用于微粒过滤器的屏蔽的再生加热元件的制作方法

专利名称：用于微粒过滤器的屏蔽的再生加热元件的制作方法
用于微粒过滤器的屏蔽的再生加热元件政府权利声明本申请的某些主题产生于由能源局授予的合同号DE-FC-04-03 AL67635。 U.S.政府在本发明中具有一定的权利。技术领域本披露涉及微粒过滤器，且更特定地涉及微粒过滤器的再生技术。
技术背景在此提供的背景说明是为了总体上呈现本披露背景的目的。本署名 的发明人的工作，就描述在背景技术段的范围来说，以及在提交时不会 另外限定为现有技术的说明方面，不被明显地和隐含地接受为本披露的 现有技术。柴油机燃烧循环产生微粒，其典型地通过微粒过滤器(PF)从柴油 机排气气体过滤。PF布置在相应的柴油发动机的排气系统内。PF减少 在不均匀的燃烧过程期间产生的微粒物质(烟灰)的排放。随着时间的 过去，PF变满且被捕获的柴油机微粒必须被移除。在再生过程期间，柴 油机微粒在PF内燃烧。发动机控制系统能够估计微粒积累量且确定过滤器何时需要再生。 一旦确定过滤器是满的或填充到预定的微粒水平，控制系统通过修改燃 烧过程和/或喷射燃料到排气系统中而允许再生。在主燃烧事件之后，燃 料被喷射到排气流中。喷射后的燃料在PF的一个或更多催化剂上燃烧。中燃烧所捕获的烟灰颗粒。提高的排气温度开始在PF内存储的烟灰的 氧化。然而，该途径可能导致比希望的更高的温度偏移，其对包括PF 的排气系统部件是有害的。发明内容(PF)。加热元件加热PF中的孩t粒物质。催化剂载体布置在加热元件 的上游且在由加热元件接收之前氧化排气。在其他特征中，提供一种处理由发动机产生的排气以再生微粒过滤器的排气系统。该系统包括布置在排气下游且过滤排气内的微粒的微粒过滤器(PF)。加热元件加热PF中的微粒物质。流动转换器布置在加 热元件的上游且在由加热元件接收之前将紊流排气流动转换为层流排气流动。进一步的应用领域从在此提供的说明显而易见。应当理解的是，说 明和具体示例仅为说明的目的且并没有意图限制本披露的范围。


从详细说明和附图中可以更完整地理解本4皮露，其中 图l是微粒过滤器(PF)的部分的截面图；图2是图示在冷起动排放试验期间在催化剂载体或PF的长度内的 温度曲线的图；图3是根据本发明实施例的包括排气微粒过滤器系统的示范性柴油 发动机系统的功能方块图；图4是根据本发明实施例的应用于PF的前表面的示例栅极/加热元 件的透视图；图5是根据本发明实施例的PF系统的截面侧^L图；图6是图示根据本发明实施例的示例加热元件紧固件的PF的部分的特写截面侧^见图；和图7是图示根据本发明另一实施例的示例加热元件紧固件的PF的部分的特写截面侧;f见图。
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披露、它的应用、 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，术语模块指的是特定用途集成电路(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。如在 此所使用的，短语A、 B和C的至少一个应当理解为意味着使用非排他逻辑或一种逻辑(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4皮露的原理。现在参见图1，显示微粒过滤器(PF)的部分(10)的截面图。PF 包括多个进口单元/通道12和出口单元/通道14，其具有相关的通道壁 16。进口通道12具有进口 18且出口通道14具有出口 20。进口通道12 相对于出口通道14是交替布置。进口通道12具有出口塞22且出口通 道14具有进口塞24。出口塞22和进口塞24可以作为壁16的部分整体 形成。