CN101787916B - 颗粒物质过滤器再生系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一体式排气和电加热颗粒过滤器再生系统。一种系统，包括具有多个区域的颗粒物质(PM)过滤器。电加热器包括与所述区域中的相应区域相关联的加热器区段。电加热器设置在所述PM过滤器上游且与所述PM过滤器邻近。燃料后喷射系统将燃料喷射到发动机气缸和排气系统中的至少一个内。控制模块配置成以第一模式操作，所述第一模式包括激活电加热器以加热发动机的排气。所述控制模块也配置成以第二模式操作，所述第二模式包括激活所述后喷射系统以加热排气。控制模块选择性地以所述第一模式和所述第二模式中的至少一种操作。

Description

颗粒物质过滤器再生系统和方法
政府权利声明
本申请根据与能源局(DoE)签订的美国政府合同号DE-FC-04-03AL67635产生。美国政府在本发明中具有一定的权利。
技术领域
本发明涉及内燃机的发动机控制系统，且更具体地涉及颗粒物质过滤器再生系统和方法。
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)，所述颗粒物质用PM过滤器从排气过滤。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过滤器变满。在再生期间，PM可在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。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、使用催化氧化剂以在燃料喷射后增加排气温度、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。
再生可使用排气加热技术或使用电加热技术进行。排气加热技术指的是例如通过燃料后喷射来加热排气。在发动机的燃烧循环期间，空气/燃料混合物在发动机的气缸内压缩和点火。为了利于再生，燃料可以在燃烧循环期间和在空气/燃料混合物点火之后喷射到气缸中或者排气流中。当在燃烧循环的点火和/或排气冲程期间或之后引入时，所喷射燃料(称为后喷射(PI)燃料)与排气混合且通过设置在排气系统中的氧化催化剂氧化。催化剂中的氧化反应释放的热量增加排气系统的温度，从而利于PM过滤器中颗粒的点火。
电加热技术指的是对进入PM过滤器的排气进行电加热。一个或多个电线圈可设置在PM过滤器上游且可被激活以加热排气。这提供PM的快速加热和起燃。
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，但是取决于排气流量而操作受限制。当排气流量增加例如高于特定流率(kg/s)时，通过电加热元件启动再生的便利性和能力降低。
发明内容
在一个实施例中，提供一种系统，包括具有多个区域的颗粒物质(PM)过滤器。电加热器包括与所述区域中的相应区域相关联的加热器区段。电加热器设置在所述PM过滤器上游且与所述PM过滤器邻近。燃料后喷射系统将燃料喷射到发动机气缸和排气系统中的至少一个内。控制模块配置成以第一模式操作，所述第一模式包括激活电加热器以加热发动机的排气。所述控制模块也配置成以第二模式操作，所述第二模式包括激活所述后喷射系统以加热排气。控制模块选择性地以所述第一模式和所述第二模式中的至少一种操作。
在其它特征中，提供一种方法，包括提供具有多个区域的颗粒物质(PM)过滤器。提供再生系统，所述再生系统配置成以第一模式操作，所述第一模式包括激活电加热器以加热发动机的排气。所述再生系统也配置成以第二模式操作，所述第二模式包括激活后喷射系统以加热排气。电加热器包括均与所述区域中的相应区域相关联的加热器区段。电加热器设置在所述PM过滤器上游且与所述PM过滤器邻近。发动机的排气通过选择性地以所述第一模式和所述第二模式中的至少一种操作所述再生系统来加热。
本发明的进一步应用领域从下文提供的详细说明显而易见。应当理解的是，详细说明和具体示例仅为说明的目的且并没有意图限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图将更充分地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明的一个实施例的再生系统的功能框图；
图3示出了分区进口加热器的示例性分区；
图4示出了分区进口加热器的示例性分区；
图5示出了图4的分区进口加热器的一个区域中的示范性电阻加热器；
图6示出了电加热PM过滤器；
图7示出了颗粒过滤器的一部分内的加热；和
图8示出了根据本发明的一个实施例的再生方法。
具体实施方式
