CN101387216B - 辐射分区加热式颗粒过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射分区加热式颗粒过滤器，更具体地涉及一种包括颗粒物质(PM)过滤器的系统，该颗粒物质(PM)过滤器包括下游端和用于接收排气的上游端。辐射分区加热器包括N个分区，在此N为大于1的整数，其中，N个分区中的各分区均包括M个子分区，在此M为大于或等于1的整数。控制模块有选择地起动N个分区中的至少选定的一个分区以由该N个分区中的该选定的一个分区启动在PM过滤器的下游部分中的再生，限制与该N个分区中的该选定的一个分区相对应的PM过滤器的一部分中的排气流，并使得该N个分区中的非选定分区不活动。

Description

辐射分区加热式颗粒过滤器

政府权力声明

[0001]本发明根据与能源部(DoE)的美国政府合同号DE-FC-04-03AL67635而产生。美国政府对本发明具有一定的权力。

相关申请的交叉引用

[0002]本申请要求2007年9月13日提交的美国临时申请号60/972072的权益。本申请与2006年11月8日提交的美国专利申请号11/557715、2006年11月17日提交的美国专利申请号11/561100以及2007年12月14日提交的美国专利申请号11/956722相关。上述申请的公开内容通过引用整体地并入本文中。

技术领域

[0003]本发明涉及颗粒物质(PM)过滤器，且更具体地涉及辐射加热式PM过滤器。

背景技术

[0004]本部分的陈述只是提供了与本发明相关的背景信息且可以不构成现有技术。

[0005]发动机如柴油发动机产生由PM过滤器从排气过滤的颗粒物质(PM)。PM过滤器布置在发动机的排气系统内。PM过滤器减少了在燃烧期间所生成的PM的排放。

[0006]随着时间的推移，PM过滤器会充满。在再生期间，PM可以在PM过滤器内燃烧。再生可包括将PM过滤器加热至PM的燃烧温度。存在各种方式用以进行再生，包括修改发动机管理、使用燃料燃烧器、通过在喷入燃料后使用催化氧化剂来提高排气温度、使用电阻加热线圈和/或使用微波能。电阻加热线圈通常布置成与PM过滤器接触，以允许通过传导和对流二者加热。

[0007]柴油机PM当达到高于燃烧温度如600℃的温度时燃烧。燃烧的发生导致温度进一步的上升。虽然火花点火式发动机通常在排气流中具有低的氧气水平，但柴油发动机具有明显更高的氧气水平。虽然提高的氧气水平使得PM过滤器的快速再生成为可能，但它也可能造成一些问题。

[0008]采用燃料的PM减少系统易于降低燃料经济性。例如，许多燃料基PM减少系统使燃料经济性降低了5％。电热式PM减少系统对燃料经济性的降低可忽略不计。然而，电热式PM减少系统的耐用性却难以获得。

发明内容

[0009]一种系统包括颗粒物质(PM)过滤器，该颗粒物质(PM)过滤器包括下游端和用于接收排气的上游端。辐射分区式加热器包括N个分区，在此N为大于1的整数，其中，该N个分区中的各分区均包括M个子分区，在此M为大于或等于1的整数。控制模块有选择地起动N个分区中的至少选定的一个分区以从该N个分区中的该选定的一个分区启动在PM过滤器的下游部分中的再生，限制与该N个分区中的该选定的一个分区相对应的PM过滤器的一部分中的排气流，并使得该N个分区中的非选定分区不活动(deactivates)。

[0010]一种方法包括：提供颗粒物质(PM)过滤器，该过滤器包括下游端和用于接收排气的上游端；布置包括N个分区的辐射分区加热器，在此N为大于1的整数，其中，N个分区中的各分区均包括M个子分区，且在此M为大于或等于1的整数；有选择地起动N个分区中的至少选定的一个分区，以从该N个分区中的该选定的一个分区启动在PM过滤器的下游部分中的再生；限制在PM过滤器的一部分中的排气流，该一部分对应于该N个分区中的该选定的一个分区；使得该N个分区的非选定分区不活动。

