CN101429888B - 设置为与微粒过滤器成间隔关系的分区电加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设置为与微粒过滤器成间隔关系的分区电加热器。一种系统，包括微粒物质(PM)过滤器，该过滤器包括接收废气的上游端和下游端。分区加热器布置成与所述上游端间隔开，其包括N个区域，其中N为大于一的整数，所述N个区域中的每个区域都包括M个子区域，其中M为大于一的整数。控制模块有选择地起用所述N个区域中的至少一个选择区域，以从所述N个区域中的所述一个起动所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。

Description

设置为与微粒过滤器成间隔关系的分区电加热器

[0001]本公开根据与能源部(DoE)的美国政府合同No.DE-FC-04-03 AL67635提出。美国政府在本公开中具有一定的权益。 

[0002]本申请为于2007年12月14日提交的美国专利申请No.11/956,722的部分继续申请。本申请要求于2007年8月31日提交的美国临时专利申请No.60/969,332的优先权。 

[0003]本申请涉及于2006年11月17日提交的美国申请No.11/561,100、2006年11月17日提交的美国申请No.11/561,108和2006年11月8日提交的美国申请No.11/557,715。上述申请的内容通过参考并入本文。 

技术领域

[0004]本公开涉及微粒(PM)过滤器，尤其涉及电加热PM过滤器。 

背景技术

[0005]这一部分的内容仅仅是提供与本公开相关的背景技术，并且可以不构成现有技术。 

[0006]发动机(例如柴油机)产生微粒物质(PM)，其通过PM过滤器从废气中过滤掉。PM过滤器布置在发动机的排气系统中。PM过滤器减少燃烧期间产生的PM的排放。 

[0007]随着时间的过去，PM过滤器逐渐充满。再生期间，PM在PM过滤器内被燃烧。再生可包括将PM过滤器加热至PM的燃烧温度。有几种方式执行再生，包括修改发动机控制、使用燃料燃烧器、使用催化氧化器以在燃料喷射后提高其排气温度、使用耐热线圈、和/或使用微波能量。耐热线圈通常布置成与PM过滤器相接触，以允许通过传导和对流一起来加热。 

[0008]当达到超过燃烧温度(例如，600℃)的温度时，柴油PM燃烧。燃烧的开始引起温度的进一步升高。虽然火花点燃式发动机在废气流中通常具有低的氧含量，但柴油机具有显著更高的氧含量。虽然增 大的氧含量使得PM过滤器能够更快的再生，但是它还会带来一些问题。 

[0009]使用燃料的PM减少系统往往会降低燃料经济性。例如，许多基于燃料的PM减少系统降低燃料经济性5％。电加热PM减少系统降低燃料经济性的程度可忽略。但是，电加热PM减少系统的耐用性难以获得。 

发明内容

[0010]一种系统，包括微粒物质(PM)过滤器，该过滤器包括接收废气的上游端和下游端。分区加热器布置成与所述上游端间隔开，其包括N个区域，其中N为大于一的整数，所述N个区域中的每个区域都包括M个子区域，其中M为大于一的整数。控制模块有选择地至少起用所述N个区域中所选择的一个区域，以起动从所述N个区域中的所述一个下游的所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。 

[0011]一种方法，包括：提供包括接收废气的上游端和下游端的微粒物质(PM)过滤器；布置与所述上游端间隔开并包括N个区域的分区加热器，其中N为大于一的整数，所述N个区域中的每个区域都包括M个子区域，其中M为大于一的整数；有选择地至少起用所述N个区域中所选择的一个区域，以起动从所述N个区域中的所述一个下游的所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。 

[0012]从下文所提供的描述可清楚其适用性的其它方面。应当理解，其详细描述和具体实例仅仅是示意性目的，而不是限制本公开的范围。 

附图说明

[0013]本文所示的附图仅仅是示意性目的，而不是以任何方式限制本公开的范围。 

[0014]图1为包括微粒物质(PM)过滤器的典型发动机的功能框图，其中PM过滤器具有与其间隔开的分区入口加热器； 

[0015]图2更详细地示出了图1中电加热微粒物质(PM)过滤器的分区入口加热器的典型区域；

[0016]图3更详细地示出了图1中电加热PM过滤器的分区入口加热器的典型区域； 

[0017]图4示出了图3中分区入口加热器的区域之一内的典型电阻加热器； 

[0018]图5示出了具有与PM过滤器间隔开的分区电加热器的电加热PM过滤器； 

[0019]图6示出了在分区电加热器内加热；以及 

[0020]图7为示出由控制模块执行的再生PM过滤器的步骤的流程图。 

具体实施方式

[0021]实质上，下列优选实施例的描述仅仅是示意性的，而不是限制本发明及其应用或使用。应当理解，所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部分和特征。 

