基于电加热颗粒过滤器区的燃料后喷系统的制作方法

专利名称：基于电加热颗粒过滤器区的燃料后喷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机的发动机控制系统，更具体地涉及颗粒过滤器再生系统。
背景技术：
本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，有可能并不构成现有技术。发动机，例如柴油发动机，产生颗粒物质(PM)，其通过例如壁流PM过滤器的PM过 滤器从排气中滤出。PM过滤器布置在发动机的排气系统中。PM过滤器减少燃烧期间产生 的PM的排放。随着时间的流逝，PM过滤器会变满。在再生期间，PM可在PM过滤器内燃烧。再生 可涉及将PM过滤器加热到PM的燃烧温度。存在多种执行再生的方法，包括修改发动机管 理、禾_燃料燃烧器、禾_催化氧化器来借助燃料后喷提高排气温度、禾_电阻加热线圈以 及/或者利用微波能量。电阻加热线圈通常布置成与PM过滤器接触以允许通过传导和对 流进行加热。可利用排气加热技术或利用电加热技术进行再生。排气加热技术是指例如通过燃 料后喷加热排气。在发动机的燃烧循环期间，空气/燃料混合物被压缩并在发动机的气缸 内被点燃。为了稳健性并利于再生，可在燃烧循环期间并在空气/燃料混合物点燃之后将 燃料喷射到气缸内或者喷射到排气流中。此外或可替代地可将燃料喷射到排气流中或排气 系统中。当在点火期间或点火之后以及/或者燃烧循环的排气冲程期间或之后被引入时， 称为后喷(PI)燃料的喷射燃料与排气混合并被布置在排气系统中的氧化催化剂氧化。由 催化剂中的氧化反应释放的热使排气系统升温，这利于PM过滤器中颗粒的点燃。电加热技术是指电加热进入PM过滤器的排气。可在PM过滤器的上游布置一个或 多个电线圈，并可启用所述线圈以加热排气。这提供PM的快速加热及起燃。利用燃料的PM削减系统倾向于降低燃料经济性。例如，很多基于燃料的PM削减 系统会使燃料经济性下降5%。为了提高燃料经济性，利用电加热PM削减系统。当电加热 PM削减系统与基于燃料的PM削减系统结合使用时，在PM过滤器内会产生膨胀力和压缩力。 该膨胀力和压缩力是由例如PM过滤器的电加热区与非电加热区之间的温差引起的。膨胀 力和压缩力在PM过滤器上产生应力，这可引起例如PM过滤器的堇青石基板破裂。

发明内容
在一个实施例中，提供一种包括具有多个区的颗粒物质(PM)过滤器的系统。电加 热器包括与所述区中的相应区相关联的加热器部段。所述电加热器布置在PM过滤器的上 游并靠近该PM过滤器。燃料后喷系统将燃料喷射到发动机的气缸和排气系统中的至少一个内。控制模块选择所述区中的一个区，基于所述区中的该选定区调节燃料后喷，并利用所 述加热器部段中的相应加热器部段加热所述区中的该选定区。 因此，根据本发明，提供一种系统，该系统包括颗粒物质，即PM过滤器，其包括多 个区；电加热器，其包括与所述多个区的相应区相关联的多个加热器部段，其中所述电加热 器布置在所述PM过滤器的上游并靠近该PM过滤器；燃料后喷系统，其将燃料喷射到发动机 的气缸和排气系统中的至少一个内；以及控制模块，其选择所述多个区中的一个，基于所述 多个区中的该选定区调节燃料后喷，并利用所述多个加热器部段中的相应加热器部段电加 热所述多个区中的该选定区。优选地，所述控制模块在启用与所述多个区中的第一区相关联的第一加热器部段 时设定第一燃料后喷水平，并在启用与所述多个区中的第二区相关联的第二加热器部段时 设定第二燃料后喷水平。优选地，所述第一燃料后喷水平与比所述第二燃料后喷水平喷射更多的后喷燃料相关。优选地，与所述多个区中的第二区相比，所述多个区中的第一区更靠近所述PM过 滤器的周边；并且其中在不启用所述多个区中的第二区时启用所述多个区中的第一区。优选地，所述多个区中的第一区为环形，所述多个区中的第二区为圆形。优选地，所述多个区中的第一区至少部分地环绕所述多个区中的第二区。优选地，所述控制模块在电加热所述多个区中的第一区时利用所述燃料后喷系统 将排气温度提高至第一预定水平；其中所述控制模块在电加热所述多个区中的第二区时利 用所述燃料后喷系统将排气温度提高至第二预定水平；并且其中所述第一预定水平大于所 述第二预定水平。优选地，与所述多个区中的第二区相比，所述多个区中的第一区更靠近所述PM过 滤器的周边。优选地，所述控制模块在相同时期内电加热所述多个区中与所述PM过滤器的中 心相距不同距离的区。优选地，所述控制模块有选择地启用所述电加热器并基于所述PM过滤器的煤烟 负载利用所述燃料后喷系统提供后喷燃料。在其它特征中，提供一种方法，该方法包括设置具有多个区的PM过滤器。将电加 热器布置在所述PM过滤器的上游并靠近该PM过滤器，其中所述电加热器包括与所述区的 相应区相关联的加热器部段。利用燃料后喷系统向发动机的气缸和排气系统中的至少一个 内喷射燃料。选择所述区中的一个用于再生。基于所述区中的该选定区调节燃料后喷。利 用所述加热器部段中的相应加热器部段电加热所述区中的该选定区。优选地，所述方法还包括在启用与所述多个区中的第一区相关联的第一加热器 部段时设定第一燃料后喷水平；以及在启用与所述多个区中的第二区相关联的第二加热器 部段时设定第二燃料后喷水平。优选地，在所述方法中，所述第一燃料后喷水平与比所述第二燃料后喷水平喷射 更多的后喷燃料相关。优选地，在所述方法中，与所述多个区中的第二区相比，所述多个区中的第一区更 靠近所述PM过滤器的周边；并且其中在不启用所述多个区中的第二区时启用所述多个区
4中的第一区。优选地，在所述方法中，所述多个区中的第一区为环形，所述多个区中的第二区为 圆形。优选地，在所述方法中，所述多个区中的第一区至少部分地环绕所述多个区中的