[0011]另外的应用范围根据文中所提供的描述将变得显而易见。应理解的是，本描述和特定的示例仅意图用于显示目的而并非意图限制本发明的范围。

附图说明

[0012]文中所绘附图仅为显示目的而并非意图以任何方式限制本发明的范围。

[0013]图1为示范性发动机的功能框图，该发动机包括带有辐射分区式入口加热器的颗粒物质(PM)过滤器；

[0014]图2进一步详细地显示了图1的辐射加热式颗粒物质(PM)过滤器的辐射分区式入口加热器的示范性的分区；

[0015]图3进一步详细地显示了图1的辐射加热式PM过滤器的辐射分区式入口加热器的示范性的分区；

[0016]图4显示了图3的辐射分区式入口加热器的其中一个分区中的示范性的辐射加热器；

[0017]图5显示了具有辐射分区式入口加热器的辐射加热式PM过滤器；

[0018]图6显示了辐射加热式PM过滤器中的加热；

[0019]图7为显示了由控制模块所执行的用以再生PM过滤器的步骤的流程图；和

[0020]图8A至图8E显示了反射气窗(louver)，其中，该气窗的选定分区关闭而该气窗的非选定分区打开。

具体实施方式

[0021]下列描述本质上仅是示范性的，而非意图限制本发明、应用或用途。应理解的是，全部附图中相应的标号表示相似或相应的部件和特征。

[0022]如文中所用，用语模块是指专用集成电路(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(共享式、专用式或组合式)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它适当的元件。

[0023]本发明采用带有分区的加热器。在一个实施方案中，辐射光加热器与PM过滤器是隔开的。换言之，辐射加热器位于PM过滤器前方，但不与下游的PM过滤器接触。该加热器有选择地加热PM过滤器的各部分。加热器可以安装成足够地接近PM过滤器的前部以控制加热模式。加热器的长度设定成使得排气温度最优化。

[0024]热能通过辐射光和排气从加热器传递到PM过滤器。因此，该PM过滤器主要由辐射光和对流来加热。辐射加热器划分成分区以减少为加热PM过滤器而所需的电力。这些分区还加热PM过滤器中选定的下游部分。通过仅加热过滤器的选定部分，由于热膨胀而降低了基底中的力的大小。因此，在再生期间可以采用更高的局部化的烟尘温度而不会损坏PM过滤器。

[0025]PM过滤器通过在限制排气流的同时有选择地加热位于PM过滤器前方的一个或多个分区并利用辐射热点燃烟尘而再生。当达到足够的表面温度时，关掉辐射光并允许排气流动。燃烧着的烟尘于是沿着PM过滤器通道的长度喷流(cascades)，该通道类似于烟花上的燃烧引信。换言之，加热器可以仅起动足够长地以开始烟尘点火，然后将其关掉。其它的再生系统通常使用传导和对流二者，并在整个烟尘燃烧过程中维持对加热器(处于较低的温度如600摄氏度)供电。因此，这些系统与本发明所提出的系统相比势必耗费更多的电力。

[0026]燃烧着的烟尘是使再生继续的燃料。对于各加热分区继续此过程直至完全地再生PM过滤器。

[0027]加热器分区以使得活动的加热器之间的热应力得以缓和的方式来隔开。因此，因加热引起的总体应力较小并分布在整个辐射加热式PM过滤器的体积上。此方法允许在辐射加热式PM过滤器的较大分段中再生，而不会产生损坏辐射加热式PM过滤器的热应力。

[0028]最大的温度梯度出现在加热器的边缘。因此，经过一个加热器的局部化应力分区起动另一个加热器，使得更多主动加热的再生体积成为可能而不会增加总应力。这易于提高传动循环中的再生机会，并因为系统不需要独立地再生同样多的分区而降低成本和复杂性。

[0029]现在参看图1，示意性地显示了根据本发明的示范性的柴油发动机系统10。应认识到的是，柴油发动机系统10本质上仅是示范性的而且文中所述的分区加热式颗粒过滤器再生系统可以在实行颗粒过滤器的各种发动机系统中实施。这样的发动机系统可包括但不限于汽油直接喷射式发动机系统和均质充量压缩点燃式发动机系统。为便于讨论，本发明将在柴油发动机系统的语境中讨论。

[0030]涡轮增压柴油发动机系统10包括燃烧空气与燃料混合物以产生传动力矩的发动机12。空气通过空气过滤器14而进入系统。空气穿过空气过滤器14并被吸入涡轮增压器18中。涡轮增压器18压缩进入系统10的新鲜空气。通常，空气的压缩越大则发动机12的输出越大。压缩空气然后在进入进气歧管22之前穿过空气冷却器20。