以下说明本质上仅为示范性的且绝不意图限制本发明及其应用或使用。为了清楚起见，在附图中使用相同的附图标记标识类似的元件。如在此所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当理解为意味着使用非排他逻辑或的一种逻辑(A或B或C)。应当理解的是，方法内的步骤可以以不同顺序执行而不改变本发明的原理。
如在此所使用的，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(共享的、专用的、或组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适的部件。
此外，虽然以下实施例主要参考示例性内燃机进行描述，但是本发明的实施例可应用于其它发动机。例如，本发明可应用于压缩点火、火花点火、火花点火直接喷射、均质火花点火、均质充气压缩点火、分层火花点火、柴油、和火花辅助压缩点火发动机。
此外，在下文使用说明短语，如“第一”、“第二”和“第三”。这些短语不针对任何一个装置或元件。取决于上下文，这些短语中的一个以上可用于指代相同的装置。例如，短语“第一”和“第二”可用于指代相同模块。
另外，本文公开了各种传感器和参数。所述参数可基于来自于对应传感器的信号直接确定或者间接确定。当间接确定时，所述参数可基于来自于非对应传感器的信号，基于所确定的发动机和/或排气系统操作状况，和/或基于预定值。例如，经过排气系统的外部区域的空气流量可经由空气流量传感器直接确定或者可基于来自于车辆速度传感器和/或其它传感器的信息来估计。
使用电加热颗粒过滤器(PF)是用于再生PF的有效技术。电加热PF可用于将PF的再生分成区域，这允许使用碳烟作为燃料快速再生而不损坏PF。与排气加热再生技术(例如燃料后喷射技术)的20-30分钟相比，电加热PF可在小于5分钟内再生。高排气流率限制了操作范围，在该操作范围内电加热PF对于再生是有效的。排气加热PF技术，例如燃料后喷射，可用于在高排气流率期间进行再生。所述实施例提供在宽范围的排气流率内进行再生的技术。
现在参考图1，示出了包括再生系统101的发动机系统100，再生系统101进行燃料后喷射和电加热PF再生两者。虽然以下实施例涉及混合动力车辆，但是本文所公开的实施例可应用于非混合动力车辆。发动机系统包括排气系统102，排气系统102包括再生系统101。再生系统101用于去除排气系统102的PF103中的颗粒。再生系统通过进行燃料后喷射和/或通过电加热排气和/或PF103的上游部分来再生PF103。加热器组件104位于PF103的上游且可被激活以启动再生。
发动机系统100包括发动机105，发动机105基于驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物产生用于车辆的驱动扭矩。空气通过节气门阀112被引入进气歧管110。控制模块114(可称为发动机控制模块)命令节气门致动器模块116调整节气门阀112的开度来控制引入进气歧管110中的空气量。发动机系统100和/或控制模块114可包括图2的模块中的一个或多个。
空气从进气歧管110通过进气阀122引入气缸118。控制模块114通过燃料喷射系统124控制在燃烧循环期间进入发动机105的每个气缸的燃料喷射的量、定时和次数，燃料喷射系统124包括一个或多个燃料喷射器125。燃烧循环可指代气缸的进气冲程、压缩冲程、点火冲程和排气冲程。燃料喷射系统124可以在中央位置喷射燃料进入进气歧管110或可在多个位置喷射燃料进入进气歧管110，例如，靠近每个气缸进气阀的位置。可替换地，燃料喷射系统124也可以直接将燃料喷入气缸，如图所示。
在点火冲程之前喷射的燃料与空气混合且在气缸118中形成空气/燃料混合物。在气缸118中的活塞(未显示出)压缩空气/燃料混合物。基于来自控制模块114的信号，火花致动器模块126激励气缸118中的火花塞128，其点火空气/燃料混合物。火花的定时可相对于活塞处于其最上位置时的时间(称为上止点(TDC)，空气/燃料混合物被最大地压缩的点)来规定。在点火冲程期间或之后喷射的燃料(后喷射燃料)与例如各个气缸中的排气混合且释放到排气系统134中。
空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下运动，从而驱动旋转曲轴(未示出)。然后活塞开始再次向上移动并且通过排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物通过排气系统134从车辆中排出。排气通过氧化催化剂135和PF103。本文所公开的实施例可应用于包括氧化催化剂、颗粒过滤器和/或其它催化剂和后处理部件的后处理系统。
