专利名称：电加热颗粒物过滤器的加热器绝缘的制作方法
技术领域：
本发明涉及颗粒物质(PM)过滤器，且更具体地涉及电加 热PM过滤器。
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(PM)用PM过滤器从排气气体过滤。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、使用电阻加热线圏、和/或使用 微波能量。电阻加热线图通常与PM过滤器接触布置，以允许通过传导
禾口只寸济u力口热。 当获得高于燃烧温度(如600°C)的温度时，柴油机PM
燃烧。燃烧的启动使得温度进一步增加。虽然火花点火式发动机通常在 排气气流中具有低的氧气水平，但是柴油发动机具有显著更高的氧气水
平。虽然增加的氧气水平使得PM过滤器的快速再生可行，其也可能引 起一些问题。 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。然而，难以实现电加热PM降低系统的 耐用性。
发明内容
—种系统，其包括颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤 器包括用于接收排气气体的上游端和下游端。分区电阻加热器从所述上 游端隔开布置且包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域 中的每个包括M个子区域，其中M是大于或等于1的整数，且其中所述 加热器包括电绝缘材料。控制模块选择性地起用所述N个区域中的至少 一个选定区域以在从所述N个区域中所选定的所述一个区域的PM过滤 器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的未选定区域。 —种方法，其包括提供颗粒物质(PM)过滤器，所述 PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端和下游端；将分区电阻加热 器从所述上游端隔开布置，所述分区电阻加热器包括N个区域，其中N 是大于l的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大 于或等于1的整数，且其中所述加热器包括电绝缘材料；和选择性地起 用所述N个区域中的至少 一个选定区域以在从所述N个区域中所选定的 所述一个区域的PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域 中的未选定区域。 进一步的应用范围从在此提供的说明显而易见。应当理解， 说明和具体示例仅用于图示说明的目的，而不限定本披露的范围。
在此所述的附图仅用于图示说明的目的，而决不限定本披 露的范围。 图1是包括颗粒物质(PM)过滤器的示范性发动机的功能
方块图，所述PM过滤器带有从所述PM过滤器隔开的分区进口加热器；
图2更详细地示出了图1的电加热颗粒物质(PM)过滤器
的分区进口加热器的示范性分区； 图3A更详细地示出了图1的电加热PM过滤器的分区进口
加热器的第二示范性分区； 图3B示出了图3A的分区进口加热器的一个区域中的示范
性电阻加热器； 图4A更详细地示出了图1的电加热PM过滤器的分区进口 加热器的第二示范性分区； 图4B示出了图4A的分区进口加热器的一个区域中的示范 性电阻加热器； 图5示出了具有从所述PM过滤器隔开的分区电加热器的 电加热PM过滤器； 图6示出了分区电加热器内的加热； 图7是示出了由控制模块为再生PM过滤器进行的步骤的 流程图； 图8示出了分区电阻加热器栅格； 图9示出了包括绝缘材料的分区电阻加热器栅格；和 图10示出了包括绝缘緩沖层(insulating buffer)的分区电
阻加热器栅格。
具体实施例方式
以下说明本质上仅为示范性的且不打算限定本披露、应用 或使用。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的 部件和特征。 如在此使用的，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(共用、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合适部件。 本披露使用了带有多个区域的加热器。电加热器从PM过 滤器隔开。换句话说，电加热器位于PM过滤器前面但不与下游PM过 滤器接触。加热器选择性地加热PM过滤器的部分。PM过滤器可以安 装为足够靠近PM过滤器前面，以控制加热模式。加热器的长度可以设
