CN101385923B

CN101385923B - 交迭分区式电加热颗粒过滤器

Info

Publication number: CN101385923B
Application number: CN2008101657072A
Authority: CN
Inventors: E·V·冈策; M·R·查普曼
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: US20090071338A1; US7981198B2; CN101385923A

Abstract

本发明涉及一种交迭分区式电加热颗粒过滤器。一种包括颗粒物质(PM)过滤器的系统包括下游端和用于接收排气的上游端，分区加热器与上游端间隔设置并且包括N个分区(N是大于1的整数)，其中，N个分区中的各个分区包括M个子分区(M是大于或等于1的整数)，并且，其中，该N个分区和M个子分区设置在P个层中(P是大于1的整数)。控制模块选择性地激活N个分区中的至少选定的一个分区，以从该N个分区中的一个分区启动PM过滤器的下游部分中的再生，并且不激活该N个分区的非选定分区。

Description

交迭分区式电加热颗粒过滤器

政府权利声明

本公开依据与美国能源部(DoE)签订的美国政府合同No.DE-FC-04-03AL67635而提出。美国政府享有对本公开的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年9月14日提交的美国临时申请No.60/972,332的优先权。本申请与2006年11月8日提交的美国专利申请No.11/557,715、2006年11月17日提交的美国专利申请No.11/561,108、2006年11月17日提交的美国专利申请No.11/561,100以及2007年12月14日提交的美国专利申请No.11/956,722有关。以上申请的公开通过引用而整体地结合在本申请中。

技术领域

本公开涉及颗粒物质(PM)过滤器，更具体而言，涉及电加热PM过滤器。

背景技术

本部分的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可不构成现有技术。

发动机(例如柴油发动机)产生颗粒物质(PM)，该颗粒物质(PM)通过PM过滤器而从排气中过滤。PM过滤器布置在发动机的排气系统中。PM过滤器减少了燃烧过程中所产生的PM的排放。

随着时间的推移，PM过滤器逐渐充满。在再生过程中，PM可以在PM过滤器内燃烧。再生可包括将PM过滤器加热到PM的燃烧温度。存在各种进行再生的方式，包括修改发动机管理、使用燃料燃烧器、使用催化氧化剂以在注入燃料后提高排气温度、使用电阻加热线圈和/或使用微波能。电阻加热线圈典型地设置成与PM过滤器相接触，以允许通过传导和对流二者来进行加热。

当获得高于燃烧温度(例如600℃)的温度时，柴油机PM进行燃烧。燃烧的开始导致温度的进一步升高。虽然火花点火发动机在排气流中典型地具有低的氧含量，但柴油发动机具有明显更高的氧含量。虽然高的氧含量使得PM过滤器可快速再生，但它也会引起一些问题。

使用燃料的降PM系统倾向于降低燃料经济性。例如，许多基于燃料的降PM系统使燃料经济性降低了5％。电加热降PM系统对燃料经济性的降低可以忽略。然而，电加热降PM系统难以获得耐用性。

发明内容

一种系统包括了颗粒物质(PM)过滤器，该颗粒物质(PM)过滤器包括用于接收排气的上游端，以及下游端。分区加热器与上游端间隔设置，并且包括N个分区(N是大于或等于1的整数)，其中，N个分区中的各个分区包括M个子分区(M是大于1的整数)，且其中，该N个分区和M个子分区设置在P个层中(P是大于1的整数)。控制模块选择性地激活N个分区中的至少选定的一个分区，以从该N个分区中的该选定分区启动PM过滤器的下游部分中的再生，并且不激活该N个分区中的非选定分区。

一种方法包括：提供包括下游端和用于接收排气的上游端的颗粒物质(PM)过滤器；设置与上游端相间隔的分区加热器，该分区加热器包括N个分区(N是大于1的整数)，其中，N个分区中的各个分区包括M个子分区(M是大于或等于1的整数)，其中，该N个分区和M个子分区设置在P个层中(P是大于1的整数)；选择性地激活N个分区中的至少选定的一个分区，以从该N个分区中的该选定分区启动PM过滤器的下游部分中的再生，并且不激活N个分区的非选定分区。

