带有分区排气流量控制的电加热颗粒过滤器的制作方法

专利名称：带有分区排气流量控制的电加热颗粒过滤器的制作方法
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过滤器再生系统。
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。
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X个区域的颗粒物质(PM)过滤器。电 加热器包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Y个加热器区段。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。阀组件包括与所述X个区域中的相应区域相关联 的Z个部段。控制模块经由所述阀组件的控制调节在所述PM过滤器再生期间通过所述Z 个部段中的每个的流量。X、Y和Z是整数。 在其它特征中，提供一种方法，包括提供具有X个区域的颗粒物质(PM)过滤器。 提供电加热器，所述电加热器包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Y个加热器区段。 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。在所述PM过滤器再生期间 限制通过所述X个区域中的选定区域的排气流量。X和Y是整数。 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。


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4
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3A是根据本发明的一个实施例的阀和加热器元件组件的侧视图； 图3B是图3A的阀和加热器组件的前视图； 图4A-E是示出了图3A的阀组件的分区操作的前视图； 图5示出了分区进口加热器组件的示例性分区； 图6示出了分区进口加热器组件的示例性分区； 图7示出了图6的分区进口加热器的一个区域中的示范性电阻加热器元件； 图8示出了根据本发明的一个实施例的电加热PM过滤器组件； 图9示出了颗粒过滤器的一部分内的加热；禾口 图10示出了根据本发明的一个实施例的再生方法。
具体实施例方式
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，本发明可应用于压縮点火、火花点火、火花点火直接喷射、均质火
花点火、均质充气压縮点火、分层火花点火、柴油、和火花辅助压縮点火发动机。 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。 现在参考图1，示出了发动机系统100的功能方块图，发动机系统100包括带有阀 组件104的再生系统102。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100包括带有再生系统102的排气系统101。再生系 统102用于去除排气系统101的颗粒过滤器(PF) 103中的颗粒。再生系统102包括阀组件 104，阀组件104调节进入PF103的选定部分中的排气流量。 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106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。
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、压縮冲 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)压縮空气/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 地压縮的点)来规定。 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气缸118的排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物通过 排气系统101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。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。
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101的排气提供动力，且提供压縮 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之前压縮空气。
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。压縮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)可以驱除一些压縮空气进料的热量， 这些热量在空气被压縮时产生且也可由于邻近于排气系统101而增加。可替换的发动机系 统可以包括为进气歧管110提供压縮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IIO
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。传感器 218-230可用于确定发动机和环境状况，发动机和环境状况还可用于调节阀组件104的阀， 调节加热器组件251的电流和/或电压，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可在调节阀组件104时和/或 在执行与控制模块114有关的各种功能时使用。存储器240可包括用于再生PF103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的内容可与关于下文所述的方法描述的一个或多个步骤相关联。 排气系统101包括PF 103、氧化催化剂135、排气歧管250和带有一个或多个加热 器元件的加热器组件251。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。涡轮利于压縮新鲜进气 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。阀组件104用于调节PF103再生期间在PF103的区 域中的排气流量。示例性阀组件在图3A-4E中示出。加热器组件251用于将碳烟加热至再 生温度。示例性加热器元件和加热器组件在图5-7中示出。 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。