定为优化排气气体温度。 热能由排气气体从加热器传递给PM过滤器。因此PM过 滤器主要通过对流加热。电加热器可以分成多个区域以降低加热PM过 滤器所需要的电功率。所述区域也加热PM过滤器内的下游选定部分。 通过仅加热过滤器的选定部分，减少了基底中由于热膨胀引起的力的大 小。因而，可以在再生期间使用较高的局部碳烟温度而不损坏PM过滤 器。 PM过滤器通过选择性地加热PM过滤器前面的一个或更 多区域且使用加热后的排气气体点燃碳烟而再生。当达到足够的表面温 度时，加热器可以关闭，且燃着的碳烟然后沿PM过滤器通道的长度分 级，这类似于烟花上的燃着的引信。换句话说，加热器可以仅起用足以 启动碳烟点火的时间，且然后关闭。其它再生系统通常使用对流和传导， 且在整个碳烟燃烧过程期间保持供给加热器的功率(处于较低的温度， 如600。C)。因而，与本披露提出的系统相比，这些系统往往使用更多 的功率。 燃着的碳烟是使再生继续的燃料。该过程对每个加热区域 持续，直到PM过滤器完全再生为止。 加热器区域以使得热应力在起用的加热器之间减轻的方式 隔开。因此，由于加热引起的总体应力更小，且这些应力分布在整个电 加热PM过滤器的容积内。该方法允许在电加热PM过滤器的较大的部 分中再生，而不产生损坏电加热PM过滤器的热应力。 最大温度梯度出现在加热器的边缘处。因而，起用另一加 热器的局部应力区域之后的一个加热器允许更多的积极加热的再生体 积而不增加总体应力。这有助于改进驱动循环中的再生机会，且减少成 本和复杂性，因为系统不需要独立地再生那么多的区域。 现在参见图1，根据本披露示意性地图示了示范性柴油发 动机系统10。应当理解，柴油发动机系统10实质上仅为示范性的，且 在此所述的区域加热的颗粒物过滤器再生系统可以用于釆用颗粒物过 滤器的各种发动机系统中。这种发动机系统可包括但不限于汽油直接 喷射发动机系统和均质压燃发动机系统。为了讨论简单，本披露将关于 柴油发动才几系统讨论。 涡轮增压柴油发动机系统10包括发动机12,发动机12燃
烧空气和燃料混合物产生驱动转矩。空气通过空气过滤器14进入系统。 空气通过空气过滤器14且被吸入涡轮增压器18。涡轮增压器18压缩进 入系统10的新鲜空气。总体上来说空气压缩越大，发动机12的输出越 大。然后，压缩空气在进入进气歧管22之前通过空气冷却器20。 进气歧管22中的空气分配到汽缸26中。虽然图示了4个 汽缸26,但本披露的系统和方法可以用于具有多个汽缸的发动机中，包 括但不限于2、 3、 4、 5、 6、 8、 10和12个汽缸。也应当理解，本披 露的系统和方法可以用于V型汽缸结构。燃料由燃料喷射器28喷入汽 缸26中。来自压缩空气的热点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的 燃烧产生排气。排气离开汽缸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(DOC)32、 和带有分区进口加热器35的颗粒物过滤器(PM过滤器)组件34。任 选地，EGR阀(未示出)将一部分排气再循环回到进气歧管22中。排 气的其余部分引入涡轮增压器18以驱动涡轮。涡轮利于从空气过滤器 14接收的新鲜空气的压缩。排气从涡轮增压器18流动通过DOC32,通 过分区加热器35且进入PM过滤器组件34。 DOC32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。PM过滤器组件34从DOC32 接收排气且过滤排气中存在的任何碳烟颗粒物。分区进口加热器35从 PM过滤器组件34隔开，且加热排气至再生温度，如下所述。 控制模块44基于各种感测信息控制发动机和PM过滤器再 生。更具体而言，控制模块44估算PM过滤器组件34的载荷。当所估 算的载荷达到预定水平且排气流率在希望范围内时，控制经由电源46 供应给PM过滤器组件34的电流以启动再生过程。再生过程的持续时 间可基于PM过滤器组件34中的颗粒物质的估算量变动。 在再生过程期间，电流施用于分区加热器35。更具体而言， 所述能量分别加热PM过滤器组件34的加热器35的选定区域预定周期。 通过加热器35的排气气体由起用的区域加热。加热后的排气气体行进 到PM过滤器组件34的下游过滤器，且通过对流加热过滤器。再生过 程的其余部分使用由通过PM过滤器的加热后的排气产生的热实现。 现在参见图2，更详细地示出了用于PM过滤器组件34的 示范性分区进口加热器35。分区进口加热器35从PM过滤器组件34隔 开布置。PM过滤器组件34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l、 2和3可在各个不同的周期期 间起用。 当排气气体流动通过加热器已起用的区域时，在最初接收 的加热后的排气气体的PM过滤器的相应部分(例如，起用区域的下游 区域)中或通过分级进行的燃烧碳烟点火的下游区域发生再生。不在已 起用的区域下游的PM过滤器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被起用，而子区域2A、 2B、 2C、 3A、 3B和3C用作应力减轻区域。 已起用的加热器子区域1A、 1B和1C下游的PM过滤器的 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l完成再生之后，区域2可以起用，且区域l 和3用作应力减轻区域。