CN111727079A - 具有薄灰分层的改进的柴油机颗粒过滤器的线性度 - Google Patents

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Abstract

一种用于排气后处理系统的颗粒过滤器，包括陶瓷基底和沉积在陶瓷基底上的灰分层。灰分层具有至少0.4g/L的陶瓷基底的均匀灰分密度。一种在排气后处理系统的颗粒过滤器中沉积灰分层的方法，包括提供陶瓷基底，预处理陶瓷基底，在预处理期间在陶瓷基底上沉积至少一层灰分层，通过测量颗粒过滤器上的压降的增加来监测进入颗粒过滤器的碳烟的吸收。

Description

具有薄灰分层的改进的柴油机颗粒过滤器的线性度
技术领域
本申请总体上涉及用于内燃发动机的后处理系统(aftertreatment systems)的领域。
背景
柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filters，DPF)已被广泛用于从柴油发动机的排气流中捕获和去除颗粒物质(PM)。催化的整体陶瓷基底是一种通常用于这种颗粒过滤器中的过滤材料，因为它能够承受排气后处理中的恶劣的温度和耐久性要求，并且能够捕获碳烟并将碳烟氧化成CO2用于随后释放。目前的DPF技术旨在确定正确的孔径分布和平均孔径(mean pore size diameter，MPD)，以帮助提高过滤效率和改善DPF压降线性度。然而，DPF孔隙率的变化导致了产品开发的成本较高以及DPF性能的负面影响。例如，MPD的降低通常会导致颗粒过滤器上的压降增加，从而影响发动机背压。此外，在一段时间内保持过滤能力最大化与过滤器质量因子(即压差与可用面积之比)之间的平衡还会带来额外的挑战。
概述
本文描述的实施方式涉及一种用于排气后处理系统的颗粒过滤器，包括：陶瓷基底；和沉积在陶瓷基底上的灰分层；其中灰分层具有至少0.4g/L的陶瓷基底的均匀灰分密度。
在一种实施方式中，颗粒过滤器上的压降随着灰分层的厚度的增加而线性增加。
在另一实施方式中，一种在排气后处理系统的颗粒过滤器中沉积灰分层的方法，包括：提供陶瓷基底；预处理陶瓷基底；以及在预处理期间在陶瓷基底上沉积至少一层灰分层。
在一种实施方式中，沉积的步骤包括：监测进入颗粒过滤器的碳烟的排气流量和后处理温度，其中后处理温度至少在预定的时间量内被控制在预定的温度的阈值以上，并且其中排气流量在预定的时间量内被控制在预定的流量阈值以上。
在一种实施方式中，当后处理温度降低至低于预定的温度阈值时，或者当排气流量降低至低于预定的排气阈值时，再生被触发。
在一种实施方式中，当颗粒过滤器中存在的碳烟的量大于预定量阈值时，再生被触发。
在一种实施方式中，再生包括：燃烧颗粒过滤器中收集的碳烟的至少一部分；以及由于燃烧而沉积至少一层灰分层。
在一种实施方式中，该方法还包括通过测量颗粒过滤器上的压降的增加来监测进入到颗粒过滤器中的碳烟的吸收。
在另一实施方式中，一种在排气后处理系统的颗粒过滤器中沉积灰分层的方法，包括：提供陶瓷基底；预处理陶瓷基底；在预处理期间，在陶瓷基底上沉积至少一层灰分层，该沉积包括：在预定的时间量内，将进入颗粒过滤器的碳烟排气流量控制在预定的流量阈值以上；至少在预定的时间量内，将后处理温度控制在预定的温度阈值以上；触发陶瓷基底的再生，再生包括燃烧颗粒过滤器中收集的碳烟的至少一部分；以及由于燃烧而沉积至少一层灰分层；以及通过测量颗粒过滤器上的压降的增加来监测进入颗粒过滤器的碳烟的吸收。
在一种实施方式中，当(A)在预定的时间量内排气流率没有保持在预定的流量阈值以上；(B)至少在预定的时间量内，后处理温度没有保持在预定的温度阈值以上；或者(C)颗粒过滤器中存在的碳烟的量大于预定量阈值时，触发步骤开始。
在一种实施方式中，在陶瓷基底上沉积至少一层灰分层的步骤被配置成在预处理步骤之前降低颗粒过滤器的碳烟负载的不确定性和/或提高颗粒过滤器的颗粒物质和颗粒数过滤效率。
在一种实施方式中，在陶瓷基底上沉积至少一层灰分层的步骤被配置成随着灰分层的厚度的增加而引起颗粒过滤器上的线性压降。
