CN101435357A - 电加热微粒过滤器增强点火策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电加热微粒过滤器增强点火策略，具体而言，提供了一种处理由发动机产生的排气的排气系统。该系统通常包括微粒过滤器(PF)，其过滤来自排气的微粒，其中PF的上游端接收来自发动机的排气。电阻材料栅格应用到PF外部上游表面并选择性地加热穿过栅格的排气以开始PF中微粒的燃烧。催化剂涂层应用到PF和栅格中的至少一个。控制模块估计栅格的温度并控制发动机以产生所需的排气产物来使栅格的温度升高。

Description

电加热微粒过滤器增强点火策略
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年6月15日提交的美国临时申请No.60/934985的利益。上述申请的公开通过引用结合在本发明中。
政府权利声明
本发明是依据美国政府与能源部(DoE)的合同号为DE-FC-04-03AL67635的合同而产生的。美国政府在本发明中享有一定权利。
本发明涉及用于加热微粒过滤器的方法和系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅提供涉及本发明的背景信息，并且可不构成现有技术。
由于增加的压缩比和柴油燃料更高的能量密度，柴油发动机典型地具有比汽油发动机更高的效率。柴油燃烧循环产生的微粒典型地被布置在排气流中的微粒过滤器(PF)从柴油排气中过滤。随着时间的推移，PF变满而捕获到的柴油微粒必须去除。在再生过程中，柴油微粒在PF中燃烧。
传统的再生方法在主燃烧事件后将燃料喷射到排气流中。燃烧后喷射的燃料在一个或多个放置在排气流中的催化剂上燃烧。在催化剂上的燃料燃烧过程中释放的热量使排气温度升高，这燃烧了PF中捕获到的碳黑(soot)微粒。然而，此方法会导致高于希望的温度偏移，这会对包括PF在内的排气系统部件不利。
发明内容
因此，提供了一种处理由发动机产生的排气的排气系统。该系统通常包括微粒过滤器(PF)，该微粒过滤器(PF)过滤来自排气的微粒，其中PF的上游端接收来自发动机的排气。电阻材料栅格应用到PF外部上游表面并选择性地加热经过栅格的排气，以开始PF中微粒的燃烧。催化剂涂层应用到PF和栅格中的至少一个上。控制模块估计栅格的温度并控制发动机以产生所需的排气产物来使栅格的温度升高。
在其他特征上，提供了一种使发动机的排气系统中的微粒过滤器(PF)再生的方法。该方法通常包括：在PF的前侧外部表面上应用电阻材料栅格；对PF和栅格中的至少一个应用催化剂涂层；基于排气成分和排气温度中的至少一个来估计栅格的温度；以及控制发动机以产生所需的排气产物来与催化剂涂层反应以使栅格的估计温度升高。
根据在此提供的描述，其他的适用范围将变得显而易见。应该理解的是，描述和特定的例子仅仅旨在说明目的，并不意在限定本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅仅用于说明目的，并不意在以任何方式限定本发明的范围。
图1为根据本发明的各种方面的包括微粒过滤器以及微粒过滤器再生系统的示范性车辆的功能方框图。
图2为示范性壁流整体式(wall-flow monolith)微粒过滤器横截面视图。
图3包括显示电阻路径各种图案的微粒过滤器的示范性正面透视图。
图4为示范性微粒过滤器正面和加热器插片的透视图。
图5为包括根据本发明的各种方面的催化剂涂层的图2的示范性微粒过滤器的横截面视图。
图6为显示根据本发明的各种方面的微粒过滤器再生系统的数据流程图。
图7为显示根据本发明的各种方面的微粒过滤器再生系统的流程图。
具体实施方式
下列描述实质上仅仅是示范性的，而不意在限制本公开的应用或使用。应当理解，全部图中相应的标号表示相同或相应的部分和特征。如本文中所用，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)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它适合部件。
现在参考图1，根据本发明的各种方面示出了包括柴油发动机系统11的示范性车辆10。应当理解的是，柴油发动机系统11实质上仅仅是示范性的，本文中描述的微粒过滤器再生系统可在各种使用微粒过滤器的发动机系统中使用。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量(homogeneous charge)压燃发动机系统。为了方便讨论，本公开将在柴油发动机系统的背景下讨论。
