专利名称：用于电加热微粒过滤器的电加热器、控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机控制系统和方法，更具体而言，涉及用于电加热微粒过滤 器的电加热器、控制系统和方法。
背景技术：
此处提供的背景技术的描述是用于总体上给出本发明背景的目的。在背景技术 部分描述的当前署名发明人的工作，以及在申请日可能不作为现有技术的说明书的某些方 面，既不明确地也不隐含地将其作为抵触本发明的现有技术。压燃式发动机，比如柴油发动机，会产生微粒物质(PM)，该微粒物质从排气中被过 滤并被PM过滤器收集。随着时间过去，PM过滤器充满微粒物质，其会阻碍排气流。可以应 用再生方法来“清洁”PM过滤器。例如，应用电加热可以使PM过滤器中的微粒物质燃烧。在电加热过程中，电加热器加热流入PM过滤器中的排气。电加热器可以包括多个 发热元件，发热元件与PM过滤器中的多个区相对应。当启动发热元件时，发热元件加热输 入到相应区中的一部分排气，使其中的PM燃烧。PM持续燃烧穿过PM过滤器的通道。该过 程在所述多个区的每个区连续进行，直到每个区都被再生。
发明内容
一种排气处理系统包括微粒物质过滤器、第一发热元件和第二发热元件。微粒物 质(PM)过滤器过滤排气中的微粒物质，并且包括N个区。N个区中的每个区包括接收一部 分排气的入口面积。N是大于1的整数。第一发热元件包括接触面积，该接触面积加热输入 到N个区的第一区的入口面积的排气。第二发热元件包括第二接触面积，该第二接触面积 加热输入到N个区的第二区的入口面积的排气。第一发热元件的接触面积与第一区的入口 面积的比率大于第二发热元件的接触面积与第二区的入口面积的比率。在其它的特征中，所述排气处理系统包括第三发热元件，它具有第三接触面积，该 第三接触面积加热输入到N个区的第三区的入口面积的排气。第二发热元件的接触面积与 第二区的入口面积的比率大于第三发热元件的接触面积与第三区的入口面积的比率。在其它的特征中，第一发热元件的接触面积大于第二发热元件的接触面积。在其 它的特征中，第二区的入口面积大于第一区的入口面积。仍然在其它的特征中，第一发热元件和第二发热元件中的每一个是盘管式加热 器、格栅加热器、箔片加热器和厚膜加热器中的一种。仍然在其它的特征中，第一发热元件的接触面积具有在平行于排气流的方向上延 伸的第一深度，第二发热元件的接触面积具有在平行于排气流的方向上延伸的第二深度。 第一深度大于第二深度。仍然在其它的特征中，第一发热元件的接触面积具有第一长度，第 二发热元件的接触面积具有第二长度。第一长度大于第二长度。一种控制系统，包括所述排气处理系统和加热器控制模块。加热器控制模块使第 一发热元件工作直到N个区中的第一区中的微粒物质燃烧为止，并且使第二发热元件工作直到N个区中的第二区中的微粒物质燃烧为止。在其它的特征中，在N个区中的第一区再生完成后，加热器控制模块启动第二发 热元件。仍然在其它的特征中，加热器控制模块通过施加预定水平的能量启动第一发热元 件和第二发热元件中的每一个。一种操作排气处理系统的方法，包括(1)提供微粒物质(PM)过滤器，其过滤来自 排气中的微粒物质且包括N个区。所述N个区中的每一个都包括接收一部分排气的入口面 积。N是大于1的整数。(2)启动第一发热元件，该第一发热元件包括接触面积并将输入到 N个区中的第一区的入口面积的排气加热，直到第一区中的微粒物质燃烧；和(3)启动第二 发热元件，该第二发热元件包括第二接触面积并将输入到N个区中的第二区的入口面积的 排气加热，直到第二区中的微粒物质燃烧。第一发热元件的接触面积与第一区的入口面积 的比率大于第二发热元件的接触面积与第二区的入口面积的比率。在其它的特征中，该方法还包括启动第三发热元件，该第三发热元件包括接触面 积并将输入到N个区的第三区的入口面积的排气加热，直到第三区中的微粒物质燃烧。第 二发热元件的接触面积与第二区的入口面积的比率大于第三发热元件的接触面积与第三 区的入口面积的比率。仍然在其它的特征中，第一发热元件的接触面积大于第二发热元件的接触面积。 仍然在其它的特征中，第二区的入口面积大于第一区的入口面积。仍然在其它的特征中，第一发热元件和第二发热元件的每一个都是盘管式加热 器、格栅加热器、箔片加热器和厚膜加热器中的一种。仍然在其它的特征中，第一发热元件的接触面积具有在平行于排气流的方向上延 伸的第一深度，第二发热元件的接触面积具有在平行于排气流的方向上延伸的第二深度。 第一深度大于第二深度。仍然在其它的特征中，第一发热元件的接触面积具有第一长度，第 二发热元件的接触面积具有第二长度。第一长度大于第二长度。