CN101387214B - 颗粒物过滤器的减少表面裂缝策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及颗粒物过滤器的减少表面裂缝策略。具体而言公开了一种系统，其包括颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端、下游端和至少一个部分。控制模块使用加热器启动所述PM过滤器中PM的燃烧，并选择性地调节排气气体的氧气水平，以调节所述PM过滤器的所述至少一个部分附近的燃烧温度。一种方法，其包括提供颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端、下游端和至少一个部分；使用加热器启动所述PM过滤器中PM的燃烧；选择性地调节排气气体的氧气水平，以调节所述PM过滤器的所述至少一个部分附近的燃烧温度。

Description

颗粒物过滤器的减少表面裂缝策略
政府权利声明
本发明依照美国政府与能源部(DoE)的合同号DE-FC-04-03AL67635产生。美国政府在该披露中具有一定的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年9月14日提交的美国临时专利申请号60/972,517的优先权。
本申请涉及2007年12月19日提交的美国专利申请号11/959,753、2007年12月14日提交的美国专利申请号11/956,722、2006年11月17日提交的美国专利申请号11/561,100、2006年11月17日提交的美国专利申请号11/561,108、2006年11月8日提交的美国专利申请号11/557,715。上述申请的内容作为参考全文引入。
技术领域
本发明涉及颗粒物质(PM)过滤器，且更具体地涉及减少电加热PM过滤器的表面裂缝。
背景技术
该部分的内容仅提供与本披露有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
发动机(如柴油发动机)产生颗粒物质(PM)，所述颗粒物质(PM)通过PM过滤器从排气气体过滤。PM过滤器布置在发动机的排气系统中。PM过滤器降低在燃烧期间产生的PM排放。
随着时间的过去，PM过滤器充满。在再生期间，PM在PM过滤器内燃烧。再生包括将PM过滤器加热至PM的燃烧温度。有许多方式进行再生，包括修改发动机管理、使用燃料燃烧器、使用催化氧化剂以借助于燃料后喷射增加排气温度、使用电阻加热线圈、和/或使用微波能量。电阻加热线圈通常与PM过滤器接触布置，以允许通过传导和对流加热。
当获得高于燃烧温度(如600℃)的温度时，柴油机PM燃烧。燃烧的启动使得温度进一步增加。虽然火花点火式发动机通常在排气气流中具有低的氧气水平，但是柴油发动机具有显著更高的氧气水平。虽然增加的氧气水平使得PM过滤器的快速再生可行，其也可能引起一些问题。
使用燃料的PM降低系统往往降低燃料经济性。例如，许多基于燃料的PM降低系统降低燃料经济性5％。电加热PM降低系统以可忽略的量降低燃料经济性。然而，难以实现电加热PM降低系统的耐用性。
表面裂缝已经成为电加热PM过滤器的问题。这些裂缝由PM过滤器的后端塞区域附近的燃着的碳烟产生的大的热膨胀力引起。
发明内容
一种系统，其包括颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端、下游端和至少一个部分。控制模块使用加热器启动所述PM过滤器中PM的燃烧，并选择性地调节排气气体的氧气水平，以调节所述PM过滤器的所述至少一个部分附近的燃烧温度。
一种方法，其包括提供颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端、下游端和至少一个部分；使用加热器加热所述PM过滤器；启动所述PM过滤器中PM的燃烧；选择性地调节排气气体的氧气水平，以调节所述PM过滤器的所述至少一个部分附近的燃烧温度。
进一步的应用范围从在此提供的说明显而易见。应当理解，说明书和具体示例仅用于图示说明的目的，而不限定本披露的范围。
附图说明
在此所述的附图仅用于图示说明的目的，而决不限定本披露的范围。
图1是包括颗粒物质(PM)过滤器的示范性发动机的功能方块图，所述PM过滤器带有从所述PM过滤器隔开的分区进口加热器；
图2更详细地示出了图1的电加热颗粒物质(PM)过滤器的分区进口加热器的示范性分区；
图3更详细地示出了图1的电加热PM过滤器的分区进口加热器的示范性分区；
图4示出了图3的分区进口加热器的一个区域中的示范性电阻加热器；
图5示出了具有从所述PM过滤器隔开的分区电加热器的电加热PM过滤器；
