颗粒过滤器系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102191973 A (43)申请公布日 2011.09.21 CN 102191973 A *CN102191973A* (21)申请号 201110058716.3 (22)申请日 2011.03.11 12/721635 2010.03.11 US F01N 3/027(2006.01) F01N 9/00(2006.01) F01N 3/022(2006.01) (71)申请人 通用汽车环球科技运作有限责任公 司 地址 美国密执安州 (72)发明人 A. 特瓦里 G. 巴蒂亚 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 原绍辉 。

2、(54) 发明名称 颗粒过滤器系统 (57) 摘要 本发明涉及颗粒过滤器系统。 具体地， 提供了 一种用于从内燃发动机的排气供应流过滤颗粒的 装置， 包括 ： 过滤器基底， 过滤器基底具有多个交 替封闭的平行的流动通道， 流动通道具有平行于 其入口与出口之间的排气的流动轴线而定向的多 孔壁， 其中， 流动通道的子集与多个区中的相应区 相关联 ； 控制到所述多个区的每一个的排气流的 流控制阀 ； 包括多个单独激活的加热元件的多区 加热元件， 所述多个单独激活的加热元件每一个 对应于所述多个区中的一个。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明。

3、专利申请 权利要求书 1 页 说明书 10 页 附图 6 页 CN 102191977 A1/1 页 2 1. 一种用于从内燃发动机的排气供应流中过滤颗粒的装置， 其包括 ： 过滤器基底， 所述过滤器基底具有多个交替封闭的平行的流动通道， 所述流动通道具 有平行于其入口与出口之间的排气的流动轴线定向的多孔壁， 其中， 所述流动通道的子集 与多个区的相应区相关联 ； 流控制阀， 所述流控制阀控制到所述多个区中的每一个区的排气流 ； 以及 多区加热元件， 所述多区加热元件包括多个单独激活的加热元件， 所述多个单独激活 的加热元件中的每一个加热元件都对应于所述多个区中的一个区。 2. 根据权利要求 。

4、1 所述的装置， 其中， 所述流控制阀对到所述多个区中所选择的一个 区的排气流进行阻挡。 3. 根据权利要求 2 所述的装置， 还包括控制模块， 所述控制模块操作所述流控制阀以 便对到所述多个区中所选择的一个区的排气流进行阻挡， 并且操作所述多区加热元件来控 制所述多个单独激活的加热元件中与所述多个区中所选择的一个区对应的一个加热元件。 4. 根据权利要求 2 所述的装置， 其中， 阻挡所述排气流的流控制阀将所述排气流阻挡 到预定流率范围， 并且所述多区加热元件将热量传递到所述多个区中所选择的一个区， 从 而实现通过所述多个区中的所选一个区的大于 600的排气温度。 5.根据权利要求4所述的装。

5、置， 其中， 所述多区加热元件以2千瓦的功耗将热量传递到 所述多个区中的一个。 6. 根据权利要求 1 所述的装置， 其中， 所述过滤器基底包括堇青石材料。 7. 根据权利要求 1 所述的装置， 其中， 所述流控制阀位于所述过滤器基底的上游。 8. 根据权利要求 1 所述的装置， 其中， 所述流控制阀位于所述过滤器基底的下游。 9. 一种颗粒过滤器组件， 其包括 ： 堇青石过滤器基底， 所述堇青石过滤器基底具有多个过滤器区 ； 加热元件， 所述加热元件包括多个单独激活的加热区， 所述多个单独激活的加热区中 的每一个加热区对应于所述多个过滤器区中的相应一个过滤器区 ； 以及 流控制阀， 所述流控。

6、制阀用于有选择地阻挡到所述多个过滤器区中的一个过滤器区的 排气流， 所述一个过滤器区与所述多个单独激活的加热区中被激活的一个加热区对应。 10. 一种用于从来自内燃发动机的排气中过滤颗粒的方法， 其包括 ： 有选择地限制流经过滤器预定部分的所述排气流 ； 以及 电加热所述被有选择地限制的排气流， 所述排气流流过过滤器的所述预定部分。 权 利 要 求 书 CN 102191973 A CN 102191977 A1/10 页 3 颗粒过滤器系统 技术领域 0001 本发明涉及排气后处理系统， 更具体地， 涉及监测排气后处理系统的颗粒过滤器。 背景技术 0002 本节说明仅提供与本发明有关的背景信。