第二区。优选地，所述方法还包括在电加热所述多个区中的第一区时利用所述燃料后喷 系统将排气温度提高至第一预定水平；以及在电加热所述多个区中的第二区时利用所述燃 料后喷系统将排气温度提高至第二预定水平；其中所述第一预定水平大于所述第二预定水 平。优选地，在所述方法中，与所述多个区中的第二区相比，所述多个区中的第一区更 靠近所述PM过滤器的周边。优选地，所述方法包括在相同时期内电加热所述多个区中的与所述PM过滤器的 中心相距不同距离的N个区，其中N为大于1的整数。优选地，所述方法包括有选择地启用所述多个加热器部段中的加热器部段并基于 所述PM过滤器的煤烟负载利用所述燃料后喷系统提供后喷燃料。从以下提供的详细描述中将会清楚本公开的其它应用领域。应当理解，这些详细 描述和具体实例仅用于说明之目的，并不意图限制本公开的范围。


从详细说明和附图将会更充分地理解本公开，在附图中图1是示出再生期间的应力的热膨胀图；图2是根据本公开的实施例的发动机系统的功能框图；图3是根据本公开的实施例的再生系统的功能图；图4是根据本公开的实施例的双区PM过滤器的剖视图；图5是根据本公开的实施例的五区PM过滤器的剖视图；图6示出分区入口加热器的示例性分区；图7示出分区入口加热器的示例性分区；图8示出图6的分区入口加热器的其中一个区中的示例性电阻加热器；
图9示出电加热PM过滤器；图10示出颗粒过滤器的一部分内的加热；图11示出根据本公开的实施例的多区PM过滤器的再生方法；以及图12示出根据本公开的实施例的双区PM过滤器的再生方法。
具体实施例方式实质上，以下描述仅仅是示例性的，而绝不意图限制本公开及其应用或使用。为清 楚起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。用在本文中时，短语“A、B和C中 至少一个”应当解释为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不 改变本公开原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法中的步骤。用在本文中时，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多
5种软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组的)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。此外，尽管以下实施例主要针对示例性内燃发动机进行描述，然而本公开的实施 例可应用于其它发动机。例如，本公开可应用于压燃式、火花点火式、火花点火直喷式、均质 火花点火式、均质充量压燃式、分层火花点火式发动机、柴油发动机以及火花辅助压燃式发 动机。此外，在以下描述中，使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语。这些术语不特 指任何一个装置或元件。根上下文可能使用不止一种所述术语指代相同装置。例如，可能 使用术语“第一”和“第二”来指代同一模块。而且，本文公开了各种传感器和参数。这些参数可基于来自对应传感器的信号而 直接确定或者可间接确定。当间接确定时，这些参数可基于来自非对应传感器的信号、基于 确定的发动机和/或排气系统工作状况和/或基于预定值。例如，穿过排气系统的外部区 域的气流可借助空气流量传感器直接确定，或者可基于来自车速传感器和/或其它传感器 的信息进行估计。电加热颗粒物质过滤器(PF)的使用是PF再生的有效技术。可利用电加热PF将 PF的再生分成区，这允许利用煤烟作为燃料快速再生而不会损坏PF。电加热PF可在少于 五分钟内再生，这与排气加热再生技术(例如燃料后喷技术)所用的20至30分钟形成对 比。当排气流速增大时，由电加热元件启动再生的便利性和能力会下降。因而，例如当排气 流速在预定范围内时，可使用燃料后喷和电加热这两者来启动和/或促进再生。现在参照图1，示出了热膨胀图。该热膨胀图示出了具有电加热区的双区PM过滤 器10在燃料后喷期间所经受的膨胀力和压缩力。虽然示出了双区PM过滤器，然而可包括 任何数量的区。该热膨胀图仅作为实例提供，根据PM过滤器的区构造(区的数量和布置)、 被电加热的区、排气温度、区温度等可经受其它的膨胀力和压缩力。当PM过滤器的特定区被加热时，该区膨胀而在该加热区外未被电加热并/或比 该被加热区冷的PM过滤器元件上施加向外的压力。所述PM过滤器元件可包括PM过滤器 基板的部分、PM过滤器的外壳或壳体的部分以及PM过滤器基板和所述壳体之间的元件，例 如绝缘元件。未被电加热的元件可例如处于比被电加热的元件低的排气温度下。仅作为示 例，在燃料后喷期间，排气温度可为大约450°C，而电加热区可处于大约850°C。这一 400°C 的温差在PM过滤器的被电加热的元件和未被电加热的元件之间产生膨胀力和压缩力。在图1的实例中，PM过滤器10的截面区域示出为分成两个区，即内圆形区12和 外环形区14。如本文中所描述的，PM过滤器的截面区域或截面是指与在PM过滤器的入口 和出口之间延伸的PM过滤器的纵向轴线垂直的区域。所述截面区域或截面从该纵向轴线 径向向外延伸。使用时，内圆形区12位于外环形区14内。内圆形区12被电加热时在外环形区14上施加膨胀力。处于排气温度(例如， 3000C )的外环形区14对处于更高温度(例如，850°C )下的内圆形区12施加压缩力。与 内圆形区12相比，外环形区14相对较凉。因此，外环形区14通过压缩而限制内圆形区12 的膨胀。当PM过滤器的加热区的尺寸相对于PM过滤器的截面区域增大时，或者加热区越 靠近PM过滤器的周边时，膨胀力和压缩力(应力)会增大。