在区域2完成再生之后，区域3可以起用，且 区域1和2用作应力减轻区域。 现在参见图3A,示出了另一示范性分区进口加热器布置。 中心部分可由包括第 一周向区域带的中间部分环绕。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。借助于上述实施例， 起用区域的下游部分再生，同时停用区域的下游部分提供应力减轻。可 以理解，每次可以起用区域l、 2、 3、 4和5中的一个。其它区域保持 停用。 现在参见图3B,示出了靠近图3A中的第一周向区域带中 的区域(例如，区域3)中的一个布置的示范性电阻加热器100。电阻 加热器100可包括覆盖相应区域的一个或更多线圏以提供足够的加热。 现在参见图4A，示出了另一示范性分区进口加热器布置。 中心部分可由包括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。周向区域带包括区域2、 3、 4和5。借助于上述实施例， 起用区域的下游部分再生，同时停用区域的下游部分提供应力减轻。可 以理解，每次可以起用区域l、 2、 3、 4和5中的一个。其它区域保持 停用。在其它应用中，可以同时起用多个区域。例如，可以同时起用互
补的区域(例如，区域2和4，或区域3和5)。 现在参见图4B,示出了靠近图4A中的第一周向区域带中 的区域(例如，区域2)中的一个布置的示范性电阻加热器110。电阻 加热器110可包括覆盖相应区域的一个或更多线圈以提供足够的加热。 现在参见图5,更详细地示出了 PM过滤器组件34。 PM过 滤器组件34包括壳体200、过滤器202、和分区加热器35。加热器35 可布置在层流元件210和过滤器202的基底之间。电气连接器211可提 供电流给PM过滤器组件34的区域，如上所述。 可以理解，加热器35可以从过滤器202隔开，以便加热主 要是对流加热。绝缘件212可以布置在加热器35和壳体200之间。排 气气体从上游进口 214进入PM过滤器组件34,且被PM过滤器组件34 的一个或更多区域加热。加热后的排气气体行进一定距离且由过滤器 202接收。加热器35从过滤器202隔开且不与过滤器202接触。 现在参见图6,更详细地示出了 PM过滤器组件34内的加 热。排气气体250通过加热器35且被加热器35的一个或更多区域加热。 加热后的排气气体行进距离"d"且然后由过滤器202接收。距离"d" 可以为1/2，，或更少。过滤器202可以具有中心进口 240、通道242、过 滤器材料244和位于进口的径向外侧的出口 246。过滤器可以被催化。 加热后的排气气体使得过滤器内的PM燃烧，这再生PM过滤器。加热 器35通过对流传热，以点火过滤器202的前部。当前面部分中的碳烟 达到足够高的温度时，加热器关闭。碳烟的燃烧然后沿过滤器通道254 分级进行，而不需要为加热器维持功率。 现在参见图7,示出了再生PM过滤器的步骤。控制程序 在步骤300开始，且前进到步骤304。如果在步骤304中控制程序确定 需要再生，在步骤308,控制程序选定一个或更多的区域；在步骤312 对所选定区域起用加热器。在步骤316中，控制程序根据电流、电压、 排气流量和排气温度中的至少一个估算足以实现最小过滤器表面温度 的加热周期。最小表面温度应当足以启动碳烟燃烧且形成分级效应。例 如，最小表面温度可设定为70(TC或更大。在步骤316的替代步骤320 中，控制程序基于预定加热周期、排气流量和排气温度估算实现最小过 滤器表面温度所需要的电流和电压。 在步骤324中，控制程序确定加热周期是否完毕。如果步
骤324为真，在步骤326中，控制程序确定附加的区域是否需要再生。 如果步骤326为真，控制程序返回到步骤308。否则，控制程序结束。 使用中，控制模块确定PM过滤器何时需要再生。或者，再 生可以周期性地或基于事件进行。控制模块可以估算整个PM过滤器何 时需要再生或PM过滤器中的区域何时需要再生。当控制模块确定整个 PM过滤器需要再生时，控制模块顺序地每次起用所述区域中的一个或多 个以在PM过滤器的相关下游部分中启动再生。在所述一个或多个区域 再生之后，起用一个或更多其它区域，同时另外的区域停用。该方法继 续，直到所有区域已被起用。当控制模块确定所述区域中的一个需要再 生时，控制模块启动对应于需要再生的PM过滤器的相关下游部分的区 域。 现在参见图8,示出了对应于图4A的分区进口加热布置的 分区电阻加热器栅格400。加热器栅格400包括对应于区域1的中心部 分402和对应于区域2、 3、 4和5的外部部分404。加热器栅才各400的 区域可以如上文关于图l-7所述选择性地起用和停用。 加热器栅格400的各个区域中的电阻线圈在起用时可能膨 胀(即，由于热膨胀)。从而，选定(起用)区域可能膨胀且与相邻的 未选定(停用)区域接触。例如，对应于区域2的加热器栅格400的一 部分可能膨胀且与区域l、 4和5中的一个或多个接触。