專利名稱：電加熱柴油機(jī)微粒過(guò)濾器/選擇性催化還原兩通系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微粒過(guò)濾器且尤其涉及其再生技術(shù)。
背景技術(shù)：
此處提供的背景描迷是出于對(duì)本公開(kāi)內(nèi)容情境的一般表述。 在背景技術(shù)部分所描述的內(nèi)容的范圍下，和在提交申請(qǐng)時(shí)可能還不是現(xiàn) 有技術(shù)的內(nèi)容描述的各方面，發(fā)明人的工作即不明確也不隱含地認(rèn)可為 與本發(fā)明相對(duì)立的現(xiàn)有技術(shù)。柴油機(jī)燃燒循環(huán)產(chǎn)生微粒，該微粒典型地通過(guò)微粒過(guò)濾器 (PF)從柴油機(jī)排氣中過(guò)濾。PF置于相應(yīng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中。PF 減少了非均勻燃燒過(guò)程產(chǎn)生的微粒物(碳煙)的排放。隨著時(shí)間流逝， PF變滿并且收集的柴油機(jī)微粒必須清除。在再生過(guò)程中，所述柴油機(jī)微 粒在PF中燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可估計(jì)微粒的積累和確定過(guò)濾器需要再生的 時(shí)間。 一旦確定過(guò)濾器滿了或填充到預(yù)定的微粒水平，控制系統(tǒng)可通改 變?nèi)紵^(guò)程和/或?qū)⑷剂蠂娚涞脚艢庀到y(tǒng)來(lái)允許再生。在主燃燒事件后燃 料噴射到排氣流。后噴射燃料在PF的一個(gè)或多個(gè)催化劑上燃燒。在催化 劑上噴射燃料燃燒期間釋放的熱量使排氣溫度增加，這在PF中燃燒收集 的碳煙微粒。該方法可導(dǎo)致比期望值更高的溫度偏移，這對(duì)系統(tǒng)各部件 包括PF是有害的。為使氮氧化物(NOx)排放最小化，PF的部分可具有選擇性催化 還原(SCR)元件。這種類型的PF有時(shí)稱為兩通柴油機(jī)微粒過(guò)濾器(DFP ) /SCR元件。雖然兩通DFP/SCR元件減少了排氣系統(tǒng)的成本，但在再生期 間SCR的性能會(huì)大大削減。 一個(gè)再生過(guò)程可能需要20-30分鐘的時(shí)間完 成。在此期間PF的大部分加熱到大約600-65(^C。在這些溫度，SCR元 件清除NOx的效率被大大削減且因此SCR元件被認(rèn)為是無(wú)效的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，排氣系統(tǒng)可包括過(guò)濾罐，其放置在發(fā)動(dòng)機(jī)下游。微粒過(guò)濾器(PF)置于該過(guò)濾罐中過(guò)濾發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的微粒。還原催化劑置 于過(guò)濾罐中，在PF上，且在PF接收廢氣后在廢氣中促進(jìn)液態(tài)還原劑的反 應(yīng)。加熱元件置于過(guò)慮罐中且在PF中加熱樣i:粒物。在其他特征中，微粒過(guò)濾器(PF)置于發(fā)動(dòng)機(jī)下游且過(guò)濾發(fā) 動(dòng)機(jī)廢氣中的微粒。還原催化劑至少涂敷PF的一部分且在廢氣中促進(jìn)液 態(tài)還原劑的反應(yīng)。加熱元件加熱PF中的微粒物。在其他特征中，在排氣系統(tǒng)中執(zhí)行再生過(guò)程的方法包括使來(lái) 自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣通過(guò)加熱元件。微粒過(guò)濾器(PF)中的微粒物通過(guò)加熱 元件加熱。廢氣中的微粒物由PF過(guò)濾。液態(tài)還原劑通過(guò)PF上的還原催化 劑與廢氣反應(yīng)。適用性的其#>方面根據(jù)本文提供的描述是顯而易見(jiàn)的。應(yīng)該 明白本文的說(shuō)明和具體實(shí)施例僅在于舉例說(shuō)明目的而不是對(duì)本發(fā)明公 開(kāi)范圍的限制。


根據(jù)詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容將能更充分地得到圖l是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，包括排氣微粒過(guò)濾器(PF)系統(tǒng)的
典型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功能框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，應(yīng)用于PF前表面的示例柵格/加熱
元件的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，PF系統(tǒng)的截面?zhèn)纫晥D；
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，微粒過(guò)濾器(PF ) —部分的截面圖；
圖5A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，描迷對(duì)微粒過(guò)濾器(PF)區(qū)域加