在再生期间，将PF103中的碳烟点火。点火的碳烟可由于高排气流率而部分或完 全熄灭。阀组件104用于限制PF103中选定区域中的排气流量。这允许再生过程在选定区 域中发生而不使得点火的碳烟熄灭。加热器组件251用于点火碳烟。加热器组件251产生 的热量使得PF103中选定区域中的碳烟达到点火(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。
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。控制模块114可基于来自于传感器220、252、254、256的信号调节阀组件104的阀和/ 或加热器组件251的电流和电压。 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80(TC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阈值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 期望值时，执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/1且当前碳烟 负载是4g/1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。 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，示出了再生系统300。再生系统300可取代再生系统102和/或可 包括在再生系统102中和/或可与再生系统102相结合。再生系统300包括控制模块302 和PF组件304。PF组件304包括阀组件306、加热元件组件308和PF310。阀组件306用于调节 PF310的选定区域中的排气流量。示例性阀组件在图3A-4E中示出。加热元件组件308用 于加热PF310的选定区域。示例性加热元件和加热元件组件在图5-7中示出。
控制模块302基于例如从本文所公开的传感器接收的信号来控制阀组件306和加 热元件组件308。例如，再生系统300可包括一个或多个传感器，例如进口压力传感器312、进口温度传感器314、出口压力传感器316和出口温度传感器318。在图1中公开了附加的 传感器。 控制模块302可经由磁性驱动器320来调节阀组件的阀。磁性驱动器320可从电 源322接收动力。磁性驱动器320可为控制模块302的一部分或者可为独立的驱动器，如 图所示。 现在参考图3A和3B，示出了根据本发明的一个实施例的阀和加热器元件组件330 的侧视图和前视图。阀和加热器元件组件330包括阀组件331、垫圈332和加热器元件组件 333。垫圈332将阀组件331从加热器元件组件333分开。垫圈332的宽度W可基于阀和 加热器元件组件331 、333的配置以及施加到阀和加热器元件组件331 、333的电流和电压来调节。 阀组件331包括均围绕相应阀杆335旋转的阀或百叶窗(louver) 334。百叶窗334 可由反射热能的材料制成或涂层。例如，反射涂层可应用于百叶窗334的面对PF339的下 游侧，例如侧336。这利于点火且有助于保持碳烟的温度。百叶窗334允许在宽范围的排气 流量内的稳定再生。阀组件331可包括任何数量的百叶窗，可成列和/或行设置。百叶窗 334均可经由一个或多个磁体来开启、关闭和/或调节位置。在所示示例性实施例中，每个 百叶窗334具有相关上部电磁体337和下部永磁体挡块338。百叶窗334可分成与加热器 组件333和PF的区域和/或区相对应的部段或区域。 百叶窗334可通过提供电流给电磁体337或永磁体挡块338来开启和/或关闭。 因而，百叶窗334中的每个可具有全闭位置(当百叶窗与电磁体接触时)、全开位置(当百 叶窗与永磁体挡块接触时)，或者可变地调节至全闭和全开之间的位置。电流可施加到电 磁体337和永磁体挡块338两者以提供部分开启或部分关闭的位置。百叶窗334可调节至 全闭和全开位置之间的任何位置。百叶窗334可独立地、成组地和/或相对于PF的选定区 和/或区域进行开启、关闭或调节位置。每个百叶窗334可具有任何数量的相关磁体、电磁 体、永磁体等。 百叶窗可具有常开或常闭状态。相关磁体可具有与常开或常闭状态相关联的常磁 化或常去磁化状态。用语"常"指的是缺省状态或在对应再生系统去除动力时和/或没有 进行再生时的状态。 加热器元件组件333包括一个或多个加热器元件340。加热器元件位于阀组件331 的下游且设置在PF的前表面上。 在操作中，可选定PF的前部区。与选定前部区相关联的百叶窗可基于排气流量或 来自于本文公开的传感器的信号部分或全部关闭。电流可施加到与选定区相关联的加热器 元件以启动再生。在图4A-E中示出了区域选择的示例。 虽然图3A和3B的实施例包括使用磁性调节活页阀或百叶窗，但是可使用其它阀。 阀可包括双金属装置或其它机械和电力致动器和激励器。 现在参考图4A-E，是示出了图3A的阀组件331的分区操作的前视图。图4A示出 了百叶窗的左上区域关闭。位于左上区域的百叶窗后面或下游的加热元件可被激活。图4B 示出了百叶窗的右上区域关闭。位于右上区域的百叶窗后面或下游的加热元件可被激活。 图4C示出了百叶窗的中心区域关闭。位于中心区域的百叶窗后面或下游的加热元件可被 激活。图4D示出了百叶窗的左下区域关闭。位于左下区域的百叶窗后面或下游的加热元件可被激活。图4E示出了百叶窗的右下区域关闭。位于右下区域的百叶窗后面或下游的 加热元件可被激活。 现在参考图5，示出了分区进口加热器组件350的示例性分区。示例性分区进口 加热器组件350布置在PM过滤器组件352的上游。PM过滤器组件352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PM过滤器 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5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PM过滤器的相应部分在加热和冷却期间 热膨胀和收縮。