在一种实施方式中，颗粒过滤器上的压降的增加是线性压降。
附图简述
在所附附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。从描述、附图和权利要求，本公开的其他特征、方面和优点将变得明显，在附图中：
图1是具有用于排气系统的示例性还原剂输送系统的示例性选择性催化还原系统的示意框图；
图2是描绘了示例性的载有灰分的DPF结构的示意图。
图3是描绘了与完全线性的系统(perfectly linear systems)相比，清洁的DPF和覆有灰分的DPF在压降线性度(y)与碳烟负载(x)的函数关系方面的影响的示意图；和
图4示出了将碳烟加载到DPF的过程时间线。
应认识到，附图中的一些或全部是为了说明的目的的示意性表示。附图是为了说明一个或更多个实施方式的目的而被提供的，并且应明确地理解，附图将不用于限制权利要求的范围或含义。
详细描述
接下来是对有关用于内燃发动机的后处理的方法、装置和系统的各种概念以及对这些方法、装置和系统的实施方式的更详细的描述。上面介绍的并且在下面更详细地讨论的各种概念可以以多种方式中的任一种方式来实施，因为所描述的概念不限于任何特定的实施方式。具体实施方式和应用的示例主要为了说明性目的而被提供。本文所述的实施例可带来益处，例如为柴油发动机提供克服上述挑战的改进的柴油机颗粒过滤器。这些和其他有利特征对于阅读本公开的人来说将是明显的。
综述
在一些排气系统中，传感器模块可以位于选择性催化还原(SCR)催化器(catalyst)的下游，以检测在SCR催化器之后的排气流中的一种或更多种排放物。例如，NOx传感器、CO传感器和/或颗粒物质传感器可以定位在SCR催化器的下游，以检测从交通工具的排气排出的废气中的NOx、CO和/或颗粒物质。这种排放传感器可有利于向控制器提供反馈，以修改交通工具后处理系统的操作参数。例如，可利用NOx传感器来检测排出交通工具排气系统的NOx的量，并且如果检测到的NOx过高或过低，则控制器可修改由配给(dosing)模块输送的还原剂的量。还可以使用CO和/或颗粒物传感器。
后处理系统综述
图1描绘了用于排气系统190的具有示例还原剂输送系统110的后处理系统100。后处理系统100包括颗粒过滤器(例如，DPF 102)、还原剂输送系统110、分解室或反应器管104、SCR催化器106以及传感器150。
DPF 102被配置为将颗粒物质(诸如，碳烟)从在排气系统190中流动的废气中去除。DPF 102包括入口和出口，废气在入口处被接收，在使颗粒物质大体上从废气被过滤出和/或将颗粒物质转换成二氧化碳之后，废气在出口处排出。
分解室104被配置为将还原剂(诸如尿素、氨水或柴油机排气处理液(DEF))转化成氨。分解室104包括具有配给模块112的还原剂输送系统110，该配给模块112被配置为将还原剂配给到分解室104中。在一些实施方式中，还原剂在SCR催化器106的上游被注入。还原剂液滴然后经历蒸发、热解和水解的过程以在排气系统190内形成气态氨。分解室104包括入口和出口，入口与DPF 102流体连通以接收含有NOx排放物的废气，出口用于使废气、NOx排放物、氨和/或剩余的还原剂流动至SCR催化器106。
分解室104包括配给模块112，配给模块112安装到分解室104，使得该配给模块112可以将还原剂配给到在排气系统190中流动的废气中。配给模块112可以包括隔离器114，隔离器114夹置于配给模块112的一部分和分解室104的安装该配给模块112的部分之间。配给模块112流体地联接到一个或更多个还原剂源116。在一些实施方式中，泵118可用于对来自还原剂源116的还原剂加压以便输送到配给模块112。
配给模块112和泵118还电气地或通信地联接到控制器120。控制器120被配置为控制配给模块112以将还原剂配给到分解室104中。控制器120还可以配置为控制泵118。控制器120可以包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等或它们的组合。控制器120可以包括存储器，存储器可以包括但不限于能够为处理器、ASIC、FPGA等提供程序指令的电子的、光学的、磁性的或任何其它存储或传输装置。存储器可包括存储器芯片、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存、或控制器120可从其读取指令的任何其它适当的存储器。指令可以包括来自任何适当的编程语言的代码。