[0031]进气歧管22中的空气分送到气缸26中。尽管显示了四个气缸26，但本发明的系统和方法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。还应认识到的是，本发明的系统和方法可以在V型气缸构造中实施。燃料通过燃料喷射器28喷入气缸26中。来自压缩空气的热点燃了空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生了排气。排气离开气缸26进入排气系统中。

[0032]排气系统包括排气歧管30、柴油机氧化催化器(DOC)32以及带有辐射分区式入口加热器35的颗粒过滤器(PM过滤器)组件34。任选的是，排气再循环(EGR)阀(未示出)使得一部分排气再循环回到进气歧管22中。排气的余下部分导入涡轮增压器18中以驱动涡轮。涡轮有助于压缩从空气过滤器14所接收的新鲜空气。排气从涡轮增压器18流经DOC32、穿过加热器35而进入PM过滤器组件34。DOC32基于后燃烧空气/燃料比来氧化排气。氧化的量提高了排气的温度。PM过滤器组件34接收来自DOC32的排气并过滤任何存在于排气中的烟尘颗粒。加热器35与PM过滤器组件34隔开并将排气加热到再生温度，如下文所述。

[0033]控制模块44基于各种感测到的信息来控制发动机和PM过滤器。更具体地讲，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且排气流率处于所期望的范围内时，经由电源46控制通向PM过滤器组件34的电流以启动再生处理。再生处理的持续时间可基于PM过滤器组件34中的估算出的颗粒物质量而变化。

[0034]在再生处理期间对辐射分区式入口加热器35施加电流以起动加热器。更具体地说，控制模块44有选择地使加热器35选定分区的光源起动预定的时间，同时限制经过该选定分区的排气流。该光源发出朝向PM过滤器组件34聚焦的辐射能(即热)。当达到点火温度时，控制模块44允许排气流经相应分区并可以使光源不活动。当已加热的排气穿过PM过滤器时有助于余下部分的再生处理。

[0035]现在参看图2，进一步详细示出了示范性的用于PM过滤器组件34的辐射分区式入口加热器35。该加热器35布置成与PM过滤器组件34隔开。PM过滤器组件34包括多个隔开的加热器分区，该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)以及分区3(带有子分区3A、3B和3C)。分区1、分区2和分区3可以在不同的对应时间内被起动。

[0036]当排气流经加热器的起动分区时，在最初接收已加热排气的PM过滤器的相应部分(例如起动分区下游的区域或通过喷流燃烧着的烟尘而点燃的下游区域)中出现再生。不处于起动分区下游的PM过滤器的相应部分用作应力缓和分区。例如在图2中，子分区1A、1B和1C是起动的，而子分区2A、2B、2C、3A、3B和3C则用作应力缓和分区。

[0037]活动的加热器子分区1A，1B和1C下游的、PM过滤器的相应部分在加热和冷却时热学地膨胀和收缩。应力缓和子分区2A和3A、2B和3B以及2C和3C缓和了由加热器子分区1A，1B和1C的膨胀和收缩所引起的应力。在分区1完成再生后，可起动分区2而分区1和分区3用作应力缓和分区。在分区2完成再生后，可起动分区3而分区1和分区2用作应力缓和分区。

[0038]现在参看图3，示出了另一个示范性的辐射分区式入口加热器装置。中心部分可以由包括圆周分区带的外部部分所围绕。在其它的实施方案中，辐射分区式入口加热器装置可包括多个圆周的分区带。

[0039]在此示例中，中心部分包括分区1。圆周的分区带包括分区2，3，4和5。如同上述的实施例，活动分区的下游部分再生，而不活动分区的下游部分则提供应力缓和。如能够认识到的那样，每次可起动分区1，2，3，4和5中的一个分区。其它的分区保持不活动。在其它的实施方案中，可以同时起动多个分区。例如，可以同时起动互补(complementary)的分区(例如分区2和分区4或者分区3和分区5)。