应力的增大会引起PM过滤器的基板破裂。加热区越靠近PM过滤器的周边，可由加热区与PM过滤器的壳体之间的材料 吸收的膨胀力就越少。例如，当外环形区14被电加热时，外环形区14在PM过滤器10的壳 体或外壳16上施加向外的力。由于外壳16为刚性结构，因此外壳16提供微小膨胀，从而 吸收微量的膨胀力。热膨胀力F可由表达式1表述如下，其中α为膨胀系数，ΔΤ为温差，E为杨氏模 量，P为加热区的PM过滤器截面的周长。F= α Δ TEP (1)当给定体积的材料量增大时，膨胀力F增大。体积变化可例如与材料的截面积、尺 寸、直径、长度和/或周长的变化相关。下述实施例基于PM过滤器的被电加热的区调节燃料后喷操作以将由于膨胀力和 压缩力而引起的应力维持在预定水平(例如，4.0兆帕(MPa))之下。现在参照图2，示出了发动机系统100，其包含执行燃料后喷和电加热PF再生的再 生系统101。尽管以下实施例针对混合动力车辆，然而本文公开的实施例可应用于非混合动 力车辆。该发动机系统包括排气系统102，其包括再生系统101。再生系统101用于移除排 气系统102的PF 103中的颗粒。该再生系统通过执行燃料后喷和/或通过电加热排气和 /或PF 103的上游部分而使PF 103再生。加热器组件104位于PF 103的上游，并可被启 用以启动再生。发动机系统100包括发动机105，其使空气/燃料混合物燃烧以基于驾驶员输入模 块104产生用于车辆的驱动扭矩。通过节气门112将空气吸入进气歧管110中。可称为发 动机控制模块的控制模块114指令节气门致动器模块116调节节气门112的开度以控制吸 入进气歧管110中的空气量。发动机系统100和/或控制模块114可包括一个或多个图2 的模块。来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入气缸118中。控制模块114利用 包括一个或多个燃料喷射器125的燃料喷射系统124控制在燃烧循环期间燃料喷射到发动 机105的各气缸中的量、正时和次数。燃烧循环可指气缸的进气冲程、压缩冲程、点火冲程 和排气冲程。燃料喷射系统124可在中央位置将燃料喷射到进气歧管110中，或者可在多 个位置将燃料喷射到进气歧管110中，例如在各气缸的进气门附近。可替代的是，燃料喷射 系统124可如所示那样将燃料直接喷射到气缸中。燃料在点火冲程之前与空气一起喷射并在气缸118中形成空气/燃料混合物。气 缸118内的活塞(未示出)压缩空气/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给气缸118中的火花塞128通电，这点燃空气/燃料混合物。火花正时可 相对于活塞位于其最上位置的时刻而确定，所述最上位置称为上止点(TDC)，是空气/燃料 混合物被最大程度压缩的点。在点火冲程期间或之后喷射的燃料(后喷燃料)例如与相应 气缸中的排气混合并被释放到排气系统134中。空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下，从而驱动旋转曲轴(未示出)。活塞接着 开始再次向上运动并通过排气门130排出燃烧的副产物。燃烧副产物经由排气系统134从 车辆排出。排气穿过氧化催化剂135和PF 103。本文公开的实施例可应用于包括氧化催化 剂、颗粒过滤器和/或其它催化剂及后处理部件的后处理系统。进气门122可由进气凸轮轴140控制，而排气门130可由排气凸轮轴142控制。在
7各种实施方式中，多个进气凸轮轴可控制每个气缸的多个进气门并且/或者可控制多个气 缸组的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可控制每个气缸的多个排气门并且/或者可控制 多个气缸组的排气门。气缸致动器模块120可通过终止燃料和火花的提供并且/或者禁用 其排气门和/或进气门而停用气缸。控制模块114可调节进气门122和/或排气门130的位置以增大摄入气缸118中 的燃料量。控制模块114还可调节燃料喷射器125的工作，例如ON时间或喷射器开度大小， 以增大喷射到气缸118中的燃料量。控制模块114还可调节与空气/燃料混合物的变化相 对应的排气凸轮轴的正时。可通过进气凸轮相位器148改变进气门122相对于活塞TDC的打开时刻。可通过 排气凸轮相位器150改变排气门130相对于活塞TDC的打开时刻。相位器致动器模块158 基于来自控制模块114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。控制系统100可包括向进气歧管110提供加压空气的加压装置。例如，图2绘出 了涡轮增压器160。涡轮增压器160由流过排气系统134的排气供能并向进气歧管110提 供压缩气体充量。涡轮增压器160可在空气到达进气歧管110之前压缩空气。废气旁通阀164可允许排气绕过涡轮增压器160，从而减小涡轮增压器的输出(或 增压)。控制模块114借助增压致动器模块162控制涡轮增压器160。增压致动器模块162 可通过控制废气旁通阀164的位置而调制涡轮增压器160的增压。压缩空气充量由涡轮增 压器160提供至进气歧管110。中间冷却器(未示出)可耗散压缩空气充量的部分热，这些 热是在空气被压缩时产生的并且可能还会由于靠近排气系统134而增大。可替代发动机系 统可包括向进气歧管110提供压缩空气并由曲轴驱动的增压器。发动机系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，其有选择地将排气重新引回进气 歧管110。在各种实施方式中，EGR阀170可位于涡轮增压器160之后。发动机系统100可 利用发动机速度传感器180测量以每分钟转数(RPM)为单位的曲轴速度。