7、息， 可以不构成现有技术。 0003 用于管理及处理排气供应流的后处理系统可以包括颗粒过滤器装置， 颗粒过滤器 装置从供应流中去除例如元素碳颗粒之类的颗粒物。 颗粒过滤器装置的已知应用包括操作 在化学计量点的稀侧的内燃发动机， 包括例如压燃式 （柴油） 发动机和稀薄燃烧火花点火式 发动机。已知的颗粒过滤器装置要求定期再生， 以氧化并且从颗粒过滤器装置去除所过滤 的颗粒物。再生会要求增加颗粒过滤器装置温度的操作。增加颗粒过滤器装置的温度可以 包括增加排气供应流的温度， 包括例如在高速 / 高负载操作条件下以浓空气 / 燃料比操作 内燃发动机， 以及将碳氢化合物喷射到位于氧化催化剂上游的排气供应流。

8、中， 其中氧化催 化剂位于颗粒过滤器装置的上游， 以及其它操作。这些操作会有相关燃料损失。而且， 还已 知颗粒过滤器装置的高温操作会减少其服务寿命。 发明内容 0004 一种用于从内燃发动机的排气供应流过滤颗粒的装置， 该装置包括 ： 过滤器基底， 该过滤器基底具有多个交替封闭的平行的流动通道， 这些流动通道具有平行于其入口与出 口之间的排气的流动轴线 （flow axis） 的多孔壁， 其中， 流动通道的子集与多个区的相应区 相关联 ； 控制到所述多个区中每一个的排气流的流控制阀 ； 包括多个单独激活的加热元件 的多区加热元件， 所述多个单独激活的加热元件每一个对应于所述多个区中的一个。 0。

9、005 本发明还包括以下方案 ： 方案 1. 一种用于从内燃发动机的排气供应流中过滤颗粒的装置， 其包括 ： 过滤器基底， 所述过滤器基底具有多个交替封闭的平行的流动通道， 所述流动通道具 有平行于其入口与出口之间的排气的流动轴线定向的多孔壁， 其中， 所述流动通道的子集 与多个区的相应区相关联 ； 流控制阀， 所述流控制阀控制到所述多个区中的每一个区的排气流 ； 以及 多区加热元件， 所述多区加热元件包括多个单独激活的加热元件， 所述多个单独激活 的加热元件中的每一个加热元件都对应于所述多个区中的一个区。 0006 方案 2. 根据方案 1 所述的装置， 其中， 所述流控制阀对到所述多个区中。

10、所选择的 一个区的排气流进行阻挡。 0007 方案 3. 根据方案 2 所述的装置， 还包括控制模块， 所述控制模块操作所述流控制 阀以便对到所述多个区中所选择的一个区的排气流进行阻挡， 并且操作所述多区加热元件 来控制所述多个单独激活的加热元件中与所述多个区中所选择的一个区对应的一个加热 元件。 0008 方案 4. 根据方案 2 所述的装置， 其中， 阻挡所述排气流的流控制阀将所述排气 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A2/10 页 4 流阻挡到预定流率范围， 并且所述多区加热元件将热量传递到所述多个区中所选择的一个 区， 从而实现通过所述多个区中的所选。

11、一个区的大于 600的排气温度。 0009 方案 5. 根据方案 4 所述的装置， 其中， 所述多区加热元件以 2 千瓦的功耗将热量 传递到所述多个区中的一个。 0010 方案 6. 根据方案 1 所述的装置， 其中， 所述过滤器基底包括堇青石材料。 0011 方案 7. 根据方案 1 所述的装置， 其中， 所述流控制阀位于所述过滤器基底的上 游。 0012 方案 8. 根据方案 1 所述的装置， 其中， 所述流控制阀位于所述过滤器基底的下 游。 0013 方案 9. 根据方案 1 所述的装置， 其中， 所述多个区中的每一个包括基本类似数量 的流动通道。 0014 方案 10. 一种颗粒过滤器。