壁16起用于进入发动机排气的过滤器的作用，由箭头26标记。 排气26进入进口 18且从进口通道12通过壁16到出口通道14。通道壁 16防止颗粒物质30进入出口通道14且因而靠着通道壁16收集在进口 通道12内。为了移除所收集的颗粒物质或烟灰30,靠近进口 18的进口区40被 加热。当排气26在进口区40中加热时，在该区中收集的颗粒物质点燃u 从颗粒物质燃烧产生的火焰沿PF的相关进口通道且在其中行进。该加 热可以通过电接口产生，例如一个或更多的加热元件，如以下更详细描 述的。该加热用最小的电能完成。该加热在PF内提供均匀的热分布和 有限的峰值温度，从而防止损害PF。该加热可以在低燃料消耗再生循环 期间进行。换句话说，在PF的再生期间，最小量的燃料可以喷射到排 气系统和/或PF系统中。现在参见图2,显示了图示在冷起动排放试验期间在催化剂载体或 PF的长度内的温度曲线图。催化剂载体具有多个催化剂砖块，其以串联 的方式连接。前催化剂砖块和后催化剂石争块之间的接触点由在0.05m处 的温差的尖峰表示。尖峰由催化剂砖块的通道之间的未对准引起。显示 了多条曲线50,且如图标52所提供的，以秒表示时间。曲线50提供 PF的Tp和T,。nd的差异对通道长度或沿通道的纵向长度的位置之间的 关系。T^为排气的温度，且Ts。ud为载体的温度。从图可以看出，由于在PF的进口或单元入口位置处的紊流热传递， 在PF的前表面发生大的温度损失。前表面相应于通道长度O。热排气气 体加热PF的前表面，其中流动是高度紊流的。热排气气体加热前表面 直到随着时间的过去满足热平衡。由于排气的流动沿PF的通道的短距 离变成层流，热传递损失减少。因而，PF的后表面，其中排气流动是层 流的，经历随时间的温度的逐渐改变。T^/T^d温差在后表面附近逼近0。由于该原因，后表面比前表面经历更少的热损失。因而，加热元件用于提高载体的温度，从而氧化在前表面上的烟灰。 这防止了加热元件由于排气气体的对流加热的能量损失，排气气体然后 流动通过载体壁且流出其"清洁"的冷出口通道。当PF加热元件用于加热PF的前表面时，加热元件的温度增加到超 过烟灰的燃点。将PF的前表面加热到允许微粒物质燃烧的足够热的温 度生成火焰前锋，其沿PF的通道向下或纵向地传播，从过滤器清洁烟 灰。PF可以由电阻材料形成，其提供产生热的有效技术。然而，到较冷 的排气气体的热损失，以及到金属排气管的辐射热损失增加了用于满足 希望的点燃温度的电能。当加热元件接收紊流排气流时，显示了显著数 量的热损失，其减少加热元件的温度。该热损失的大部分为辐射热损失。辐射热损失是从高温物体发射的能量且通常为红外光。由于微粒物 质需要高温以燃烧，辐射热损失是损失能量的显著源。Stefan-Boltzmann 定律规定，由于辐射能的能量损失与发射和吸收表面之间的温差的四次 方成正比，即QRAD A(TH4 - TL4) 。 QRAD为辐射热损失，A为 Stefan-Boltzmann定律常数，TH为加热元件的温度，且TY为排气气体和 /或加热元件附近的其他部件的温度。由于需要初始烟灰燃烧的加热元件 温度高，与加热元件相关的加热表面辐射热损失高。为了包含或反射该辐射能且利用该能量以利于烟灰的燃烧，使用催 化剂载体/流动转换器工具，如下文所述。为了用最小的电能达到烟灰点 火需要的高加热元件温度，排气气体流的对流损失最小化。这通过将紊 流排气流转换为层流排气流完成。在由加热元件接收之前，流动转换器 将紊流流动转换为层流流动。在以下所述的实施例中，辐射能损失通过 允许辐射能反射和/或被包含在加热元件附近的屏蔽载体表面上而减少。 因此，到排气管道的对流热损失减少，且辐射能被包含在加热元件本身 附近。所述的能量反射和包含显著地改进了再生PF的电效率。现在参见图3,显示包括排气PF系统72的示范性柴油发动机系统 70的功能方块图。