图6示出了分区电加热器内的加热；
图7是示出了由控制模块为再生PM过滤器进行的步骤的流程图；
图8是示出了对多个氧气水平而言碳烟厚度作为轴向位置的函数的曲线图；
图9是示出了对多个氧气水平而言峰值温度作为轴向位置的函数的曲线图；
图10是示出了对给定流率调节氧气水平的曲线图；和
图11是示出了用于控制分级进行的火焰前锋温度的方法的步骤的流程图，以降低PM过滤器部件附近的燃烧温度。
具体实施方式
以下说明本质上仅为示范性的且不打算限定本披露、应用或使用。应当理解，贯穿整个附图，相应的附图标记表示相同或相应的部件或特征。
如在此使用的，术语“模块”指的是特殊应用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共享、专用、或群组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。
本披露涉及用于PM过滤器的分区或未分区的电加热器。电加热器可以与PM过滤器接触或从PM过滤器隔开。加热器选择性地加热PM过滤器的全部或部分。PM过滤器可以与PM过滤器前面接触或安装为足够靠近PM过滤器前面，以控制加热模式。加热器的长度可以设定为优化排气气体温度。
热能从电加热器传递给PM过滤器。PM过滤器通过对流和/或传导加热。电加热器可以分成多个区域以降低加热PM过滤器所需要的电功率。所述区域也加热PM过滤器内的下游选定部分。通过加热过滤器的选定部分，减少了基底中由于热膨胀引起的力的大小。因而，可以在再生期间使用较高的局部碳烟温度而不损坏PM过滤器。
PM过滤器可以通过选择性地加热PM过滤器前面的一个或更多区域且使用加热后的排气气体点火碳烟而再生。当达到足够的表面温度时，加热器可以关闭，且燃着的碳烟然后沿PM过滤器通道的长度分级进行，这类似于焰火上的燃着的引信。
换句话说，加热器可以仅起用足以启动碳烟点火的时间，且然后关闭。其它再生系统通常使用对流和传导，且在整个碳烟燃烧过程期间保持供给加热器的功率(处于较低的温度，如600℃)。因而，与本披露提出的系统相比，这些系统往往使用更多的功率。
燃着的碳烟是使再生继续的燃料。该过程对每个加热区域持续，直到PM过滤器完全再生为止。
本披露使用控制策略，所述控制策略设计为通过在分级进行的火焰前锋接近PM过滤器的选定部分时降低燃烧温度而限制热应力。电加热PM过滤器的基本策略在于为了稳定性和碳烟去除而最大化燃烧区域的温度，但是限制容易损坏的区域的温度。
PM过滤器的后端塞是需要温度控制的区域。本披露通过监测分级进行的火焰前锋的位置和使用排气氧气控制来降低PM过滤器的后端塞处的温度，以在燃烧区域接近后端塞或其它选定部件时降低温度。
可以使用许多技术来限制排气氧气浓度。例如，温度控制可以通过喷射燃料到热催化剂(后燃料)、增加EGR(排气气体再循环)、和/或扼流发动机而实现。
加热器区域以使得热应力在起用的加热器之间减轻的方式隔开。因此，由于加热引起的总体应力更小，且越过整个电加热PM过滤器的容积分布。该途径允许在电加热PM过滤器的较大的部分中再生，而不产生损坏电加热PM过滤器的热应力。
最大温度梯度往往在分区加热器的边缘处产生。因而，起用另一加热器的局部应力区域之后的一个加热器允许更多的主动加热的再生体积而不增加总体应力。这趋于改进驱动循环中的再生机会，且减少成本和复杂性，因为系统不需要独立地再生那么多的区域。
现在参见图1，根据本披露示意性地图示了示范性柴油发动机系统10。应当理解，柴油发动机系统10实质上仅为示范性的，且在此所述的区域加热的颗粒物过滤器再生系统可以用于采用颗粒物过滤器的各种发动机系统中。这种发动机系统包括但不限于：汽油直接喷射发动机系统和均质压燃发动机系统。为了讨论简单，本披露将关于柴油发动机系统讨论。
涡轮增压的柴油发动机系统10包括发动机12，发动机12燃烧空气和燃料混合物产生驱动转矩。空气通过空气过滤器14进入系统。空气通过空气过滤器14且被吸入涡轮增压器18。涡轮增压器18压缩进入系统10的新鲜空气。总体上来说空气压缩越大，发动机12的输出越大。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中的空气分配到汽缸26中。虽然图示了4个汽缸26，本披露的系统和方法可以用于具有多个汽缸的发动机中，包括但不限于：2、3、4、5、6、8、10和12个汽缸。也应当理解，本披露的系统和方法可以用于V型汽缸结构。燃料通过燃料喷射器28喷入汽缸26中。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排气。