进气阀122可被进气凸轮轴140所控制，而排气阀130可被排气凸轮轴142所控制。在各种实施方式中，多个进气凸轮轴可以控制每个气缸的多个进气阀和/或可以控制多组气缸的进气阀。类似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气阀和/或可以控制多组气缸的排气阀。气缸致动器模块120可以通过停止燃料和火花的供应和/或禁用它们的排气和/或进气阀来停用气缸。
控制模块114可调节进气阀122和/或排气阀130的位置，以增加注入气缸118中的燃料量。控制模块114也可调节燃料喷射器125的操作，例如运行时间或喷射器开口的尺寸，以增加喷射到气缸118中的燃料量。控制模块114也可调节与A/F混合物的变化相对应的排气凸轮轴的定时。
进气阀122打开的时间可由进气凸轮移相器148相对于活塞TDC变化。排气阀130打开的时间可由排气凸轮移相器150相对于活塞TDC变化。移相致动器模块158根据来自控制模块114的信号控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150。
发动机系统100可以包括为进气歧管110提供加压空气的增压装置。例如，图1示出了涡轮增压器160。涡轮增压器160由流经排气系统102的排气提供动力，且提供压缩空气进料给进气歧管110。涡轮增压器160可以在空气到达进气歧管110之前压缩空气。
废气门164可以允许排气旁通涡轮增压器160，因此减少涡轮增压器的输出(或增压)。控制模块114通过增压致动器模块162控制涡轮增压器160。增压致动器模块162可以通过控制废气门164的位置来调整涡轮增压器160的增压。压缩空气充气通过涡轮增压器160提供给进气歧管110。中间冷却器(未示出)可以驱除一些压缩空气进料的热量，这些热量在空气被压缩时产生且也可由于邻近于排气系统134而增加。可替换的发动机系统可以包括为进气歧管110提供压缩空气且由曲轴驱动的增压器。
发动机系统100可以包括排气再循环(EGR)阀170，EGR阀170可以有选择地将排气改向回到进气歧管110。在各种实施方式中，EGR阀170可以设置于涡轮增压器160的后面。发动机系统100可以使用发动机速度传感器180测量曲轴速度(每分钟的转数(RPM))。发动机冷却剂的温度可以用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182测量。ECT传感器182可以设置在发动机105中或在冷却剂循环的其他位置，例如散热器(未示出)。
进气歧管110中的压力可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量。在各种实施方式中，发动机真空度可以被测量，这里发动机真空度是指环境空气压力和进气歧管110中压力的差值。流入进气歧管110的空气质量可以使用空气质量流量(MAF)传感器186测量。MAF传感器186可以设置在包括节气门阀112的壳体内。
节气门致动器模块116可以通过使用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190监测节气门阀112的位置。被引入发动机系统100的空气的环境温度可以使用进气空气温度(IAT)传感器192测量。控制模块114可以利用来自传感器的信号对发动机系统100作出控制决定。
控制模块114可以与变速器控制模块194通信以协调变速器(未示出)中的换档。例如，控制模块114可以在换档期间减小扭矩。控制模块114可以与混合动力控制模块196通信以协调发动机105和电动马达198的操作。电动马达198也可以起到发电机的作用，可以用于产生电能以由车辆电气系统所使用和/或存储于蓄电池中。在各种实施方式中，控制模块114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196可以一体形成为一个或多个模块。
发动机105和电动马达198的组合扭矩应用于变速器202的输入。变速器202可为自动变速器，其根据来自于控制模块114的换档指令换档。变速器202的输出轴联接到差速齿轮204的输入。差速齿轮204驱动车轴和车轮200。车轮速度传感器206产生表示相应车轮200的旋转速度的信号。
控制模块114基于所接收的传感器信号和本文所述的其它参数来估计待提供的发动机输出扭矩。控制模块114可调节节气门的位置、空气-燃料比、阀定时、燃料喷射等，以提供所估计发动机输出扭矩。基于期望发动机输出扭矩来实现期望空气流量、期望燃料喷射和/或期望火花定时。期望发动机输出扭矩可基于车辆操作者(驾驶员)请求且/或可以是基于控制器的，例如来自于巡航控制系统的扭矩输出请求。具体地，控制模块114基于本发明的协调扭矩控制方法和系统来控制发动机的扭矩输出。