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的膨胀和收縮引起的应力。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6，示出了分区进口加热器组件360的示例性分区。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l。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7，示出了示范性电阻加热器元件370。加热器元件370可以靠近图6 中的第一周向区域带中的区域中的一个(例如，区域3)布置。加热器元件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。
现在参见图8，示出了电加热PM过滤器组件380。 PM过滤器组件380包括壳体 400、过滤器402、阀组件404和加热器组件406。加热器组件406布置在阀组件404和过滤 器402的基底之间。柴油氧化催化剂(DOC)可并入阀组件404和加热器组件406之间。电 气连接器411可提供电流给阀组件404的区域和加热器组件406的区域，如上所述。
可以理解，加热器组件406可以与过滤器402接触或从过滤器402隔开，以便加热 是对流和/或传导加热。绝缘件412可以布置在加热器组件406和壳体413之间。排气从 上游进口 414进入PM过滤器组件380，且被PM过滤器组件380的一个或更多区域加热。加 热的排气由过滤器402接收。 现在参见图9，示出了PF420的一部分内的加热。排气450通过加热器452且被加 热器452的一个或更多区域加热。如果与PF420隔开，加热后的排气行进距离"d"且然后 由PF420接收。仅作为示例，距离"d"可以为1/2"或更少。PF420可以具有中心进口 454、 通道456、过滤器材料458和位于进口的径向外侧的出口 460。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PF420。加热器452通过对流和/或传导传热，以点 火PF420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456分级进行，而不需要为加热器452维持功率。 现在参考图IO，示出了再生方法。虽然以下步骤主要参考图l-4E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S工是否大于碳烟负载 下限阈值Slt。在当前碳烟负载S工大于下限阈值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S工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S工小于上限阈值Sut时，那么控制过程前进到步骤508。在 当前碳烟负载S工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，那么在步骤508控制过程选择PF的一个 或多个区域。在步骤512，控制过程确定阀组件的百叶窗的位置，如图1、2和3A-4E的阀组 件104、306和331。与选定区域相关联的百叶窗可通过激活或去激活与百叶窗的磁体相关 联的相应磁性驱动器来部分或完全关闭。可选择预定数量的百叶窗以使得背压增加最小。 选定百叶窗至少部分关闭，以限制流动控制区域中的流量，而不完全阻止流动。换句话说， 百叶窗在全闭时泄漏。与选定区域无关的百叶窗可部分或全部开启。百叶窗可能不会完全 覆盖相应开口以允许排气在百叶窗周围泄漏和/或可例如被穿孔以允许泄漏通过百叶窗。
百叶窗位置在再生期间可在不同状态之间调节且可基于在步骤501中获得的传 感器信息和当前碳烟负载。所述位置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。在步骤514，控制过程基于所确定位置 来调节百叶窗位置。 在步骤516，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518，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。加热时间段也可以基于百叶窗位置、选定区域 的百叶窗数量和尺寸、百叶窗的反射特性、与每个百叶窗相关联的排气泄漏。排气泄漏指的 是在全闭时通过和/或绕过特定区域的百叶窗的排气量。
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70(TC或更大。在替代步骤520-步骤516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。 通过邻近的加热元件放出的辐射热能，百叶窗被清除掉颗粒物质。 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。当对于选定区域再生完成时，相关百叶窗或阀可 通过排气流量和提供给阀的相关磁体和/或装置的电流调节相结合来开启。相应磁体可被 激励或去激励以开启阀。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。 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相关下游部分内的再生。在所述区域再生之后，一个或多个其它区 域被激活，同时其它区域被去激活。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。 上述分区流量控制使用电加热PF提供更广泛的再生窗口。这消除了燃料后喷射 部件或燃料加热的PF再生系统部件的需要，因为电加热PF系统可在高排气流量状况期间 使用。电加热PF系统可在整个车辆速度操作范围内使用。 本发明提供具有短再生时间段和从而短PF总再生时间的低功率再生技术。由于 较少的再生时间，本发明可实质上降低燃料经济损失，降低尾管温度，并改进系统稳定性。
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。
权利要求