可利用发动机冷 却剂温度(ECT)传感器182测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可位于发动机105 内或位于冷却剂循环的其它位置，例如散热器(未示出)处。可利用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在各种实施 方式中，可测量发动机真空，其中发动机真空是环境空气压力与进气歧管110内的压力之 差。流入进气歧管Iio内的空气质量可利用质量空气流量(MAF)传感器186测量。MAF传 感器186可位于包含节气门112的壳体中。节气门致动器模块116可利用一个或多个节气门位置传感器(TPS) 190监测节气 门112的位置。正被吸入发动机系统100内的空气的环境温度可利用进气温度(IAT)传感 器192测量。控制模块114可利用来自传感器的信号为发动机系统100做出控制决策。控制模块114可与变速器控制模块194通讯以协调变速器(未示出)中的换档。 例如，控制模块114可在换档期间减小扭矩。控制模块114可与混合动力控制模块196通 讯以协调发动机105与电机198的运行。电机198还可用作发电机，并可用于产生车辆电 气系统所用的和/或用于储存在电池中的电能。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可集成为一个或多个模块。发动机105和电机198的组合扭矩施加至变速器202的输入。变速器202可以是 根据来自控制模块114的档位变化命令切换齿轮的自动变速器。变速器202的输出轴与差动器204的输入联接。差动器204驱动轴和车轮200。轮速传感器206产生指示其相应车 轮200的转速的信号。控制模块114基于所接收到的传感器信号以及本文所述的其它参数估计要提供 的发动机输出扭矩。控制模块114可调节节气门位置、空气-燃料比、气门正时、燃料喷射 等，以提供估计的发动机输出扭矩。基于期望的发动机输出扭矩，实现期望的空气流量、期 望的燃料喷射以及/或者期望的火花正时。期望的发动机输出扭矩可基于车辆操作员(驾 驶员)请求和/或可基于控制器，例如来自巡航控制系统的扭矩输出请求。具体地说，控制 模块114基于本公开的经协调的扭矩控制方法和系统控制发动机的扭矩输出。控制模块114接收到的传感器信号可包括来自MAP传感器184、MAF传感器186、 节气门位置传感器190、IAT传感器192、加速器踏板位置传感器195或其它传感器的传感 器信号，所述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、油温传感器199和车速传感器201。控制模块114与节气门致动器模块116通讯。控制模块114接收来自节气门位置 传感器190的节气门位置信号并基于该节气门位置信号调节节气门位置。控制模块114可 基于加速器踏板193的位置利用节气门致动器控制节气门112。可基于来自传感器184、186的信号确定并/或估计每个气缸的空气质量、体积和 压力。控制模块114可基于期望的MAP和期望的MAF调节发动机和排气系统装置。期望的 MAP和MAF可基于发动机速度信号和扭矩请求信号确定。发动机系统100还可包括其它传感器218，例如以上未提到的排气流量传感器 220、EGR传感器222、环境传感器224、氧气传感器226以及发动机传感器230。环境传感器 224可包括海拔传感器、环境温度传感器197、大气压力传感器以及空气流量传感器，如图2 中所示。环境传感器224可用于确定环境条件，环境条件可进一步用于调节燃料的后喷并 /或确定期望的节气门面积。期望的节气门面积可对应于特定的节气门位置。发动机系统100还可包括存储器240，在执行燃料后喷时以及/或者执行与控制模 块114的模块相关联的各种功能时可利用该存储器。控制模块114的示例模块根据图2的 实施例示出并描述。存储器240可包括各种表242，这些表可包括用于燃料后喷控制的预定 排气温度值、预定环境条件值、修正因子、系数值等。存储器240的内容可与针对图3的实 施例描述的一个或多个步骤相关联。排气系统134包括排气歧管250、氧化催化剂135以及PF 103。任选的是，EGR阀 (未示出)使一部分排气再循环回到进气歧管110中。其余排气被引入涡轮增压器160中 以驱动涡轮。涡轮利于新鲜进气的压缩。排气从涡轮增压器160流过氧化催化剂135并流 入PF 103。氧化催化剂135基于后期燃烧的空气/燃料比来氧化排气。氧化量升高排气的 温度。PF 103接收来自氧化催化剂135的排气并过滤排气中存在的任何煤烟颗粒。利用燃 料后喷将煤烟加热至再生温度。控制模块114基于各种感测信息和煤烟负载控制发动机和PF 103的再生。更具 体地说，控制模块114估计PF 103的负载。当所估计的负载处于预定水平并/或排气流速 位于期望范围内时，可启用再生。再生过程的持续时间可基于PF 103内所估计的颗粒物质 的量而改变。可在整个再生过程中调节燃料后喷。后喷(PI)燃料和/或后期燃烧空气/燃料混合物被传送至氧化催化剂135，并可由氧化催化剂135氧化，这会加热PF 103。氧化催化剂135促进未燃烧燃料的氧化，并利用 氧化反应产生的热使排气升温。这些热可致使PF 103中的煤烟达到燃点(起燃点)并因 此开始再生。煤烟的点燃产生放热，该放热沿着PF 103传播并加热下游煤烟，从而使再生 过程继续。在再生期间，可利用后喷并/或利用加热器组件104的电加热元件点燃煤烟。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和254、排气温度传感器256等，用以确定排气流量水平、排气温度水平、排气压力水平等。