由控制模块114接收的传感器信号可包括来自于以下传感器的传感器信号：MAP传感器184、MAF传感器186、节气门位置传感器190、IAT传感器192、加速踏板位置传感器195或其它传感器，例如发动机冷却剂温度传感器182、发动机速度传感器180、环境温度传感器197、油温度传感器199和车辆速度传感器201。
控制模块114与节气门致动器模块116通信。控制模块114从节气门位置传感器190接收节气门位置信号并基于节气门位置信号调节节气门位置。控制模块114可使用节气门致动器基于加速踏板193的位置来控制节气门112。
每缸空气质量、体积和压力可基于来自于传感器184、186的信号确定和/或估计。控制模块114可基于期望MAP和期望MAF来调节发动机和排气系统装置。期望MAP和MAF可基于发动机速度和扭矩请求信号来确定。
发动机系统100还可包括上文未提到的其它传感器218，例如排气流量传感器220、EGR传感器222、环境传感器224、氧气传感器226和发动机传感器230。环境传感器224可包括海拔传感器、环境温度传感器197、大气压力传感器和空气流量传感器，如图1所示。环境传感器224可用于确定环境状况，所述环境状况可进一步用于调节燃料的后喷射，和/或确定期望节气门面积。期望节气门面积可对应于特定节气门位置。
发动机系统100也可包括存储器240，存储器240可在执行燃料后喷射时和/或在执行与控制模块114的模块有关的各种功能时使用。关于图2的实施例示出并描述了控制模块114的示例性模块。存储器240可包括用于燃料后喷射控制的各个表242，所述表242可包括预定排气温度值、预定环境状况值、校正因子、系数值等。存储器240的内容可与关于图3的实施例所述的一个或多个步骤相关联。
排气系统134包括排气歧管250、氧化催化剂135、和PF103。可选地，EGR阀(未示出)将一部分排气再循环回到进气歧管110中。排气的其余部分被引导到涡轮增压器160中以驱动涡轮。涡轮利于压缩新鲜进气空气。排气从涡轮增压器160通过氧化催化剂135流入PF103。氧化催化剂135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。PF103从氧化催化剂135接收排气且过滤在排气中存在的任何碳烟颗粒。燃料后喷射用于将碳烟加热至再生温度。
控制模块114基于各种感测的信号和碳烟负载来控制发动机和PF103的再生。更具体地，控制模块114估计PF103的负载。当估计负载处于预定水平和/或排气流率在期望范围内时，可启动再生。再生过程的持续时间可基于PF103内的颗粒物质估计量而变化。在整个再生过程中可调节燃料后喷射。
后喷射(PI)燃料和/或燃烧后的空气/燃料混合物传送给氧化催化剂135并可由氧化催化剂135氧化，从而加热PF103。氧化催化剂135促进未燃烧燃料的氧化并使用氧化反应产生的热量来升高排气的温度。所述热量使得PF103中的碳烟达到点火(起燃)点且从而启动再生。碳烟的点火产生放热量，所述放热量沿PF103传播且加热下游的碳烟，从而使得再生过程继续。在再生期间，碳烟可使用后喷射和/或加热器组件104的电加热元件来点火。
发动机系统100可包括排气系统传感器，例如排气流量传感器220、排气压力传感器252、254、排气温度传感器256等，用于确定排气流量水平、排气温度水平、排气压力水平等。
PF103可具有相关预定再生温度操作范围、预定再生操作温度和/或预定峰值操作温度。峰值操作温度可与潜在降级点相关联。例如，PF可能在大于800℃的操作温度时开始损坏。峰值操作温度可针对不同PF而变化。峰值操作温度可与PF的一部分的平均温度或PF作为总体的平均温度相关联。
为了防止对PM过滤器的损坏并增加PM过滤器的操作寿命，本发明的实施例可基于碳烟负载调节PM过滤器再生。对PM过滤器设定目标最大操作温度。当碳烟负载小于或等于与最大操作温度相关联的碳烟负载水平时，进行再生。当碳烟负载水平低于或在预定范围内时，可进行再生。预定范围具有与最大操作温度相关联的碳烟负载上限Sut。限制PM过滤器的峰值操作温度使得PM过滤器中的压力和膨胀最小。在一个实施例中，碳烟负载被估计并且基于所述估计进行再生。在另一个实施例中，当碳烟负载大于针对再生的期望值，进行减轻方案以降低再生期间的PM过滤器峰值温度。
碳烟负载可根据参数(例如，里程、排气压力、沿PM过滤器的排气压降等)估计和/或预测。里程指的是车辆里程，可用于估计车辆发动机操作时间和/或所产生的排气量。仅作为示例，当车辆行驶约200-300英里时可进行再生。所产生的碳烟量通常取决于在一定时间内的车辆负载量和使用。与以较高速度操作时相比，在怠速速度时，产生较少的碳烟。所产生的排气量与PM过滤器中的碳烟负载状态相关联。