仍然在其它的特征中，该方法还包括在第一区的再生完成后启动第二发热元件。 仍然在其它的特征中，该方法还包括通过施加预定水平的能量来启动第一发热元件和第二 发热元件中的每一个。仍然在其它的特征中，该方法还包括启动与N个区相对应的多个发热元件。每个 发热元件具有发热元件的接触面积与N个区中的相应区的入口面积的比率。发热元件从具 有最大比率的发热元件到具有最小比率的发热元件以一次一个的顺序被启动。本发明还提供了以下技术方案。方案1. 一种排气处理系统，包括微粒物质(PM)过滤器，其从排气过滤微粒物质， 并且包括N个区，其中，N个区中的每个区包括接收一部分排气的入口面积，N是大于1的整 数；第一发热元件，其包括接触面积，该接触面积加热输入到N个区的第一区的入口面积的 排气；和第二发热元件，其包括第二接触面积，该第二接触面积加热输入到N个区的第二区 的入口面积的排气，其中，第一发热元件的接触面积与第一区的入口面积的比率大于第二 发热元件的接触面积与第二区的入口面积的比率。方案2.如方案1所述的排气处理系统，还包括第三发热元件，其包括加热输入到 N个区的第三区的入口面积的排气的接触面积，其中第二发热元件的接触面积与第二区的 入口面积的比率大于第三发热元件的接触面积与第三区的入口面积的比率。
方案3.如方案1所述的排气处理系统，其中第一发热元件的接触面积大于第二发 热元件的接触面积。方案4.如方案1所述的排气处理系统，其中第二区的入口面积大于第一区的入口 面积。方案5.如方案1所述的排气处理系统，其中第一发热元件和第二发热元件中的每 一个是盘管式加热器、格栅加热器、箔片加热器和厚膜加热器中的一种。方案6.如方案1所述的排气处理系统，第一发热元件的接触面积具有在平行于排 气流的方向上延伸的第一深度，第二发热元件的接触面积具有在平行于排气流动方向的方 向上延伸的第二深度，其中第一深度大于第二深度。方案7.如方案1所述的排气处理系统，其中第一发热元件的接触面积具有第一长 度，第二发热元件的接触面积具有第二长度，其中第一长度大于第二长度。方案8. —种控制系统，包括方案1的排气处理系统；和加热器控制模块，其使第 一发热元件工作直到N个区中的第一区中的微粒物质开始燃烧，并且使第二发热元件工作 直到N个区中的第二区中的微粒物质开始燃烧。方案9.如方案8所述的控制系统，其中在N个区中的第一区再生完成后，加热器 控制模块启动第二发热元件。方案10.如方案8所述的控制系统，其中加热器控制模块通过施加预定水平的能 量来启动第一发热元件和第二发热元件中的每一个。方案11. 一种操作排气处理系统的方法，包括提供微粒物质(PM)过滤器，其过滤 来自排气中的微粒物质且包括N个区，其中，所述N个区中的每个区包括接收一部分排气的 入口面积，N是大于1的整数；启动第一发热元件，该第一发热元件包括接触面积，该接触面 积将输入到N个区中的第一区的入口面积的排气加热，直到第一区中的微粒物质燃烧；和 启动第二发热元件，该第二发热元件包括第二接触面积，该第二接触面积将输入到N个区 中的第二区的入口面积的排气加热，直到第二区中的微粒物质燃烧；其中第一发热元件的 接触面积与第一区的入口面积的比率大于第二发热元件的接触面积与第二区的入口面积 的比率。方案12.如方案11所述的方法，还包括启动第三发热元件，该第三发热元件包括 接触面积，该接触面积将输入到N个区的第三区的入口面积的排气加热，直到第三区中的 微粒物质燃烧，其中，第二发热元件的第二接触面积与第二区的入口面积的比率大于第三 发热元件的接触面积与第三区的入口面积的比率。方案13.如方案11所述的方法，其中第一发热元件的接触面积大于第二发热元件 的接触面积。方案14.如方案11所述的方法，其中第二区的入口面积大于第一区的入口面积。方案15.如方案11所述的方法，其中第一发热元件和第二发热元件中的每一个是 盘管式加热器、格栅加热器、箔片加热器和厚膜加热器中的一种。方案16.如方案11所述的方法，其中第一发热元件的接触面积具有在平行于排气 流的方向上延伸的第一深度，第二发热元件的接触面积具有在平行于排气流动方向的方向 上延伸的第二深度，其中第一深度大于第二深度。方案17.如方案11所述的方法，其中第一发热元件的接触面积具有第一长度，第二发热元件的接触面积具有第二长度，其中第一长度大于第二长度。方案18.如方案11所述的方法，还包括在第一区的再生完成后启动第二发热元 件。方案19.如方案11所述的方法，还包括通过施加预定水平的能量来启动第一发热 元件和第二发热元件中的每一个。方案20.如方案11所述的方法，还包括启动与N个区相对应的多个发热元件，其 中每个发热元件具有发热元件的接触面积与N个区中的一个相应区的入口面积的比率，其 中，以从具有最大比率的发热元件到具有最小比率的发热元件的顺序一次一个地启动发热 元件。在后面的详细描述中，本发明在其它领域的应用会变得显而易见。应该理解，详细 描述和具体实施例仅仅是用于解释的目的，不应该试图限制本发明的范围。