[0040]现在参看图4，示出了示范性的辐射分区式入口加热器100，其布置成与图3中的圆周分区带的其中一个分区(例如分区2)邻接。仅以为例，加热器100可包括覆盖对应分区以提供足够辐射热的一个或多个电阻线圈。对电阻线圈输入电流以生成聚焦光(例如红外光)。当起动了相应加热器100时，反射气窗102关闭以防止排气流进相应分区。气窗102的内表面朝向PM过滤器组件34反射来自加热器100的辐射能。当达到点火温度时，气窗102打开，允许排气流进PM过滤器的相应分区。

[0041]现在参看图5，进一步详细示出了PM过滤器组件34。PM过滤器组件34包括外壳200、过滤器202以及辐射分区式入口加热器35。加热器35可以布置在反射气窗210和过滤器202的基底之间。电连接器211可以向如上所述的加热器35的分区提供电流。

[0042]如能够认识到的那样，加热器35可以与过滤器202隔开以使得加热主要是辐射加热。绝缘物212可以布置在加热器35和外壳200之间。排气从上游入口214进入PM过滤器组件34。加热器35可以与过滤器202隔开而并不与其接触。

[0043]当起动加热器35的其中一个分区时，反射气窗210中的一个相应气窗关闭。反射气窗210的内(即下游)表面朝向过滤器202反射来自加热器35的辐射热。反射气窗210的外(即上游)表面防止排气流入过滤器202的相应分区，同时，分区的前部部分被加热至点火温度。当达到点火温度时，气窗210打开以允许排气流并促进过滤器再生。加热器35的各分区均是有选择地和相继地起动/停止活动，而它的相应气窗210则相应地关闭/打开。

[0044]现在参看图6，进一步详细示出了在PM过滤器组件34中的加热。辐射分区式入口加热器35生成辐射热，而反射气窗210朝向过滤器202反射该辐射热。辐射热行进距离“d”然后由过滤器202所接收。距离“d”可以是1/2＂或更短。过滤器202可具有中央入口240、通道242、过滤材料244和径向地位于入口外侧的出口246。该过滤器可以是催化的。辐射热导致过滤器中的PM燃烧，这使得PM过滤器再生。辐射热点燃过滤器202的前部部分。当前部表面部分中的烟尘达到足够高的温度时，关掉加热器。打开反射气窗210以允许排气250流动。于是烟尘的燃烧沿着过滤器通道254喷流而不需要对加热器保持供电。

[0045]现在参看图7，示出了用于再生PM过滤器的步骤。在步骤300，控制开始并进入步骤304。如果控制在步骤304确定需要再生，则控制在步骤308选择一个或多个分区。在步骤312，控制对于选定分区起动加热器并关闭对应于所起动加热器的反射气窗。在步骤316，控制基于电流、电压、排气流和排气温度中的至少一个来估算足以达到最低过滤器表面温度的加热时间。最低的表面温度应该足以使烟尘开始燃烧并足以产生喷流效果。仅以为例，最低的表面温度可以设定成700摄氏度或更高。在对于步骤316的备选步骤320中，控制基于预定的加热时间、排气流和排气温度估算为达到最低过滤器表面温度而所需的电流和电压。

[0046]在步骤324，控制判断加热时间是否结束。如果步骤324为真，则控制在步骤326使加热器分区不活动并打开相应气窗。在步骤328，控制判断其它的分区是否需要再生。如果步骤328为真，则控制返回到步骤308。否则，控制结束。

[0047]使用中，控制模块确定PM过滤器何时需要再生。备选的是，可以周期性地或基于事件地实施再生。控制模块可估算整个PM过滤器何时需要再生或PM过滤器中的分区何时需要再生。当控制模块确定整个PM过滤器需要再生时，该控制模块按序地每次起动一个或多个分区以在PM过滤器的相关下游部分中启动再生。在再生了该分区或多个分区后，起动一个或多个另外的分区，同时其它的分区不活动。此方法继续直至已起动了所有分区。当控制模块确定其中的一个分区需要再生时，该控制模块起动与需要再生的PM过滤器的相关下游部分对应的分区。

[0048]现在参看图8A至图8E，示出了示范性的反射气窗，其中的一个选定分区关闭而未选定的其它分区打开。关闭的选定分区对应于起动的辐射加热器分区。相反而言，非选定的分区对应于不活动的辐射加热器分区。例如，如图8A中所示，反射气窗的分区1关闭而其余的分区打开。如图8B所示，反射气窗的分区2关闭而其余的分区打开。如图8C所示，反射气窗的分区3关闭而其余的分区打开。如图8D所示，反射气窗的分区4关闭而其余的分区打开。如图8E所示，反射气窗的分区5关闭而其余的分区打开。