12、组件， 其包括 ： 堇青石过滤器基底， 所述堇青石过滤器基底具有多个过滤器区 ； 加热元件， 所述加热元件包括多个单独激活的加热区， 所述多个单独激活的加热区中 的每一个加热区对应于所述多个过滤器区中的相应一个过滤器区 ； 以及 流控制阀， 所述流控制阀用于有选择地阻挡到所述多个过滤器区中的一个过滤器区的 排气流， 所述一个过滤器区与所述多个单独激活的加热区中被激活的一个加热区对应。 0015 方案 11. 根据方案 10 所述的装置， 还包括控制模块， 所述控制模块操作所述加热 元件来控制所述单独激活的加热区， 并且操作所述流控制阀来阻挡到所述多个过滤器区中 的一个过滤器区的排气流， 所述一。

13、个过滤器区与所述多个单独激活的加热区中被激活的一 个加热区对应。 0016 方案 12. 根据方案 11 所述的装置， 其中， 所述流控制阀有选择地将到所述多个过 滤器区中一个过滤器区的所述排气流阻挡到预定流率范围， 并且所述加热元件将热量传递 到所述多个单独激活的加热区中被激活的一个加热区， 以实现通过所述多个过滤器区的一 个过滤器区的大于 600的排气温度， 所述一个过滤器区对应于所述多个单独激活的加热 区中被激活的一个加热区。 0017 方案 13. 一种用于从来自内燃发动机的排气中过滤颗粒的方法， 其包括 ： 有选择地限制流经过滤器预定部分的所述排气流 ； 以及 电加热所述被有选择地限。

14、制的排气流， 所述排气流流过过滤器的所述预定部分。 0018 方案 14. 根据方案 13 所述的方法， 其中， 有选择地限制所述排气流以及电加热 所述被有选择地限制的排气流包括 ： 通过流控制阀阻挡通过过滤器的所述预定部分的排气 流， 以及电加热所述被有选择地限制的流过过滤器的所述预定部分的排气流， 以在过滤器 的所述预定部分中实现大于 600的温度。 附图说明 0019 现在将参考附图通过举例方式描述一个或多个实施例， 在附图中 ： 图 1-3 是根据本发明的内燃发动机、 排气后处理系统、 及其元件的二维示意图 ； 图 4 是根据本发明的排气后处理系统及其元件的三维示意图 ； 图 5 和 。

15、6 是根据本发明的多区加热元件的二维示意图 ； 以及 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A3/10 页 5 图 7-9 是根据本发明的数据图。 具体实施方式 0020 现在参考附图， 其中附图所示内容仅出于说明特定示例性实施例的目的， 而不是 为了对其加以限制。图 1 示意性地例示了排气后处理系统 40 和在根据本发明实施例构造 的控制模块 10 中执行的附随控制系统。在一个实施例中， 排气后处理系统 40 被示出为流 体联接到内燃发动机240的排气歧管39， 但此处所述方法不限于此。 附图中， 相同标记指示 相同元件。 0021 在一个实施例中， 发动机 2。

16、40 是以稀的空气 / 燃料比操作来产生可传送到传动系 统的机械动力的多缸直喷式四冲程内燃发动机。 空气进气系统将进入空气导引到进气歧管 29， 进气歧管 29 将空气导向并分配到进气通道再到发动机 10 的每个燃烧室中。进气系统 包括用于监测和控制发动机进气流的气流管道和装置。优选地， 这些装置包括用于监测通 过发动机10的质量空气流量和进气温度的质量空气流量传感器32。 其它发动机控制装置， 例如节气门阀， 可以控制到发动机 10 的气流。发动机 240 包括排气歧管 39， 排气歧管 39 将 排气从发动机 10 带走并将排气供应流导引到排气后处理系统 40。 0022 排气后处理系统 。