PF 103可具有相关联的预定再生温度工作范围、预定再生工作温度以及/或者预 定峰值工作温度。峰值工作温度可与潜在劣化点相关联。例如，PF在工作温度大于800°C 时可能会开始损坏。峰值工作温度可针对不同的PF而异。峰值工作温度可与PF的一部分 的平均温度或PF整体的平均温度相关联。为了防止损坏PF 103、提高燃料经济性并提供有效的再生过程，可基于启用的PM 过滤器的区而调节燃料后喷。可为PM过滤器的最内区提供第一水平的燃料后喷。对于启 用的更靠近PM过滤器的截面周边的区，燃料后喷可增加到大于第一水平的水平。针对图4 和图10的实施例描述了实例。启用区的顺序可变化。更靠近周边的区可在位于更中央的 区之前启用，反之亦然。而且，为了防止损坏PM过滤器并提高PM过滤器的工作寿命，本公开的实施例可基 于煤烟负载调节PM过滤器再生。为PM过滤器设定目标最大工作温度。当煤烟负载小于或 等于与最大工作温度关联的煤烟负载水平时执行再生。当煤烟负载水平较低或位于预定范 围内时可执行再生。所述预定范围具有与最大工作温度相关联的煤烟负载上阈值Sut。限 制PM过滤器的峰值工作温度能最小化PM过滤器中的压力和PM过滤器的膨胀。在一个实 施例中，估计煤烟负载并基于此执行再生。在另一实施例中，当煤烟负载大于再生所期望的 煤烟负载时，执行缓解策略以降低再生期间PM过滤器的峰值温度。可根据诸如里程、排气压力、经过PM过滤器的排气压降等的参数估计和/或预测 煤烟负载。里程是指车辆里程，其可用于估计车辆发动机运行时间和/或产生的排气量。 仅作为实例，可在车辆行驶了大约200至300英里时执行再生。所产生的煤烟量通常取决 于车辆的负载量和随时间推移的使用。在怠速时，比在较高速度下运行时产生更少的煤烟。 所产生的排气量与PM过滤器中的煤烟负载状态有关。可利用排气压力来估计在一段时间内产生的排气量。当排气压力超过预定水平时 可执行再生。例如，当进入PM过滤器的排气压力超过预定水平时，可执行再生。作为另一 实例，当离开PM过滤器的排气压力在预定水平以下时，可执行再生。可利用排气压降来估计PM过滤器中的煤烟量。例如，当压降增大时，煤烟负载量 增大。可通过确定进入PM过滤器的排气压力减去离开PM过滤器的排气压力而确定排气压 降。可利用排气系统压力传感器提供这些压力。一种预测方法可包括确定一种或多种发动机运行状况，例如发动机负载、燃料供 应方案、燃料喷射正时以及排气再循环(EGR)。可基于发动机状况利用累计权重因子。累计 权重因子与煤烟负载相关。当累计权重因子超过阈值时，可执行再生。基于PM过滤器的估计煤烟负载和预定峰值工作温度，执行再生以防止PM过滤器 在峰值工作温度以上的温度下工作。
设计一种以选定煤烟负载为目标的控制系统允许在不需要侵入式控制的情况下 进行PM过滤器再生。本文所提供的稳健再生策略在限制峰值工作温度的同时从PM过滤器 移除煤烟。对峰值工作温度的限制减小了 PM过滤器的基板上的热应力，因而防止了可由高 煤烟放热引起的PM过滤器的损坏。因此，提高了 PM过滤器的耐用性。当煤烟负载大于与设定峰值再生温度相关联的阈值水平时，可执行缓解策略以降 低再生期间的PM过滤器峰值温度。例如，当最大煤烟负载阈值设定为大约2g/l而当前煤 烟负载为4g/l时，调节发动机运行以最小化再生期间PM过滤器内的温度。该调节可包括 氧气控制以及排气流量控制。例如，当发动机运行成在长的时期内接收高进气流速时，煤烟负载可大于上阈值 水平。在长的高速公路入口坡道上或在高速公路上加速期间可发生这种运行。作为另一实 例，当发动机的节气门在长的时期内在全“开”和全“关”之间被连续致动时，可超过煤烟负 载上阈值。高的空气流速可阻止或限制PM过滤器的再生。在氧控制期间，进入PM过滤器的氧量降低以降低再生期间PM过滤器的放热温度。 为降低氧水平，可减小空气流量，可增大EGR，并/或可增大燃料喷射。可增大发动机气缸内 的燃料喷射和/或进入相关排气系统中的燃料喷射。更多燃料的燃烧会降低排气系统中存
在的氧量。排气流的大大增加可辅助区分或最小化PM过滤器中的放热反应。排气流控制可 包括通过变速器减挡或通过增大怠速而增大排气流。发动机速度的增大会增大排气流的量。现在参照图3，示出了发动机105的再生系统101，和对应的排气系统102，。再生 系统101’包括再生控制模块300，其可为图2的控制模块114的一部分。再生控制模块300 包括加热器控制模块302和后喷控制模块304。加热器控制模块302控制加热器组件104 的工作。后喷控制模块304可控制用于将燃料直接喷射到排气系统102’中的燃料喷射器 308和/或燃料泵306的工作。后喷控制模块304还可或者可替代地控制向发动机105的 气缸中的燃料后喷。排气系统102，包括第一 DOC 320、选择性催化还原(SCR)装置322和PF组件324。 SCR装置322位于第一 DOC 320的下游。PF组件324位于SCR装置322的下游。第一组混 合器326可位于第一 DOC 320与SCR装置322之间。第二组混合器328可位于SCR装置 322与PF组件324之间。排气系统102’可包括具有尿素喷射器330的尿素系统。尿素喷射器330可将尿 素直接喷射到排气系统102中，例如在第一 DOC 320与第一组混合器326之间，如图所示。 排气系统102’还可包括用于燃料后喷的燃料喷射器308。燃料喷射器308可将燃料直接喷 射到排气系统102’中，例如在SCR装置322与第二组混合器328之间，如图所示。PF组件324可包括第二 DOC 332、加热器组件104和PF 103。加热器组件104位 于第二 DOC 332的下游。PF 103位于加热器组件104的下游。在图4和图5中，示出了双区PM过滤器333和五区PM过滤器334的剖视图。PM 过滤器333和334可用于取代图3的PF 103，并且加热器组件104可相应分区。双区PM过 滤器333包括内圆形区335、外环形区336以及外壳337。五区PM过滤器334包括内圆形 区338、两个中央半环形区339、四个外四分之一环形区340和外壳341。