当起用区域接 触相邻的停用区域时，施加给起用区域的电流流入相邻的停用区域中。 换句话说，起用区域短路。当起用区域短路时，过滤器的相应区域不会 达到希望的最小过滤器表面温度，且防止正确的过滤器再生。 现在参见图9,分区电阻加热器栅格400的电阻线圏涂有 绝缘材料410 。绝缘材料410防止选定区域的电阻线圏接触相邻的区域。 换句话说，即使在电阻线圈经历热膨胀时，绝缘材料410也防止选定区 域中的短路。绝缘材料410是导热的，以允许来自加热器栅格400的热 加热排气气体。相反，绝缘材料410是不导电的。因而，防止流动通过 选定区域的电阻线圈的电流流入到相邻区域中。此外，绝缘材料410可 选定为以与加热器栅格400的热膨胀一致的速率热膨胀。例如，绝缘材 料410可以包括氧化铝。 现在参见图10,分区电阻加热器栅格400包括绝缘緩冲层 420。绝缘緩沖层420位于加热器栅才各400的每个区域之间。例如，绝
缘緩冲层420可包括环绕加热器栅格400的区域1的中心部分422和从 所述中心部分422向外延伸的多个辐条状部分424。多个辐条状部分中 的每个在加热器栅才各400的外部部分的相邻的区域之间延伸。 如上文关于图9所示，绝缘緩沖层420是导热的但不导电。 因而，防止流动通过选定区域的电阻线圏的电流流入到相邻区域中，且 避免短路。例如，绝缘緩沖层420可以包括氧化铝。 在其它应用中，控制才莫块44 (如图l所示)可以检测由于 热膨胀引起的短路。例如，当分区电阻加热器栅格400不包括绝缘材料 410和绝缘緩沖层420中的一个时和/或当绝缘材料410和绝缘緩冲层 420中的一个损坏时，控制模块44可检测短路。例如，控制模块44可 以测量跨过加热器栅格400的未选定(停用)区域的至少一部分的电压。 当检测到电压时(例如，当跨过停用区域中的一个或多个的电压大于阀 值时)，控制模块44确定起用区域与停用区域的相邻一个接触且因 而短路。从而，控制4莫块44可以停用已起用的区域且起用不相邻的区 域。例如，在区域2起用时，当检测到短路时，控制模块44可以停用 区域2且起用区域3。此外，控制模块44可以指示表示加热器栅格400、 绝缘材料410、和绝缘緩冲层420中的一个需要更换的故障。 由于较少的再生时间，本披露可显著地降低燃料经济性恶 化、降低尾管温度、且改进系统稳定性。
权利要求
1. 一种系统，包括颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端和下游端；分区电阻加热器，所述分区电阻加热器从所述上游端隔开布置且包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于或等于1的整数，且其中所述加热器包括电绝缘材料；和控制模块，所述控制模块选择性地至少起用所述N个区域中所选定的一个区域以在从所述N个区域中的所述一个区域下游的所述PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的未选定区域。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器的所述N 个区域中的每个包括涂有所述绝缘材料的电阻线圈。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述绝缘材料布置 在所述N个区域中的相邻区域之间。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述绝缘材料包括 环绕所述N个区域的中心区域的中心部分，和从所述N个区域的所述 中心区域向外延伸且在所述N个区域的所述相邻区域之间延伸的多个 辐条状部分。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述绝缘材料包括 氧化铝。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块确定 所述N个区域中所选定的所述一个区域是否与所述N个区域中的所述 未选定区域中的一个接触。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制模块根据 跨过所述N个区域中的所述未选定区域中的所述一个的电压进行所述 确定。
8. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当所述N个区域中 所选定的所述一个区域与所述N个区域中的所述未选定区域中的一个 接触时，所述控制模块停用所述N个区域中所选定的所述一个区域，且 起用所述N个区域中的所述未选定区域中不与所述N个区域中所选定 的所述一个区域相邻的 一个区域。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个区域中的 所述未选定区域提供应力减轻区域。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块估算 将所述PM过滤器的表面部分加热至温度大于或等于预定温度的加热周 期，并在所述加热周期之后关闭所述加热器。
11. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预定温度为 700°C。
12. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器被隔开 小于或等于1/2英寸的距离。
13. —种方法，包括提供颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气 体的上游端和下游端；将分区电阻加热器从所述上游端隔开布置，所述分区电阻加热器包 括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M 个子区域，其中M是大于或等于1的整数，且其中所述加热器包括电绝 缘材料；和选择性地至少起用所述N个区域中选定的一个区域以在从所述N个 区域中选定的所述一个区域下游的所述PM过滤器下游部分中启动再生， 且停用所述N个区域中的未选定区域。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述加热器的所 述N个区域中的每个包括涂有所述绝缘材料的电阻线圈。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料布 置在所述N个区域中的相邻区域之间。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料包 括环绕所述N个区域的中心区域的中心部分，和从所述N个区域的所 述中心区域向外延伸且在所述N个区域的所述相邻区域之间延伸的多 个辐条状部分。
17. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料包 括氧化铝。
18. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括确定所述N 个区域中所选定的所述一个区域是否与所述N个区域中的所述未选定 区域中的一个接触。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，根据跨过所述N 个区域中的所述未选定区域中的所述一个的电压进行所述确定。
20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于还包括当所述N个区域中所选定的所述一个区域与所述N个区域中的所 述未选定区域中的一个接触时，停用所述N个区域中所选定的所述一个 区i或；和当所述N个区域中所选定的所述一个区域与所述N个区域中的所 述未选定区域中的一个接触时，起用所述N个区域中的所述未选定区域 中不与所述N个区域中所选定的所述一个区域相邻的一个区域。
21. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述N个区域中 的所述未选定区域提供应力减轻区域。
22. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括估算将所 述PM过滤器的表面部分加热至温度大于或等于预定温度的加热周期， 并在所述加热周期之后关闭所述分区加热器。
23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述预定温度为 700 。C。
24. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述加热器被隔 开小于或等于1/2英寸的距离。
全文摘要
本发明涉及电加热颗粒物过滤器的加热器绝缘。具体而言公开了一种系统，其包括颗粒物质(PM)过滤器，所述PM过滤器包括用于接收排气气体的上游端和下游端。分区电阻加热器从所述上游端隔开布置且包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于或等于1的整数，且其中所述分区加热器包括电绝缘材料。控制模块选择性地至少起用所述N个区域中所选定的一个选定区域以在从所述N个区域中所选定的所述一个区域下游的PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的未选定区域。
文档编号F01N3/027GK101392673SQ20081014922
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月17日 优先权日2007年9月17日
发明者A·菲尔普斯, E·V·冈策, K·W·柯比, M·J·小帕拉托尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司