF 34以引发PF 34内其余微粒的燃烧。
具体参照图5，在通道50，52的入口62处另外涂敷热传导层72。层72可以沿关闭通道50的打开端短距离延伸。在不同实施方式中，传导层在PF 34的前表面的一英寸内延伸。栅格64的电阻材料接触传导层72。当电能经过电阻材料时，热能被传导到传导层。来自传导层72的热量点燃PF 34入口附近存在的微粒物质。
现在参照图6，数据流程图表示嵌入控制模块44内的微粒过滤器预处理系统的不同实施方式。根据本发明的微粒过滤器预处理系统的不同实施方式可以包括嵌入控制模块44内的任意数量的子模块。可以认识到，图6中所示的子模块可以组合和/或进一步分开以同样控制PF34的再生。对系统的输入可以从车辆10(图1)感应，由车辆10(图1)内的其它控制模块(未示出)接收，和/或通过控制模块44内的其它子模块(未示出)确定。在不同实施方式中，图6所示的控制模块44包括再生控制模块80、燃料控制模块82和温度控制模块84。
再生控制模块80接收表示PF 34(图1)中积聚的微粒物质估计量的微粒物质含量86以及废气流动88作为输入。根据微粒物质含量86和废气流动88，再生控制模块80确定是否需要再生。例如，如果积聚的微粒物质含量86很高并且废气流动88足以传播燃烧，则再生控制模块80确定需要再生。如果需要再生，则再生控制模块80设定再生状态90以表明需要再生。在不同的实施方式中，再生状态90可以是编号，其包括至少代表“不需要再生”、“需要再生”和“再生进行中”的值。
再生控制模块80还接收燃料状态92和燃烧温度93作为输入。一旦燃料状态92表明完成燃料预处理(将在下文论述)，则再生控制模块80产生加热器控制信号94控制流向PF 34(图1)的电流以加热PF34(图1)的表面并且再生状态90被设定为表示再生处于进行中。一旦完成再生，例如当燃烧温度93表明完成再生时，再生控制模块80设定再生状态90以表示再生完成。
燃料控制模块82接收再生状态90作为输入。如果再生状态90表明需要再生，则燃料控制模块82产生燃料控制信号95，从而通过控制燃料喷入废气流或直接喷入PF 34(图1)内而对PF 34(图1)进行预处理。一旦完成燃料预处理，则燃料控制模块82设定燃料状态92以表示燃料预处理完成。例如，当燃料预处理完成时，燃料状态92被设定为真(TRUE)，并且但燃料预处理未完成时，燃料状态92被设定为假(FALSE)。
温度控制模块84接收再生状态90、含氧量96、废气流动98、废气温度100以及栅格温度102作为输入。在不同的实施方式中，根据电压和/或电流信号确定栅格温度102。当再生状态90表明再生处于进行中时，温度控制模块84估计含氧量96、废气流动98、废气温度100和栅格温度102，以估计燃烧温度93。如果燃烧温度93太高，则温度控制模块84通过燃料参数104和/或空气参数106控制进入发动机12(图1)的燃料和/或空气以限制峰值燃烧温度并由此防止损坏PF 34。
现在参照图7，流程图表示可以通过根据本发明不同方面的图6所示的微粒过滤器预处理系统完成的示例性微粒过滤器预处理方法。可以认识到，该示例性微粒过滤器预处理方法中各步骤的执行顺序在不改变本方法精神的前提下可以改变。示例性微粒过滤器预处理方法可以在控制模块操作的过程中周期性执行或者被设计成根据某些情形运行。
在一种实例中，所述方法在200开始。在210估计PF 34(图1)以确定是否需要再生。如果在210处PF 34(图1)充满并且需要再生，则在220利用燃料对PF 34(图1)进行热处理。在230向PF 34(图1)施加电流以启动再生。在240进行再生，在此过程中在250监控燃烧温度93。如果在250燃烧温度93很高(即大于预定限值)，则在260完成温度控制以限制再生过程中出现的峰值燃烧温度。然而，如果在250燃烧温度93正常，则继续再生。在240完成再生之后，在270所述方法结束。
现在参照图8，流程图表示可以通过根据本发明不同方面的图6所示的微粒过滤器预处理系统完成的微粒过滤器预处理方法中的示例性温度控制方法。可以认识到，该示例性温度控制方法中各步骤的执行顺序在不改变本方法精神的前提下可以改变。示例性温度控制方法可以在控制模块操作的过程中周期性执行或者被设计成根据某些情形运行。
在一种实例中，所述方法在300开始。在310估计并在320评估微粒物质的燃烧温度93。如果在320燃烧温度93太高(即大于限值)，则在330通过控制发动机参数例如发动机空气和/或燃料来限制燃烧温度93。所述方法在340结束。