从本申请所提供的描述中，其它适用范围将变得显而易见。应该理解的是，描述和特定示例仅意图用于示意的目的，而不意图限制本公开的范围。

附图说明

本申请所述附图仅用于示意的目的，而不意图以任何方式限制本公开的范围。

图1是包括带有分区入口加热器的颗粒物质(PM)过滤器的示范性发动机的功能简图，该分区入口加热器与PM过滤器相间隔；

图2更详细地显示了图1的电加热颗粒物质(PM)过滤器的分区入口加热器的示范性分区；

图3更详细地显示了图1的电加热PM过滤器的分区入口加热器的示范性分区；

图4显示了图3的分区入口加热器其中的一个分区中的示范性电阻加热器；

图5显示了具有与PM过滤器相间隔的分区电加热器的电加热PM过滤器；

图6显示了分区电加热器内的加热；

图7是显示了由控制模块执行、以再生PM过滤器的步骤的流程图；

图8A显示了包括多个层的分区入口加热器的示范性交迭分区；

图8B显示了图8A的分区入口加热器的示范性交迭分区的截面；

图9A显示了包括三层的分区入口加热器的示范性交迭分区；和

图9B显示了图9A的分区入口加热器的示范性交迭分区的截面。

具体实施方式

以下描述在本质上仅仅是示范性的而不意图限制本公开、应用或用途。应该理解的是，在所有附图中，相应的参考标号表示相同的或相应的部件和特征。

如本申请中所用的，用语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或固件程序的处理器(共享处理器、专用处理器或成组处理器)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适的元件。

本公开使用带有分区的加热器。该电加热器与PM过滤器相间隔。换句话说，该电加热器位于PM过滤器之前，但是不与下游PM过滤器相接触。该加热器选择性地加热PM过滤器的部分。该PM加热器可以足够靠近PM过滤器的前端进行安装，以控制加热模式。将加热器的长度设置成使排气温度最优化。

热能通过排气而从加热器传输到PM过滤器。因此，主要通过对流来加热PM过滤器。使电加热器分成分区，以降低加热PM过滤器所需的电功率。该分区还对PM过滤器内的选定的下游部分进行加热。通过仅对过滤器的选定部分进行加热，由于热膨胀而降低了基底中的力的大小。结果，在再生过程中，可以使用更高的局部烟灰温度而不损坏PM过滤器。

通过选择性地加热PM过滤器前端的一个或多个分区以及使用热排气引燃烟灰来再生PM过滤器。当达到足够的表面温度时，将加热器关掉，并且随后燃烧的烟灰沿着PM过滤器通道的长度向下串延，其类似于烟花的燃烧的导火线。换句话说，可仅将加热器激活足以使烟灰开始引燃的时长，然后就将其关掉。其他再生系统典型地使用传导和对流二者，并且在整个烟灰燃烧过程中对加热器(处于较低的温度、例如诸如600摄氏度)保持功率。结果，这些系统倾向于比本公开所提出的系统使用更高的功率。

燃烧的烟灰是使再生持续的燃料。对各个加热分区持续该过程直到该PM过滤器完全再生。

加热器分区以使得热应力在活动加热器之间得以缓和的方式来间隔。因此，由加热而引起的总体应力更小，并且分布在整个电加热PM过滤器的体积上。这种手段允许在电加热PM过滤器的更大部分中进行再生，而不产生损害电加热PM过滤器的热应力。

最大的温度梯度出现在加热器的边缘处。因此，激活一个加热器(其越过另一个加热器的局部应力分区)使得可以有更多的活动地加热的再生体积，而不增加总体应力。由于系统不需要独立地再生同样多的分区，这就倾向于在驱动循环内提高再生机会，并且降低成本和复杂度。

现在参看图1，其示意性地显示了根据本公开的示范性柴油发动机系统10。可以了解的是，该柴油发动机系统10在本质上仅是示范性的，并且本申请中所述的分区加热颗粒过滤器再生系统可以在实现了颗粒过滤器的各种发动机系统中实施。这种发动机系统可包括但不限于汽油直接注入发动机系统和均质充量压缩燃烧发动机系统。为了便于讨论，本公开将就柴油发动机系统来进行讨论。

涡轮增压柴油发动机系统10包括发动机12，该发动机12燃烧空气和燃料的混合物，以产生驱动转矩。空气经穿过空气过滤器14而进入该系统。空气穿过空气过滤器14并被吸入到涡轮增压器18中。涡轮增压器18对进入系统10的新鲜空气进行压缩。通常，空气的压缩越大，发动机12的输出也越大。然后，压缩空气在进入进气歧管22之前穿过空气冷却器20。

进气歧管22内的空气分配到气缸26中。虽然显示了四个气缸26，但也可以在具有多个气缸(包括但不限于2，3，4，5，6，8，10和12个气缸)的发动机中实施本公开的系统和方法。还可了解的是，本公开的系统和方法可以在V型气缸构造中实施。燃料通过燃料注入器28而注入到气缸26中。来自压缩空气的热引燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生排气。排气离开气缸26而进入排气系统中。

