CN101392677B - 升高排气温度的分区电加热颗粒物质过滤器 - Google Patents

升高排气温度的分区电加热颗粒物质过滤器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及升高排气温度的分区电加热颗粒物质过滤器，具体而言涉及一种系统，其包括电加热器和颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器以靠近所述电加热器和与所述电加热器接触中的一种方式布置。控制模块选择性地将发动机的排气气体温度增加至第一温度，并在排气气体温度高于所述第一温度时使用电加热器启动PM过滤器的再生。所述第一温度大于非再生操作期间PM过滤器处的最大排气气体温度，且小于PM的氧化温度。

Description

升高排气温度的分区电加热颗粒物质过滤器
政府权利声明
[1]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
[2]本申请要求于2007年9月18日提交的美国临时专利申请号60/973,321的权益。该申请整体作为参考而被引入本文。
技术领域
[3]本发明涉及颗粒物质(PM)过滤器，且更具体地涉及升高的排气温度、分区电加热的PM过滤器。
背景技术
[4]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。
[5]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。
[6]随着时间的过去，PM过滤器充满。在再生期间，PM可以在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，包括修正发动机管理、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两者加热。
[7]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。
[8]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。
发明内容
[9]一种系统，其包括电加热器和颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器以靠近所述电加热器和与所述电加热器接触中的一种方式布置。控制模块选择性地将发动机的排气气体温度增加至第一温度，并在排气气体温度高于所述第一温度时使用电加热器启动PM过滤器的再生。所述第一温度大于非再生操作期间PM过滤器处的最大排气气体温度，且小于PM的氧化温度。
[10]一种方法，其包括提供电加热器；将颗粒物质(PM)过滤器以靠近所述电加热器和与所述电加热器接触中的一种方式布置；和选择性地将发动机的排气气体温度增加至第一温度，并在排气气体温度高于所述第一温度时使用电加热器启动PM过滤器的再生。所述第一温度大于非再生操作期间PM过滤器处的最大排气气体温度，且小于PM的氧化温度。
[11]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，而不是意图限定本披露的范围。
附图说明
[12]在此所述的附图仅用于图示说明的目的，而绝不是意图限定本披露的范围。
[13]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过滤器带有分区进口加热器；
[14]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；
[15]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；
[16]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；
[17]图5示出了具有分区电加热器的电加热PM过滤器；
[18]图6示出了分区电加热器内的加热；
[19]图7是示出了由控制模块进行的示范性步骤的流程图，以在启动再生之前增加输入给电加热PM过滤器的排气温度；
[20]图8是示出了对示范性发动机系统而言预期的烟灰百分比作为在300℃时进口排气温度的函数的曲线图；
[21]图9是示出了对示范性发动机系统而言预期的烟灰百分比作为在450℃时进口排气温度的函数的曲线图；和
[22]图10是示出了用于再生与PM过滤器相关的分区电加热器的示范性步骤的流程图。
具体实施方式
[23]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对应的部件和特征。
[24]如在此使用的，术语“模块”指的是专用集成电路(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。
[25]本披露在进行再生之前使用电加热器增加输入端排气温度，以允许更稳定的PM过滤器再生。仅用于举例，进口排气温度可以升高至高于正常操作期间PM过滤器遇到的最大排气气体温度，且小于烟灰氧化温度。进入PM过滤器进口的排气气体的温度可以通过修正发动机管理、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、和/或其它合适的途径增加。
[26]仅用于举例，排气温度可以升高到340到540℃之间的温度范围。该温度范围低于通常的烟灰氧化温度，但高于自然排气温度。通常，高效率发动机以比大约300℃更冷的温度操作。
[27]一旦到PM过滤器的排气气体温度升高，电加热器起用加热后的区域，这使得烟灰燃烧波沿PM过滤器通道行进以清洁过滤器。该过程持续进行，直到所有的加热器区域都再生为止。当PM过滤器再生以处于在此所述的该增加温度范围的进口排气温度运行时，燃着的火焰前锋不太可能熄灭。增加的进口排气温度也产生了较小的温度差，这降低了PM过滤器上的热应力。
[28]电加热器可以分区或未分区。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。
[29]热能从电加热器传递给PM过滤器。PM过滤器可以通过对流和/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。通过只加热过滤器的选定部分，减少了由于热膨胀引起的基底中力的大小。因而，可以在再生期间使用较高的局部烟灰温度而不损坏PM过滤器。
[30]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的排气气体对烟灰点火而再生。当达到足够的表面温度时，加热器可以关闭，且燃着的烟灰然后沿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。燃着的烟灰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。
[31]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。
[32]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。
[33]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充气压燃发动机系统。为了讨论简单，本披露将关于柴油发动机系统讨论。
[34]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。
[35]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在具有多个汽缸的发动机中实施，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在V型汽缸结构中实施。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。
[36]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烟灰颗粒物。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。
[37]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，电流受控而经由电源46供应给PM过滤器组件34以启动再生过程。再生过程的持续时间可以基于PM过滤器组件34中的颗粒物质的估算量变动。
[38]在再生过程期间，电流施用于加热器35。更具体而言，所述能量可以分别加热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过滤器的加热后排气产生的热实现。
[39]控制模块可以使用任何适当的途径增加进入PM过滤器的进口的排气气体的温度。例如，发动机管理可以修正发动机管理，如供应给汽缸的燃料的数量或定时。可替换地，可以使用燃料燃烧器47。燃料燃烧器47可以布置在排气中且燃烧供应给其的燃料。可替换地，催化氧化剂可以用于借助于燃料后喷射增加排气温度。
[40]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。