[0022]如本文所使用的，术语模块指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它合适部件。 

[0023]本公开使用具有分区的加热器。电加热器与PM过滤器间隔开。换句话说，电加热器位于PM过滤器的前面，但是不与下游的PM过滤器接触。加热器电加热PM过滤器的部分。PM过滤器可安装成距PM过滤器的前方足够近，以控制加热方式。加热器的长度设定为使排气温度最优。 

[0024]热能通过废气从加热器传递到PM过滤器。因此，PM过滤器主要通过对流来加热。电加热器分成多个区域，以减小加热PM过滤器所需的电能。这些区域也加热PM过滤器内所选的下游部分。通过只加热过滤器中所选择的部分，减小了由于热膨胀在基底内引起的力的大小。结果，再生期间可使用更高的局部碳烟温度，而不会损坏PM过滤器。 

[0025]通过有选择地加热PM过滤器前面的一个或多个区域，并使用加热的废气点燃碳烟，从而再生PM过滤器。当达到充足的表面温度时，关闭加热器，然后燃烧的碳烟沿着PM过滤器通道的长度向下传 递，类似于焰火的燃烧引线。换句话说，可只将加热器起用至足以开始点燃碳烟这样长的时间，然后关闭。其它再生系统通常既使用传导，也使用对流，并在整个碳烟燃烧过程中都驱动加热器(在较低的温度，例如600摄氏度)。结果，这些系统往往比本权利要求书中提出的系统使用更多的能量。 

[0026]燃烧的碳烟为继续再生的燃料。对于每个加热区域持续该过程，直到PM过滤器完全再生为止。 

[0027]加热器区域以使得在起用的加热器之间减轻热应力的方式间隔开。因此，由于加热引起的总应力更小，分布在电加热PM过滤器的整个容积内。该方法允许电加热PM过滤器更大片断地再生，而不会产生损坏电加热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，起用越过另一加热器局部化应力区域的一个加热器能够允许更加积极地加热的再生容积，而不增加总的应力。由于该系统无需独立地再生这么多区域，所以这往往增大了驾驶循环内的再生机会，降低了成本和复杂性。 

[0029]现在参考图1，示意性地示出了根据本公开的典型柴油机系统10。应当理解，柴油机系统10实质上仅仅是示意性的，这里描述的分区加热微粒过滤器再生系统可使用在利用微粒过滤器的各种发动机系统中。这种发动机系统可包括，但不限于，汽油直喷发动机系统和均质充气压燃发动机系统。为便于描述，将在柴油发动机系统中描述本公开。 

[0030]涡轮增压柴油机系统10包括燃烧空气与燃料混合物以产生驱动扭矩的发动机12。空气通过空气滤清器14进入该系统。空气通过空气滤清器14，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。通常空气压缩越大，发动机12的输出就越大。然后，压缩的空气在进入进气歧管22之前通过空气冷却器20。 

[0031]进气歧管22内的空气分配到气缸26。虽然示出了四个气缸26，但是本公开的系统和方法还可使用在具有多个气缸的发动机中，包括，但不限于，2、3、4、5、6、8、10和12个气缸。还应当理解，本公开的系统和方法可以用在V型气缸结构中。燃料通过燃料喷射器28喷射到气缸26中。压缩空气的热量点燃了空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生废气。废气离开气缸26进入排气系统。

[0032]排气系统包括排气歧管30、柴油氧化催化剂(DOC)32以及具有分区入口加热器35的微粒过滤器(PM过滤器)组件34。可选地，EGR阀(未示出)将一部分废气再循环回进气歧管22。其余废气引导进入涡轮增压器18驱动涡轮。涡轮便于压缩从空气滤清器14接收的新鲜空气。废气从涡轮增压器18流过DOC32，通过分区加热器35，进入PM过滤器组件34。DOC32基于后燃烧空气/燃料比氧化废气。氧化量升高了废气的温度。PM过滤器组件34从DOC32接收废气，并过滤掉废气中存在的所有碳烟微粒。分区入口加热器35与PM过滤器组件34间隔开，并将废气加热至再生温度，如下所述。 