应当理解的是，柴油发动机系统70本质上仅为示范 性的，且在此所迷的区域加热的微粒过滤器再生系统可以在具有微粒过 滤器的多种发动机系统中实施。这种发动机系统可以包括，但不限于， 汽油直喷式发动机系统和均质充量压燃式发动机系统。发动机系统70包括柴油发动机71、进气歧管74、共轨燃料喷射系统76和排气系统78。发动机71燃烧空气和燃料混合物，以产生驱动扭 矩。示范性的发动机71包括以V型布局构造在相邻的气缸组82、 84内 的八个气缸80。尽管图3描绘了八个气缸(N = 8)，应当理解的是， 发动机71可以包^^附加的或更少的气缸80。例如，考虑具有2、 4、 5、 6、 8、 10、 12和16个气缸的发动机。也可以预期的是，本发明的樣i粒 过滤器再生控制能够以直列式或另一类型的气缸构造实施。空气通过节气门(未显示)被吸入到进气歧管74。空气从进气歧管 74吸入到气缸80且在其中被压缩。燃料通过共轨喷射系统76被喷射到 气缸80内且压缩空气的热点燃空气/燃料混合物。排气气体从气缸80排 出到排气系统78内。在一些情况下，发动机系统70可以包括涡轮增压 器，其使用排气驱动的涡轮机86以驱动压缩机87,压缩机压缩进入进 气歧管74的空气。压縮空气在进入进气歧管74之前典型地通过空气冷 却器(未显示)。排气系统78包括排气歧管88、 90、排气导管92、 94、和96，以及 PF系统72,其对于所示实施例称为柴油机PF系统。排气歧管88、 90 将离开相应气缸组82、 84的排气引导到排气导管92、 94中。可选地， EGR阀(未显示)将部分排气再循环回到进气歧管82中。剩余排气被 引导到涡轮增压器78以驱动涡轮机。涡轮机利于从进气歧管74接收的 新鲜空气的压缩。组合的排气流从涡轮增压器流动通过排气导管96和 PF系统72。PF系统72包括诸如柴油氧化催化剂(DOC)的催化剂载体/流动转 换器100、加热元件102和PF104。对于所迷的实施例，PF104显示为柴 油机微粒过滤器(DPF)。在进入大气之前，PF系统72从来自排气导 管92、 94的组合排气流过滤微粒。流动转换器IOO起热屏蔽的作用且 基于燃烧后的空气/燃料比氧化排气。氧化的量增加了排气的溫度。在排 气进入DPF104之前，加热元件102增加PF104前表面的温度，其初始 其中所收集的烟灰的燃烧。DPF]04从流动转换器IOO接收排气且过滤 存在排气中的烟灰孩t粒。在一个实施例中，流动转换器100包括和/或者 是开口单元/通道载体，且DPF]04包括和/或者是封闭的单元Z通道载体。 流动转换器100具有内部流通构造，而DPF104起过滤器的作用。流动 转换器IOO和DPF104可以由陶瓷材料、碳化硅材料、金属材料、或其 他合适的材料形成.，流动转换器100的使用减轻了上述的辐射热损失且在加热元件102 上维持层流排气流。在由加热元件102接收之前，流动转换器100将紊 流排气流转换为层流排气流。通过允许在加热元件102的表面上的层流 排气流，这改进了加热元件效率。根据本发明的基于氧气的微粒过滤器再生方法，控制模块IIO调节 系统70的操作。系统70可以包括各种传感器111,例如温度传感器、 空气流量传感器、空气-燃料传感器、以及用于系统70的状态确定和控 制的其他传感器。控制模块UO确定何时需要再生且控制发动机操作以 允许再生发生。基于从传感器接收的状态信号，在整个再生过程中，控 制模块IIO在再生水平控制发动机操作。控制模块110基于各种感测信息控制发动机71和PF再生。更具体 地，控制模块110估计DPF104的载荷。当估计的载荷达到阀值水平(例 如5克/升的微粒物质)且排气流量在希望的范围时。电流被控制到 DPF104并通过控制模块110和电源112提供以初始再生过程。