熱的正視圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，描述對(duì)于再生過(guò)程第 一 時(shí)間段的 圖5 A中PF加熱部分的側(cè)視圖；圖5C是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)于再生過(guò)程笫二時(shí)間段的圖5A 中PF加熱部分的側(cè)#見(jiàn)圖；圖6是描述冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)過(guò)程中催化劑栽體或PF長(zhǎng)度內(nèi)溫 度分布的曲線圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，PF系統(tǒng)截面?zhèn)纫晥D8是PF—部分的細(xì)部截面?zhèn)纫晥D，描迷了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例 的加熱元件緊固件；圖9是PF—部分的細(xì)部截面?zhèn)纫晥D，描述了根據(jù)本發(fā)明另 一 實(shí) 施例的加熱元件緊固件；和圖1 O是邏輯流程圖，描述了執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的排氣系 統(tǒng)中的PF再生過(guò)程的方法。
具體實(shí)施例方式以下描述本質(zhì)上僅僅是示范性說(shuō)明而不是對(duì)公開(kāi)內(nèi)容，應(yīng)用 或使用的限制。為了清楚，附圖中相同的附圖標(biāo)記用于確定相同的部件。 在此使用的術(shù)語(yǔ)模塊是指專用集成電路(ASIC)，電子電路，執(zhí)行一個(gè) 或多個(gè)軟件或固件程序的處理器(共享，專用或分組)和存儲(chǔ)器，邏輯 組合電路，和/或其他提供期望功能的適當(dāng)部件。在此使用的術(shù)語(yǔ)A, B, C中的至少一個(gè)將被詮釋為采用非排他性邏輯或的邏輯(A或B或C)。 圍。 '、 、 s "' 、'、''參考圖1，示出包括排氣微粒過(guò)濾器(PF)系統(tǒng)12的典型柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10的功能框圖。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)1 O本質(zhì)上只 是舉例說(shuō)明，且本文所述的區(qū)域加熱微粒過(guò)濾器再生系統(tǒng)可在各種具有 微粒過(guò)濾器的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可包括，但不限于汽 油直噴發(fā)動(dòng)才幾系統(tǒng)和均質(zhì)充氣壓燃發(fā)動(dòng)才幾系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)13,進(jìn)氣歧管14，共軌燃油噴 射系統(tǒng)16和排氣系統(tǒng)18。發(fā)動(dòng)機(jī)13燃燒空氣燃料混合物以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。發(fā) 動(dòng)機(jī)13包括8個(gè)汽缸22,其以V型鄰近汽缸組24， 26配置。雖然圖l描述 了8缸(N=8),應(yīng)該認(rèn)識(shí)到發(fā)動(dòng)機(jī)13可包括附加或更少的汽缸。例如， 可實(shí)現(xiàn)具有2， 4, 5, 6, 8, 10， 12和16汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)。還應(yīng)該i人識(shí)到
本發(fā)明的微粒過(guò)濾器再生控制可在直列式或其他類型汽缸配置中實(shí)現(xiàn)?？諝馔ㄟ^(guò)節(jié)氣門(mén)流入進(jìn)氣歧管14?？諝鈴倪M(jìn)氣歧管14流入汽 缸22且在那里被壓縮。燃油通過(guò)共軌噴射系統(tǒng)16噴入汽缸22且壓縮空氣 的熱量點(diǎn)燃空氣/燃料混合物。排氣從汽缸22排入排氣系統(tǒng)18。在有些情 況下，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10可包括渦輪增壓器，其利用排氣驅(qū)動(dòng)渦輪30以驅(qū)動(dòng) 壓縮機(jī)32,該壓縮機(jī)將進(jìn)入進(jìn)氣歧管14的空氣壓縮。壓縮空氣在進(jìn)入進(jìn)氣歧管14之前典型地流經(jīng)空氣冷卻裝置(未示出)。排氣系統(tǒng)18包括排氣歧管34, 36,排氣導(dǎo)管38， 40和42，及 PF系統(tǒng)12,所示實(shí)施例的PF系統(tǒng)可稱為柴油機(jī)PF系統(tǒng)。排氣歧管34, 36 引導(dǎo)廢氣排出相應(yīng)的汽缸組24, 26進(jìn)入排氣導(dǎo)管38， 40。可選地，EGR 閥使廢氣的一部分重新回流到進(jìn)氣歧管24。廢氣的剩余部分流入渦輪增 壓器以驅(qū)動(dòng)渦輪30。渦輪30便于壓縮從進(jìn)氣歧管14接受到的新鮮空氣。 結(jié)合的排氣流從渦輪增壓器流經(jīng)排氣導(dǎo)管42和PF系統(tǒng)12。