通过详细说明和附图能够更充分地理解本发明，其中图1是根据本发明原理的一种示例性发动机系统的功能框图；图2是阐明使根据本发明原理的一种示例性电加热微粒过滤器再生的功能框图；图3是根据本发明原理的一种示例性电加热器的透视图，该电加热器包括多个不 同深度的被加热的发热元件；图4是根据本发明原理的另一种示例性电加热器的透视图，该电加热器包括多个 不同深度的被加热的发热元件；图5是根据本发明原理的另一种示例性电加热器的透视图，该电加热器包括多个 具有加热器栅格的被加热的发热元件；图6是根据本发明原理的另一种示例性电加热器的透视图，该电加热器包括对应 于微粒物质过滤器的具有不同入口面积的各个区域的多个被加热的发热元件；图7是图3的示例性电加热器的功能框图；图8是示出通过本发明的示例性电加热微粒过滤器的各个区域的排气流速率的 图表；图9是根据本发明原理的示例性发动机控制模块的功能框图；图10是描述在发动机控制模块中执行的示例性步骤的流程图。
具体实施例方式下面的描述实际上仅仅是示例性的，决不是想要限制本发明及其应用或者用途。 为了清楚，在各附图中会使用相同的附图标记指示类似的发热元件。如在此应用的，短语 “A、B和C中的至少一个”，应该解释为使用非排他的逻辑“或”来表示逻辑(A或B或C)的 意思。应该理解，在不改变本发明原理的情况下，方法中的各个步骤可以以不同的顺序执 行。如在此应用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或者多 个软件或者固件程序的处理器(共享的、专用的或者分组的)和存储器、组合逻辑电路、和 /或提供所描述功能的其它合适的部件。
每个发热元件都包括接触面积(接触区域)，该接触面积接触一部分排气并将热 量传递给这部分排气。每部分排气被输入到对应于每个发热元件的微粒物质过滤器的区 中。每个区的入口面积由相应的发热元件的构造决定。相应区的每入口面积上的发热元件 的接触面积的量可称为发热元件的发热密度(表面放热率)。通常，电加热器有多个发热元件，这些发热元件具有类似的发热密度。当排气流率 高时，一般的发热元件可能不能传递足够的热量以开始相应区的再生。当发动机在高速和 高负荷下运行时，比如在高速公路行车条件下，排气流率可能是高的。因为所述接触面积和 所述一部分排气接触的时间段可能太短，所以一般的发热元件可能不能传递足够的热量。 另外，因为接触面积可能不会接触足够的排气，所以一般的发热元件可能不能传递足够的 热量。本发明的电加热器包括具有不同发热密度的发热元件，它们将热量传递给排气并 且与排气流率无关地使得微粒物质过滤器再生。发热元件可以包括不同的接触面积以改变 其发热密度。仅作为示例，发热元件可以包括不同的几何形状，比如发热元件的长度、宽度 和深度，从而改变发热密度。发热元件可以构造成使得相应的区具有不同的入口面积以改 变发热密度。第一发热元件可以构造成具有一发热密度，该发热密度在高排气流率时传递足够 的热量以再生相对应的第一区。仅作为示例，通过提供增加的接触面积和/或减少的入口 面积可以最大化该第一发热元件的发热密度。在第一区再生后，微粒物质可以不再阻止排 气流过该第一再生区。因此，经过第一再生区的排气流率提高，并且经过非再生区的排气流 率降低。在非再生区中降低的排气流率可以提高相对应的发热元件接触面积和那些排气部 分接触的时间段。因此，可以将其余的发热元件构造为具有比第一发热元件的发热密度更 低的发热密度。相应地，本发明的电加热器包括多个发热元件，它们具有不同的发热密度，其量值 以启动顺序降低。本发明的控制系统和方法从最大发热密度到最低发热密度以量值降低的 顺序启动发热元件，从而以不同的排气流率再生微粒物质过滤器。现在参照图1，简要地示出了根据本发明的示例性发动机系统20。实际上，发动机 系统20仅仅是示例性的。在此描述的电加热微粒过滤器可以在使用微粒物质(PM)过滤器 的各种发动机系统中实施。这种发动机系统可以包括，但不限制于，柴油发动机系统、汽油 直接喷射式发动机系统和均勻充量压燃式发动机系统。发动机系统20包括燃烧空气/燃料混合物以产生驱动力矩的发动机22。空气通 过入口 26被引入进气歧管24。可以包括节气门(未示出)以调节进入该进气歧管24中的 空气流量。进气歧管24内的空气被分配给各气缸28。