来自电 源的电流可以直接地供应给DPF104,如图所示，或者在由DPF104接收 之前供应到控制模块110。再生过程的持续时间基于DPF104内的微粒 物质的量改变。据预期，再生过程能够持续2-6分钟。然而，电流仅在 再生过程的初始部分期间供应。更具体地，电能加热DPF104的前表面 114 一个阀值周期(例如1-2分钟)。通过前表面114的排气被加热。 剩余再生过程使用由存在前表面114附近的微粒物质的燃烧产生的热， 或者由通过DPF104的加热的排气产生的热完成。对于分区和加热元件 控制的进一步il明或示例，参见2006年3月22日提交的题为"Zoned Heated Inlet Ignited Diesel Particulate Filter Regeneration"的U.S.专利系 列申请No.l 1/233450，其在此通过参考整体引入。现在参见图4，显示了应用于PF124的前表面122的示例栅极/力口热 元件的透3见图。加热元件120可以为不同的形状和尺寸且以不同的构造 和模式设置。例如，加热元件或其传导路径的宽度W可以按照应用而 改变。尽管所示加热元件120具有单个正连接器126和单个负连接器 128,它可以具有任何数量的连接器。同样，可以包含任何数量的加热 元件。作为另一示例，每个连接器对和加热元件和/或其分段的部分可以 与前表面122上的特定覆盖区域相关。通过多个区域的前表面122的加 热减少在再生期间PF系统上的电冲击。每个区域可以通过将电力供应到位于每个区域内的电阻材料的通^各而单独i也加热。在一个实施例中， 加热元件120由电阻材料片形成，例如金属材料，其示例为不锈钢。加 热元件可以被冲压，研磨，使用水喷切割机器切割，或者使用一些其他 合适技术形成。通过将前表面122分成多个加热的区M^加热元件120的材冲+可以 更均匀地分散以均匀地加热前表面122。这最小化特定加热的区域的截 面面积且将烟灰燃烧扩张到邻近的通道。结果，消耗的总体微粒物质最 大化，而最初加热的面积量和用于这样的加热的电力量最小化。在每个 区域内，也应当理解的是，加热元件120可以形成材料的电阻路径或带。 电阻路径可以为多孔的或具有用于通过其的排气流的孔。应当进一步理 解的是，每个区域可以被顺序地，同时地，或基于需要选择性地加热。现在参见图3和4，控制模块IIO单独控制每个区域的加热。当包 含开关时，开关130可以选择性地激励和去激励，以允许电流流动到每 个区域。例如，电压通过电源112供应到开关130。现在参见图5，显示了 PF系统150的截面侧视图。所示的PF系统 150包括流动转换器152、栅极154和PF156,其串耳关连接。流动转换器 152、栅极154和PF156彼此衔接且通过垫料158保持到位，其又由壳 体160保持。在PF系统150的制造期间，流动转换器152、柵极154和 PF156衔接在一起且保4争到位。这确保栅极154一皮保持在流动转换器152 和PF156之间。为半软的柔性套筒的垫料158围绕流动转换器152、栅 极154和PF156缠绕且紧紧地保持流动转换器152、栅极154和PF156。 垫料158然后封装在壳体160内，其可以为焊接的罐，如图所示。垫料 158可以由绝缘材料形成，例如蛭石或其他绝缘材料。PF系统150也包括电接触端子170,其连接到栅极154。连接器172 通过引脚175将绝缘导线174连接到端子170。电能通过导线174供应 到每个端子170。连接器172连接到壳体160。端子170通过高温传导 密封件176与垫料158密封。注意到，栅;f及154也可以附接到流动转换器152或PF156。加热元 件154可以使用不同的紧固件和/或紧固技术附接到流动转换器152或 PF156。