排气压力可用于估计在一定时间段内产生的排气量。当排气压力超过预定水平时，可进行再生。例如，当进入PM过滤器的排气压力超过预定水平时，可进行再生。作为另一个示例，当离开PM过滤器的排气压力低于预定水平时，可进行再生。
排气压降可用于估计PM过滤器的碳烟量。例如，当排气压降增加时，碳烟负载量增加。排气压降可通过确定进入PM过滤器的排气压力减去离开PM过滤器的排气压力来确定。排气系统压力传感器可用于提供这些压力。
预测方法可包括确定一个或多个发动机操作状况，例如，发动机负载、燃料供应方案、燃料喷射定时和排气再循环(EGR)。累积加权因子可基于发动机状况使用。累积加权因子与碳烟负载相关联。当累积加权因子超过阈值时，可进行再生。
基于PM过滤器的估计碳烟负载和预定峰值操作温度来进行再生，以防止PM过滤器在高于峰值操作温度的温度下操作。
针对选定碳烟负载设计控制系统允许在没有侵入控制的情况下进行PM过滤器再生。本文提供的稳定再生方案从PM过滤器去除碳烟，同时限制峰值操作温度。限制峰值操作温度降低PM过滤器基底上的热应力，从而防止对PM过滤器的损坏，所述损坏可能由高碳烟放热引起。因而，增加了PM过滤器的耐用性。
当碳烟负载大于与设定峰值再生温度相关联的阈值水平时，可进行减轻方案以降低再生期间的PM过滤器峰值温度。例如，当最大碳烟负载阈值设定为约2g/l且当前碳烟负载是4g/l时，为了使得再生期间PM过滤器内的温度最小，可调节发动机操作。所述调节可包括氧气控制和排气流量控制。
例如，当在延长时间段内发动机操作接收高进气空气流率时，碳烟负载可大于上限阈值水平。这种操作可在长的高速公路入口斜坡上或者在高速公路上加速期间发生。作为另一示例，当在延长时间段内发动机的节气门阀在全开和全闭之间连续致动时，可超过碳烟负载上限阈值。高的空气流率可阻止或限制PM过滤器的再生。
在氧气控制期间，进入PM过滤器的氧气量减少以降低再生期间PM过滤器的放热温度。为了减少氧气水平，空气流量可减少，EGR可增加，且/或燃料喷射可增加。燃料喷射可在发动机气缸内和/或相关排气系统内增加。更多燃料的燃烧减少了排气系统中存在的氧气量。
排气流量的大的增加可有助于区分或最小化PM过滤器中的放热反应。排气流量控制可包括通过变速器减档或者通过增加怠速速度而增加排气流量。发动机速度增加会增加排气流量。
现在参考图2，示出了发动机105的再生系统101’和相应排气系统102’。再生系统101’包括再生控制模块300，再生控制模块300可为图1的控制模块114的一部分。再生控制模块300包括加热器控制模块302和后喷射控制模块304。加热器控制模块302控制加热器组件104的操作。后喷射控制模块304可控制燃料泵306和/或燃料喷射器308的操作，以引导进入排气系统102’的燃料喷射。后喷射控制模块304也可以或者替代地控制进入发动机105的气缸的燃料后喷射。
排气系统102’包括第一DOC320、选择性催化还原(SCR)装置322和PF组件324。SCR装置322位于第一DOC320的下游。PF组件324位于SCR装置322的下游。第一组混合器326可位于第一DOC320和SCR装置322之间。第二组混合器328可位于SCR装置322和PF组件324之间。
排气系统102’可包括尿素系统，尿素系统包括尿素喷射器330。尿素喷射器330可将尿素直接喷射到排气系统102，例如在第一DOC320和第一组混合器326之间，如图所示。排气系统102’也可包括用于燃料后喷射的燃料喷射器308。燃料喷射器308可将燃料直接喷射到排气系统102’，例如在SCR装置322和第二组混合器328之间，如图所示。
PF组件324可包括第二DOC332、加热器组件104和PF103。加热器组件104位于第二DOC332的下游。PF103位于加热器组件104的下游。
现在参考图3，示出了PF组件324的示例性分区进口加热器350。电加热PF组件324设置成与PF组件324隔开或者接触。PF组件324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可在各个不同的周期期间激活。
当排气流动通过加热器的激活区域时，在最初接收的加热后的排气的PF的相应部分(例如，激活区域的下游区域)中或在通过分级进行的燃烧碳烟点火的下游区域发生再生。不在激活的区域下游的PF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被激活，而子区域2A、2B、2C、3A、3B和3C用作应力减轻区域。