尽管图1示出了六个气缸28，但是 发动机22可以包括更多的或者更少的气缸28。例如，设想包括4、5、8、10、12和16个气缸 的发动机。发动机控制模块(ECM) 32与发动机系统20的各部件相通信。这些部件可以包括 在此讨论的发动机22、传感器和致动装置。ECM32可以控制本发明的电加热微粒过滤器。空气通过空气质量流量(MAF)传感器34流经入口 26。该MAF传感器34产生表 明流经MAF传感器34的空气速率的MAF信号。歧管压力(MAP)传感器36设置在入口 26 和发动机22之间的进气歧管24中。该MAP传感器36产生表明进气歧管24中空气压力的MAP信号。位于进气歧管24中的进气温度(IAT)传感器38基于进气温度产生IAT信号。发动机曲轴(未示出)以发动机速度或者以与发动机速度成比例的速率旋转。曲 轴传感器40感测曲轴的位置并产生曲轴位置(CSP)信号。该CSP信号可以与曲轴旋转速 度和气缸事件有关。仅作为示例，该曲轴传感器40可以是可变磁阻传感器。发动机速度和 气缸事件可以应用其它合适的方法感测。ECM32致动燃料喷射器42以将燃料喷射进入气缸28。进气门44选择性地打开或 者关闭以使空气能够进入气缸28。进气凸轮轴(未示出)调节进气门的位置。活塞(未示 出)压缩并点燃气缸28内的空气/燃料混合物。该活塞在动力冲程内驱动曲轴以产生驱 动力矩。当排气门48处于打开位置时，由气缸28内的燃烧产生的排气经过排气歧管46被 排出。排气凸轮轴(未示出)调节排气门的位置。排气歧管压力(EMP)传感器50产生表 明排气歧管压力的EMP信号。排气系统52可以处理排气。排气系统52可以包括氧化催化剂(OC) 54。OC 54氧 化排气中的一氧化碳和碳氢化合物。OC 54基于后燃烧空气/燃料比来氧化排气。氧化的 量会提高排气的温度。排气系统52包括微粒物质(PM)过滤器组件56。该PM过滤器组件56可以接收 来自OC 54的排气并过滤排气中存在的任何微粒物质。电加热器57选择性地加热排气和 /或PM过滤器组件56的一部分以使得该PM开始再生。ECM32基于不同的感测到的和/或 估计的信息控制发动机22和过滤器再生。更具体而言，ECM32可以根据感测到的和估计的信息评估PM过滤器的负荷值。过 滤器负荷值可以相应于PM过滤器组件56中微粒物质的量。该过滤器负荷值可以以排气温 度和/或排气流量为基础。排气流量可以以MAF信号和发动机22的燃料供应为基础。当 过滤器负荷值高于或者等于过滤器负荷阈值时，可以通过ECM32来启动再生。排气系统52可以包括气体传感器64和排气温度传感器66_1、66_2、66_3 (整体上 为排气温度传感器66)。气体传感器64产生表明排气中NOx和/或氧气的量的气体水平信 号。排气温度传感器66产生表明排气温度的排气温度信号。排气温度传感器66可以 在OC 54和PM过滤器组件56之前测量排气的温度。排气温度传感器66可以在PM过滤器 组件56之后和/或在0C54与PM过滤器组件56之间测量排气的温度。仅作为示例，排气温度传感器66-1可以测量排气歧管46的出口气体温度(即OC 54的入口排气温度)。排气温度传感器66-2可以测量OC 54的出口排气温度(S卩，PM过 滤器组件56的入口气体温度)。排气温度传感器66-3可以测量PM过滤器组件56的出口 气体温度。ECM 32可以产生排气温度模型，以评估整个排气系统52中的排气温度。现在参见图2，示例性的PM过滤器组件56可以包括外壳68、PM过滤器70和电加 热器57。电加热器57可以与PM过滤器70接触，或者与PM过滤器70分隔开。PM过滤器 70包括排气可以通过其流动的通道72。当排气流经通道72时，微粒物质可被过滤，使得微 粒物质留在通道72中。ECM32可以按电压或者电流的形式给电加热器57施加能量或者功率，从而加热输 入到PM过滤器70中各区74的排气。电加热器57也可以直接加热PM过滤器70的部分入 口 76。当区74之一的温度达到微粒物质燃烧温度时，通道72中收集的微粒物质可以在端