[0049]本发明可显著地减少燃料经济性损失、降低排气管温度并且因更少的再生时间而提高系统稳健性。

Claims (24)

1.一种系统，包括：

颗粒物质过滤器，其包括下游端和用于接收排气的上游端；

辐射分区式加热器，其包括N个分区，在此N为大于1的整数，其中，所述N个分区中的各分区均包括M个子分区，在此M为大于或等于1的整数；

控制模块，其有选择地起动所述N个分区中的至少选定的一个分区以由所述N个分区中的所述选定的一个分区启动在所述颗粒物质过滤器的下游部分中的再生，限制与所述N个分区中的所述选定的一个分区相对应的所述颗粒物质过滤器的一部分中的排气流，并使得所述N个分区中的非选定的分区不活动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块当所述N个分区中的所述选定的一个分区不活动时允许排气流入所述颗粒物质过滤器的所述一部分。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括气窗，所述气窗包括与所述辐射分区式加热器的所述N个分区和M个子分区相对应的N个分区和M个子分区，其中，所述控制模块有选择地分别打开所述气窗的所述N个分区中的至少选定的一个分区以允许排气流，或关闭所述气窗的所述N个分区中的至少选定的一个分区以限制排气流。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述辐射分区式加热器位于所述气窗和所述颗粒物质过滤器之间。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述气窗的所述N个分区中的各分区均包括第一表面，所述第一表面朝向所述颗粒物质过滤器的所述上游端反射来自所述辐射分区式加热器的辐射光。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一表面当所述气窗的所述分区关掉时反射所述辐射光。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个分区中的所述非选定的分区提供应力缓和分区。

8.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以及所述中心部分的径向外侧的第一圆周部分中。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述中心部分包括第一分区，并且所述第一圆周部分包括第二分区、第三分区、第四分区和第五分区。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块基于供应给所述辐射分区式加热器的电力、排气流和排气温度中的至少两个来估算加热时间。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块估算用以将所述颗粒物质过滤器的表面部分加热至温度大于或等于预定温度的加热时间并在所述加热时间之后关掉所述辐射分区式加热器。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述预定温度为700摄氏度。

13.一种方法，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过滤器；

布置辐射分区式加热器，所述辐射分区式加热器包括N个分区，在此N为大于1的整数，其中，所述N个分区中的各分区均包括M个子分区，且在此M为大于或等于1的整数；

有选择地起动所述N个分区中的至少选定的一个分区，以由所述N个分区中的所述选定的一个分区启动在所述颗粒物质过滤器的下游部分中的再生；

限制与所述N个分区中的所述选定的一个分区相对应的所述颗粒物质过滤器的一部分中的排气流；以及

使得所述N个分区中的非选定的分区不活动。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，当所述N个分区中的所述选定的一个分区不活动时，允许排气流入所述颗粒物质过滤器的所述一部分。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，有选择地分别打开气窗的N个分区中的至少选定的一个分区以允许排气流，或关闭所述气窗的所述N个分区中的至少选定的一个分区以限制排气流，其中，所述气窗的N个分区与所述辐射分区式加热器的所述N个分区相对应。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，将所述辐射分区式加热器布置在所述气窗和所述颗粒物质过滤器之间。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述气窗的所述N个分区中的各分区均包括第一表面，所述第一表面朝向所述颗粒物质过滤器的所述上游端反射来自所述辐射分区式加热器的辐射光。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一表面当所述气窗的所述N个分区中的相应分区关闭时反射所述辐射光。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述N个分区的所述非选定的分区提供应力缓和分区。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述N个分区位于中心部分以及所述中心部分的径向外侧的第一圆周部分中。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述中心部分包括第一分区，并且所述第一圆周部分包括所述第一分区、第二分区、第三分区、第四分区和第五分区。

22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，基于供应给所述辐射分区式加热器的电力、排气流和排气温度中的至少两个来估算加热时间。

23.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，估算用以将所述颗粒物质过滤器的表面部分加热至温度大于或等于预定温度的加热时间并在所述加热时间之后关掉所述辐射分区式加热器。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述预定温度为700摄氏度。

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