专利名称：采用微波再生的柴油机微粒过滤器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及柴油机微粒过滤系统，更尤其涉及利用陶瓷过滤器来捕获含微粒的排气的柴油机微粒过滤系统，其结合有设置在陶瓷过滤器内的微粒蓄积区域附近的微波吸收介质的局部目标，使得对该目标的加热会导致蓄积的微粒发生燃烧和汽化，以便于清理该过滤器。容纳陶瓷过滤器和微波吸收介质的腔适合于通过相互激励有90度相位差的输入耦合器接收微波频率电磁辐射的输入信号，以减少通过目标的加热模式的径向不均匀性，以便于促进穿过该过滤器的均匀的微粒去除。
背景技术：
利用陶瓷过滤器来俘获柴油机排气流携带的微粒是已知的。在运行过程中，这种陶瓷柴油机微粒过滤器在一端接收排气流，并且当排气通过薄的通道壁扩散时俘获微粒，并且在另一端排出。
微粒的持续蓄积导致过滤器变得阻塞，从而引起通过过滤器的不希望的增加的压差，并且导致减少发动机效率的背压。因此，必须在达到阻塞的临界水平之前对微粒蓄积进行清除。可通过提升微粒蓄积位置的温度达到高于碳氢化合物微粒的着火点的水平，从而导致微粒的燃烧和蒸发，从而实施对这种微粒的清除。一旦微粒汽化，燃烧产物可通过排气流从过滤器中扫出。
为了进行局部加热以从过滤器中有效的除去微粒，这种加热优选应用到过滤器的基本上整个横截面上。如果穿过过滤器横截面的区域未受热，在这些区域的微粒将不会汽化并且过滤器将产生存在封堵区域的模式。因此，希望提供一种过滤器的基本上整个平面上的均匀加热的有效方法，以便促进整个过滤器平面上的微粒燃烧。
已知利用微波频率的电磁辐射对在其它的环境中加热电介质材料是有效的。然而，使用微波频率的辐射存在的挑战是整个目标材料上的均匀温度分布的实现。特别地，利用线性偏振模式的微波频率辐射非常容易造成目标热点和冷点的产生。如上所述的，这种不均匀性通常不符合微粒过滤器再生的要求。而且，在柴油机排气系统中的微粒过滤器的环境提供了关于空间利用和成本限制的挑战。并不认为目前可获得基于微波加热的用于柴油机排气过滤器再生的合适的系统。
发明内容
本发明提供优于现有技术的优点和替换物，通过提供一种柴油机微粒过滤器，其包括设置在波导空腔内的限定设置处的微波吸收目标，其中波导空腔适合于通过相互有90度相位差的输入耦合器接收微波频率电磁辐射以激励圆偏振(CP)加热模式。通过CP模式的激励，模式型式是均时的以在方位角上消除在加热模式下的热点和冷点，从而相对于相应的线性偏振模提供更大的均匀性。通过激励CP模式的组合可以实现更进一步的均匀性，以便于从加热分布图中消除径向冷环。可以设想微波吸收目标材料优选嵌入在柴油机微粒过滤器的输入端上或附近，虽然如果需要的话，沿着过滤器的长度的其它位置也是可利用的。微波吸收介质的加热导致微粒蓄积得到汽化并且通过排气流的流动从过滤器中除去。
结合在说明书中并且构成本说明书一部分的下面附图示出了本发明的示例的实施例，并且与上述的概述和下面的详细说明一起，用来说明本发明的原理，其中图1是柴油机微粒过滤器系统的剖视图，其结合有穿过在一个腔内的陶瓷过滤器而设置的微波吸收目标，该腔适合于通过相互之间激励有90度相位差的输入耦合器接收微波频率的分散信号，以激励圆偏振(CP)加热模式；图2示出了用于线性偏振的TE11模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图2B示出了根据本发明用于圆偏振的TE11模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图3A示出了用于线性偏振的TE21模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图3B示出了根据本发明用于圆偏振的TE21模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图4A示出了用于线性偏振的TE21模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；