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对于双区PM过滤器333，与内圆形区335相关联的燃料后喷水平可高于(例如，更 大量的燃料被后喷到发动机的气缸中或者排气系统中)与外环形区336相关联的燃料后喷 水平。在一个实施例中，当内圆形区335被电加热时，提供燃料后喷以将排气温度升高至大 约450°C。当外环形区336被电加热时，提供燃料后喷以将排气温度升高至大约550°C。对于五区PM过滤器334，针对两个中央半环形区339的燃料后喷水平可高于(大 于)针对内圆形区338的燃料后喷水平。同样，针对四个外四分之一环形区340的燃料后 喷水平可高于针对两个中央半环形区339的燃料后喷水平。两个中央半环形区339可不同 时启用。同样，四个外四分之一环形区340也可不同时启用。这减小了在特定时期内施加 的应力。现在参照图6，示出了用于PF组件324的示例性分区入口加热器350。电加热PF 组件324布置成与PF组件324隔开或与其接触。PF组件324包括多个隔开的加热器区，包 括区1(具有子区1A、1B和1C)、区2(具有子区2A、2B和2C)以及区3 (具有子区3A、3B和 3C)。区1、2和3可在不同的相应时期内启用。当排气流过加热器的启用区时，在最初接收被加热排气的PF的对应部分(例如， 启用区的下游区域)中或者由级联燃烧的煤烟点燃的下游区域中发生再生。PF的不位于启 用区下游的对应部分用作应力缓解区。例如，启用子区1A、1B和1C，而子区2A、2B、2C、3A、 3B和3C用作应力缓解区。PF的位于启用加热器子区1A、1B和IC下游的对应部分在加热和冷却期间热膨胀 和收缩。应力缓解子区2A和3A、2B和3B以及2C和3C缓解由加热器子区1A、1B和IC的 膨胀和收缩引起的应力。在区1完成再生之后，可启用区2，从而区1和3用作应力缓解区。 在区2完成再生之后，可启用区3，从而区1和2用作应力缓解区。现在参照图7，示出了另一示例性分区入口加热器360。中央部可由包括第一周向 区带的中间区环绕。中间部可由包括第二周向区带的外部环绕。在该实例中，中央部包括区1。第一周向区带包括区2和区3。第二周向区带包括 区1、区4和区5。与上述实施例相同的是，启用区的下游部分再生，而未启用区的下游部分 提供应力缓解。可理解的是，每次可启用区1、区2、区3、区4和区5中的一个。其它区可保 持不被启用。现在参照图8，示出了布置在图6中第一周向区带中的其中一个区(例如，区3)附 近的示例性电阻加热器370。电阻加热器370可包括覆盖相应区以提供充分加热的一个或 多个线圈、加热器部段或导电元件。如图所示，电阻加热器370包括导电的三(3)个加热器 部段372。现在参照图9，更详细地示出了 PF组件324。PF组件324包括壳体380、PF 103、 分区加热器104和第二 DOC 332。分区加热器104可布置在层流元件或第二 DOC 332与PF 103的基板之间。电连接器382可如上所述那样向PF组件324的区提供电流。可理解的是，分区加热器104可与PF 103接触或隔开，使得加热为对流加热和/ 或传导加热。可在分区加热器104和壳体380之间设置绝缘件384。排气从上游入口 386 进入PF组件324，并被PF组件324的一个或多个区加热。加热的排气由PF 103接收。现在参照图10，更详细地示出了 PF组件324内的加热。排气400经过加热器104， 并被加热器104的一个或多个区加热。若与过滤器103隔开，则加热的排气行进距离“d”，
12然后被过滤器103接收。仅作为实例，距离“d”可以为1/2”或更小。过滤器103可具有中 央入口 402、通道404、过滤器材料406和位于入口的径向外侧的出口 408。该过滤器可被催 化。加热的排气致使过滤器中的PM燃烧，这使PM过滤器再生。加热器104通过对流和/ 或传导传递热以点燃过滤器103的前部。当前表面部中的煤烟到达足够高的温度时，关闭 加热器104。煤烟的燃烧于是沿过滤器通道404级联，而无需向加热器104维持动力。现在参照图11，示出了用于多分区PM过滤器的再生方法。尽管以下步骤主要针对 图2至图5的实施例进行描述，然而可容易地对这些步骤进行修改而应用于本公开的其它 实施例。在步骤500中，控制模块(例如图1的控制模块114)的控制开始并前进至步骤 501。在步骤501中，产生传感器信号。这些传感器信号可包括可由上述传感器产生的排气 流速信号、排气温度信号、排气压力信号、氧信号、进气流量信号、进气压力信号、进气温度 信号、发动机速度信号、EGR信号等。在整个所述方法和再生过程中可更新传感器信息，并 可检测和/或间接估计。在步骤502中，控制估计PF的当前煤烟负载&。控制可如上所述那样估计煤烟 负载。所述估计可基于传感器信息、车辆里程、排气压力、经过PM过滤器的排气压降以及/ 或者预测方法。所述预测方法可包括基于诸如发动机负载、燃料供应方案、燃料喷射正时和 EGR的一个或多个发动机运行参数的估计。在步骤503中，控制确定当前煤烟负载S1是否 大于煤烟负载下阈值Slt。在当前煤烟负载S1大于下阈值Slt时，控制前进至步骤504，否则 控制返回步骤502。在步骤504中，控制基于当前煤烟负载S1是否小于煤烟负载上阈值Sut确定是否 执行再生。