8塞78后面点燃并开始燃烧。燃烧的微粒物质通过通道72前进至PM过滤器70的出口 80。参照图3，电加热器57可以包括一个或者多个发热元件58-1、58-2、58-3、58_4和 58-5 (整体上为发热元件58)。发热元件58与PM过滤器70的多个区74-1、74-2、74-3、74-4 和74-5 (整体上为区74)相对应，并在每个区74中提供热量以启动再生。尽管示出了五个 发热元件58和五个区74，但是发热元件和区的数量可以是大于1的整数。每个发热元件58包括接触面积，其暴露于输入到每个相应区74中的排气。接触 面积可以包括横向于排气流动方向的平面中的第一面积。该第一面积可以由横向于排气流 动方向的平面中发热元件58的长度(L)和宽度(W)决定。仅作为示例，发热元件58-5的 长度(L5)可以沿着发热元件58-5从第一端点59到第二端点61进行测量。发热元件58_5 的宽度(W5)可以横向于所述长度(L5)进行测量。因此，可以通过调整发热元件58的长度 (L)和/或宽度(W)增加或者减少发热元件58的接触面积。参照图7，示出了 PM过滤器组件56的功能方块图。每个发热元件58的接触面积 也包括平行于排气流动方向的平面中的第二面积。该第二面积由平行于排气流动方向的 平面中每个发热元件58的长度(L)和深度(D)决定。仅作为示例，发热元件58-5的深度 (D5)可以在平行于排气流动方向的平面中从包括第一面积(即长度L5和宽度W5)的平面 开始进行测量。因此，通过调整发热元件58的深度(D)可以增加或者减少发热元件58的 接触面积。发热元件58可以包括相应于由发热元件58的几何形状决定的接触面积的其它尺 寸。仅作为示例，盘管式加热器可以包括金属丝发热元件(未示出)。金属丝发热元件可以 是包括圆周线(C)和长度(L)的圆柱形金属丝。接触面积可以由金属丝的圆周线(C)和长 度(L)决定。因此，通过调整发热元件的圆周线(C)就可以增加或者减少金属丝发热元件 的接触面积。参照图3-7，每个区74包括入口面积(A)，该入口面积(A)是与一个相应的发热元 件58相接触和/或在其下游的入口 76的一部分。仅作为示例，区74-5包括横向于排气流 动方向的平面中的入口面积(A5)。每个入口面积(A)接收可能被一个相应的发热元件58 加热的排气。在图3-5中，每个区74的入口面积㈧可以包括相同大小的面积。在图6中， 每个区74”’的入口面积A包括不同大小的面积。每个发热元件58的发热密度可以定义为一个发热元件58的接触面积相对于所对 应的一个区74的每入口面积的比率。发热元件58-5的发热密度可以定义为发热元件58-5 的接触面积与区74-5的入口面积(A5)的比率。通过改变发热元件58-5的接触面积(即， L5、W5和/或D5)和/或改变所对应的区74-5的入口面积(A5)可以调整发热密度。仅作 为示例，通过增加发热元件58-5的一个或者多个尺寸(L5、W5和D5)和/或减小入口面积 (A5)可以提高发热密度。在图3和图7中，每个发热元件58包括基于发热元件58的深度(D)的不同的发 热密度。发热元件58的其它尺寸，比如长度(L)和宽度(W)可以是相同的。类似的，各个 区74可以具有彼此相同的入口面积(A)。因此，较深的发热元件具有比较浅的发热元件更 大的接触面积，比如发热元件58-2比发热元件58-5具有更大的接触面积。仅作为示例，发 热元件58-2具有深度D2，其大于发热元件58-5的深度D5。因此，发热元件58_2具有比发 热元件58-5的发热密度更大的发热密度。在图3和图7中，每个深度都是不同的，使得Dl> D2 > D3 > D4 > D5。 现在参照图4，另一个电加热器57’包括多个发热元件58’。每个发热元件58’具 有不同的发热密度，其发热密度是基于从每个发热元件的端点(比如发热元件58-5’的端 点59和61)测量得到的发热元件58’的长度(L)而定。发热元件58’的其它尺寸，比如宽 度(W)和深度(D)可以是相同的。类似的，各区74可以具有彼此相同的入口面积(A)。因 此，较长的发热元件比较短的发热元件具有更大的接触面积，比如发热元件58-2’比发热元 件58-5’具有更大的接触面积。仅作为示例，发热元件58-2’具有长度L2，其大于发热元件 58-5’的长度L5。因此，发热元件58-2’具有比发热元件58_5’的发热密度更大的发热密 度。在图4中，每个长度是不同的，使得Ll >L2>L3>L4>L5。
现在参照图5，另一个电加热器57 ”包括多个具有格栅的发热元件58 ”。所述格栅 可以由多个垂直的片段构成。类似于图3和图7中的发热元件58，每个发热元件58”具有 基于其深度(D)的不同的发热密度。所述发热元件58”的其它尺寸，比如宽度(W)和长度 (L)，可以是相同的。仅作为示例，长度(L)可以包括每个发热元件58”的垂直片段的多个 部分长度(1)。仅作为示例，每个部分长度(1)可以沿着该片段从端点59到端点61进行测 量。宽度(W)可以横向于长度⑴进行测量。继续参照图5，各区74可以具有彼此相同的入口面积(A)。因此，较深的发热元件 具有比较浅的发热元件更大的接触面积，比如发热元件58-2”比发热元件58-5”具有更大 的接触面积。