激活的加热器子区域1A、1B和1C下游的PF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可以被激活，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可以被激活，且区域1和2用作应力减轻区域。
现在参考图4，示出了另一个示例性分区进口加热器360。中心部分可由包括第一周向区域带的中间区域环绕。所述中间部分可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。如上述实施例，激活区域的下游部分再生，同时未激活区域的下游部分提供应力减轻。可以理解，每次可以激活区域1、2、3、4和5中的一个。其它区域保持未激活。
现在参见图5，示出了示范性电阻加热器370，电阻加热器370靠近图4中的第一周向区域带中的区域中的一个(例如，区域3)布置。电阻加热器370可包括覆盖相应区域的一个或更多线圈、加热器区段或导电元件，以提供足够的加热。如图所示，电阻加热器370包括导电的三(3)个加热器区段372。
现在参见图6，更详细地示出了PF组件324。PF组件324包括壳体380、PF103、分区加热器104和第二DOC332。分区加热器104可布置在层流元件或第二DOC332和PF103的基底之间。电气连接器382可提供电流给PF组件324的区域，如上所述。
可以理解，分区加热器104可以与PF103接触或从PF103隔开，以便加热是对流和/或传导加热。绝缘件384可以布置在分区加热器104和壳体380之间。排气从上游进口386进入PF组件324，且被PF组件324的一个或更多区域加热。加热的排气由PF103接收。
现在参见图7，更详细地示出了PF组件324内的加热。排气400通过加热器104且被加热器104的一个或更多区域加热。如果与过滤器103隔开，加热后的排气行进距离“d”且然后由过滤器103接收。仅作为示例，距离“d”可以为1/2”或更少。过滤器103可以具有中心进口402、通道404、过滤器材料406和位于进口的径向外侧的出口408。过滤器可以被催化。加热后的排气使得过滤器内的PM燃烧，这再生PM过滤器。加热器104通过对流和/或传导传热，以点火过滤器103的前部。当前面部分中的碳烟达到足够高的温度时，加热器104关闭。碳烟的燃烧然后沿过滤器通道404分级进行，而不需要为加热器104维持功率。
现在参考图8，示出了再生方法。虽然以下步骤主要参考图1-2的实施例描述，但是所述步骤可容易修改以应用于本发明的其它实施例。
在步骤500，控制模块(例如，图1的控制模块114)的控制过程开始且前进到步骤501。在步骤501，产生传感器信号。传感器信号可包括排气流率信号、排气温度信号、排气压力信号、氧气信号、进气空气流量信号、进气空气压力信号、进气空气温度信号、发动机速度信号、EGR信号等，其可由上述传感器产生。在该方法和再生过程中传感器信息可被更新，且可被检测和/或间接估计。
在步骤502，控制过程估计PF的当前碳烟负载S1。控制过程可估计碳烟负载，如上所述。估计可基于传感器信息、车辆里程、排气压力、沿PM过滤器的排气压降和/或预测方法。预测方法可包括基于一个或多个发动机操作参数来估计，例如发动机负载、燃料供应方案、燃料喷射定时和EGR。在步骤503，控制过程确定当前碳烟负载S1是否大于碳烟负载下限阈值Slt。在当前碳烟负载S1大于下限阈值Slt时，控制过程前进到步骤504，否则控制过程返回步骤502。
在步骤504，控制过程基于当前碳烟负载S1是否小于碳烟负载上限阈值Sut而确定是否进行再生。在当前碳烟负载S1小于上限阈值Sut时，那么控制过程前进到步骤508。在当前碳烟负载S1大于或等于上限阈值Sut时，那么控制过程前进到步骤510。在确定何时进行再生时可使用碳烟负载模型。在进行步骤502-504中的一个或多个步骤时可以使用碳烟负载模型。在步骤510，控制过程进行如上所述的减轻方案，以限制再生期间PF中的峰值温度。在进行再生步骤512-524时，进行步骤510。
如果控制过程在步骤504确定需要再生，那么控制过程估计排气流量。排气流量可直接测量、间接估计和/或基于历史数据预测。当直接检测时排气流量可基于来自于例如图1的排气流量传感器220的信号。历史数据可指的是驾驶历史。操作的排气流量范围可基于所确定的排气流量确定。排气流量范围可具有上界和下界。排气流量和排气流量范围可基于车辆速度和制动(车轴制动、发动机制动、变速器制动等)。例如，当车辆在城市交通中用显著量的制动低速操作时，排气流量与车辆在高速公路上用微量的制动以高速操作时相比更低。可使用排气流量预测模型来基于历史数据(可包括车辆速度数据、制动数据等)预测排气流量和/或排气流量操作范围。