图4B示出了根据本发明用于圆偏振的TE12模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图5A示出了用于线性偏振的TE22模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图5B示出了根据本发明用于圆偏振的TE22模式的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；图6示出了根据本发明用于激励圆偏振的TE11和TE21模式的组合的、在具有传导壁的直圆形腔中的目标的加热型式；和图7是相对于从图6中的目标的中心的距离的加热强度曲线，示出了在半径延伸部分上的基本均匀性。
虽然本发明的实施例已经示出并且大概如上描述出，并且将结合一定潜在优选方案和过程在下文中进行描述，需要的知道和理解的是本发明决不会限制在在此示出和描述的这样的实施例和过程中。相反地，本发明的意图在于应该延伸到包含本发明的真实精神和范围内的本发明的宽泛原理的所有的替换物和修改。
具体实施例方式
现在将对多个附图进行参考，其中在可允许的范围内在多个附图中相同的部件采用对应的附图标记。在图1中，示出了沿着从柴油机(未示出)的排气流动通道下游设置的柴油机微粒过滤器装置10。气流的方向在图中用指示方向的箭头示出。根据示出的结构，柴油机微粒过滤器包括腔部分12，其用来容纳多孔的陶瓷过滤器14和微波吸收材料16，该微波吸收材料16基本上在整个过滤器14的横截面上布置为嵌入接触关系。该腔部分12可由诸如金属等的适当的材料形成。在这种利用金属腔的结构中，包围过滤器14的内壁可以是传导性的。该微波吸收材料16可以是在暴露在微波辐射下时可经受加热的任一已知物质或者结合。例如，这种材料可包括SiC(金刚砂)，ITO(氧化铟-锡)，各种的铁氧体，包括对本领域技术人员已知的这些材料的组合等等。
如图所示，柴油机微粒过滤器装置10提供有对本领域技术人员熟知的一对微波连接输入口20，以可操作地连接到大于1kW的外部大功率微波电源22上，例如已知和容易获得的标准的2.45GHz/2kW电源。允许气流通过但会阻止过度的俘获微波能的微波反射器24提供在柴油机微粒过滤器装置10的入口和出口端处。
如图所示，0-90功率分配器26设置在微波源22和输入口20之间。该功率分配器26对功率进行改变，通过将它相等地分在两个输入端之间，同时将传送到一个输入端的信号的相位移动90度。该功率分配器借助于低损耗连接机构连接到输入口。输入口20优选地位于圆形截面的平面上，并且以大约90度的角距隔开。在输入口20之间间距和在传送到输入口的功率信号之间的90度的相移的总效果在于激励在腔12内的圆偏振模式。
通过激励圆偏振模式，相对于线性偏振模在方位角上使加热模式平滑，以基本上消除在加热目标上的热点和冷点的产生，有利于过渡的温度环，从而提供更均匀的平均温度分布。
在运行中，柴油机排气通过入口孔32进入，通过进气通道进入过滤器14，通过过滤器通道壁扩散，从过滤器输出通道流出并且通过排气输出孔34排出该腔。在流动过程中，由排气流携带的微粒沉积在当离开过滤器时排气通过通过通道壁扩散的区域。当发动机持续运转时，微粒量蓄积直到排气流被阻塞。在基于系统内测量背压的所选取的最优点处，微波电源22被激活，例如通过连接到压力传感器(未示出)的开关，并且微波能进入该腔中，从而加热微波吸收材料16。微波吸收材料16设置为接近微粒蓄积区域，并且当其吸收能量时，其加热至超过蓄积碳氢化合物微粒的着火点的温度点。因此微粒被点燃并且通过排气的流动以汽化形式除去。
如上所述，根据潜在地优选操作，圆偏振模式在腔内被有意地激励，以消除方位角变化。也就是说，在通过离中心等距的微波吸收材料定义的圆形目标上的点具有基本上相同的加热分布的特征，而不管它们的方位角度。通过消除局部的热点和冷点，这提供了对目标的加热分布上的更均匀的程度。