17、40 包括至少一个被配置为从排气供应流去除颗粒物的颗粒过滤 器组件50。 在如图1所示的一个实施例中， 具有位于颗粒过滤器组件50上游的第一后处理 装置 45。在一个实施例中， 第一后处理装置 45 包括联接到 NOx 还原装置的氧化催化剂。排 气后处理系统 40 优选地包括被配置为监测从发动机 240 排出的排气供应流的第一传感器 42， 第一传感器 42 可以包括空气 / 燃料比传感器或排气成分传感器中的一个。排气后处理 系统 40 优选地包括被配置为监测颗粒过滤器组件 50 下游的排气供应流的第二传感器 44， 第二传感器 44 在一个实施例中可以包括排气成分传感器。传感装置的信号输出由。

18、控制模 块 10 监测， 用于反馈控制监测和诊断。可将第一后处理装置 45 和颗粒过滤器组件 50 组装 成被流体连接并组装到发动机舱和车辆底部中的结构。 0023 控制系统在控制模块 10 中被作为一组控制算法执行。控制模块、 模块、 控制器、 处 理器和类似术语意指以下各项中的一个或多个的任意合适的一个组合或各种组合， 所述各 项为 ： 专用集成电路 （ASIC） 、 电子电路、 中央处理单元 （优选地， 微处理器） 和执行一个或多 个软件或固件程序的相关存储器和存储装置 （只读的、 可编程只读的、 随机存取的、 硬盘驱 动器等） 、 组合逻辑电路、 输入 / 输出电路和装置、 适当的信号。

19、调节和缓冲电路、 以及提供所 述功能的其它合适部件。控制模块具有一组控制算法， 包括存储在存储器中并被执行以提 供所需功能的常驻软件程序指令和校准程序。优选地， 算法在预设循环周期期间被执行。 算法例如通过中央处理单元执行， 并且可操作用于监测来自传感装置和其它网络化控制模 块的输入， 以及执行控制和诊断例程来控制致动器的操作。 可以以有规律的间隔， 例如在正 进行的发动机和车辆操作期间每 3.125、 6.25、 12.5、 25 和 100 毫秒， 来执行循环周期。替 代地， 可以响应事件的发生执行算法。在一个实施例中， 控制系统可以控制发动机 240 的操 作， 包括以优选的空气 / 燃。

20、料比控制操作来实现与操作员请求、 燃料消耗、 排放和操纵性相 关的性能参数， 通过受控的进气流来实现优选的空气 / 燃料比。发动机控制可以包括定期 操作发动机 240 以再生颗粒过滤器组件 50。 0024 图 2 示意性地示出颗粒过滤器组件 50 的实施例的二维细节， 颗粒过滤器组件 50 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A4/10 页 6 被配置为从排气供应流去除颗粒物。 颗粒过滤器组件50包括颗粒过滤器基底60， 颗粒过滤 器基底 60 结构地容纳在具有入口 58 和出口 59 的金属容器 51 中。入口 58 流体连接到后 处理装置 45 的流体出口。

21、。出口 59 流体地连接到排气管。绝缘支撑材料 52 包裹过滤器基 底 60 并且在金属容器 51 内机械支撑和固定过滤器基底 60。绝缘支撑材料 52 还提供了密 封功能， 以确保排气供应流流过过滤器基底 60。 0025 在一个实施例中， 过滤器基底 60 可以涂有催化性基面涂层材料 56， 在一个实施例 中被示出为施用在过滤器基底 60 的入口侧上。优选的基面涂层材料可以包括基于氧化铝 的基面涂层， 而基于氧化铝的基面涂层包括例如铂、 钯、 铑和铈的催化金属。 0026 过滤器基底 60 优选地是具有由受挤压堇青石形成的具有蜂窝结构的整体装置， 其包括多个被形成为平行于入口 58 与出口。