在步骤512，当排气流量小于第一预定流率FL时，控制过程前进到步骤517，否则，控制过程前进到步骤514。在步骤514，控制过程经由燃料后喷射调节排气温度。上述燃料后喷射技术可用于增加排气温度。排气温度可基于在步骤508中确定的排气流量进行调节。燃料可直接喷射到排气中或者发动机的气缸中且从发动机排出。
在步骤516，当排气流量大于第二预定流率FH时，控制过程前进到步骤518，否则，控制过程前进到步骤517。在步骤517控制过程选择PF的一个或多个区域来加热。
在步骤518，控制过程选择与选定区域相关联的加热元件。控制过程也可选择施加到加热元件的信号的电流、电压和/或频率。电流、电压和频率可预先确定并存储在存储器中，经由查询表确定，或者基于发动机操作参数(其中一些在本文阐述)确定。电流、电压和/或频率可基于在步骤501中获得的传感器信息和当前碳烟负载。
在步骤519，控制过程估计足以实现最小碳烟温度的加热时间段。最小碳烟温度可基于电流、电压、排气流量、排气温度和预定加热元件电路特性(例如，加热元件长度、宽度、覆盖面积、加热输出等)中的至少一个。
最小碳烟温度应当足以启动碳烟燃烧并形成分级效应。仅作为示例，最小碳烟温度可设定为700℃或更大。在替代步骤520-步骤518中，控制过程基于预定加热时间段、排气流量和/或排气温度来估计实现最小碳烟温度的加热元件电流、电压和/或频率。
在步骤522，PF可通过将一个或多个区域选择性地加热并将与所述区域相关联的PF部分中的碳烟点火来再生。当选定区域中的碳烟达到再生温度时，选定加热元件可关闭且燃烧的碳烟然后沿PF分级进行，这类似于焰火上的燃烧引线。换句话说，加热元件可激活足够长的时间以启动碳烟点火且然后可以去激活，或可以在整个碳烟燃烧过程中激活。
在一个实施例中，径向最外区域首先再生，随后是径向内部区域。所述区域可以选定、预定、顺序、独立或任意方式再生。在同一时间段期间，多个区域可被选择和加热。
在步骤524，控制过程确定加热时间段是否到了。如果步骤524为真，那么在步骤526控制过程确定附加区域是否需要再生。如果步骤526为真，那么控制过程返回步骤508。
燃烧碳烟是使再生继续的燃料。该过程对每个加热区域继续，直到PF被完全再生。在步骤528，控制过程结束。
因而，在上述步骤中，控制过程以至少三种模式操作。在第一模式中，当排气流量低时，使用加热器组件来加热PF。在第一模式期间，控制过程可不使用排气加热技术。在第二模式中，当排气流量在预定范围内时，例如当排气流量在预定流率FL和FH之间时，使用加热器和排气加热或燃料后喷射两者。通过使用排气加热，扩展了加热器操作范围且增加了可使用加热器的流率范围。由于排气被加热，加热器可在增加的流率下使用。在第三模式中，当排气流量高时，使用排气加热或燃料后喷射。当驾驶状况更苛求(增加的车辆速度)时，执行第三模式。当排气流率高时，控制过程可缺省进行第三模式。在第三模式中，加热器可被去激活。
上述步骤意在描述性示例；所述步骤可按顺序、同步、同时、连续、在重叠的时间段期间或者以取决于应用的不同顺序进行。
在使用中，控制模块确定PF何时需要再生。所述确定基于PF内的碳烟水平。替代性地，再生可周期性地或者基于事件进行。控制模块可估计整个PF何时需要再生或者PF内的区域何时需要再生。当控制模块确定整个PF需要再生时，控制模块按顺序一次激活一个或多个区域以启动PF相关下游部分的再生。在所述区域再生之后，一个或多个其它区域被激活，同时其它区域去激活。该方法继续，直到所有区域都已经被激活。当控制模块确定一个区域需要再生时，控制模块激活与需要再生的PM过滤器的相关下游部分相对应的区域。
上述技术在宽范围的排气流量内进行再生。使用电加热PF和排气加热技术用最小量的燃料有效地清洁PF。这允许PF在宽范围的排气流率内进行再生并使得电加热PF的操作范围最大化以改进燃料效率。
本发明的广泛教示可以以多种形式实施。因此，尽管本发明包括特定的示例，但是当研究附图、说明书和所附权利要求书时，其他修改对于技术人员来说是显而易见的，所以本发明的真实范围并不如此限制。

Claims (19)

1.一种颗粒物质过滤器再生系统，包括：
具有多个区域的颗粒物质过滤器；
电加热器，所述电加热器包括与所述区域中的相应区域相关联的多个加热器区段，
其中，电加热器设置在所述颗粒物质过滤器上游且与所述颗粒物质过滤器邻近；
燃料后喷射系统，所述燃料后喷射系统将燃料喷射到发动机气缸和排气系统中的至少一个内；和
控制模块，所述控制模块配置成以第一模式操作和以第二模式操作，所述第一模式包括激活电加热器以加热发动机的排气，所述第二模式包括激活所述后喷射系统以加热排气，
其中，控制模块选择性地以所述第一模式和所述第二模式中的至少一种操作。
2.根据权利要求1所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，当排气流率小于预定速率时，所述控制模块以第一模式操作。