本领域技术人员现在从以上描述中可以认识到可以通过多种方式实施本发明的主要教导。因此，尽管已经结合本发明的具体实例对本发明进行了描述，但本发明的真实范围并非局限于此，因为专业技术人员在研究了附图、说明书和以下权利要求之后显然可以做出其它修改。

Claims (21)

1.一种控制微粒过滤器再生的控制系统，包括：
控制向穿过微粒过滤器的废气中喷射燃料的燃料控制模块；以及
控制流向微粒过滤器的电流以在已经向废气中喷射燃料之后启动再生的再生模块。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，再生模块根据废气流动和微粒过滤器中的微粒物质含量确定需要再生的时间。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，燃料控制模块根据需要再生的时间控制向废气中喷入燃料。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括根据微粒过滤器中微粒物质的燃烧温度控制废气温度的温度控制模块。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，温度控制模块根据废气流动、废气温度、废气含氧量和微粒过滤器温度中的至少一个估计微粒物质的燃烧温度。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，温度控制模块根据对发动机燃料参数和发动机空气参数的调节控制废气温度。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，再生模块根据废气流动和微粒过滤器中微粒物质的燃烧温度中的至少一个估计完成再生的时间。
8.一种控制微粒过滤器再生的控制方法，包括：
向穿过微粒过滤器的废气中喷射燃料；以及
控制流向微粒过滤器的电流以在已经向废气中喷射燃料之后启动再生。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括根据废气流动和微粒过滤器中微粒物质含量确定需要再生的时间。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述喷射燃料还包括根据需要再生的时间向废气中喷入燃料。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括根据微粒过滤器中微粒物质的燃烧温度控制废气温度。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括根据废气流动、废气温度、废气含氧量和微粒过滤器温度中的至少一个估计微粒物质的燃烧温度。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制废气温度还包括根据对发动机燃料参数和发动机空气参数中的至少一个的调节来控制废气温度。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括根据废气流动和微粒过滤器中微粒物质的燃烧温度中的至少一个估计完成再生的时间。
15.一种车辆，包括：
过滤发动机废气中微粒物质的微粒过滤器，其中微粒过滤器的上游端接收发动机废气；
电阻材料的栅格，其被施加在微粒过滤器外部上游表面并选择性加热穿过栅格的废气以启动微粒过滤器内微粒物质的燃烧；以及
控制模块，其向发动机废气中喷入燃料并在已经向废气中喷入燃料之后控制流向栅格的电流以启动再生。
16.如权利要求15所述的车辆，其特征在于，控制模块根据发动机废气流动和微粒过滤器中的微粒物质含量确定需要再生的时间。
17.如权利要求16所述的车辆，其特征在于，控制模块根据所需再生的时间向发动机废气中喷入燃料。
18.如权利要求15所述的车辆，其特征在于，控制模块根据微粒过滤器中微粒物质的燃烧温度控制发动机废气的温度。
19.如权利要求18所述的车辆，其特征在于，控制模块根据发动机废气流动、发动机废气温度、发动机废气含氧量和栅格温度中的至少一个估计微粒物质的燃烧温度。
20.如权利要求18所述的车辆，其特征在于，控制模块根据对发动机燃料参数和发动机空气参数的至少之一调节控制废气温度。
21.如权利要求15所述的车辆，其特征在于，控制模块根据发动机废气流动和微粒过滤器中微粒物质的燃烧温度中的至少一个估计完成再生的时间。
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