SCR催化器106被配置为通过加速氨和废气中的NOx之间的NOx还原为双原子氮、水和/或二氧化碳的过程来帮助减少NOx排放物。SCR催化器106包括与分解室104流体连通的入口(废气和还原剂从该入口被接收)和与排气系统190的端部流体连通的出口。
排气系统190还可包括与排气系统190流体连通(例如在SCR催化器106的下游或DPF 102的上游)的氧化催化器(例如，柴油机氧化催化器(DOC))，以氧化废气中的碳氢化合物和一氧化碳。
在一些实施方式中，DPF 102可以定位于分解室或反应器管104的下游。例如，DPF102和SCR催化器106可以组合成单个单元，诸如具有SCR涂层的DPF(SDPF)。在一些实施方式中，配给模块112可以替代地被定位于涡轮增压器(turbocharger)的下游或涡轮增压器的上游。
传感器150可以联接到排气系统190以检测流动经过排气系统190的废气的状况。在一些实施方式中，传感器150可以具有布置在排气系统190内的一部分，例如传感器150的尖端(tip)可以延伸到排气系统190的一部分内。在其它实施方式中，传感器150可以接收经过另一导管(例如从排气系统190延伸的样品管)的废气。虽然传感器150被描绘为定位于SCR催化器106的下游，但是应理解，传感器150可以定位于排气系统190的任何其他位置处，包括在DPF 102的上游、在DPF 102内、在DPF 102和分解室104之间、在分解室104内、在分解室104和SCR催化器106之间、在SCR催化器106内或在SCR催化器106的下游。此外，可使用两个或更多个传感器150来检测废气的状况，例如两个、三个、四个、五个或六个传感器150，其中每个传感器150位于排气系统190的前述位置中的一个处。
DPF陶瓷基底
如上所述，现有的DPF技术旨在优化孔隙率(即孔径分布和平均孔径(MPD))，作为改善DPF压降线性度(即压降随DPF捕获的碳烟的量增加而线性增加(“碳烟负载”))的手段。然而，由于颗粒过滤器中的深床过滤(对发动机背压产生不利影响)且在一段时间内难以保持过滤能力最大化和过滤器质量因子之间的平衡，优化技术通常会导致压降不确定性增加。
本公开利用DPF基底壁上的薄灰分层来促进对深床过滤行为的抑制，从而通过压力变化(即压降)来提高碳烟负载预测的准确性。在深床过滤器中，过滤介质的平均孔径大于收集的颗粒的平均直径，这些颗粒通过由各种力场驱动的深度过滤机制的组合而沉积在介质上。在深度过滤期间，当柴油机排气被迫流过DPF基底壁时，碳烟颗粒被捕获在壁的孔隙中。过滤是扩散、拦截、惯性碰撞、重力沉积、静电沉积和热泳的组合。这些过滤机制的组合被称为深度过滤。
如图2所示，在DPF基底壁充分填充有碳烟颗粒后，碳烟开始在过滤器壁上积聚，导致在DPF壁上形成碳烟饼层。碳烟饼层是高度多孔的，并且具有高的过滤效率。碳烟饼层的压降比深度过滤低，并且压降随着滤饼的增加而相对稳定地增加。深度过滤的特点是相比于滤饼过滤具有较低的过滤效率和较高的压降。通过在DPF基底的壁上添加灰分，产生了模仿滤饼过滤的灰分层，从而最小化深床过滤行为，以促进表面型(即滤饼)过滤机制。
图3是描绘了与完全线性的DPF系统相比，清洁的DPF系统和覆有灰分的DPF系统在压降线性度(y)与碳烟负载(x)的函数关系方面的影响的示意图。由于不完全燃烧，碳烟颗粒在发动机燃烧室中形成，通常通过再生从DPF中去除。随着在DPF中收集到更大量的碳烟(即碳烟负载)，压降的增加可用于估计收集到的碳烟量。在DPF再生过程中，收集到的碳烟会定期然烧掉，留下灰分。由于深床过滤模式和滤饼过滤模式、废气温度和流率的波动以及发动机脉动的组合导致的瞬态压降滞后，因此，对碳烟负载量的估计容易产生相当大的误差。对于给定的压降，来自完全线性的系统的清洁的DPF的碳烟变化比来自完全线性的系统的覆有灰分的DPF的碳烟变化大得多。因此，与未覆有灰分的DPF相比，覆有灰分的DPF保留了更多的线性压降特性，且因此，能够更准确地预测DPF中积聚的碳烟量。