仅作为示例，发热元件58-2”具有深度D2，其大于发热元件58-5”的深度D5。 因此，发热元件58-2”具有比发热元件58-5”的发热密度更大的发热密度。在图5中，每个 深度是不同的，使得Dl > D2 > D3 >D4 >D5。现在参照图6，每个发热元件58”’具有基于相应区74”’的入口面积(A)的不同 的发热密度。每个发热元件58”’可以具有相同大小的接触面积。可替代的是，每个发热元 件58”’可以具有不同大小的接触面积。较小的区比较大的区具有更小的入口面积，比如区 74-1”’比区74-5”’具有更小的入口面积。仅作为示例，区74-1”’具有入口面积Al，其小于 区74-5”’的入口面积A5。在图6中，每个面积是不同的，使得Al < A2 < A3 < A4 < A5。 当发热元件58-1”’和发热元件58-5”’具有相同的接触面积时，那么发热元件58-1”’比发 热元件58-5”’具有更大的发热密度。现在参照图7，示出了图3中的PM过滤器组件56的功能方块图。排气进入PM过 滤器组件56并与电加热器57的发热元件58接触。各部分排气与电加热器57的各个发热 元件58接触。每个发热元件58具有不同的接触面积，所述接触面积暴露于每部分排气。各 发热元件58的接触面积在每个发热元件58沿着平行于排气流的方向上延伸的深度(D)上 是不同的。仅作为示例，第一发热元件，比如发热元件58-1，可以具有与第一接触面积相对应 的第一深度(Dl)；第二发热元件，比如发热元件58-2，可以具有与第二接触面积相对应的、 小于Dl的第二深度(D2)；第三发热元件，比如发热元件58-3，可以具有与第三接触面积相 对应的、小于D2的第三深度(D3)；第四发热元件，比如发热元件58-4，可以具有与第四接触 面积相对应的、小于D3的第四深度(D4)；第五发热元件，比如发热元件58-5，可以具有与第 五接触面积相对应的、小于D4的第五深度(D5)。因此，发热元件58的每个深度D1、D2、D3、 D4和D5与每个相应的发热元件58的不同接触面积相对应。
每个发热元件58对应于区74之一。第一部分排气与发热元件58_1接触。可以 启动发热元件58-1以产生热量，在第一部分排气进入区74-1之前，该热量被传递给第一部 分排气。每个其它的发热元件58可以加热进入相应区的其它部分排气。每个区74具有 入口面积，其接收由一个相应的发热元件58加热的一部分排气。区74-1可以具有入口面 积Al，其接收来自发热元件58-1的加热的排气。在图3-5中，Al可以小于其它的入口面积 A2、A3、A4和A5。其它的区74可以具有相同的面积，即A2 = A3 = A4 = A5。可替代的是， 每个区74可以具有相同大小的入口面积，即Al = A2 = A3 = A4 = A5。相应的，每个发热元件58的接触面积与相应区74的面积的比率(即发热元件58 的发热密度)可以是不同的。仅作为示例，发热元件58-1的接触面积与区74-1的面积的 比率大于发热元件58-2的接触面积与区74-2的面积的比率。发热元件58-2的接触面积 与区74-2的面积的比率大于发热元件58-3的接触面积与区74-3的面积的比率。发热元 件58-3的接触面积与区74-3的面积的比率大于发热元件58-4的接触面积与区74_4的面 积的比率。发热元件58-4的接触面积与区74-4的面积的比率大于发热元件58-5的接触 面积与区74-5的面积的比率。具有较大发热密度的发热元件可以在排气流进入相应的区中时接触更多的排气。 通过接触更多的排气，可以有更多的热量被传递给排气以将其加热至再生温度。具有较大 发热密度的发热元件也可以更长时间地接触排气。通过接触排气更长的时间，可以有更多 的热量被传递给排气以将其加热至再生温度。经过具有降低的入口面积(即较大的发热密 度)的排气流率可以降低。在将第一区74再生后，可以提高经过再生区的流率。相比于非再生区，再生区在 通道72中具有更少的微粒物质，以阻止排气流经过再生区。经过所有区74的总流率保持 不变。经过其它非再生区的流率可以降低。因此，相应于非再生区的其它发热元件比相应 于第一再生区的发热元件可以具有更低的发热密度。现在参照图8，图表100示例性地说明了当各区74相继被再生时经过各区74的排 气流率。y轴102对应于经过各区74的排气流率(千克/小时)。第一组柱104示出了当 PM过滤器70的所有区74都充满微粒物质时经过各区74的排气流率。经过每个区74的 排气流率均大约为20千克/小时。在再生期间经过各区74的总排气流率可以恒定保持在 100千克/小时。