當(dāng)包括以下部 件時(shí)，排氣可在進(jìn)入PF系統(tǒng)12之前流經(jīng)導(dǎo)管42,流經(jīng)氧化催化劑(DOC) 43,通過(guò)液體還原劑噴嘴44接受液體還原劑，和流經(jīng)混合器45。液體還 原劑可包括尿素，氨，或一些其他液體還原劑。液體還原劑噴入排氣流 以與NOx反應(yīng)產(chǎn)生水蒸氣(H20)和N2 (氮?dú)?。PF系統(tǒng)12包括在殼體55中的加熱元件52和PF/選擇性催化還 原(SCR)元件54。 PF/SCR可稱為兩通元件或兩通PF且在所述實(shí)施例中 示為柴油機(jī)微粒過(guò)濾器(DPF)/SCR。該P(yáng)F/SCR元件54可包括催化劑載 體/流轉(zhuǎn)換器，其在圖7中最佳示出。PF系統(tǒng)12在進(jìn)入大氣之前對(duì)來(lái)自排 氣導(dǎo)管38, 40的結(jié)合排氣過(guò)慮微粒。PF系統(tǒng)12促進(jìn)液態(tài)還原劑與N0x間 的反應(yīng)。PF系統(tǒng)12還可基于燃燒后的空氣/燃料比氧化廢氣。氧化作用的 量增加了廢氣的溫度。加熱元件52增加了 PF/SCR元件54的前表面的溫度，其啟動(dòng)其 中收集的碳煙的燃燒。PF/SCR元件54從發(fā)動(dòng)機(jī)13接收廢氣且過(guò)慮廢氣中 存在的碳煙微粒。PF/SCR元件54的PF部分可由陶瓷材料，碳化硅材料， 金屬材料，或其他合適的材料形成。基于本發(fā)明的基于氧的微粒過(guò)濾器再生方法，控制模塊60調(diào) 節(jié)系統(tǒng)10的操作。系統(tǒng)10可包括各種傳感器62,如排氣溫度傳感器64, 排氣流量傳感器66,空氣進(jìn)氣流量傳感器68，含氧量傳感器70,燃料壓 力傳感器72，空氣-燃料傳感器74，和用于系統(tǒng)10的狀態(tài)確定和控制的其 他傳感器76?？刂颇K60確定何時(shí)需要再生以及控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作以允許 再生的發(fā)生?；谟蓚鞲衅?2接收的狀態(tài)信號(hào)，控制;f莫塊60在整個(gè)再生 過(guò)程中控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作處于再生水平?？刂颇K60基于各種檢測(cè)的信息控制發(fā)動(dòng)機(jī)13和PF再生。更 確切地，控制才莫塊60估計(jì)PF/SCR元件54的負(fù)荷。當(dāng)估計(jì)的負(fù)荷達(dá)到閾值 水平(如5克/升微粒物)且排氣流率在期望的范圍，電流被控制流到加熱元件52且通過(guò)控制沖莫塊60和電源80提供以啟動(dòng)再生過(guò)程。來(lái)自電源的 電流可直接提供給加熱元件52,如圖所示，或在由加熱元件52接收前提 供給控制模塊60。再生過(guò)程的持續(xù)時(shí)間基于PF/SCR中的微粒物數(shù)量而變 化。預(yù)計(jì)再生過(guò)程可持續(xù)2-6分鐘。在再生過(guò)程的起始部分電流應(yīng)用于加熱元件52。更確切地， 電能加熱PF/SCR元件54的前表面一閾值時(shí)間段(如l-2分鐘)。通過(guò)前 表面82的廢氣被加熱。再生過(guò)程的剩余部分利用由前表面82附近的微粒 物燃燒產(chǎn)生的熱量或由通過(guò)PF/SCR元件54的加熱廢氣產(chǎn)生的熱量來(lái)實(shí) 現(xiàn)。為了進(jìn)一步解釋和說(shuō)明分區(qū)和加熱元件控制可參見(jiàn)美國(guó)專利 NO.11/233450，其于2006年3月22日申請(qǐng)名為"分區(qū)加熱入口點(diǎn)火柴油 機(jī)微粒過(guò)濾器再生"，該專利在此全文結(jié)合參考。參考圖2，示出了應(yīng)用于PF/SCR元件104前表面102的柵格/加 熱元件100的透—見(jiàn)圖。加熱元件120可以是各種形狀和尺寸且可布置成各 種構(gòu)形和式樣。例如，加熱元件的寬W或?qū)崧窂娇刹鹏迵?jù)每個(gè)應(yīng)用而變 化。雖然加熱元件120，如圖所示，具有單個(gè)正連接器106和單個(gè)負(fù)連接 器108，其也可具有任意數(shù)量的連接器。同時(shí)，可結(jié)合任意數(shù)量的加熱 元件。另一實(shí)施例中，每對(duì)連接器和加熱元件和/或其分段部分可與前表 面102的特定的覆蓋區(qū)域關(guān)聯(lián)。前表面102通過(guò)多個(gè)區(qū)域的加熱減少了再 生期間PF系統(tǒng)的電氣影響。每個(gè)區(qū)域通過(guò)向布置在各區(qū)域的電阻材料通 路供電而分別加熱。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件由電阻材料片組成，例 如金屬材料，如不銹鋼。加熱元件可利用水沖切割才幾沖壓，碾壓，切割， 或利用其他合適的技術(shù)成型。通過(guò)將前表面102分成多個(gè)被加熱區(qū)域，加熱元件100的材料 可更均勻地分布以均勻加熱前表面102。這使特定加熱區(qū)域的截面積最 小化且擴(kuò)大了鄰近通道的碳煙燃燒。結(jié)果，總的微粒物消耗被最大化， 而起始加熱面積的數(shù)量和用于加熱的電能被最小化。在各區(qū)域中，應(yīng)該 認(rèn)識(shí)到加熱元件1 OO可形成電阻通路或材料帶。電阻通路可以是能滲透 的或具有使廢氣流穿過(guò)的孔。還因該認(rèn)識(shí)到各區(qū)域可依次加熱，同時(shí)加 熱，或需要時(shí)選擇性加熱。參考圖1和2，控制模塊60分別控制各區(qū)域的加熱。開(kāi)關(guān)120 (被包含時(shí))可選擇性地啟動(dòng)或停用以允許電流流 向各區(qū)&戈。例如，電 壓通過(guò)電源80提供給開(kāi)關(guān)120。