[0033]控制模块44基于各种感侧信息控制发动机和PM过滤器再生。更具体地，控制模块44估计PM过滤器组件34的负载。当估计的负载在预定水平并且废气流量在所需范围内时，电流控制成通过电源46至PM过滤器组件34，以起动再生过程。再生过程的持续时间可基于估计的PM过滤器组件34内的微粒物质量来变化。 

[0034]在再生过程期间，向分区加热器35施加电流。更具体地，其能量分别将PM过滤器组件34的加热器35的所选区域加热预定时间段。通过加热器35的废气被起用的区域加热。加热的废气传至PM过滤器组件34的下游过滤器，通过对流加热过滤器。使用通过PM过滤器的已加热废气产生的热量来实现其余的再生过程。 

[0035]现在参考图2，进一步详细地示出了PM过滤器组件34的典型分区入口加热器35。电加热PM过滤器组件34布置成与PM过滤器组件34间隔开。PM过滤器组件34包括多个间隔开的加热器区域，包括区域1(具有子区域1A、1B和1C)、区域2(具有子区域2A、2B和2C)和区域3(具有子区域3A、3B和3C)。可在不同的各自时间段内起用区域1、2和3。 

[0036]当废气流过加热器的起用区域时，在PM过滤器中首先接收加热废气(例如，起用区域的下游区域)或被传递的燃烧碳烟点燃的下游区域的相应部分内发生再生。PM过滤器中不在起用区域下游的相应部分用作应力缓解区域。例如，在图2中，起用子区域1A、1B和1C，子区域2A、2B、2C、3A、3B和3C用作应力缓解区域。 

[0037]在加热和冷却期间，PM过滤器在起用加热器子区域1A、1B和1C下游的相应部分热膨胀或收缩。应力缓解子区域2A和3A、2B和3B以及2C和3C减轻了由加热器子区域1A、1B和1C的膨胀及收缩引起的应力。在区域1完成再生之后，可起用区域2，区域1和3用作应力缓解区域。在区域2完成再生之后，可起用区域3，区域1和2用作应力缓解区域。 

现在参考图3，示出另一典型分区入口加热器布置。中央部分可被包括第一圆周区域带的中间区域环绕。所述中间区域部分可被包括第二圆周区域带的外部部分环绕。 

在该实例中，中央部分包括区域1。第一圆周区域带包括区域2和3。第二圆周区域带包括区域1、4和5。如上述实施例，起用区域的下游部分被再生，而未起用区域的下游部分提供应力缓解。应当理解，可每次起用区域1、2、3、4和5中的一个区域。其它区域保持未起用。 

现在参考图4，示出了布置在图3中第一圆周区域带中一个区域(例如，区域3)附近的典型电阻加热器200。电阻加热器200可包括覆盖各自区域以提供充足热量的一个或多个线圈。 

现在参考图5，更加详细地示出了PM过滤器组件34。PM过滤器组件34包括壳体200、过滤器202及分区加热器35。加热器35可布置在层流元件210与过滤器202的基板之间。电连接器211可给上述PM过滤器组件34的区域提供电流。 

应当理解，加热器35可与过滤器202间隔开，使得加热主要为对流加热。在加热器35与壳体200之间可布置绝热层212。废气从上游入口214进入PM过滤器组件34，被PM过滤器组件34的一个或多个区域加热。加热的废气行进一定距离，由过滤器202接收。加热器35可与过滤器202间隔开，不与其接触。 

现在参考图6，进一步详细示出了PM过滤器组件34内的加热。废气通过加热器35，被加热器35的一个或多个区域加热。加热的废气行进距离“d”，然后被过滤器202接收。距离“d”可为1/2英寸或更少。过滤器202可具有中央入口240、通道242、过滤材料244和位于入口径向外侧的出口246。过滤器可为催化型的。加热的废气引起过滤器内的PM燃烧，这再生了PM过滤器。加热器35通过对流传热，以点燃过滤器202的前面部分。当前表面部分的碳烟达到足够高的温度时，关闭加热器。然后燃烧的碳烟从过滤器通道254传递，无需保持给加热 器供电。 

现在参考图7，示出了再生PM过滤器的步骤。在步骤300中，控制开始，进行至步骤304。如果控制在步骤304中确定需要再生，那么控制在步骤308中选择一个或多个区域，在步骤312中对所选区域起用加热器。在步骤316中，控制基于电流、电压、废气流和废气温度中的至少一项估计足以达到最小过滤器表面温度的加热时间段。最小表面温度应当足以起动碳烟燃烧，并产生传递效果。例如，最小表面温度可设为700摄氏度或更高。在步骤316的可替代步骤320中，控制基于预定加热时间段、废气流和废气温度估计达到最小过滤器表面温度所需的电流和电压。 