22、 59 之间的纵向流动轴线的平行的流动通道 62。 在流动通道 62 之间的由受挤压堇青石形成的过滤器基底 60 的壁是多孔的。优选地， 流动 通道 62 的每一个在一端处被封闭。优选地， 流动通道 62 以棋盘方式在过滤器基底 60 面向 入口 58 的一端和过滤器基底 60 面向出口 59 的一端被交替封闭。由于发动机操作期间入 口 58 与出口 59 之间的排气供应流中的压差， 所以当排气从入口 58 流到出口 59 时， 交替封 闭的流动通道 62 使排气供应流流过过滤器基底 60 的多孔壁。排气供应流流过过滤器基底 60 的多孔壁被用来从排气供应流过滤或去除颗粒物， 并使排气供应流靠。

23、近基面涂层。优选 地， 由堇青石形成过滤器基底 60 ； 替代地， 也可以使用包括 SiC 的其它过滤基底材料来替代 具有此处所述壁流式设计的过滤器基底 60 中的堇青石。 0027 流动通道 62 被分成多个区， 并且平行的流动通道 62 的每一个都优选只与所述区 中的一个相关联。在图 2 和图 3 所示的实施例中有三个区， 被示为区 A、 B 和 C， 流动通道 62 的每一个优选只与区 A、 B 和 C 中的一个相关联。其它实施例， 包括参考图 4、 图 5 和图 6 示 出的那些实施例， 可以包括其它数量的区。优选地， 所述区 （例如图 2 和图 3 的实施例中示 出的区 A、 B 和。

24、 C） 中的每一个具有基本相同数量的与其相关联的流动通道 62。 0028 流控制阀 70 包括在该实施例中被示出为 72A、 72B 和 72C 的多个流控制装置， 所述 流控制装置通过电缆 23 操作地连接到控制模块 10。流控制装置 72A、 72B 和 72C 中的每一 个在物理上对应于多个区A、 B和C中的一个并且与其相关联。 优选地， 流控制装置72A、 72B 和 72C 是可用于阻挡并因而限制排气供应流通过区 A、 B 和 C 中所选一个的质量流率的流阻 抑装置。流控制装置 72A、 72B 和 72C 中的每一个可以包括挡板装置、 网、 阀门和其它装置， 所述挡板装置、 网、。

25、 阀门和其它装置在物理上阻挡排气流， 以减少排气供应流通过相关联区 的流动通道 62 的质量流率， 所述相关联区即区 A、 B 和 C 中的一个。在激活时， 所选的流控 制装置， 即 72A、 72B 和 72C， 阻挡排气供应流通过相关联区的流动通道 62 的流动， 使得在正 进行的车辆操作期间， 排气供应流通过相关联区的流动通道 62 的质量流率小于阈值流率。 可以按照空间速度来限定阈值流率， 所述空间速度即与区 A、 B 和 C 中的一个相关联的流动 通道62的每容积的体积排气流率， 单位为L/h/L或1/h。 在一个实施例中， 阈值流率是单位 为 kg/h 的质量流率， 例如 100 。

26、kg/h。在去激活时， 不阻挡排气供应流流过相关联的区。包 括多个流控制装置 72A、 72B 和 72C 的流控制阀 70 在该实施例中被放置于过滤器基底 60 的 上游。优选地， 流率阈值是最大流率， 在该最大流率上， 当以预定功率水平 （例如 2 kW） 对相 关加热元件提供功率时， 流过相关联区的排气供应流可以达到大于 600 的温度。图 3 示 出了带流控制阀 70 的颗粒过滤器组件 50 的实施例， 流控制阀 70 包括置于过滤器基底 60 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A5/10 页 7 下游的多个流控制装置 72A、 72B 和 72C。 。