排气离开汽缸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、和带有进口加热器35的颗粒物过滤器(PM过滤器)组件34。加热器35可以是分区的。可选地，EGR阀(未示出)将一部分排气再循环回到进气歧管22中。排气的其余部分引入涡轮增压器18以驱动涡轮。涡轮利于从空气过滤器14接收的新鲜空气的压缩。排气从涡轮增压器18流动通过DOC32，通过加热器35且进入PM过滤器组件34。DOC32基于燃烧后的空气/燃料比氧化排气。氧化量增加排气的温度。PM过滤器组件34从DOC32接收排气且过滤排气中存在的任何碳烟颗粒物。进口加热器35与PM过滤器组件34接触或从PM过滤器组件34隔开，且加热排气至再生温度，如下所述。
控制模块44基于各种感测信息控制发动机和PM过滤器再生。更具体而言，控制模块44估算PM过滤器组件34的载荷。当所估算的载荷达到预定水平且排气流率在希望范围内时，控制经由电源46供应给PM过滤器组件34的电流以启动再生过程。再生过程的持续时间基于PM过滤器组件34中的颗粒物质的估算量变动。
在再生过程期间，电流施用于加热器35。更具体而言，所述能量分别加热PM过滤器组件34的加热器35的选定区域预定周期。通过加热器35的排气气体由起用的区域加热。加热的排气气体行进到PM过滤器组件34的下游过滤器，且通过对流和/或传导加热过滤器。再生过程的其余部分使用由通过PM过滤器的加热后的排气产生的热实现。
现在参见图2，更详细地示出了用于PM过滤器组件34的示范性分区进口加热器35。电加热PM过滤器组件34从PM过滤器组件34隔开或与PM过滤器组件34接触布置。PM过滤器组件34包括多个隔开的加热器区域，包括区域1(带有子区域1A、1B和1C)、区域2(带有子区域2A、2B和2C)和区域3(带有子区域3A、3B和3C)。区域1、2和3在各个不同的周期期间起用。
当排气气体流动通过加热器已起用的区域时，再生在从最初接收加热后的排气气体(例如，起用的区域下游区域)的PM过滤器的相应部分中或通过分级进行燃烧的碳烟点火的下游区域发生。不在已起用的区域下游的PM过滤器的相应部分用作应力减轻区域。例如，在图2中，子区域1A、1B和1C被起用，而子区域2A、2B、2C、3A、3B和3C用作应力减轻区域。
已起用的加热器子区域1A、1B和1C下游的PM过滤器的相应部分在加热和冷却期间热膨胀和收缩。应力减轻子区域2A和3A、2B和3B、以及2C和3C减轻由加热器子区域1A、1B和1C的膨胀和收缩引起的应力。在区域1完成再生之后，区域2可以起用，且区域1和3用作应力减轻区域。在区域2完成再生之后，区域3可以起用，且区域1和2用作应力减轻区域。
现在参见图3，示出了另一示范性分区进口加热器布置。中心部分由包括第一周向区域带的中间区域环绕。所述中间部分由包括第二周向区域带的外部部分环绕。
在该示例中，中心部分包括区域1。第一周向区域带包括区域2和3。第二周向区域带包括区域1、4和5。借助于上述实施例，起用区域的下游部分再生，同时停用区域的下游部分提供应力减轻。可以理解，每次可以起用区域1、2、3、4和5中的一个。其它区域保持停用。
现在参见图4，示出了靠近图3中的第一周向区域带中的区域(例如，区域3)中的一个布置的示范性电阻加热器200。电阻加热器200包括覆盖相应区域的一个或更多线圈以提供足够的加热。
现在参见图5，更详细地示出了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。过滤器202包括后端塞208。加热器35可布置在层流元件210和过滤器202的基底之间。电气连接器211提供电流给PM过滤器组件34的区域，如上所述。
可以理解，加热器35可以与过滤器202接触或从过滤器202隔开，以便加热是对流和/或传导加热。绝缘件212可以布置在加热器35和壳体200之间。排气气体从上游进口214进入PM过滤器组件34，且通过PM过滤器组件34的一个或更多区域加热。加热后的排气气体由过滤器202接收。
现在参见图6，更详细地示出了PM过滤器组件34内的加热。排气气体250通过加热器35且用加热器35的一个或更多区域加热。如果从过滤器202隔开，加热后的排气气体行进距离“d”且然后用过滤器202接收。距离“d”可以为1/2”或更少。过滤器202可以具有中心进口240、通道242、过滤器材料244和位于进口的径向外侧的出口246。过滤器可以被催化。加热后的排气气体使得过滤器内的PM燃烧，这再生PM过滤器。加热器35通过对流和/或传导传热，以点火过滤器202的前部。当前面部分中的碳烟达到足够高的温度时，加热器关闭。碳烟的燃烧然后沿过滤器通道254分级进行，而不需要加热器被维持功率。