3.根据权利要求2所述的颗粒物质过滤器再生系统，还包括检测排气流率的流率传感器。
4.根据权利要求2所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，当排气流率小于预定速率时，所述控制模块不激活后喷射系统。
5.根据权利要求1所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，当排气流率大于第一预定速率且小于第二预定速率时，所述控制模块激活电加热器和后喷射系统。
6.根据权利要求1所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，当排气流率大于预定速率时，所述控制模块以第二模式操作。
7.根据权利要求6所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，当排气流率大于预定速率时，所述控制模块不激活电加热器。
8.根据权利要求1所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，控制模块基于颗粒物质过滤器的碳烟负载来选择性地激活电加热器和后喷射系统中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，所述控制模块选择性地以第一模式、第二模式和第三模式操作，
其中，第一模式包括激活电加热器且不激活后喷射系统，
其中，当排气流率小于或等于第一预定速率时，控制模块以第一模式操作，
其中，第三模式包括激活电加热器和后喷射系统，
其中，当排气流率大于第一预定速率且小于或等于第二预定速率时，控制模块以第三模式操作，
其中，第二模式包括激活后喷射系统且不激活电加热器，和
其中，当排气流率大于第二预定速率时，控制模块以第二模式操作。
10.根据权利要求1所述的颗粒物质过滤器再生系统，其中，当排气流率大于第一预定速率时，控制模块激活后喷射系统，且然后在排气流率小于或等于第二预定速率时激活电加热器。
11.一种颗粒物质过滤器再生方法，包括：
提供具有多个区域的颗粒物质过滤器；
提供再生系统，所述再生系统配置成以第一模式和第二模式操作，所述第一模式包括激活电加热器以加热发动机的排气，所述第二模式包括激活后喷射系统以加热排气；
将电加热器设置在所述颗粒物质过滤器上游且与所述颗粒物质过滤器邻近，电加热器包括与所述区域中的相应区域相关联的多个加热器区段；和
通过选择性地以所述第一模式和所述第二模式中的至少一种操作所述再生系统来加热发动机的排气。
12.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，包括当排气流率小于预定速率时，以第一模式操作。
13.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，还包括：当排气流率小于预定速率时，不激活后喷射系统。
14.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，包括：当排气流率大于第一预定速率且小于第二预定速率时，激活电加热器和后喷射系统。
15.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，还包括：当排气流率大于预定速率时，以第二模式操作。
16.根据权利要求15所述的颗粒物质过滤器再生方法，还包括：当排气流率大于预定速率时，不激活电加热器。
17.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，还包括：基于颗粒物质过滤器的碳烟负载来选择性地激活电加热器和后喷射系统中的至少一个。
18.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，还包括：选择性地以第一模式、第二模式和第三模式操作，
当排气流率小于或等于第一预定速率时，以第一模式操作，
当排气流率大于第一预定速率且小于或等于第二预定速率时，以第三模式操作，和
当排气流率大于第三预定速率时，以第二模式操作，
其中，第一模式包括激活电加热器且不激活后喷射系统，
其中，第三模式包括激活电加热器和后喷射系统，和
其中，第二模式包括激活后喷射系统且不激活电加热器。
19.根据权利要求11所述的颗粒物质过滤器再生方法，还包括：
当排气流率大于第一预定速率时，激活后喷射系统；且然后
在排气流率小于或等于第二预定速率时，激活电加热器。
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