涡轮增压柴油发动机系统11包括燃烧空气与燃料的混合物以产生驱动扭矩的发动机12。空气经过空气过滤器14进入该系统。空气经过空气过滤器14并被吸入涡轮增压器18。涡轮增压器18压缩进入系统11的新鲜空气。通常空气的压缩越大，发动机12的输出就越大。然后压缩空气在进入进气歧管22之前经过空气冷却器20。
进气歧管22中的空气被分配到气缸26中。尽管示出了四个气缸26，但是应当理解的是，本公开的系统和方法可在具有多个气缸的发动机中使用，包括但不限于2、3、4、5、6、8、10和12个气缸。还应当理解的是，本公开的系统和方法可在V型气缸结构中使用。燃料由燃料喷射器28喷入气缸26。来自压缩气体的热量点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生排气。排气离开气缸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(催化剂)32和微粒过滤器(PF)34。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。剩余的排气被引进涡轮增压器18以驱动涡轮。涡轮有助于压缩从空气过滤器14接收的新鲜空气。排气从涡轮增压器18流过催化剂32和PF 34。催化剂32基于燃烧后的空气/燃料比氧化排气。PF 34从催化剂32接收排气，并过滤排气中存在的任何微粒物质。
控制模块44基于各种探测和/或模拟的信息控制发动机12和PF再生。更具体地说，控制模块44估计PF 34的微粒物质浓度(particulatematter loading)。当估计的微粒物质浓度达到阈值水平(例如，5克/升的微粒物质)，并且排气流率处于所需的范围内时，通过电源46控制到PF34的电流来开始再生过程。再生过程的持续时间基于PF 34内的微粒物质的量而变化。预计再生过程可以持续1至6分钟之间。然而，仅在再生过程的开始部分期间施加电流。更具体地说，电能将PF34的面加热一个阈值周期(例如1至2分钟)。将经过正面的排气进行加热。使用由存在于PF 34的加热面附近的微粒物质的燃烧或者由经过PF34的加热的排气所产生的热而实现剩余的再生过程。
在某些情况下，来自发动机12的高水平排气流防止面达到足够的温度。为了使面适当的加热，PF 34包括如在下文将进一步讨论的催化剂涂层。通常，控制模块44控制发动机12产生包括增加的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排气产物。HC和CO与PF 34的催化剂涂层反应，在PF 34的面附近引起温度升高。
控制模块44基于传感器信号和/或模拟数据和本公开的微粒过滤器再生方法及系统控制发动机排气产物。在各种实施例中，排气温度传感器47基于排气的温度产生排气温度信号。空气流量传感器48基于进入或离开发动机12的空气产生排出空气信号。电流和/或电压传感器49基于由电源46向PF 34提供的电压和/或电流产生电流和/或电压信号。氧传感器51基于排气中的氧气水平产生氧气水平信号。
在各种实施例中，控制模块44接收信号并通过如下方式控制发动机12，例如控制在燃烧循环后要通过例如燃料喷射器28或后燃料喷射器53喷入排气的燃料，燃料喷射器28或后燃料喷射器53将燃料喷进排气。在各种其它实施例中，控制模块44通过控制空气流或阀定时来控制发动机。
具体参照图2，PF34优选地为整体式微粒捕获器，并包括交替的封闭单元/通道50和开口单元/通道52。单元/通道50、52典型地为正方形横截面，轴向地穿越部件。PF 34的壁58优选地由堇青石材料的多孔陶瓷蜂巢壁组成。应当知道的是，任何陶瓷蜂窝材料都被认为处于本发明的范围之内。如56所示相邻通道在各端部处交替地塞住。这迫使柴油悬浮微粒穿过用作机械过滤器的多孔基底壁。微粒物质沉积在封闭通道50中，且排气穿过开口通道52排出。微粒物质59流进PF 34并在其中被捕获。
为了再生的目的，包括电阻材料的栅格64被附连到称为PF 34正面的前侧外部表面。电流被供给至电阻材料以产生热能。应该知道的是，厚膜加热技术可被用于将栅格64附连到PF 34上。例如，可以涂覆诸如银或镍铬合金的加热材料，随后对PF 34的正面进行蚀刻或使用掩模。在各种其它实施例中，栅格64由诸如不锈钢的电阻材料组成，且使用粘合剂或对PF 34的压配合来附连到PF 34上。
还应该知道的是，电阻材料可被应用到如图3中所示的各种单一路径或多路径图案中。可以除去电阻材料的片段以产生路径。在各种实施例中，如图4中所示的穿孔加热器插片70可以附连在PF 34的正面上。在以上提及的任何实施例中，穿过PF 34的排气将在PF 34的正面处产生的热能携带至通道50、52之下的一小段距离。增加的热能点燃存在于PF 34入口附近的微粒物质。从微粒的燃烧产生的热量随即被引导经过PF 34以引起PF 34中剩余微粒的燃烧。