27、0029 多区加热元件 80 被置于过滤器基底 60 的上游。优选地， 加热元件 80 包括该实施 例中被示出为 82A、 82B 和 82C 的单独激活的电供能的加热元件段 82。加热元件段 82 由控 制模块 10 通过多个电缆 33 单独激活， 其使用例如功率晶体管装置之类的电开关装置来控 制到加热元件段82中每一个的电力传输。 多个加热元件段82， 即82A、 82B和82C， 在物理上 对应于过滤器基底 60 的流动通道 62 的多个区并与其相关联， 所述多个区在该实施例中即 区 A、 B 和 C。优选地， 加热元件段 82 是可被有选择地致动来产生热量的电供能的电阻型加 热装置， 。

28、该热量可通过排气供应流对流地传递到与区 A、 B 和 C 中的一个相关联的对应流动 通道 62。在一个实施例中， 加热元件 80 的加热元件段 82 是连接到陶瓷整体基底的电阻元 件， 该陶瓷整体基底具有与过滤器基底 60 相连并位于过滤器基底 60 上游的流经通道。在 一个实施例中， 加热元件 80 的加热元件段 82 是在具有流经通道的基底中形成的正温度系 数陶瓷装置。控制模块 10 被配置为使用功率晶体管装置和其它控制机构经由多个电缆 33 向加热元件段 82 的单独段传输电功率。 0030 在操作中， 控制模块10执行控制方案， 该控制方案顺序激活加热元件段82中的一 个以及流控制装置。

29、 72 中的对应一个来实现与对应区相关联的流动通道的再生， 所述对应 区例如区 A、 B 和 C 中的一个。系统操作用于通过使用相关联加热元件段 82 增加排气供应 流的温度以及通过流控制装置 72 限制流量来减小排气流率， 从而增加与所选区相关联的 流动通道内的温度。热传递方程可用来确定优选电功率， 所述优选电功率用于加热加热元 件段 82 中的一个以达到有效地再生与所选流动通道相关联的所选区的排气供应流温度。 在一个实施例中， 加热元件段 82 中的一个的功耗是 2 kW， 操作六十秒的持续时间以在排气 供应流中达到大于 600 的温度， 导致颗粒过滤器 60 的 75至 90再生。 00。

30、31 图 4 示出带过滤器基底 60、 流控制阀 70 和多区加热元件 80 的颗粒过滤器组件 50 的实施例的局部分解三维侧视图。过滤器基底 60 在该实施例中呈圆柱形， 有四个区 A、 B、 C 和 D， 每一个区与过滤器基底 60 的面的四分之一相关联， 并且四个区 A、 B、 C 和 D 中 的每一个具有基本相同数量的与其相关联的流动通道。多区加热元件 80 是圆形的， 直径 基本等于过滤器基底 60 的截面直径。多区加热元件 80 具有对应于过滤器基底 60 的四个 区 A、 B、 C 和 D 的四个单独激活的电供能的加热元件段 82。 0032 该实施例的流控制阀 70 包括多个同。

31、轴的流控制装置 72。流控制装置 72 的每 一个都是具有多个限流器 75 的圆形装置， 限流器 75 从与过滤器基底 60 的中心轴线 76 同 轴的中心点径向突出到周向环 78。用于流控制装置 72 的每一个的限流器 75 在该实施例 中被包含在只与过滤器基底 60 的面的四分之一相关联的弧段中。流控制装置 72 是表面 相连的。流控制装置 72 每一个都可以响应于来自控制模块 10 的控制信号而绕中心轴线 76单独旋转。 当流控制装置72均位于第一旋转位置时， 对于给定的压降和流率， 其上的流 限制被最小化。可以以不同旋转角度单独旋转流控制装置 72， 来阻挡穿过与四个区 A、 B、 C。

32、 和 D 中的一个相关联的加热元件段 82 中的一个的流。可以旋转所有流控制装置 72 来 阻挡穿过与过滤器基底 60 的四个区 A、 B、 C 和 D 的每一个相关联的弧段中的一个的流。 0033 图 5 示出具有五个单独激活的电供能的加热元件段 82E、 82F、 82G、 82H 和 82I 的多 区加热元件 80 的实施例的二维前视图。加热元件段 82E、 82F、 82G、 82H 和 82I 对应于与过 滤器基底相关联的平行流动通道的区， 所述过滤器基底例如图 4 所示的过滤器基底 60。优 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A6/10 页 8 选。