在当前煤烟负载S1小于上阈值Sut时，则控制前进至步骤508。在当前煤烟负 载S1大于或等于上阈值Sut时，则控制前进至步骤510。在确定何时执行再生时，可利用煤 烟负载模型。在执行步骤502至504中的一个或多个步骤时可利用煤烟负载模型。在步骤 510中，控制执行如上所述的缓解策略以限制再生期间PF中的峰值温度。可在执行再生步 骤508至524的同时执行步骤510。在步骤508中，控制选择要电加热的区。可选择任何数量的区。可以以任何顺序 选择这些区。在一个实施例中，最内区在最外区之前再生。在另一实施例中，最外区在最内 区之前再生。最内区可首先再生以在电加热最外区时允许附加的向内应力吸收。作为另一 示例实施例，当PM过滤器具有五个或更多的区时，可在相同时期内使内区和外区的组合再 生。内区可不与外区相邻或远离外区定位，使得内区和外区可在再生期间经受来自对方的 最小的力。在步骤514中，控制启动燃料后喷从而调节排气温度。可利用上述燃料后喷技术 提高排气温度。可基于在步骤508中选择的区确定燃料后喷水平、预定燃料后喷水平或要 喷射到气缸和/或排气系统中的燃料量。与更靠近PM过滤器的纵向中心的区相比，可为更 靠近PM过滤器周边的选定区提供更高的燃料后喷水平。燃料可直接喷射到排气中或发动 机的气缸中并从发动机排出。在步骤518中，控制选择与选定区相关联的加热元件。控制还可选择要施加至加 热元件的电流、电压和/或信号频率。所述电流、电压和频率可预先确定并存储在存储器 中，可利用查询表确定，或者可基于其中一部分已在本文陈述过的发动机运行参数确定。所述电流、电压和/或频率可基于在步骤501中获得的传感器信息以及当前煤烟负载。在步骤519中，控制估计足以实现最小煤烟温度的加热期。所述最小煤烟温度可 以基于电流、电压、排气流量、排气温度和预定加热元件电路特性(例如，加热元件的长度、 宽度、覆盖面积、加热输出等)中的至少一个。最小煤烟温度应当足以启动煤烟燃烧并足以产生级联效应。仅作为实例，最小煤 烟温度可设定为700摄氏度或更高。在步骤518的可替代步骤520中，控制基于预定加热 期、排气流量和/或排气温度估计加热元件的电流、电压和/或频率以实现最小煤烟温度。在步骤522中，通过有选择地加热一个或多个区并点燃PF的与这些区关联的部分 中的煤烟而使PF再生。当选定区内的煤烟达到再生温度时，可关闭选定加热元件，燃烧着 的煤烟然后沿PF级联，这与点燃烟花的导火线类似。换言之，加热元件可被启用足够长的 时间以启动煤烟点燃，然后可停用，或者可在整个煤烟燃烧过程中启用。在一个实施例中，首先使径向最外区再生，之后使径向内区再生。可以以选择的、 预定的、顺序的、独立的或任意的方式使这些区再生。可在相同时期内选择多个区并加热。在步骤524中，控制确定加热期是否结束。若步骤524为“是”，则控制在步骤526 中确定是否需要使更多区再生。若步骤526为“是”，则控制返回步骤508。燃烧着的煤烟是使再生继续的燃料。为每一加热区继续该过程，直至PF完全再 生。控制在步骤528中结束。上述步骤意图作为说明性实例；可根据应用而顺次地、同步地、同时地、连续地、在 重叠时期内或者以不同顺序执行这些步骤。在使用中，控制模块确定PF何时需要再生。该确定基于PF内的煤烟水平。可替 代地，可周期性地进行再生或者可基于事件进行再生。控制模块可估计整个PF何时需要再 生，或者PF内的区何时需要再生。当控制模块确定整个PF需要再生时，控制模块每次顺序 启用一个或多个区以启动PF的相关联的下游部分的再生。在所述区再生之后，启用一个或 多个其它区，同时停用其它区。继续该方法，直至所有区都已启用。当控制模块确定其中一 个区需要再生时，控制模块启用与PM过滤器的需要再生的相关联的下游部分对应的区。现在参照图12，针对双区PM过滤器示出了另一再生方法。尽管以下步骤主要针对 图2至图4的实施例进行描述，然而可容易地对这些步骤进行修改而应用于本公开的其它 实施例。步骤600至604与步骤500至504类似。在步骤600中，控制模块(例如图1的控 制模块114)的控制开始并前进至步骤601。在步骤601中，产生传感器信号。在步骤602 中，控制估计PF的当前煤烟负载Sp在步骤603中，控制确定当前煤烟负载S1是否大于煤 烟负载下阈值Slt。在当前煤烟负载S1大于下阈值Slt时，控制前进至步骤604，否则控制返 回至步骤602。在步骤604中，控制基于当前煤烟负载S1是否小于煤烟负载上阈值Sut确定是否 要执行再生。在当前煤烟负载S1小于上阈值Sut时，控制前进至步骤608。在当前煤烟负载 S1大于或等于上阈值Sut时，则控制前进至步骤610。可在确定何时执行再生时利用煤烟负 载模型。可在执行步骤602至604中的一个或多个步骤时利用煤烟负载模型。在步骤610 中，控制执行如上所述的缓解策略以限制再生期间PF中的峰值温度。可在执行再生步骤 608至624的同时执行步骤610。