參考圖3，示出了PF系統(tǒng)150的截面?zhèn)纫晥D。PF系統(tǒng)150,如圖 所示包括串連連接的柵格l54和PF/SCR元件156。柵格154和PF/SCR元件 156相互對(duì)接且通過(guò)襯墊158保持在適當(dāng)位置，襯墊158再由殼體160保 持。襯墊158，其為半軟質(zhì)撓性套筒，被巻繞且緊密地保持柵格154和 PF/SCR元件156。襯墊158于是封裝在焊接罐的或過(guò)濾罐中，如圖所示。 襯墊158可由絕緣材料，如蛭石或其他絕緣材料形成。PF系統(tǒng)150還包括電接觸端子170,其與柵格154連接。連接器 172通過(guò)插頭175使絕緣電線174與端子170連接。電能通過(guò)電線174提供 給各端子170。連接器172與殼體160連接。端子170通過(guò)高溫導(dǎo)電封條176 密封在襯墊158上。需要注意的是柵格158可利用各種緊固件和/或緊固技術(shù)與 PF/SCR元件156連接。當(dāng)在其中應(yīng)用電流時(shí)柵格154到PF/SCR元件156的 連接控制加熱元件154的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加熱元件154的溫度增加，加熱元件154 的材料膨脹。因?yàn)榧訜嵩?54可具有大約700-1 OOO' C間的最大操作溫 度，因此加熱元件154或其各部分可呈現(xiàn)大量的形變或橫向運(yùn)動(dòng)。所述 膨脹運(yùn)動(dòng)在其位于其中的PF系統(tǒng)150的橫截面平面中。緊固件的使用有 助于阻止或限制這種運(yùn)動(dòng)。該緊固件還可阻止加熱元件相鄰部分間的短 路。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固件沿加熱元件或其上的電阻/導(dǎo)電通路以預(yù)定 間隔設(shè)置，例如2-5厘米間隔。這種連接的實(shí)例在圖8和9中描述。該緊固 件可形成為銷，倒刺銷，插塞，翼片，夾等。該緊固件可由金屬或其他 合適的材料形成。PF/SCR元件156可以是整體式微粒捕集器且包括交替的入口 隔室/通道184和出口隔室/通道186。該隔室/通道184, 186沿PF/SCR元件 156軸向延伸。PF/SCR元件156的壁188可包括堇青石材料的多孔的陶瓷 蜂窩壁。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到任何陶瓷蜂窩材料均在本發(fā)明范圍內(nèi)。鄰接通道交 替地在各端部如190所示^^皮插塞。這迫使柴油機(jī)氣霧穿過(guò)用作機(jī)械過(guò)濾 器的多孔栽體壁。微粒物沉積在入口通道184中且廢氣通過(guò)出口通道186 排出。碳煙微粒192流入PF/SCR元件156中且在此捕集。出口通道186或PF/SCR元件156的其他部分可包括SCR材料和 /或元件。例如，出口通道的內(nèi)壁194可涂敷SCR材料。這在圖4中最佳示 出。SCR材料可包括釩，沸石，或其他合適的SCR材料。壁206可包括和/或涂敷SCR材料。如圖所示，壁206包括涂敷 其上的SCR層215。壁206用作進(jìn)入的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的過(guò)濾器和催化劑，該 廢氣如箭頭216所示。廢氣216進(jìn)入入口208且從入口通道202通過(guò)壁206 流到出口通道204。壁206阻止微粒物220進(jìn)入出口通道204。因此，微粒 物貼靠壁206收集在入口通道202中。壁206中的SCR催化劑促進(jìn)廢氣中液 態(tài)還原劑與NOX的反應(yīng)以形成H20(水蒸氣)和N2 (氮?dú)?。氣態(tài)或液態(tài) 還原劑，例如氨或尿素，可添加到廢氣。液體于是在壁206上被吸收。為了去除收集的微粒物或碳煙220,接近入口208的入口區(qū)域 230通過(guò)加熱元件231加熱。當(dāng)廢氣216在入口區(qū)域230加熱，在該入口區(qū) 域的所收集微粒物點(diǎn)燃生成火焰?；鹧娴膶?shí)例由232示出。該火焰由沿
種加熱可通過(guò)電接口產(chǎn)生，例如一個(gè)或多個(gè)加熱元件，本文對(duì)此有詳細(xì) 描述。所述加熱由最小的電能實(shí)現(xiàn)。所述加熱在PF/SCR元件中提供均勻 的熱分布和有限的峰值溫度，因而防止PF/SCR元件的損壞。所述加熱可 在低燃料消耗再生循環(huán)期間運(yùn)行。也就是說(shuō)，在PF/SCR元件再生期間可 將最小量的燃料注入排氣系統(tǒng)和/或PF系統(tǒng)。參考圖5A-C，示出了PF/SCR元件250中區(qū)域加熱和熱傳送的 正視圖和側(cè)視圖。在圖5A中，示出了位于中心的區(qū)域252,其在再生過(guò) 程中可被選擇并加熱。需要注意的是PF/SCR元件250的前表面可分成任 意數(shù)量的區(qū)域。加熱^皮選區(qū)域的前表面以點(diǎn)燃前表面附近的樣i粒物。該 燃燒/產(chǎn)生的熱能沿PF/SCR元件250縱向傳送。