通过将在图2A，3A，4A1和5A中示出的线性偏振模中的加热型式分别与在图2B，3B，4B和5B中的相应的圆偏振模式中的加热型式进行比较，示出在加热分布中的提高的均匀性。特别地，图2A示出用于线性偏振的TE11模式在直圆形腔中的目标的加热型式，而图2B示出用于圆偏振的TE11模式的加热型式。图3A示出用于线性偏振的TE21模式在直圆形腔中的目标的加热型式，而图3B示出用于圆偏振的TE21模式的加热型式。图4A示出用于线性偏振的TE12模式在直圆形腔中的目标的加热型式，而图4B示出用于圆偏振的TE12模式的加热型式。图5A示出用于线性偏振的TE22模式在直圆形腔中的目标的加热型式，和图5B示出用于圆偏振的TE22模式的加热型式。在这些图中，较浅的区域对应于较高的温度，较暗的区域对应于较低的温度。
在图2A，3A，4A和5A中可看出，线性偏振模产生径向变化和方位角或者角度变化。也就是说，距离中心等距但是相对于假设的赤道线处于不同角度的点具有基本上相互不同的温度(即方位角变化)，并且与处于相同的角度但是离中心不同的距离的点温度也是不同的(即径向变化)。相反地，在图2B，3B，4B，和5B中示出的，圆偏振模式消除了这种方位角变化的产生，虽然在离中心不同距离的、以环的型式的径向变化可能仍然存在。
方位角变化的消除允许在没有热点和冷点的情况下、在该目标上的更规则的温度分布。因此，有效的加热总的说来更加均匀。例如，圆偏振的TE11，圆偏振的TE21和圆偏振的TE22模式显示了在超过50％的横截面表面面积上小于50％的温度变化。这些是对于线性偏振模加热型式的相当大的改进。
虽然单个的圆偏振模式加热型式表现出对于线性偏振模加热型式的相当大的改进，可以设想到通过激励圆偏振模式的结合(重叠来消除径向的冷环)，加热型式的均匀性可得到更进一步的改善。仅仅是举例而不是限制，图6示出了用于圆偏振的TE11和TE21模式的结合的加热型式，它们重叠以消除在TE11模式的加热型式的中心上的热点以及TE21模式的接近壁处的高温区域。因此可以实现具有更平缓混和的径向分布的型式。这些有利之处在图7中用图形示出，其中可以看出加热型式的强度改变在总横截面上小于50％，在70％的横截面上小于20％。
可以设想到标准微波激励技术可用于同时在腔12内激励两种模式，而不需要改变在图1中示出和描述的电源结构或者输入口结构。仅仅是举例而不是限制，用于两种模式同时激励的一种技术在于设计腔半径和长度以在两种模式下同时谐振，通过满足用于两种模式的谐振长度方程。
L Bz，TE11＝n和L Bz，TE21＝m
其中L是腔长度，m和n是整数，Bz，TE11和Bz，TE21是相应的轴向模式的波数。
应该理解的是虽然本发明已经关于潜在的优选实施例，结构和过程进行了示出和描述，这些实施例，结构和过程仅仅是示意的并且本发明决不意图限制于此。相反地，可以设想体现本发明的原理的修改和变化将被本领域普通技术人员毫无疑问地想到。因此，设想并且意图本发明应该延伸到所有这些结合包含在本发明的真实的精神和范围之内的本发明的宽泛的方面的修改和变化。
权利要求
1.一种用于从柴油机的排气流中除去微粒的柴油机微粒过滤器系统，该柴油机微粒系统包括容纳在容纳腔内的过滤器，该过滤器在用于接收发动机排气流的腔入口和用于排出发动机排气流的腔出口之间，从而使得发动机排气流的气体通过过滤器，并且在发动机排气流中的至少一部分微粒捕获在该过滤器中；嵌入在过滤器之内的微波吸收材料目标，其中微波吸收材料具有微波加热特性，从而使得当暴露在微波辐射中时，微波吸收材料加热到在过滤器内捕获的至少一部分微粒的燃烧温度之上；和微波电源，其可操作地连接到微波输入口上，以在容纳腔中激励至少一个圆偏振微波模式，使得当微波电源启动时，微波吸收材料目标以基本上没有方位角变化的型式进行加热，并且与微波吸收材料处于相邻关系的、在过滤器内捕获的至少一部分微粒被汽化，从而减少在过滤器内的微粒的蓄积。
2.如权利要求1所述的发明，其中过滤器是陶瓷过滤器。
3.如权利要求2所述的发明，其中微波吸收材料是从SiC(金刚砂)，ITO(氧化铟-锡)，铁氧体和它们的组合所组成的组中选出。
4.如权利要求1所述的发明，其中该容纳腔具有大体上圆筒形的内部横截面并且过滤器是具有大体上圆形截面的圆柱形。
5.如权利要求1所述的发明，其中容纳腔包括传导材料的内壁。
6.如权利要求5所述的发明，其中内壁是金属。
7.如权利要求1所述的发明，其中微波电源通过功率分配器可操作地连接到一对微波输入口，从而使得来自微波电源的功率基本上相等地分配在该对微波输入口之间。