排气系统包括排气歧管30、柴油机氧化催化器(DOC)32以及带有分区入口加热器35的颗粒过滤器(PM过滤器)组件34。可选的是，废气再循环(EGR)阀(未示出)使排气的一部分再循环回到进气歧管22中。剩余排气导入到涡轮增压器18中以驱动涡轮。该涡轮辅助压缩从空气过滤器14中接收的新鲜空气。排气从涡轮增压器18开始流动，经过DOC32，经过分区加热器35并且进入PM过滤器组件34中。DOC32根据后燃烧空气/燃料比而使排气氧化。氧化的量提高了排气的温度。PM过滤器组件34从DOC32接收排气，并且过滤掉该排气中存在的任何烟灰颗粒。分区入口加热器35与PM过滤器组件34相间隔，并且将排气加热到再生温度，以下将对此进行描述。

控制模块44根据各种感测到的信息来控制发动机和PM过滤器再生。更具体地说，控制模块44估算PM过滤器组件34的装载量。当估算出的装载量处于预定水平并且排气流量处于所期望的范围内时，则经由电源46控制通向PM过滤器组件34的电流，以启动再生过程。根据估算出的PM过滤器组件34内的颗粒物质的量，再生过程的持续时间可以不同。

在再生过程中，对分区加热器35通入电流。更具体而言，该能量将过滤器组件34的加热器35的选定分区分别加热预定的时间段。穿过加热器35的排气被该激活的分区所加热。热排气移动到PM过滤器组件34的下游过滤器，并且通过对流而加热该过滤器。通过使用由穿过PM过滤器的热排气所产生的热量来完成其余的再生过程。

现在参看图2，其更详细地显示了用于PM过滤器组件34的示范性分区入口加热器35。分区入口加热器35设置成与PM过滤器组件34相间隔。该PM过滤器组件34包括多个相间隔的加热器分区，包括分区1(带有子分区1A，1B和1C)、分区2(带有子分区2A，2B和2C)和分区3(带有子分区3A，3B和3C)。可分别在不同的时期激活分区1，2和3。

当排气流过加热器的激活分区时，再生发生于PM过滤器的最初接收热排气的相应部分(例如激活分区的下游区)中，或者发生于由串延燃烧的烟灰所引燃的下游区中。PM过滤器的不处于激活分区下游的相应部分作为应力缓和分区。例如在图2中，子分区1A，1B和1C被激活，而子分区2A，2B，2C，3A，3B和3C作为应力缓和分区。

在加热和冷却过程中，PM过滤器的处于活动加热器子分区1A，1B和1C下游的相应部分进行热学膨胀和收缩。应力缓和子分区2A和3A，2B和3B以及2C和3C缓和由加热器子分区1A，1B和1C的膨胀和收缩所产生的应力。在分区1完成再生后，可以激活分区2，而分区1和3作为应力缓和分区。在分区2完成再生后，可以激活分区3，而分区1和2作为应力缓和分区。

现在参看图3，其显示了另一个示范性分区入口加热器设置。中心部分可由中间部分围绕，该中间部分包括分区的第一圆周带。该中间部分可由包括分区的第二圆周带的外部所围绕。

在该示例中，该中心部分包括分区1。分区的第一圆周带包括分区2和3。分区的第二圆周带包括分区1，4和5。如上述实施例，活动分区的下游部分再生，而非活动分区的下游部分提供应力缓和。可以理解的是，每次可以激活分区1，2，3，4和5中的一个分区。分区中的其它分区保持未激活。

现在参看图4，其显示了与图3中分区的第一圆周带其中的一个分区(例如分区3)相靠近而设置的示范性电阻加热器100。该电阻加热器100可包括覆盖相应分区以提供足够加热的一个或多个线圈。

现在参看图5，其更详细的显示了PM过滤器组件34。PM过滤器组件34包括壳体200，过滤器202和分区加热器35。加热器35可设置在层流部件210和过滤器202的基底之间。电连接器211可对如上所述的PM过滤器组件34的分区提供电流。

可以了解的是，加热器35可与过滤器202相间隔，使得加热主要是对流加热。绝缘体212可设置在加热器35和壳体200之间。排气从上游入口214进入PM过滤器组件34，并且由PM过滤器组件34的一个或多个分区加热。热排气移动一段距离并且由过滤器202接收。该加热器35可与过滤器202间隔并且不接触该过滤器202。