圖5A和5B描述了再生過(guò)程不同時(shí)刻PF/SCR元件250中微粒物 的點(diǎn)燃/熱能。圖5A提供離前表面起始點(diǎn)燃大約15s時(shí)PF/SCR元件250的 第一部分254的點(diǎn)燃實(shí)例。圖5B提供離前表面起始點(diǎn)燃大約30s時(shí)PF/SCR 元件250的第二部分256的點(diǎn)燃實(shí)例。實(shí)施再生過(guò)程的時(shí)間在每個(gè)應(yīng)用中 是可變的。需要指出的是在任何時(shí)刻下PF/SCR元件250的少部分被點(diǎn)燃。因此，PF/SCR元件250的大部分可用作催化劑和去除NOX。在一個(gè) 實(shí)施例中，加熱前表面的20。/。且因而點(diǎn)燃PF/SCR元件250的3-5。/o并因此 處于SCR失效狀態(tài)。剩余的95-97y。處于SCR有效狀態(tài)。當(dāng)處于SCR有效 狀態(tài)，PF/SCR元件250的關(guān)聯(lián)部分在適于去除NOX的溫度范圍操作。例 如，PF/SCR元件250的未點(diǎn)燃的部分可在大約200-300' C溫度范圍內(nèi)操 作。這允許SCR材料有效去除NOx。另一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)PF/SCR元件250
有效，則在再生期間PF/SCR元件250的NOx去除效率可大約等于或大于 90 % 。參考圖6,描述冷啟動(dòng)排氣試驗(yàn)過(guò)程中催化劑載體或PF的長(zhǎng)度 內(nèi)溫度分布的曲線圖。催化劑栽體具有多個(gè)串連連接的催化磚塊。前催 化磚塊和后催化磚塊間的接觸點(diǎn)由0.05m處溫度差峰尖代表。該峰尖由 催化磚塊通道間的不對(duì)齊引起。多重曲線50被示出且代表由標(biāo)注區(qū)52提 供的以秒為單位的時(shí)間。多重曲線50提供了用于PF的Tgas和Ts。w的差值
與通道長(zhǎng)度或沿通道縱向長(zhǎng)度位置間的關(guān)系。Tgas是排氣溫度，丁3。11￡1是
載體溫度。從圖中可以看出，由于PF入口或隔室入口位置處的湍流換熱， 大的溫度損耗發(fā)生在PF的前表面。前表面對(duì)應(yīng)通道長(zhǎng)度O。熱廢氣加溫 高度湍流處的PF前表面。熱廢氣加熱前表面直到隨時(shí)間達(dá)到熱平衡。由 于廢氣流沿PF通道向下游很短距離就變?yōu)閷恿?，熱交換損失減少。因此， 廢氣流呈層流狀的PF后表面隨時(shí)間在溫度上漸變。在后表面附近 Tgas/Ts。Hd溫度差接近0。由于這個(gè)原因，后表面的熱損失小于前表面。因此，加熱元件用于提升載體的溫度以氧化前表面上的碳煙。 這防止了由廢氣對(duì)流加熱引起的加熱元件能量損失，該廢氣隨后流經(jīng)載 體壁且從"干凈，，的冷的出口通道流出。當(dāng)PF加熱元件用于加熱PF前表面，加熱元件的溫度增加到超 過(guò)碳煙的燃點(diǎn)。PF的前表面加熱到可允許微粒物燃燒的足夠溫度會(huì)產(chǎn)生 火焰峰面，其向下或沿PF通道縱向傳播從而清潔過(guò)濾器的碳煙。PF可由 電阻材料形成，該材料提供有效技術(shù)產(chǎn)生熱量。然而，到較低溫廢氣中 的熱損失，和到金屬排氣管中的輻射熱損失增加了用于達(dá)到期望點(diǎn)燃溫 度的電能。當(dāng)加熱元件接收湍流廢氣流，會(huì)出現(xiàn)大量的熱損失，其將減 少加熱元件的溫度。這種熱損失的大部分是輻射熱損失。
輻射熱損失是從高溫物體放射能量且通常是紅外光。由于微 粒物需要高溫來(lái)燃燒，則輻射熱損失是能量損失的主要來(lái)源。斯式藩-波耳茲曼定律認(rèn)為輻射能的能量損失與發(fā)射和吸收表面溫度的四次方 差成比例，即a^~j(C-[4)。 qrad是輻射熱損失，A是斯式藩-波耳茲 曼定律常數(shù)，Th是加熟元件溫度，Tt是廢氣和/或加熱元件附近的其他部 件的溫度。因?yàn)橛糜邳c(diǎn)燃碳煙的加熱元件的溫度很高，所以與加熱元件 相關(guān)的加熱表面輻射熱損失也4艮高。為了貯存和反射輻射能且利用該能量燃燒碳煙，將采用催化 劑載體/流轉(zhuǎn)換器執(zhí)行過(guò)程，如下所述。為了以最小的電能實(shí)現(xiàn)用于碳煙
點(diǎn)燃的加熱元件的高溫，對(duì)廢氣流的對(duì)流損失要最小化。這通過(guò)將湍流 廢氣流轉(zhuǎn)換到層流廢氣流來(lái)完成。流轉(zhuǎn)換器在加熱元件接收之前將湍流 流轉(zhuǎn)換成層流流。在以下描述的實(shí)施例中，輻射能損失通過(guò)允許輻射能 反射和/或貯存在加熱元件附近的遮蔽載體表面來(lái)減少。因此排氣管中的 導(dǎo)熱損失減少，且輻射能在加熱元件附近貯存。所述的能量反射和貯存 有效的改善了再生PF的電氣效率。參考圖7，示出PF系統(tǒng)150，的截面?zhèn)纫晥D。該P(yáng)F系統(tǒng)150',如 圖所示包括串連的流轉(zhuǎn)換器152，柵格154和PF/SCR元件156。流轉(zhuǎn)換器 152，柵格154和PF/SCR元件156彼此貼靠且通過(guò)襯墊158，保持在適當(dāng)位 置，其中襯墊由殼體160，保持。在PF系統(tǒng)150，制造過(guò)程中，流轉(zhuǎn)換器152， 柵格154和PF/SCR元件156貼靠在一起且保持在適當(dāng)位置。這確保了柵格 154保持在流轉(zhuǎn)換器152和PF/SCR元件156之間。