具体参照图5，在各种实施例中，催化剂涂层额外地应用到PF 34或栅格64上。根据本公开，催化剂涂层可以以由PF 34的运行温度优化的不同密度分配在PF 34的子部分中。可以理解的是，催化剂涂层的密度可以以阶梯状形式或者连续或线性形式应用。
如图5所示，示范性PF 34包括允许排气进入PF 34的入口和允许排气排出PF 34的出口。PF 34包括第一子部分72和第二子部分74。第一子部分72位于离入口第一距离处。第二子部分72位于离入口第二距离处，该第二距离大于第一距离。第一子部分72以第一密度涂覆有催化剂。第一涂层可以包括减少HC和CO的氧化催化剂。该氧化催化剂包括，但不限于，钯、铂和/或类似氧化催化剂。第二子部分74可以以第二密度涂覆催化剂或可选地不涂覆催化剂。如果涂覆，该第二密度小于第一密度。如前面所讨论第二涂层也可以包括减少HC和CO的氧化催化剂。
具体参照图6，数据流程图示出了可被嵌入控制模块44内的微粒过滤器再生系统的各种实施例。根据本发明的微粒过滤器再生系统的各种实施例可包括任意数量的嵌入在控制模块44内的子模块。可以理解的是，图6中示出的子模块可被组合和/或被进一步分割来类似地控制PF34的再生。到系统的输入可从车辆10(图1)感知，从车辆10(图1)内的其它控制模块(未示出)接收，和/或由控制模块44内的其它子模块(未示出)确定。在各种实施例中，图6的控制模块44包括再生控制模块80、发动机控制模块82和温度模块84。
再生控制模块80接收表示PF 34(图1)中存在的累积微粒物质水平的微粒物质水平86和排气流88作为输入。基于微粒物质水平86和排气流88，再生控制模块80确定是否需要再生。例如，如果累积的微粒物质水平86高且排气流88足够支持燃烧，则再生控制模块80确定需要再生。
再生控制模块80还可以接收栅格温度93(将在下面讨论)作为输入。一旦需要再生并且栅格温度93在预定的范围内，再生控制模块80产生控制供给PF 34(图1)的电流的电流控制信号94来加热PF34(图1)的面。
温度模块84接收氧气水平96、排气流98、排气温度100和电流/电压102作为输入。温度模块84基于输入96至102中的一个或多个预测栅格64(图2)的栅格温度93。通常，温度模块84基于发动机排气的组分和排气温度100来预测栅格温度93。
在各种实施例中，温度模块84可以基于是否提供催化剂32(图1)来估计栅格温度93。例如，当提供催化剂32(图1)时，栅格温度93作为微粒过滤器温升、排气流98、微粒过滤器温度和/或其组合的函数进行估计。微粒过滤器温升可作为发动机排气产物、氧气水平96、催化剂效率和/或其组合的函数进行估计。发动机排气产物可基于燃烧策略(例如，燃料空气比和/或阀定时)进行估计。微粒过滤器温度可作为排气温度100和/或催化剂升温的函数进行估计。在各种其它实施例中，温度模块84可基于电流/电压值102和/或排气流98来估计栅格温度93。
发动机控制模块82接收栅格温度93作为输入。如果栅格温度93在预定的需求范围之外，发动机控制模块82可产生燃料控制信号104和空气控制信号106中的至少一个信号来控制流向PF 34(图1)的排气的组分。例如，可控制发动机来产生排气中升高的HC和/或CO水平，使得可与催化剂涂层发生反应来使栅格温度93升高。在各种实施例中，发动机控制模块82基于是否存在催化剂32(图1)来控制发动机12(图1)。
具体参照图7，流程图示出了根据本发明的各种方面可由图6的微粒过滤器再生系统执行的示范性微粒过滤器再生方法。可以理解的是，示范性微粒过滤器再生方法各步骤的执行顺序可在不改变该方法的精神的情况下改变。示范性微粒过滤器再生方法在控制模块运行期间可周期性地执行，或基于某些事件计划运行。
在一个实施例中，方法始于200。对PF 34(图1)进行估计来确定在210是否需要再生。如果PF 34(图1)是满的，则在210需要再生，在220如前面所讨论对栅格温度93进行估计并在230和240被估值。否则，如果在210不需要再生，该方法可在270结束。
在230，如果栅格温度93低于预定最佳温度阈值(第一阈值)，且在240栅格温度93高于催化剂燃烧温度阈值(第二阈值)，则控制发动机12(图1)来在250产生所需的排气产物。一旦在230栅格温度93高于预定最佳温度阈值，在260控制电流供给栅格64(图2)。该方法可结束于270。然而，如果在240栅格温度93降到催化剂燃烧温度以下，该方法可结束于270。