在步骤324中，控制确定加热时间段是否达到。如果步骤324为真，那么控制在步骤326中确定其它区域是否需要再生。如果步骤326为真，那么控制返回步骤308。否则控制结束。 

使用中，控制模块确定PM过滤器何时需要再生。可选地，可周期性地或基于事件进行再生。控制模块可估计整个PM过滤器何时需要再生或者PM过滤器内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一个或多个区域，以起动PM过滤器相关下游部分内的再生。在再生了一个或多个区域之后，起用一个或多个其他区域，而其余区域停用。持续该方法，直到所有的区域被起用过。当控制模块确定一个区域需要再生时，控制模块起用对应于PM过滤器需要再生的相关下游部分的区域。 

本公开由于更短的再生时间，可充分减少燃料经济性恶化、降低排气管温度、并提高系统可靠性。 

Claims (20)

1.一种对微粒物质过滤器进行再生的系统，包括：

微粒物质过滤器，包括上游端和下游端，上游端用于接收废气；

布置成与所述上游端间隔开的分区加热器，所述分区加热器包括N个区域，其中N为大于一的整数，所述N个区域中的每个区域都包括M个子区域，其中M为大于一的整数；以及

控制模块，其有选择地至少起用所述N个区域中所选择的一个区域，以起动所述N个区域中的所述一个区域下游的所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述N个区域的所述非选择区域提供应力缓解区域。

3.一种对微粒物质过滤器进行再生的系统，包括：

微粒物质过滤器，包括上游端和下游端，上游端用于接收废气；

布置成与所述上游端间隔开的分区加热器，所述分区加热器包括N个区域，其中N为大于一的整数，其中所述N个区域位于中央部分、所述中央部分径向外侧的第一圆周部分和所述第一圆周部分径向外侧的第二圆周部分内；以及

控制模块，其有选择地至少起用所述N个区域中所选择的一个区域，以起动所述N个区域中的所述一个区域下游的所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述中央部分包括第一区域，所述第二圆周部分包括第一区域、第二区域和第三区域。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第二圆周部分中的所述第一、第二和第三区域交替地环绕在所述第二圆周部分中。

6.如权利要求4所述的系统，其中所述第一圆周部分包括交替的第四和第五区域。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块基于供给所述分区加热器的功率、废气流和废气温度中的至少两项估计加热时间段。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块估计将所述PM过滤器的表面部分加热至大于或等于预定温度的加热时间段，并在所述加热时间段之后关闭所述分区加热器。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述预定温度为700摄氏度。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述分区加热器间隔开的距离小于或等于1/2英寸。

11.一种对微粒物质过滤器进行再生的方法，包括：

提供包括上游端和下游端的微粒物质过滤器，上游端用于接收废气；

布置与所述上游端间隔开并包括N个区域的分区加热器，其中N为大于一的整数，所述N个区域中的每个区域都包括M个子区域，其中M为大于一的整数；以及

有选择地至少起用所述N个区域中所选择的一个区域，以起动所述N个区域中的所述一个区域下游的所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述N个区域的所述非选择区域提供应力缓解区域。

13.一种对微粒物质过滤器进行再生的方法，包括：

提供包括上游端和下游端的微粒物质过滤器，上游端用于接收废气；

布置与所述上游端间隔开并包括N个区域的分区加热器，其中N为大于一的整数，其中所述N个区域位于中央部分、所述中央部分径向外侧的第一圆周部分和所述第一圆周部分径向外侧的第二圆周部分内；以及

有选择地至少起用所述N个区域中所选择的一个区域，以起动所述N个区域中的所述一个区域下游的所述PM过滤器下游部分内的再生，并且停用所述N个区域中的非选择区域。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述中央部分包括第一区域，所述第二圆周部分包括第一区域、第二区域和第三区域。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第二圆周部分中的所述第一、第二和第三区域交替地环绕在所述第二圆周部分中。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述第一圆周部分包括交替的第四和第五区域。

17.如权利要求11所述的方法，其中，基于供给所述分区加热器的功率、废气流和废气温度中的至少两项估计加热时间段。

18.如权利要求11所述的方法，其中，估计将所述PM过滤器的表面部分加热至大于或等于预定温度的加热时间段，并在所述加热时间段之后关闭所述分区加热器。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述预定温度为700摄氏度。

20.如权利要求11所述的方法，其中所述分区加热器间隔开的距离小于或等于1/2英寸。

Images