襯墊158，巻繞且緊緊地 保持流轉(zhuǎn)換器152 ，柵格l 54和PF/SCR元件156。需要注意的是柵格154也可附裝到流轉(zhuǎn)換器152或PD/SCR元 件156 。加熱元件154可利用各種緊固件和/或緊固技術(shù)附裝到流轉(zhuǎn)換器 152或PF/SCR元件156,其中一些緊固技術(shù)在此#^描述。當(dāng)應(yīng)用電流時(shí)， 柵格154到流轉(zhuǎn)換器152和/或PF/SCR元件156的附裝控制了加熱元件154 的運(yùn)動(dòng)。所迷流轉(zhuǎn)換器152可包括催化劑栽體，例如柴油機(jī)氧化催化劑 (DOC)。同樣地，流轉(zhuǎn)換器152可基于后燃燒空氣/燃料比用作熱屏蔽 和氧化廢氣。氧化量增加了廢氣的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，流轉(zhuǎn)換器152 包括和/或是一個(gè)開(kāi)口的隔室/通道栽體且PF/SCR元件156包括和/或是一 個(gè)封閉的隔室/通道載體。流轉(zhuǎn)換器152具有內(nèi)流通結(jié)構(gòu)，而PF/SCR元件156用作過(guò)濾器。利用流轉(zhuǎn)換器152,減輕了上迷輻射熱損失且在加熱元件154 上維持了層流廢氣流。流轉(zhuǎn)換器152在加熱元件154接收前將湍流廢氣流 轉(zhuǎn)換成層流廢氣流。這通過(guò)允許層流廢氣流通過(guò)加熱元件154表面而改 善了加熱元件的效率。流轉(zhuǎn)換器152構(gòu)造類似于PF156。然而，流轉(zhuǎn)換器不具有端部 插塞且因此是流通結(jié)構(gòu)。該流轉(zhuǎn)換器152可經(jīng)過(guò)一種或多種各類型的加 工以改善其輻射反射特性。例如，流轉(zhuǎn)換器152可金屬涂敷。流轉(zhuǎn)換器 152可用作或由輻射能反射塊取代。輻射能反射塊的大小和定位可與流 轉(zhuǎn)換器152相同。該輻射能反射塊反射輻射能。輻射能反射塊可提供與 湍流到層流交換相對(duì)的湍流交換。該流轉(zhuǎn)換器/輻射能反射塊可以是各種 尺寸，形狀和結(jié)構(gòu)。雖然未示出，該流轉(zhuǎn)換器具有與通道184, 186相似 的通道，其中可附有下述緊固件。柵格154附裝到流轉(zhuǎn)換器152的后表面 194。雖然附圖8和9主要描述的是加熱元件到PF/SCR元件的附裝， 但加熱元件也可利用相似的技術(shù)附裝到其他催化劑載體或流轉(zhuǎn)換器。參考圖8，示出了PF/SCR元件302的部分300的細(xì)部截面?zhèn)纫?圖，其描述了加熱元件緊固件304的實(shí)例。加熱元件307的通路部分306 示出在PF/SCR元件302的前表面308上。加熱元件307通過(guò)一個(gè)或多個(gè)緊 固件支承在前表面208上，例如緊固件304。緊固件304可一體成形為通 路部分306的一部分且插入通道312的入口310。該緊固件304成形或形成 以允許容易裝配，但難以拆卸。例如，緊固件304可如圖所示為帶倒刺 翼片或采用其他形式。該緊固件304可不完全塞住入口 310且因此可允許 廢氣流過(guò)。示出了廢氣可以流過(guò)其的開(kāi)口314。這樣，緊固件304可在通 道中燈芯式加熱，其可進(jìn)一步便于其中的碳煙燃燒。參考圖9，示出了PF/SCR元件322的部分320的細(xì)部截面?zhèn)纫?圖，其描述了加熱元件緊固件324的實(shí)例。加熱元件327的通路部分326 示出在PF/SCR元件322的前表面328上。加熱元件通路通過(guò)圖示為銷釘?shù)?緊固件324保持在前表面328上。緊固件324可插入或附裝在PF/SCR元件 322的出口通道332的端部插塞上。緊固件324也可生成和/或形成為端部 插塞330的一部分。緊固件324可嵌入PF/SCR元件322，如圖所示，且允 許加熱元件通路的連接。加熱元件通路可卡合在緊固件324的端部334下。需要注意的是加熱元件通路可以是多孔的且允許廢氣流過(guò)，如圖所
示?？蛇x擇的，加熱元件通路可安排在PF上，這樣入口通道開(kāi)口位于通 路部分之間。參考圖10，示出了邏輯流程圖，其描述了在排氣系統(tǒng)中執(zhí)行 PF再生過(guò)程的方法。在步驟400,來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流經(jīng)流轉(zhuǎn)換器，例如流轉(zhuǎn)換器 152。流轉(zhuǎn)換器在加熱元件(柵格)接收前將湍流廢氣流轉(zhuǎn)換成層流氣流。在步驟402,廢氣在流經(jīng)流轉(zhuǎn)換器之后流經(jīng)或穿過(guò)加熱元件， 例如加熱元件(柵格)82， 154和231中的一個(gè)。加熱元件增加了廢氣的 溫度以在PF/SCR元件(例如PF/SCR元件54和156中的一個(gè))的所選擇部 分中點(diǎn)燃微粒。加熱元件的所選擇區(qū)域或多個(gè)區(qū)域被選定和有效。 PF/SCR元件前表面的加熱在廢氣中沒(méi)有燃料噴射的情況下啟動(dòng)再生。雖 然燃料可噴射入廢氣以進(jìn)一步在PF中加熱和點(diǎn)燃微粒物。在一個(gè)實(shí)施例