当电流供应给它时，栅极154附接到流动转换器152或PF156 控制加热元件154的移动。当加热元件154的温度增加时，加热元件154 的村料膨胀。由于加热元件154可以具有大约700-1000° C之间的最大操作温度，加热元件154或它的部分可以显示显著量的形变或侧向移动。 膨胀移动在PF系统150的侧向平面区段内，其位于其中。紧固件的使 用有助于防止或限制这样的移动。紧固件也防止加热元件相邻部分之间 的短路。在一个实施例中，紧固件以预定间隔沿加热元件或它的电阻/ 导电路径安放，例如2-5厘米间隔。这种附接的示例关于图6和7的实 施例描述。紧固件可以为销、带钩的销、塞、接头片、夹子等形式。紧 固件可以由金属或其他合适材料形成。PF156可以为单块的微粒捕获器且包括交替的进口单元/通道184和 出口单元/通道186。单元/通道184、 186沿PF156轴向延伸。PF156的 壁188可以包括堇青石材料的多孔陶瓷蜂窝壁。应当理解的是，任何陶 瓷蜂窝材料被认为在本发明的范围内。邻近的通道可交替地在每个如 190所示的端处被塞住。这促使柴油机烟雾剂通过充当机械过滤器的多 孔载体壁。微粒物质沉积在进口通道184内且排气通过出口通道186排 出。烟灰微粒192流动到PF156内且在其中被捕获。流动转换器152构造为类似于PF156。然而，流动转换器152并不 具有端塞且因而为流通构造。流动转换器152可以经历一个或更多不同 的工艺过程以改进它的辐射反射属性。例如，流动转换器152可以被金 属涂层。流动转换器152可以起辐射能反射体块的作用或用辐射能反射 体块替换。辐射能反射体块可以定尺寸且定位为与流动转换器152相同。 辐射能反射体块反射辐射能。辐射能反射体块可以提供与紊流到层流交 换相对的紊流交换。流动转换器/辐射能反射体块可以具有不同的尺寸、 形状和构造。尽管未显示，流动转换器具有类似于通道184、 186的通 道，下文所述的紧固件可以附接到其中。栅极154附接到流动转换器152 的后表面194.尽管如下的附图6和7主要关于加热元件附接到PF描述，加热元 件可以使用类似技术附接到其他催化剂载体或流动转换器,.现在参见图6,显示图示示例加热元件紧固件204的PF202的部分 200的特写截面侧纟见图。加热元件207的加热元件^各径的路径li 206显 示在PF202的前表面208上。加热元件207通过一个或更多紧固件保持 在前表面208上，例如紧固件204。紧固件204可以作为路径段206的 部分整体形成且插入到通道212的进口 210。紧固件204可以成形或形 成为允"if容易组装，但难以拆卸。例如，紧固件204可以为所示的带钩200810005492.8 的接头片或采取一些其他形式。紧固件204可以不完全填塞进口 210且 因而允许通过其的排气流。显示开口214，排气可以流动通过其。因此， 紧固件204可以芯吸热到通道212中，其进一步利于烟灰在其中的燃烧。现在参见图7，显示图示示例加热元件紧固4牛224的PF222的部分 220的特写截面侧3见图。加热元件227的加热元件路径的路径段226显 示在PF222的前表面228上。加热元件路径通过紧固件224保持在前表 面208上，紧固件224显示为销。紧固件224可以插入到或者附接到 PF222的出口通道232的端塞230。紧固件224也可以作为端塞230的 部分生成和/或形成。如图所示，紧固件224可以嵌入到PF222中，且允 许加热元件路径的附接。加热元件路径可以卡扣到紧固件224的端234 下。如图所示，应当注意到，加热元件路径可以是多孔的且允许通过其 的排气流。作为替换，加热元件路径可以设置在PF上，使得进口通道 开口定位在路径段之间。现在本领域中技术人员能够从前述说明理解到，本披露的广泛教示 可以以多种形式实施。因此，尽管本披露包括特定的示例，由于当研究 附图、说明书和以下权利要求书时，其他修改对于技术人员来说是显而 易见的，所以本披露的真实范围并不如此限制。