因此，本文提出的公开内容描述了在DPF早期阶段(即磨合期)形成的具有至少0.4g/L DPF的均匀灰分密度的薄灰分层，其改善了DPF线性度，减少了碳烟预测变化，并有助于为改善内燃发动机的燃料经济性创建稳健的再生策略。
灰分到DPF上的沉积
在一个实施例中，将灰分沉积到DPF基底上的过程包括使用控制软件(由控制器操作)来初始预处理清洁的DPF基底(即，没有碳烟吸收或灰分沉积的DPF基底)。控制软件还负责随后通过计算随时间的基于差值压力的碳烟负载估计值(DPSLE)来监测DPF的碳烟吸收。控制器监测排气流量和/或后处理温度，使得后处理温度至少在预定的时间量内(可调)保持高于预定阈值。如果后处理温度低于预定阈值，则系统触发再生，以加速预处理。过滤器壁中积聚的碳烟量明显少于碳烟饼层中的碳烟量。尽管与碳烟饼层相比，这只是一小部分，但过滤器壁中的碳烟对整个DPF上的总压降有很大的贡献。过滤器壁中碳烟量的不确定性导致基于压降的碳烟负载估计有很大变化。以这种方式，在预处理期间测量碳烟的吸收，由此根据过滤器压降的增加来估计负载。
预处理用于分别通过稳定发动机和后处理系统的性能来磨合(break in)发动机和后处理系统。预处理的目的是稳定发动机和后处理系统的性能。新发动机需要稳定时间(即磨合期)，在此期间，发动机部件会磨损并进入稳定状态。在磨合期结束时，后处理达到稳定运行状态，其性能是可重复的。随着碳烟负载的增加，压降也稳定增加(见图3)。此压降的增加被发动机控制模块(ECM)利用来估计DPF中积聚的碳烟量。所估计的碳烟负载用于触发过滤器再生。高碳烟负载的不确定性导致无法控制的再生，从而导致DPF失效。通过减少碳烟负荷估计的不确定性，可以更准确地预测DPF碳烟负载并防止DPF失效。
图4示出了将碳烟加载到DPF上的过程时间线。如上所述，过程开始于，在开始排气后处理(“新的AT(Fresh AT)”)的一段时间内，控制软件在灰分沉积之前稳定清洁的DPF基底。在随后的预处理期(即发动机磨合期)，碳烟被加载到DPF基底上，并通过测量压降的增加进行监测。
为了在最高的灰分沉积速率下达到最大的灰分负载，发动机的占空比可以在预处理期间进行调整。这是通过修改发动机参数如喷射正时、废气再循环(EGR)百分比和燃油压力来实现的。发动机产生的灰分与发动机的油耗有很强的相关性，而油耗本身又与发动机上的负载的变化有很强的相关性。因此，通过增加发动机上的负载，可以实现在DPF上的更大的灰分沉积。发动机负载还与气缸压力的快速变化相关。因此，增加DPF上的灰分沉积也可以通过增加气缸中压力变化的幅度来实现。气缸压力变化是由于发动机控制参数(如喷射正时)的修改导致的。由于增加的灰分负载，压降的线性度增加，从而产生更准确的碳烟负荷预测。只有在预处理阶段期间和预处理指示清除之前沉积的灰分才有助于线性度；在预处理阶段之前或之后沉积的额外的灰分通常不影响线性度。
本文所述的灰分层可具有至少0.4g/L的DPF的均匀灰分密度，并起到以下作用：(1)改善DPF线性度而不改变DPF基底性质，(2)减少碳烟预测变化，(3)有助于形成稳健的再生策略，以及(4)利用预处理阶段，在不与法规要求相冲突的情况下将灰分加载到DPF。
术语“控制器”包含用于处理数据的所有类型的设备、装置和机器，举例来说包括可编程处理器、计算机、芯片上的系统或多个系统、编程处理器的一部分或前述项的组合。设备可包括专用逻辑电路，例如FPGA或ASIC。除了硬件以外，设备还可以包括为讨论中的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时间环境、虚拟机或它们中的一个或更多个的组合的代码。设备和执行环境可实现各种不同的计算模型基础设施，例如分布式计算和网格计算基础设施。