现在参见图7，示出了再生PM过滤器的步骤。控制程序在步骤300开始，且前进到步骤304。如果在步骤304中控制程序确定需要再生，在步骤308，控制程序选定一个或更多的区域；在步骤312对所选定区域起用加热器。在步骤316中，控制程序根据电流、电压、排气流量和排气温度中的至少一个估算足以实现最小过滤器表面温度的加热周期。最小表面温度应当足以启动碳烟燃烧且形成分级进行效应。例如，最小表面温度设定为700℃或更大。在可替换步骤320到步骤316中，控制程序基于预定加热周期、排气流量和排气温度估算实现最小过滤器表面温度所需要的电流和电压。
在步骤324中，控制程序确定加热周期是否完毕。如果步骤324为真，在步骤326中，控制程序确定附加的区域是否需要再生。如果步骤326为真，控制程序返回到步骤308。否则，控制程序结束。
使用中，控制模块确定PM过滤器何时需要再生。可替换地，再生可以周期性地或基于事件进行。控制模块可以估算整个PM过滤器何时需要再生或PM过滤器中的区域何时需要再生。当控制模块确定整个PM过滤器需要再生时，控制模块顺序地每次起用所述区域中的一个以在PM过滤器的相关下游部分中启动再生。在一个或多个区域再生之后，一个或更多的其它区域起用同时其它区域停用。该途径继续，直到所有区域已经起用。当控制模块确定所述区域中的一个需要再生时，控制模块启动对应于需要再生的PM过滤器的相关下游部分的区域。
由于较少的再生时间，本披露可显著地降低燃料经济性恶化、降低尾管温度、且改进系统稳定性。
现在参见图8，示出了对多个氧气水平而言碳烟厚度作为轴向位置的函数。可以理解，在碳烟厚度和氧气水平之间存在折衷。当氧气水平增加时(从7％到9％到11％到14％)，再生后的碳烟厚度降低。然而，与7％相比，碳烟水平在9％时多降低50％以上。同样，与9％相比，碳烟水平在11％时多降低50％以上。
现在参见图9，示出了对多个氧气水平(包括7％到9％到11％到14％)而言峰值温度作为轴向位置的函数。不同氧气水平的峰值温度最初相同。当轴向位置增加时，所述温度彼此偏离。较低的氧气水平往往具有较低的峰值温度。对7％、9％、11％和14％的示范性值而言，在7英寸处的温度范围为从大约790℃到870℃。因而，可以在碳烟降低和峰值温度之间进行折衷。可以理解，当分级进行的火焰前锋靠近敏感性部件时，可以控制(例如，降低)氧气水平。
现在参见图10，可以在再生期间调节排气气体的氧气水平，以在分级进行的火焰前锋达到PM过滤器的敏感性部件时改变分级进行的火焰前锋的合成温度(resultant temperature)。例如，可以调节氧气水平以降低火焰前锋损坏PM过滤器的后端塞的可能性。为此，氧气水平最初可以设定得高以启动上游表面的加热。在足以允许火焰前锋到达敏感性部件的预定周期之后，可以降低氧气水平以降低燃烧碳烟的温度。
现在参见图11，控制程序以步骤400开始。在步骤404中，控制程序确定是否已经能够进行再生。如果步骤404为真，控制程序继续进行步骤412，且确定燃烧区域位置是否是表面裂缝区域或其它敏感性区域。如果步骤412为假，控制程序返回到步骤412。当步骤412为真时，控制程序继续进行步骤416，且确定在当前氧气水平时燃烧区域温度是否将大于第一预定温度TTH1。燃烧区域温度可以测量或估算。例如，燃烧区域温度可以根据流率、排气气流中的氧气水平和自从启动再生经过的时间估算。
如果步骤416为真，控制程序在步骤420中降低排气气流中的氧气水平。排气中的氧气水平可以使用任何适当的途径调节。例如，排气中的氧气水平可以使用后燃料、排气气体再生(EGR)、节气门或其它合适的调节途径调节。
如果步骤416为假，控制程序继续进行步骤421，且确定在当前氧气水平时燃烧区域温度是否将小于第二预定温度TTH2。如果为真，控制程序在步骤422中增加排气气体中的氧气水平。控制程序以步骤424从步骤420、422和421(如果为假)继续。在步骤424中，控制程序确定该区域是否完成。如果没有，控制程序返回到步骤412。如果步骤424为假，控制程序以步骤426继续，其中控制程序确定另一区域是否需要再生。如果步骤426为真，控制程序返回到步骤412。否则，控制程序结束。

Claims (18)

1.一种系统，包括：
颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端、下游端和至少一个部分；
加热器；和
控制模块，所述控制模块使用所述加热器启动所述PM过滤器中PM的燃烧，并选择性地调节所述排气气体的氧气水平，以调节所述PM过滤器的所述至少一个部分附近的燃烧温度；