一种系统，包括包括X个区域的颗粒物质(PM)过滤器，其中X是整数；电加热器，所述电加热器包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Y个加热器区段，其中Y是整数，其中，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；阀组件，所述阀组件包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Z个部段，其中Z是整数；和控制模块，所述控制模块经由所述阀组件的控制来调节在所述PM过滤器再生期间通过所述Z个部段中的每个的流量。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述阀组件包括与所述Z个部段中的每个相关联 的百叶窗，且其中，所述控制模块通过激活与所述Z个部段中的选定部段相对应的相应百叶窗来调 节通过所述Z个部段中的选定部段的排气流量。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀组件包括与所述Z个部段中的第一个相对应的第一组百叶窗；禾口与所述z个部段中的第二个相对应的第二组百叶窗。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中，在第一时间段期间，所述控制模块开启所述第一 组百叶窗，且然后在第二时间段内开启所述第二组百叶窗并关闭所述第一组百叶窗。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀组件包括百叶窗； 第一组磁体；禾口 第二组磁体，其中，所述第一组磁体和所述第二组磁体中的至少一个被激励以关闭所述百叶窗，且 所述第一组磁体和所述第二组磁体中的至少一个被激励以开启所述百叶窗。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀组件包括 百叶窗；第一组磁体；禾口 第二组磁体，其中，所述第一组磁体和所述第二组磁体中的至少一个被去激励以关闭所述百叶窗， 且所述第一组磁体和所述第二组磁体中的至少一个被去激励以开启所述百叶窗。
7. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀组件包括百叶窗， 其中，在处于开启状态时，所述百叶窗允许排气的无限制通过，且 其中，在处于关闭状态时，所述百叶窗限制且允许排气的通过。
8. 根据权利要求1所述的系统，还包括 电源；和磁性驱动器，其中，所述阀组件包括与所述Z个部段中的每个相对应的N个百叶窗和M个磁体，其中 N和M均是大于1的整数，且其中，控制模块致动所述M个磁体中的选定磁体，以通过允许功率从电源传到与所述M个磁体中的选定磁体相关联的磁性驱动器来调节与所述Z个部段中的选定部段相对应的所述N个百叶窗中的选定百叶窗的位置。
9. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀组件还包括反射辐射热能的百叶窗。
10. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述阀组件包括各具有N个位置的百叶窗，其中N是大于2的整数，且其中，控制模块选择性地将所述百叶窗设置在所述N个位置之一。
11. 根据权利要求l所述的系统，其中，控制模块基于PM过滤器的碳烟负载来调节通过所述Z个部段中的每个的排气流量。
12. —种方法，包括提供具有X个区域的颗粒物质(PM)过滤器，其中X是整数；提供电加热器，所述电加热器包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Y个加热器区段，其中Y是整数，其中，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；禾口在所述PM过滤器再生期间限制通过所述X个区域中的选定区域的排气流量。
13. 根据权利要求12所述的方法，还包括提供阀组件，所述阀组件包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Z个部段；禾口限制通过与所述X个区域中的选定区域相对应的所述Z个部段之一的排气流量。
14. 根据权利要求13所述的方法，包括通过激活与所述Z个部段中的选定部段相对应的相应百叶窗来调节通过所述Z个部段中的选定部段的排气流量。
15. 根据权利要求13所述的方法，包括在第一时间段期间，开启阀组件的第一组百叶窗，且然后在第二时间段内开启阀组件的第二组百叶窗并关闭所述第一组百叶窗。
16. 根据权利要求13所述的方法，还包括激励第一组磁体以关闭所述阀组件的百叶窗和激励第二组磁体以开启所述百叶窗。
17. 根据权利要求13所述的方法，还包括去激励第一组磁体以关闭所述阀组件的百叶窗和去激励第二组磁体以开启所述百叶窗。
18. 根据权利要求13所述的方法，还包括提供电源；提供磁性驱动器；禾口致动所述阀组件的M个磁体中的选定磁体，以通过允许功率从电源传到与所述M个磁体中的选定磁体相关联的磁性驱动器来调节与所述Z个部段中的选定部段相对应的所述阀组件的N个百叶窗中的选定百叶窗的位置，其中N和M均是大于1的整数。
19. 根据权利要求13所述的方法，还包括选择性地将阀组件的N个百叶窗中的每个设置在M个位置之一，其中N是大于1的整数，M是大于2的整数。
20. 根据权利要求1所述的系统，还包括基于PM过滤器的碳烟负载来调节通过所述Z个部段中的每个的排气流量。
全文摘要
本发明涉及带有分区排气流量控制的电加热颗粒过滤器。一种系统，包括具有X个区域的颗粒物质(PM)过滤器。电加热器包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Y个加热器区段。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。阀组件包括与所述X个区域中的相应区域相关联的Z个部段。控制模块经由所述阀组件的控制调节在所述PM过滤器再生期间通过所述Z个部段中的每个的流量。X、Y和Z是整数。
文档编号F01N3/027GK101793182SQ20101010857
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年1月23日
发明者E·V·冈泽, M·J·小帕拉托尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司