计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释型语言、说明或过程语言)被编写，且其可以以任何形式(包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、对象或其它适合于用在计算环境中的单元)被使用。计算机程序可以但不需要对应于文件系统中的文件。程序可存储在保存其它程序或数据(例如存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)的文件的一部分中、专用于讨论中的程序的单个文件中或多个协同文件(例如存储一个或更多个模块、子程序或代码部分的文件)中。
虽然本说明书包含很多特定的实施方式细节，但是这些不应被解释为对可被要求保护的内容的范围的限制，而是应被解释为对特定的实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中的在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合地在单个实施方式中实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。此外，虽然特征在上文可被描述为以某些组合起作用且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可从该组合删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
类似地，虽然以特定的顺序在图中描绘了操作，但是这不应被理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或以连续的顺序被执行，或者所有所示的操作都被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，在上面所述的实施方式中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中需要这样的分离，并且应理解，所描述的部件和系统通常可集成在单个产品中或封装到体现在有形介质上的多个产品中。
如本文所使用的，术语“大约”“近似”、“基本上”以及类似的术语意在具有与本公开的主题所属的领域中的普通技术人员普遍和接受的用法一致的广泛的意义。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在如所附权利要求中所述的本发明的范围内。此外，应注意，权利要求中的限制在术语“手段(means)”不在其中被使用的情况下按照美国专利法不应被解释为构成“手段加功能”的限制。
如在本文使用的术语“联接(coupled)”及类似术语意指两个部件彼此直接或间接地连结(joining)。这样的连结可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件彼此一体地形成为单个整体(single unitary body)，或者通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件附接到彼此，可以实现这样的连结。
如在本文使用的术语“流体地联接(fluidly coupled)”、“流体连通(in fluidcommunication)”和类似术语意指两个部件或对象具有在这两个部件或对象之间形成的通路，其中流体(例如水、空气、气态还原剂、气态氨等)可在有或没有中间部件或对象的情况下流动。用于实现流体连通的流体联接件或构造的示例可以包括管道、通道或用于实现流体从一个部件或对象到另一部件或对象的流动的任何其他适当的部件。