中，當(dāng)運(yùn)行再生過(guò)程時(shí)燃料不噴射入廢氣。在步驟404, PF/SCR元件過(guò)慮廢氣中的微粒，如上所述。在 步驟406， PF/SCR元件通過(guò)PF上包括的還原催化劑來(lái)促進(jìn)液體還原劑與 廢氣的反應(yīng)，例如通過(guò)SCR層215。在步驟408，確定加熱元件，廢氣，PF/SCR元件的溫度，和/ 或其他溫度。所述溫度可直接或間接確定。當(dāng)直接確定時(shí)，溫度信號(hào)可 從傳感器獲得，例如傳感器62。當(dāng)間接確定時(shí)，可通過(guò)控制模塊，例如 控制模塊60確定排氣流率，進(jìn)氣流率，氧水平，噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的燃 料，和其他參數(shù)。這些參數(shù)也可直接和/或間接地通過(guò)傳感器62或其他已 知技術(shù)的應(yīng)用來(lái)確定?？捎靡粋€(gè)算法確定溫度。列表可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中 以根據(jù)所述參數(shù)，已知操作條件，和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的已知操作特征確定溫 度。在步驟410，控制模塊確定何時(shí)存在一個(gè)或多個(gè)條件，例如是 否一個(gè)或多個(gè)溫度已超過(guò)相關(guān)的預(yù)定閾值。當(dāng)超過(guò)一個(gè)或多個(gè)閾值，控 制模塊可繼續(xù)執(zhí)行步驟412-416,否則該控制模塊可繼續(xù)再生過(guò)程且回到 步驟408或繼續(xù)執(zhí)行步驟418。當(dāng)確定再生過(guò)程在一個(gè)特定區(qū)域已經(jīng)完 成，控制模塊將繼續(xù)執(zhí)行步驟418。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)加熱元件溫度 等于或大于大約800' C - 850' C，控制^t塊繼續(xù)執(zhí)行步驟412-416。在步驟412-416，控制模塊可基于確定的條件調(diào)節(jié)進(jìn)氣流率，排氣流率，燃料噴嘴操作，加熱元件電流，廢氣氧(02)水平，和/或其 他操作方面。可調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和/或排氣的燃料噴射操作。例如，該控制 模塊可執(zhí)行調(diào)節(jié)以減少 一個(gè)或多個(gè)所關(guān)注的溫度。作為更具體的實(shí)例，
控制模塊可減少加熱元件和/或PF/SCR元件的溫度。例如，控制模塊可 減少提供給加熱元件的電流以減少加熱元件的溫度且因此減少PF/SCR 元件的溫度。作為氧控制的實(shí)例，可調(diào)節(jié)噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料和/或空氣以 提供更濃或更稀的空氣/燃料混合物。后噴射也可用于調(diào)節(jié)氧水平。后噴 射閥或其他裝置可用于發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸和/或其下游的燃料后噴射。在發(fā)動(dòng)機(jī)
排氣。、'， 口 ' P a ',在步驟418,控制模塊可選擇后續(xù)區(qū)域以運(yùn)行再生過(guò)程或結(jié)束 再生過(guò)程。步驟418結(jié)束后，控制模塊可返回步驟402。上述步驟是用于示例性實(shí)施例；所述步驟可順序地，同步地， 同時(shí)地，連續(xù)地，或根據(jù)應(yīng)用以不同的次序執(zhí)行。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)前述描述能認(rèn)識(shí)到本發(fā)明所公開(kāi)內(nèi)容 的廣泛示教可以各種形式實(shí)現(xiàn)。因此，雖然此公開(kāi)內(nèi)容包括特定實(shí)例時(shí)， 但由于其他修改對(duì)技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，，尤其是在研究了附圖，說(shuō) 明書(shū)，和其附的權(quán)利要求之后，因此公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)際范圍應(yīng)不受限制。
權(quán)利要求
1.一種排氣系統(tǒng)，包括過(guò)慮罐，置于發(fā)動(dòng)機(jī)下游；微粒過(guò)濾器(PF)，其置于所述過(guò)慮罐中且過(guò)濾所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中的微粒；還原催化劑，其置于所述PF上且在所述PF接收所述廢氣后在該廢氣中促進(jìn)液態(tài)還原劑反應(yīng)；和加熱元件，其置于所述過(guò)慮罐中且加熱所述PF中的微粒物。
2. 如權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括襯墊，其中所迷PF, 所述還原催化劑和所述加熱元件置于所述襯墊中。
3. 如權(quán)利要求l所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括襯墊，其中所述PF和 所述加熱元件通過(guò)所述襯墊相對(duì)于彼此保持到位。