ECM 32基于每个发热元件58的发热密度以特定的顺序启动发热元件58，从而使 得PM过滤器70再生。ECM 32可以启动第一发热元件，比如发热元件58-1，来再生第一区 74-1。第一发热元件58-1具有足够的发热密度，从而当排气流率高于20千克/小时时，将 输入到第一区74-1的排气加热到再生温度。可以将第一发热元件58-1的发热密度优化， 从而在任意排气流率下将排气加热至再生温度。第二组柱106示出了在第一区74-1再生后通过各区74的排气流率。一旦第一区 74-1再生，经过第一区74-1的排气流率上升至大约47千克/小时。经过每个其余非再生 区74-2、74-3、74-4、74-5的排气流率降至大约13千克/小时。在第一区74-1再生后，ECM 32可以启动第二发热元件，比如发热元件58_2。第二 发热元件58-2可具有比第一发热元件58-1更低的发热密度，因为经过相应区74-2的排气 流率已经降低。当排气流率为13千克/小时时，第二发热元件58-2可以具有足够的发热密度以将输入到第二区74-2的排气加热至再生温度。第三组柱108示出了在第一区74-1和第二区74_2已经再生后经过各区74的排 气流率。经过再生区74-1和74-2的排气流率上升至大约70千克/小时(每个区35千克 /小时)。因此，经过每个剩余非再生区74-3、74-4、74-5的排气流率降至大约10千克/小 时。在第二区74-2再生后，ECM 32可以启动第三发热元件，比如发热元件58_3。第三 发热元件58-3可具有比第二发热元件58-2更低的发热密度，因为经过相应区74-3的排气 流率已被降低。当排气流率为10千克/小时时，第三发热元件58-3可以具有足够的发热 密度以将输入到第三区74-3的排气加热至再生温度。第四组柱110示出了当区74-1、74_2和74-3已经再生后，经过各区74的排气流 率。第五组柱示出了当区74-1、74-2、74-3和74_4已经再生后，经过各区74的排气流率。 和非再生区74-4和74-5相对应的每个其余的发热元件58-4和58_5能以ECM 32的启动 顺序继续降低发热密度。现在参照图9，示出了示例性ECM 32的功能框图。ECM 32可以包括再生模块402， 其测定何时过滤器负载大于过滤器负载阈值。过滤器负载测定模块404可以基于MAF、排 气温度和/或排气流率测定过滤器负载。当过滤器负载大于过滤器负载阈值时，再生模块 402可以开始再生PM过滤器70。再生模块402可以启动加热器控制模块406以开始再生。仅作为示例，可以通过 给发热元件58施加预定水平的能量(功率)来使发热元件58启动。加热器控制模块406 首先启动具有最大发热密度的发热元件。仅作为示例，加热器控制模块406启动第一发热 元件58-1来再生PM过滤器70的第一区74-1。在第一区74_1再生后，加热器控制模块406 启动第二发热元件58-2以再生PM过滤器70的第二区74-2。加热器控制模块406以从最 大发热密度到最低发热密度的特定顺序来启动每个发热元件58。可以启动每个发热元件 58直到在一个相应的区74中的微粒物质开始燃烧为止。一旦微粒物质开始燃烧则可停用 发热元件58。现在参照图10，流程图500示出了由ECM 32执行的示例性方法。控制过程在步骤 502中开始于控制过程测定过滤器负载值是否大于或者等于过滤器负载阈值。当过滤器负 载值高于过滤器负载阈值时，控制过程开始再生PM过滤器70。在步骤504中，控制过程启 动电加热器57的第一发热元件，比如具有第一发热密度的发热元件58-1。控制过程可使第 一发热元件工作直到一个相应的第一区中的微粒物质开始燃烧，比如区74-1中的微粒物 质开始燃烧。在第一区中的微粒物质持续燃烧穿过第一区。在步骤506中，控制过程测定第一区的再生是否完成。当第一区的再生完成时，控 制过程继续进行步骤508。否则控制过程可以停止。在步骤508中，控制过程启动电加热器 57的第二发热元件，比如具有第二发热密度的发热元件58-2。第二发热密度低于第一发热 密度。控制过程可使第二发热元件工作直到在相应的第二区中的微粒物质开始燃烧为止， 比如直到区74-2中的微粒物质开始燃烧为止。第二区中的微粒物质持续燃烧穿过第二区。在步骤510中，控制过程测定第二区的再生是否完成。当第二区的再生完成时，控 制过程继续进行步骤512。否则控制过程可以停止。在步骤512中，控制过程启动电加热器 57的第三发热元件，比如具有第三发热密度的发热元件58-3。第三发热密度低于第二发热密度。控制过程可使第三发热元件工作直到相应的第三区中的微粒物质开始燃烧为止，比 如直到区74-3中的微粒物质开始燃烧为止。