现在参看图6，其更详细地显示了PM过滤器组件34内的加热。排气250穿过加热器35，并且被加热器35的一个或多个分区加热。热排气移动一段距离“d”，且然后由过滤器202接收。该距离“d”可是1/2＂或更短。该过滤器202可具有中心入口240、通道242、过滤材料244和沿径向布置在入口240外部的出口246。可以对该过滤器进行催化。热排气导致过滤器中的PM燃烧，这就使得PM过滤器再生。加热器35通过对流传递热量，以引燃过滤器202的前端部分。当前端面部分中的烟灰达到足够高的温度时将加热器关掉。然后，烟灰的燃烧沿着过滤器通道254向下串延，而无须对加热器保持功率。

现在参看图7，其显示了用于使PM过滤器再生的步骤。在步骤300中，控制开始并进行到步骤304。在步骤304中，如果控制判定需要再生，则在步骤308中，控制选定一个或多个分区，并且在步骤312中为选定的分区激活加热器。在步骤316中，根据电流、电压、排气流量和排气温度中的至少一个，控制对足以获得最低的过滤器表面温度的加热时间进行估算。该最低表面温度应该足以启动烟灰燃烧，并形成串延效果。仅以为例，最低表面温度可设置成700摄氏度或更高。在步骤316的备选步骤320中，根据预定的加热时间、排气流量和排气温度，控制对获得最低的过滤器表面温度所需的电流和电压进行估算。

在步骤324中，控制判定加热时间是否结束。如果步骤324为真，则在步骤326中，控制判定其它的分区是否须再生。若步骤326为真，则控制返回步骤308。否则控制结束。

在使用中，控制模块判定PM过滤器何时要求再生。或者，可周期性地或基于事件来进行再生。控制模块可估算何时整个PM过滤器需要再生，或何时PM过滤器内的分区需要再生。当控制模块判定整个PM过滤器需要再生时，该控制模块每次按顺序激活分区中的一个或多个分区，以在PM过滤器的相关下游部分内启动再生。当该一个或多个分区再生时，一个或多个其它分区被激活，而其余的分区不被激活。这种方式持续到直至所有分区都已被激活。当控制模块判定分区之一需要再生时，控制模块激活对应于需要再生的PM过滤器的相关下游部分的分区。

现在参看图8A和图8B，其显示了包括多个交迭层的分区入口加热器400。如图8B中的截面所示，该多个层在不同的平面中隔离(即非共面)。如以上在图1-7中所述，当加热器分区激活时，这些分区可热膨胀和/或移动。单个加热器分区可隔离，以允许可能的膨胀和移动。结果，烟灰可在PM过滤器内的加热器分区之间聚集。分区的相互交迭层对PM过滤器的、将典型地对应于加热器分区之间的间隔的区域提供再生加热。

例如，分区入口加热器400可包括第一层402(包括分区1，分区4和分区5)和第二层404(包括分区2和分区3)。第一层402的分区位于第一平面中，第二层404的分区位于第二平面中，并且与第一层402的分区相隔离。第一层402的分区与第二层404的分区相交迭。

现在参看图9A和图9B，分区入口加热器500包括第一层502(包括分区1，分区4和分区5)，第二层504(包括分区2和分区3)和第三层506(包括分区6和分区7)。第一层502的分区位于第一平面中，第二层504的分区位于第二平面中，而第三层506的分区位于第三平面中。各个层502，504和506彼此隔离。第一层502的分区与第二层504和第三层506两层的分区相交迭。

如图8A和8B所示，加热器分区位于两个不同的层中。如图9A和9B所示，加热器分区位于三个不同的层中。本领域技术人员可以了解的是，其它实施方案可包括两个、三个或更多加热器层，这些加热器层包括以任何合适的构造而设置的分区。各个层的加热器分区可以以任何合适的方式(例如图1-7所示的实施中所述的那些方式)来选择性地激活和不激活。仅以为例，加热器分区可按顺序激活，以使得当分区1被激活时，分区2-7不被激活，而当分区2被激活时，分区1和分区3-7不被激活。

在另一实施中，可同时激活非相邻层中的分区。例如，如图9A和图9B所示，当分区1被激活时，可激活分区6而不激活分区2-5和分区7。换句话说，第一层502的分区之一可与非相邻第三层506中的分区之一同时被激活。