8.如权利要求7所述的发明，其中功率分配器将传送到一个输入口的信号的相位移动90度。
9.如权利要求8所述的发明，其中输入口围绕圆形平面在相互之间具有大约90度角距的情况下设置。
10.如权利要求1所述的发明，其中所述腔在至少两个模式下是共振的，从而使得所述两个模式同时激励。
11.一种用于从柴油机的排气流中除去微粒的柴油机微粒过滤器系统，该柴油机微粒系统包括容纳在容纳腔内的陶瓷过滤器，该陶瓷过滤器在用于接收发动机排气流的腔入口和用于排出发动机排气流的腔出口之间，从而使得发动机排气流的气体通过陶瓷过滤器，并且在发动机排气流中的至少一部分微粒捕获在该过滤器中；以相对于排气流的流向成横向的关系嵌入陶瓷过滤器内的微波吸收材料目标，其中微波吸收材料具有微波加热特性，从而使得当暴露微波辐射中时，微波吸收材料加热到在过滤器内捕获的至少一部分微粒的燃烧温度之上；和微波电源，其通过功率分配器可操作地连接到适于发射微波辐射到容纳腔内的第一微波输入口中，和适于发射微波辐射到容纳腔中的第二微波输入口，其中功率分配器将来自微波电源的功率基本上相等地在第一和第二微波输入口之前分配，同时将传送到一个输入口的信号的相位移动90度，并且其中第一和第二微波输入口相互之间成大约90度的角距进行设置，以便于在容纳腔中激励至少一个圆偏振微波模式，从而使得当微波电源启动时，微波吸收材料目标以基本上没有方位角变化的型式进行加热，并且与微波吸收材料处于相邻关系的、在过滤器内捕获的至少一部分微粒被汽化，从而减少在过滤器内的微粒的蓄积。
12.如权利要求11所述的发明，其中微波吸收材料是从SiC(金刚砂)，ITO(氧化铟-锡)，铁氧体和它们的组合所组成的组中选出。
13.如权利要求11所述的发明，其中该容纳腔具有大体上圆筒形的内部横截面并且过滤器是具有大体上圆形截面的圆柱形。
14.如权利要求11所述的发明，其中容纳腔包括传导材料的内壁。
15.如权利要求14所述的发明，其中该内壁是金属。
16.如权利要求11所述的发明，其中所述腔在至少两个模式中谐振，从而使得所述两个模式同时被激励。
17.一种用于从柴油机的排气流中除去微粒的柴油机微粒过滤器系统，该柴油机微粒系统包括容纳在容纳腔内的陶瓷过滤器，该陶瓷过滤器在用于接收发动机排气流的腔入口和用于排出发动机排气流的腔出口之间，从而使得发动机排气流的气体通过陶瓷过滤器，并且在发动机排气流中的至少一部分微粒捕获在该过滤器中；以相对于排气流的流向成横向的关系嵌入陶瓷过滤器内的微波吸收材料目标，其中微波吸收材料具有微波加热特性，从而使得当暴露微波辐射中时，微波吸收材料加热到在过滤器内捕获的至少一部分微粒的燃烧温度之上；和微波电源，其通过功率分配器可操作地连接到适于发射微波辐射到容纳腔内的第一微波输入口中，和适于发射微波辐射到容纳腔中的第二微波输入口，其中功率分配器将来自微波电源的功率基本上相等地在第一和第二微波输入口之间分配，同时将传送到一个输入口的信号的相位移动90度，并且其中第一和第二微波输入口相互之间成大约90度的角距进行设置，以便于在容纳腔中激励至少一个圆偏振微波模式，从而使得当微波电源启动时，微波吸收材料目标以基本上没有方位角变化的型式进行加热，并且与微波吸收材料处于相邻关系的、在过滤器内捕获的至少一部分微粒被汽化，从而减少在过滤器内的微粒的蓄积，其中容纳腔具有采用金属内壁的基本上圆形的截面，并且其中腔在至少两个模式中谐振，从而使得所述至少两个模式同时被激励。
全文摘要
一种包括在波导空腔(12)内的微波吸收目标(16)的柴油机微粒过滤器(10)。该腔(12)通过相互之间存在90度的相位差的输入耦合器(20)接收微波频率电磁辐射，以激励圆偏振加热模式。通过圆偏振模式的激励，加热型式是均时的以在方位角上消除在加热模式下的热点和冷点，从而相对于相应的线性偏振模的加热型式提供更大的均匀性。
文档编号F01N3/028GK101056685SQ200580038750
公开日2007年10月17日 申请日期2005年10月25日 优先权日2004年11月12日
发明者D·J·格雷格伊雷, J·S·科尔伯恩 申请人:通用汽车公司