在第三区中的微粒物质持续燃烧穿过第三区。尽管在前面的方法中再生了三个区74，但是接下来可以启动其它的发热元件58 以再生其它相应的区74。以从具有最大发热密度的发热元件到具有最低发热密度的发热元 件为顺序，每个发热元件58被ECM 32启动。本领域的技术人员现在可以从前面的描述中理解，本发明的教导可以以各种形式 实施。因此，虽然与本发明的具体实施例相结合描述本发明，但是本发明的真正范围不应该 被做如此的限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求后，对于技术人员来说其它的改 进将变得显而易见。
1权利要求
1.一种排气处理系统，包括微粒物质(PM)过滤器，其从排气过滤微粒物质，并且包括N个区，其中，N个区中的每 个区包括接收一部分排气的入口面积，N是大于1的整数；第一发热元件，其包括接触面积，该接触面积加热输入到N个区的第一区的入口面积 的排气；和第二发热元件，其包括第二接触面积，该第二接触面积加热输入到N个区的第二区的 入口面积的排气，其中，第一发热元件的接触面积与第一区的入口面积的比率大于第二发热元件的接触 面积与第二区的入口面积的比率。
2.如权利要求1所述的排气处理系统，还包括第三发热元件，其包括加热输入到N个区的第三区的入口面积的排气的接触面积，其中第二发热元件的接触面积与第二区的入口面积的比率大于第三发热元件的接触 面积与第三区的入口面积的比率。
3.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第一发热元件的接触面积大于第二发热元 件的接触面积。
4.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第二区的入口面积大于第一区的入口面积。
5.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第一发热元件和第二发热元件中的每一个 是盘管式加热器、格栅加热器、箔片加热器和厚膜加热器中的一种。
6.如权利要求1所述的排气处理系统，第一发热元件的接触面积具有在平行于排气流 的方向上延伸的第一深度，第二发热元件的接触面积具有在平行于排气流动方向的方向上 延伸的第二深度，其中第一深度大于第二深度。
7.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第一发热元件的接触面积具有第一长度， 第二发热元件的接触面积具有第二长度，其中第一长度大于第二长度。
8.一种控制系统，包括权利要求1的排气处理系统；和加热器控制模块，其使第一发热元件工作直到N个区中的第一区中的微粒物质开始燃 烧，并且使第二发热元件工作直到N个区中的第二区中的微粒物质开始燃烧。
9.如权利要求8所述的控制系统，其中在N个区中的第一区再生完成后，加热器控制模 块启动第二发热元件。
10.一种操作排气处理系统的方法，包括提供微粒物质(PM)过滤器，其过滤来自排气中的微粒物质且包括N个区，其中，所述N 个区中的每个区包括接收一部分排气的入口面积，N是大于1的整数；启动第一发热元件，该第一发热元件包括接触面积，该接触面积将输入到N个区中的 第一区的入口面积的排气加热，直到第一区中的微粒物质燃烧；和启动第二发热元件，该第二发热元件包括第二接触面积，该第二接触面积将输入到N 个区中的第二区的入口面积的排气加热，直到第二区中的微粒物质燃烧；其中第一发热元件的接触面积与第一区的入口面积的比率大于第二发热元件的接触 面积与第二区的入口面积的比率。
全文摘要
本发明涉及用于电加热微粒过滤器的电加热器、控制系统和方法。一种排气处理系统，包括微粒物质过滤器、第一发热元件和第二发热元件。微粒物质(PM)过滤器过滤来自排气的微粒物质，且具有N个区。N个区中的每一个具有接收一部分排气的入口面积。N是大于1的整数。第一发热元件包括第一接触面积，其加热输入到N个区的第一区的入口面积的排气。第二发热元件包括第二接触面积，其加热输入到N个区的第二区的入口面积的排气。第一发热元件的接触面积与第一区的入口面积的比率大于第二发热元件的接触面积与第二区的入口面积的比率。
文档编号F01N3/027GK101994546SQ20101024740
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者E·V·冈策, G·巴蒂亚, M·J·小帕拉托尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司