在另一实施中，当在相邻层的分区之间存在足够的间隔(即一个层的分区与相邻层的分区不相交迭)时，可同时激活这些分区。例如，如图9B所示，第三层506中的分区与第二层504的分区沿径向间隔开。因此，当第二层504中的分区2被激活时，可将第三层506中的分区7激活，而可不激活其余的分区1和分区3-6。在另一实施中，第二层504和第三层506两层均包括分区2和3。换句话说，第三层506可包括与第二层504相同的分区。

本公开可显著降低燃料经济负担，降低排气管温度，并且由于更短的再生时间而改善了系统的健壮性。

Claims

1.一种电加热颗粒物质过滤器系统，包括：

颗粒物质过滤器，其包括用于接收排气的上游端，以及下游端；

分区加热器，其设置成与所述上游端相间隔且位于上游端的上游，所述分区加热器包括N个分区，在此N是大于1的整数，其中，所述N个分区的各个分区包括M个子分区，在此M是大于或等于1的整数，并且，其中，所述N个分区和所述M个子分区设置在P个层中，在此P是大于1的整数；和

控制模块，其选择性地激活所述N个分区中的至少选定的一个分区，以从所述N个分区中的所述选定的一个分区启动所述颗粒物质过滤器的下游部分中的再生，并且不激活所述N个分区的非选定分区。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个分区的设置在所述P个层的第一层中的至少一个分区，与所述N个分区的设置在所述P个层的第二层中的第二分区相交迭。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述N个分区的所述至少一个分区，与所述N个分区的设置在所述P个层的第三层中的所述第二分区和第三分区中的至少一个相交迭。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个分区的至少一个分区在所述P个层的第一层中包括所述M个子分区的至少一个子分区，并且在所述P个层的第二层中包括所述M个子分区的其它子分区。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述P个层的各个层与所述P个层的其它层相隔离。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个分区的所述非选定分区提供应力缓和分区。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个分区位于中心部分、沿径向在所述中心部分之外的第一圆周部分和沿径向在所述第一圆周部分之外的第二圆周部分中。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述中心部分包括第一分区，所述第二圆周部分包括所述第一分区、第二分区和第三分区。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一、第二和第三分区围绕所述第二圆周部分而交替。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一圆周部分包括相交替的第四分区和第五分区。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块根据供给到所述分区加热器的功率、排气流量和排气温度中的至少两个来估算加热时间。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块估算加热时间，以将所述颗粒物质过滤器的表面部分加热到温度大于或等于预定温度，并且在所述加热时间后关掉所述分区加热器。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述预定温度是700摄氏度。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分区加热器间隔开小于或等于1/2英寸的距离。

15.一种用于加热颗粒物质过滤器的方法，包括：

提供包括下游端和用于接收排气的上游端的颗粒物质过滤器；

设置与所述上游端相间隔且位于上游端的上游的分区加热器，所述分区加热器包括N个分区，在此N是大于1的整数，其中，所述N个分区的各个分区包括M个子分区，在此M是大于或等于1的整数，并且，其中，所述N个分区和所述M个子分区设置在P个层中，在此P是大于1的整数；和

选择性地激活所述N个分区的至少选定的一个分区，以从所述N个分区的所述选定的一个分区启动所述颗粒物质过滤器的下游部分中的再生，并且不激活所述N个分区的非选定分区。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述N个分区的设置在所述P个层的第一层中的至少一个分区，与所述N个分区的设置在所述P个层的第二层中的第二分区相交迭。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述N个分区的所述至少一个分区，与所述N个分区的设置在所述P个层的第三层中的所述第二分区和第三分区中的至少一个相交迭。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述N个分区的至少一个分区在所述P个层的第一层中包括所述M个子分区的至少一个子分区，并且在所述P个层的第二层中包括所述M个子分区的其它子分区。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述P个层的各个层与所述P个层的其它层相隔离。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述N个分区的所述非选定分区提供应力缓和分区。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述N个分区位于中心部分、沿径向在所述中心部分之外的第一圆周部分和沿径向在所述第一圆周部分之外的第二圆周部分中。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述中心部分包括第一分区，所述第二圆周部分包括所述第一分区、第二分区和第三分区。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一，第二和第三分区围绕所述第二圆周部分而交替。

24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一圆周部分包括相交替的第四分区和第五分区。

25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括根据供给到所述分区加热器的功率、排气流量和排气温度中的至少两个来估算加热时间。

26.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括估算加热时间，以将所述颗粒物质过滤器的表面部分加热到温度大于或等于预定温度，并且在所述加热时间后关掉所述分区加热器。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述预定温度是700摄氏度。

28.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述分区加热器间隔开小于或等于1/2英寸的距离。