现在本领域的技术人员从前面的描述能够理解，本公开宽泛的教导可以以各种形式执行。因此尽管根据其具体实施例描述了本公开，但是由于通过对附图、说明书以及所附权利要求的研究，其它修改对于本领域的技术人员将变得显而易见，因此本发明的实际范围应当不限于此。

Claims (20)

1.一种处理由发动机产生的排气的排气系统，包括：
微粒过滤器(PF)，其过滤来自排气的微粒，其中，所述PF的上游端接收来自所述发动机的排气；
电阻材料栅格，其应用到所述PF的外部上游表面上，并且选择性地加热穿过所述栅格的排气，以开始所述PF中微粒的燃烧；
催化剂涂层，其应用到所述PF和所述栅格中的至少一个之上；以及
控制模块，其估计所述栅格的温度并且控制所述发动机以产生所需的排气产物来使所述栅格的温度升高。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述控制模块基于排气的组分和排气温度中的至少一个来估计所述栅格的温度。
3.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述排气系统还包括布置在所述PF上游的催化剂，其中，所述控制模块基于所述催化剂的存在来估计所述栅格的温度。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其特征在于，所述控制模块基于微粒过滤器温升、微粒过滤器温度和排气流中的至少一个来估计所述栅格的温度。
5.根据权利要求4所述的排气系统，其特征在于，所述控制模块基于排气温度和催化剂温升来估计所述微粒过滤器温度。
6.根据权利要求4所述的排气系统，其特征在于，所述控制模块基于所述排气的组分和所述催化剂的效率中的至少一个来估计所述微粒过滤器温升。
7.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述控制模块控制在PF再生循环的初始阶段期间到所述栅格的电流应为多大。
8.根据权利要求7所述的排气系统，其特征在于，所述控制模块估计所述PF中的微粒的量，并且其中，当所述量超过阈值时所述电流被控制。
9.一种再生发动机排气系统的微粒过滤器(PF)的方法，包括：
将电阻材料栅格应用到所述PF的前侧外部表面上；
将催化剂涂层应用到所述PF和所述栅格中的至少一个之上；
基于排气组分和排气温度中的至少一个来估计所述栅格的温度；以及
控制所述发动机以产生所需的排气产物来与所述催化剂涂层反应以提高所述栅格的估计温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，估计所述栅格的温度基于排气的组分和排气温度中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括提供所述PF上游的催化剂，其中，估计所述栅格的温度基于所述催化剂的存在。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，估计所述栅格的温度基于微粒过滤器温升、微粒过滤器温度和排气流中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于排气温度和催化剂温升来估计所述微粒过滤器温度。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述排气的组分和所述催化剂的效率中的至少一个来估计所述微粒过滤器温升。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过将电流供给到所述电阻材料来加热所述栅格。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，一旦估计的温度高于预定阈值，即执行加热所述栅格。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过所述加热的栅格引发存在于所述PF的正面之上的微粒的燃烧。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将由所述PF的微粒的燃烧所产生的热量引进所述PF来引发所述PF中的微粒的燃烧。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在PF再生循环的初始阶段期间控制所述电流来开始再生。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括估计所述PF中的微粒的量，其中，当所述量超过阈值时，执行所述控制。
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