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在步骤608中，控制选择要电加热的区。可选择内圆形(中央)区或外环形(周 边)区。在步骤614中，在选择了外环形区时，执行步骤615，否则执行步骤616。在步骤615和616中，控制启动燃料后喷从而调节排气温度。可利用上述燃料后 喷技术提高排气温度。可基于选定区确定燃料后喷水平、预定燃料后喷水平或要喷射到气 缸和/或排气系统中的燃料量。在步骤615中，可提供比步骤616中更高的燃料后喷水平， 因为与内圆形区相比外环形区更靠近PM过滤器的周边。在步骤618中，控制选择与选定区相关联的加热元件。控制还可选择要施加至加 热元件的电流、电压和/或信号频率。所述电流、电压和频率可预先确定并存储在存储器 中，可利用查询表确定，或者可基于其中一部分已在本文陈述过的发动机运行参数确定。所 述电流、电压和/或频率可基于在步骤601中获得的传感器信息以及当前煤烟负载。在步骤619中，控制估计足以实现最小煤烟温度的加热期。所述最小煤烟温度可 以基于电流、电压、排气流量、排气温度和预定加热元件电路特性(例如，加热元件的长度、 宽度、覆盖面积、加热输出等)中的至少一个。最小煤烟温度应当足以启动煤烟燃烧并足以产生级联效应。仅作为实例，最小煤 烟温度可设定为700摄氏度或更高。在步骤618的可替代步骤620中，控制基于预定加热 期、排气流量和/或排气温度估计加热元件的电流、电压和/或频率以实现最小煤烟温度。在步骤622中，通过有选择地加热一个或多个区并点燃PF的与这些区关联的部分 中的煤烟而使PF再生。当选定区内的煤烟达到再生温度时，可关闭选定加热元件，燃烧着 的煤烟然后沿PF级联，这与点燃烟花的导火线类似。换言之，加热元件可被启用足够长的 时间以启动煤烟点燃，然后可停用，或者可在整个煤烟燃烧过程中启用。在一个实施例中，首先使径向最外区再生，之后使径向内区再生。可以以选择的、 预定的、顺序的、独立的或任意的方式使这些区再生。可在相同时期内选择多个区并加热。在步骤624中，控制确定加热期是否结束。若步骤624为“是”，则控制在步骤626 中确定是否需要使更多区再生。若步骤626为“是”，则控制返回步骤608。燃烧着的煤烟是使再生继续的燃料。为每一加热区继续该过程，直至PF完全再 生。控制在步骤628中结束。上述步骤意图作为说明性实例；可根据应用而顺次地、同步地、同时地、连续地、在 重叠时期内或者以不同顺序执行这些步骤。上述实施例以增强的过滤器耐用性为燃料有效的PF再生提供了控制策略。基于 电加热区启用进行的燃料后喷调节以最少量的燃料有效地清洁了 PF。这使电加热PF的工 作寿命最大化。本公开的广义教导可以以各种形式实施。因此，尽管本公开包括具体实例，但是本 公开的实际范围不应当受此限制，因为本领域技术人员通过研究附图、说明书和所附权利 要求将会清楚其它修改。
权利要求
一种系统，包括颗粒物质，即PM过滤器，其包括多个区；电加热器，其包括与所述多个区的相应区相关联的多个加热器部段，其中所述电加热器布置在所述PM过滤器的上游并靠近该PM过滤器；燃料后喷系统，其将燃料喷射到发动机的气缸和排气系统中的至少一个内；以及控制模块，其选择所述多个区中的一个，基于所述多个区中的该选定区调节燃料后喷，并利用所述多个加热器部段中的相应加热器部段电加热所述多个区中的该选定区。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块在启用与所述多个区中的第一区相关 联的第一加热器部段时设定第一燃料后喷水平，并在启用与所述多个区中的第二区相关联 的第二加热器部段时设定第二燃料后喷水平。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述第一燃料后喷水平与比所述第二燃料后喷水平 喷射更多的后喷燃料相关。
4.如权利要求2所述的系统，其中与所述多个区中的第二区相比，所述多个区中的第 一区更靠近所述PM过滤器的周边；并且其中在不启用所述多个区中的第二区时启用所述多个区中的第一区。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述多个区中的第一区为环形，所述多个区中的第 二区为圆形。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述多个区中的第一区至少部分地环绕所述多个区 中的第二区。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块在电加热所述多个区中的第一区时利 用所述燃料后喷系统将排气温度提高至第一预定水平；其中所述控制模块在电加热所述多个区中的第二区时利用所述燃料后喷系统将排气 温度提高至第二预定水平；并且其中所述第一预定水平大于所述第二预定水平。
8.如权利要求7所述的系统，其中与所述多个区中的第二区相比，所述多个区中的第 一区更靠近所述PM过滤器的周边。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块在相同时期内电加热所述多个区中与 所述PM过滤器的中心相距不同距离的区。
10.一种方法，包括设置包括多个区的颗粒物质，即PM过滤器；将电加热器布置在所述PM过滤器的上游并靠近该PM过滤器，其中所述电加热器包括 与所述多个区的相应区相关联的多个加热器部段；利用燃料后喷系统向发动机的气缸和排气系统中的至少一个内喷射燃料； 选择所述多个区中的一个用于再生； 基于所述多个区中的该选定区调节燃料后喷；以及利用所述多个加热器部段中的相应加热器部段电加热所述多个区中的该选定区。
全文摘要
本发明涉及基于电加热颗粒过滤器区的燃料后喷系统。该系统包括具有多个区的颗粒物质(PM)过滤器。电加热器包括与所述区中的相应区相关联的加热器部段。所述电加热器布置在PM过滤器的上游并靠近该PM过滤器。燃料后喷系统将燃料喷射到发动机的气缸和排气系统中的至少一个内。控制模块选择所述区中的一个区，基于所述区中的该选定区调节燃料后喷，并利用所述加热器部段中的相应加热器部段加热所述区中的该选定区。
文档编号F01N3/027GK101915145SQ20101011477
公开日2010年12月15日 申请日期2010年2月20日 优先权日2009年2月18日
发明者E·V·冈策, M·J·小帕拉托尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司