权利要求
1.一种排气系统，包括微粒过滤器(PF)，其布置在发动机的下游且过滤来自发动机的排气内的微粒；加热所述PF中的微粒物质的加热元件；和催化剂载体，其布置在所述加热元件的上游且在由所述加热元件接收之前氧化所述排气。
2. 根据权利要求1所述的排气过滤器，进一步包括壳体，其中所 述PF、所述加热元件和所述催化剂载体布置在所述壳体内。
3. 根据权利要求1所述的排气过滤器，进一步包括垫料，其中所 述PF、所述加热元件和所述催化剂载体布置在所述垫料内。
4. 根据权利要求1所述的排气过滤器，进一步包括垫料，其中所 述PF、所述加热元件和所述催化剂载体通过所述垫料相对彼此保持到 位。
5. 根据权利要求1所述的排气过滤器，进一步包括 提供电流给所述加热元件的多个端子；和在所述垫料和所述多个端子之间连接的热密封件。
6. 根据权利要求4所述的排气过滤器，其中所述垫料包括催化剂 载体材料。
7. 根据权利要求1所述的排气过滤器，其中所述PF的第一组通道 与所述催化剂载体的第二组通道对准。
8. 根据权利要求1所述的排气过滤器，进一步包括激励所述加热 元件的控制模块。
9. 根据权利要求1所述的排气过滤器，其中所述加热元件包括电 阻材4斗的栅才及。
10. 根据权利要求1所述的排气过滤器，进一步包括连接到所述加 热元件且供应电流给所述加热元件的多个电端子。
11. 一种排气系统，包括微粒过滤器(PF),其布置在发动机的下游且过滤来自发动机的排 气内的农i粒；加热所述PF中的微粒物质的加热元件；和流动转换器，其布置在所述加热元件的上游且在由所述加热元件接收之前将紊流排气流动转换为层流排气流动。
12. 根据权利要求11所述的排气过滤器，进一步包括壳体，其中所述PF、所述加热元件和所述催化剂栽体布置在所述壳体内。
13. 根据权利要求11所述的排气过滤器，进一步包括垫料，其中 所述PF 、所述加热元件和所述催化剂载体布置在所述垫料内。
14. 根据权利要求11所述的排气过滤器，其中所述流动转换器是 流通构造。
15. 根据权利要求11所述的排气过滤器，进一步包括激励所述加 热元件的控制模块。
16. 根据权利要求11所述的排气过滤器，其中所述流动转换器包 括柴油氧化催化剂。
17. 纟艮据^L利要求11所述的排气，其中所述加热元件包括电阻材 料的栅极。
18. 根据权利要求11所述的排气，其中所述流动转换器包括从陶 瓷、碳化硅和金属材料选择的至少一种材料。
19. 一种在排气系统中进行再生过程的方法，包括 在被加热元件接收之前，将排气从发动机通过辐射能反射体块； 通过所述加热元件在樣i粒过滤器(PF)中加热樣i粒物质；以及 用所述PF从所述排气过滤微粒。
20. 根据权利要求19所述的方法，进一步包括 在一皮所述加热元件接收之前，将所述排气的紊流流动转换为层流流动；以及在被所述加热元件接收之前，氧化所述排气，其中加热所述樣i粒物质包括点燃樣i粒以初始沿所述PF纵向传播的燃烧。
全文摘要
一种排气系统包括布置在发动机下游的微粒过滤器(PF)。PF过滤来自发动机的排气中的微粒。加热元件加热PF中的微粒物质。催化剂载体或流动转换器布置在所述加热元件的上游。在由加热元件接收之前，催化剂载体氧化排气。在由加热元件接收之前，流动转换器将紊流排气流动转换为层流排气流动。
文档编号F01N3/027GK101245723SQ20081000549
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月5日 优先权日2007年2月12日
发明者E·V·贡泽, F·阿门特 申请人:通用汽车环球科技运作公司