[41]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过滤器的对应部分中或通过分级进行燃烧烟灰点火的下游区域发生。不在已起用的区域下游的PM过滤器的对应部分充当应力减轻区域。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充当应力减轻区域。
[42]已起用的加热器子区域1A、1B和1C下游的PM过滤器的对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充当应力减轻区域。在区域2完成再生之后，区域3可以起用，且区域1和2充当应力减轻区域。
[43]现在参见图3，示出了另一示范性分区进口加热器布置。中心部分可以由包括第一周向区域带的中间区域环绕。所述中间部分可以由包括第二周向区域带的外部部分环绕。
[44]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之一。其它区域保持停用。
[45]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)之一布置的示范性电阻加热器200。电阻加热器200可以包括覆盖相应区域的一个或更多线圈以提供足够的加热。
[46]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。
[47]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，从而加热是对流和/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。
[48]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且通过加热器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”且然后通过过滤器202接收。仅用于举例，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，以给过滤器202的前部点火。当前面部分中的烟灰达到足够高的温度时，加热器关闭。烟灰的燃烧然后沿过滤器通道254分级进行，而不需要维持给加热器的功率。
[49]现在参见图7，控制程序在步骤300开始。在步骤304中，控制程序确定是否需要再生。在步骤308，控制程序确定到PM过滤器的输入排气温度是否大于第一温度阀值TTH1。第一温度阀值TTH1大于正常发动机操作期间遇到的正常排气气体温度，且小于烟灰氧化温度。仅用于举例，第一温度阀值TTH1可以在340-540℃之间的范围中选择。仅用于举例，第一温度阀值TTH1可以在390-490℃之间的范围中选择。仅用于举例，第一温度阀值TTH1可以在430-470℃之间的范围中选择。仅用于举例，第一温度阀值TTH1可以在大约440-460℃之间的范围中选择。如在此使用的，术语“大约”意为+/-5℃。
[50]如果步骤308为假，在步骤312中，发动机控制模块使用任何适当的途径增加排气温度。控制程序以步骤316从步骤312和308(如果是真)继续。如果步骤316为真，控制程序确定PM过滤器温度是否大于第二温度阀值TTH2。如果步骤316为真，控制程序进行PM过滤器再生控制。控制程序以步骤324从步骤316(如果是假)和步骤320继续。
[51]仅用于举例，PM过滤器的再生温度可以设定为大于或等于大约600℃。仅用于举例，PM过滤器的再生温度可以设定为大于或等于大约700℃。仅用于举例，PM过滤器的再生温度可以设定为大于或等于大约800℃。
[52]现在参见图8和9，图8和9是分别示出了烟灰百分比作为在300℃和450℃时初始进口排气温度的函数的曲线图。可以理解，通过将初始进口排气温度增加至高于PM过滤器非再生操作期间的最大排气气体温度且小于烟灰氧化温度可以实现烟灰水平的显著改进。
[53]现在参见图10，示出了用于再生分区PM过滤器的示范性步骤。在步骤400中，控制程序开始且前进到步骤404。在步骤404，如果控制程序确定需要再生，在步骤408中，控制程序选定一个或更多区域，且在步骤412中对所选定的区域起用加热器。在步骤416中，控制程序基于电流、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烟灰燃烧且形成分级进行效应。仅用于举例，最小表面温度设定为700℃或更大。在可替换步骤420到步骤416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。
[54]在步骤424中，控制程序确定加热周期是否完毕。如果步骤424为真，在步骤426中，控制程序确定附加的区域是否需要再生。如果步骤426为真，控制程序返回到步骤408。否则，控制程序结束。
[55]本披露趋于改进PM过滤器的再生。在此所述的途径趋于降低热差且因而改进基底耐用性。由于热膨胀和收缩引起的力定义为αΔTE(Area)，其中α为膨胀系数，E为杨氏模量(young’s modulus)，Area为周长且等于πD，ΔT为温度差。应当理解，在使用电加热器之前增加排气气体温度将降低ΔT，这降低由于热膨胀和收缩引起的力。本披露也趋于提供更一致的加热模式且减少熄火。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
电加热器；
颗粒物质过滤器，所述颗粒物质过滤器以靠近所述电加热器和与所述电加热器接触中的一种方式布置；和
控制模块，所述控制模块选择性地将发动机的排气气体温度增加至第一温度，并在所述排气气体温度高于所述第一温度时使用所述电加热器启动所述颗粒物质过滤器的再生，
其中，所述第一温度大于非再生操作期间所述颗粒物质过滤器处的最大排气气体温度，且小于颗粒物质的氧化温度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制模块按次序启动所述N个区域中的每个的再生。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括所述发动机，其中所述发动机包括柴油发动机。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一温度大于340℃且小于540℃。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一温度大于390℃且小于490℃。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一温度大于430℃且小于470℃。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一温度大于440℃且小于460℃。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块修正发动机管理以增加所述排气气体温度。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括催化氧化剂，其中所述控制模块使用燃料后喷射，以增加所述排气气体温度。
11.一种方法，包括：
提供电加热器；
将颗粒物质过滤器以靠近所述电加热器和与所述电加热器接触中的一种方式布置；和
选择性地将发动机的排气气体温度增加至第一温度；和
在所述排气气体温度高于所述第一温度时使用所述电加热器启动所述颗粒物质过滤器的再生，
其中，所述第一温度大于非再生操作期间所述颗粒物质过滤器处的最大排气气体温度，且小于颗粒物质的氧化温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述电加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述控制模块按次序启动所述N个区域中的每个的再生。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述发动机包括柴油发动机。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一温度大于340℃且小于540℃。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一温度大于390℃且小于490℃。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一温度大于430℃且小于470℃。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一温度大于440℃且小于460℃。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括修正发动机管理以增加所述排气气体温度。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括使用燃料后喷射增加所述排气气体温度。
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