值得注意的是，在各种示例性实施方式中所示的系统的结构和布置在性质上仅仅是说明性的而不是限制性的。出现在所描述的实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改都期望受到保护。例如，虽然这种技术的使用是针对沉积在柴油机颗粒过滤器(DPF)基底上的灰分层举例说明的，但是应当理解，本公开不限于这种应用。相反，用于柴油发动机的柴油机颗粒过滤器仅仅是一个实施例，意在举例说明机动车辆的应用。也应理解，一些特征可能不是必要的，且缺少各种特征的实施方式可被设想为在本申请的范围内，该范围由所附权利要求界定。在阅读权利要求时，意图是当词语例如“一个(a)”、“一个(an)”、“至少一个”或“至少一部分”被使用时，不存在将权利要求限制到仅仅一个项的意图，除非在权利要求中特别相反地规定。当语言“至少一部分”和/或“一部分”被使用时，该项可包括一部分和/或整个项，除非特别相反地规定。

Claims (13)

1.一种用于排气后处理系统的颗粒过滤器，包括:
陶瓷基底；和
沉积在所述陶瓷基底上的灰分层；
其中，所述灰分层具有至少0.4g/L的所述陶瓷基底的均匀灰分密度。
2.根据权利要求1所述的颗粒过滤器，其中，所述颗粒过滤器上的压降随着所述灰分层的厚度的增加而线性增加。
3.一种在排气后处理系统的颗粒过滤器中沉积灰分层的方法，包括：
提供陶瓷基底；
预处理所述陶瓷基底；和
在所述预处理期间，在所述陶瓷基底上沉积至少一层灰分层。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述陶瓷基底上沉积至少一层灰分层的步骤被配置成在预处理步骤之前降低所述颗粒过滤器的碳烟负载的不确定性，和/或提高所述颗粒过滤器的颗粒物质和颗粒数过滤效率。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述陶瓷基底上沉积至少一层灰分层的步骤被配置成随着所述灰分层的厚度增加而引起所述颗粒过滤器上的线性压降。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，沉积的步骤包括：
监测进入所述颗粒过滤器的碳烟排气流量和后处理温度，
其中，所述后处理温度至少在预定的时间量内被控制在预定的温度阈值以上，并且
其中，所述排气流量在所述预定的时间量内被控制在预定的流量阈值以上。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括通过测量所述颗粒过滤器上的压降的增加来监测进入所述颗粒过滤器的碳烟的吸收。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述后处理温度降低至低于所述预定的温度阈值时，或者当所述排气流量降低至低于预定的排气阈值时，再生被触发。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述颗粒过滤器中存在的碳烟的量大于预定量阈值时，再生被触发。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述再生包括：
燃烧所述颗粒过滤器中收集的碳烟的至少一部分；和
由于燃烧而沉积至少一层灰分层。
11.一种在排气后处理系统的颗粒过滤器中沉积灰分层的方法，包括：
提供陶瓷基底；
预处理所述陶瓷基底；
在所述预处理期间，在所述陶瓷基底上沉积至少一层灰分层，所述沉积包括：
在预定的时间量内，将进入所述颗粒过滤器的碳烟的排气流量控制在预定的流量阈值以上；
至少在所述预定的时间量内，将后处理温度控制在预定的温度阈值以上；
触发所述陶瓷基底的再生，所述再生包括燃烧所述颗粒过滤器中收集的碳烟的至少一部分；和
由于燃烧而沉积至少一层灰分层；和
通过测量所述颗粒过滤器上的压降的增加来监测进入所述颗粒过滤器的碳烟的吸收。
12.如权利要求11所述的方法，其中，当(A)在所述预定的时间量内，所述排气流率没有保持在所述预定的流量阈值以上；(B)至少在所述预定的时间量内，所述后处理温度没有保持在所述预定的温度阈值以上；或者(C)所述颗粒过滤器中存在的碳烟的量大于预定量阈值时，触发的步骤开始。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述颗粒过滤器上的压降的增加是线性压降。
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