其特征在于，所述加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数，其中，所述控制模块选择性地至少起用所述N个区域中选定的一个区域，以在所述N个区域中的所述一个区域下游的PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的未选定区域。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个部分包括所述PM过滤器的后端塞。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个区域中的所述未选定区域提供应力减轻区域。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个区域位于中心部分、在所述中心部分的径向外部的第一周向部分和在所述第一周向部分的径向外部的第二周向部分中。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述中心部分包括第一区域，所述第二周向部分包括所述第一区域、第二区域和第三区域。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一、第二和第三区域围绕所述第二周向部分交替。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一周向部分包括交替的第四和第五区域。
8.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应给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估算加热周期。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块估算将所述PM过滤器的表面部分加热至大于或等于预定温度的加热周期，并在所述加热周期之后关闭所述分区加热器。
10.一种方法，包括：
提供颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端、下游端和至少一个部分；
使用加热器启动所述PM过滤器中PM的燃烧；和
选择性地调节所述排气气体的氧气水平，以调节所述PM过滤器的所述至少一个部分附近的燃烧温度；
其特征在于，所述加热器被分区并包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数，且所述方法还包括：
选择性地至少起用所述N个区域中选定的一个区域，以在所述N个区域中的所述一个区域下游的PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的未选定区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个部分包括所述PM过滤器的后端塞。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述N个区域中的所述未选定区域提供应力减轻区域。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述N个区域位于中心部分、在所述中心部分的径向外部的第一周向部分和在所述第一周向部分的径向外部的第二周向部分中。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述中心部分包括第一区域，所述第二周向部分包括所述第一区域、第二区域和第三区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三区域围绕所述第二周向部分交替。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一周向部分包括交替的第四和第五区域。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于还包括：根据供应给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估算加热周期。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于还包括：估算将所述PM过滤器的表面部分加热至大于或等于预定温度的加热周期，并在所述加热周期之后关闭所述分区加热器。
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