4. 如權(quán)利要求l所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 襯墊；多個(gè)端子，其向所述加熱元件提供電流；和 熱密封，其連接在所述襯墊和所述多個(gè)端子之間。
5. 如權(quán)利要求l所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括控制模塊，其啟動(dòng)所 述力口熱元件。
6. 如權(quán)利要求5所述的排氣系統(tǒng)，包括 溫度傳感器，產(chǎn)生溫度信號(hào)，其中當(dāng)所述溫度信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，所述控制模塊減少流向所述加熱 元4牛的電流。
7. 如權(quán)利要求5所述的排氣系統(tǒng)，包括 溫度傳感器，產(chǎn)生溫度信號(hào)，其中當(dāng)所述溫度信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，所述控制模塊調(diào)節(jié)所述廢氣中的 氧水平。
8. 如權(quán)利要求l所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于所述加熱元件包括電 阻材料的柵格。
9. 如權(quán)利要求l所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于所述加熱元件包括多 個(gè)可選擇性加熱的區(qū)域。
10. 如權(quán)利要求l所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個(gè)與所述加熱元 件連接且向所迷加熱元件提供電流的電端子。
11. 一種排氣系統(tǒng)，包括微粒過(guò)濾器(PF)，其置于發(fā)動(dòng)機(jī)下游且過(guò)濾發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的微粒； 還原催化劑，其涂敷所述PF的至少一部分且在所述廢氣中促進(jìn)液態(tài) 還原劑反應(yīng)；和加熱元件，其接收電流信號(hào)且在加熱所迷PF中的微粒物。
12. 如權(quán)利要求ll所述的排氣系統(tǒng)，還包括殼體，其中所述PF,所 述還原催化劑，和所述加熱元件置于所述殼體中。
13. 如權(quán)利要求U所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括襯墊，其中所述PF 和所述加熱元件通過(guò)所述襯墊相對(duì)于彼此保持到位。
14. 如權(quán)利要求ll所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括流轉(zhuǎn)換器，在所述 加熱元件接收廢氣之前之前將所述廢氣湍流氣流轉(zhuǎn)4灸成層流氣流。
15. 如權(quán)利要求ll所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括啟動(dòng)所述加熱元件 的控制模塊。
16. 如權(quán)利要求ll所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于所述加熱元件包括 電阻材料的柵格。
17. 如權(quán)利要求ll所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于所述PF包括從陶 瓷，碳化硅，金屬材料中選擇的至少一種材料。
18. —種在排氣系統(tǒng)中執(zhí)行再生過(guò)程的方法，包括 使來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流經(jīng)加熱元件； 通過(guò)所述加熱元件加熱微粒過(guò)濾器(PF)中的微粒物； 用所述PF過(guò)濾所述廢氣中的微粒；且
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述加熱元件，所述PF，和所迷還原催化劑中至少一個(gè)的溫度 4可時(shí)超過(guò)閾值；和當(dāng)超過(guò)所迷閾值時(shí)減小所述加熱元件的溫度。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于加熱所述微粒物包括點(diǎn) 燃微粒以啟動(dòng)沿所述PF縱向傳播的燃燒。
全文摘要
本發(fā)明涉及電加熱柴油機(jī)微粒過(guò)濾器/選擇性催化還原兩通系統(tǒng)，具體而言，一種排氣系統(tǒng)可包括置于發(fā)動(dòng)機(jī)下游的過(guò)濾罐。微粒過(guò)濾器(PF)置于過(guò)濾罐中且過(guò)濾發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的微粒。還原催化劑置于過(guò)濾罐中，位于PF上，且在PF接收后促進(jìn)廢氣中的液態(tài)還原劑反應(yīng)。加熱元件置于過(guò)濾罐中且在PF中加熱微粒物。
文檔編號(hào)F01N3/027GK101315039SQ20081009874
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者E·V·貢澤, M·J·小帕拉托爾, Y·何 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司