33、地， 这五个加热元件段82E、 82F、 82G、 82H和82I具有基本相同的表面积， 从而相关联过滤 器基底的对应区的每一个均具有基本相同数量的与其相关联的流经通道。 这五个加热元件 段 82 包括被划分成四个段 82E、 82F、 82G 和 82H 并且环绕中心环 82I 的圆环。 0034 图 6 示出具有三个单独激活的电供能的加热元件段 82A、 82B 和 82C 的多区加 热元件 80 的实施例的二维前视图。加热元件段 82A、 82B 和 82C 对应于与过滤器基底相 关联的平行流动通道的区， 所述过滤器基底例如图 4 所示的过滤器基底 60。所示出的三个 加热元件段 82A。

34、、 82B 和 82C 包括具有基本相同表面积的中心圆形元件 82A 和两个同轴 圆环元件 82B 与 82C， 从而相关联过滤器基底的对应区每一个均具有基本相同数量的与 其相关联的流经通道。可以使用其它装置和系统来将热量传递到过滤器基底 60 的所选区， 所述其它装置和系统包括嵌入到特定流经通道 62 中的加热装置、 定向微波加热系统和等 离子体加热系统。 0035 已有公式化的广义数学模型来描述穿过包括电栅的加热元件的热传递。 广义数学 模型可被用来计算加热元件 （例如加热元件段82中的一个） 与通过它的排气之间的热传递， 优选与使颗粒过滤器的过滤器基底的一个区所关联的流动通道再生相关。 。

35、热传递的主要模 式是从加热元件到通过的排气供应流的对流热传递。 公式化加热元件模型的假设包括过滤 器基底中的流动通道之间的径向温度和热传递效应是可忽略的。 过滤器基底的材料是具有 相对较低的热导率的堇青石。 因而， 径向热传导的特征时间是在几十分钟的量级， 这在时间 长度上远大于施加到动力传动系统的用于过滤器基底的再生时间段。 来自加热元件的热传 递的附加模式包括由于与过滤器基底前面的直接接触而引起的传导以及加热元件的表面 与过滤器基底的前面之间的辐射， 每一个均显示出基本上是可忽略的。 因此， 加热元件与过 滤器基底之间的热能传递可以通过加热元件与排气供应流之间的单个对流热传递系数来 描述，。

36、 该系数可以使用关于特定应用的实验得出的数据来拟合 （fit） 。 0036 下文的广义数学模型方程 1 是用于加热元件的瞬态能量方程， 所述加热元件例 如加热元件80的加热元件段82中的一个， 并且考虑加热元件的材料中的轴向传导、 到包括 源项的加热元件的电功率输入、 以及加热元件与排气之间的强制对流热传递。电功率输入 乘以修正项eff， 修正项eff表示在考虑了与线束相关联的损失后将电能传递到加热元件 的材料的效率。这在该模型中是拟合参数， 必须针对可用的实验数据予以调整。 0037 （1） 过滤器基底两端的边界条件考虑来自加热表面的对流损失， 并通过如下给出 ： （2） 这是在计算的。 。

37、0038 用于气相的能量平衡描述了气体在其通过加热元件材料时的瞬时温度变化， 并且 包括能量沿加热元件的流动通道的轴向流动， 以及如下的由于气体与加热元件之间的接触 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A7/10 页 9 引起的能量的对流传递。 0039 （3） 加热元件入口处的排气温度是已知的， 并且提供如下的边界条件。 0040 时， （4） 加热元件与排气之间的热传递系数可与努珊数 （Nusselt number） 相关， 如下所示 ： （5） 其中，dhr是表示加热元件的相邻流动通道之间的气隙的孔直径。使用以垂直流动从气 缸的强制对流热传递的热传递相关性。

38、， 其将努珊数与雷诺数 （Reynolds number） 和普朗特 数 （Prandtl number） 相关， 如下所示 ： （6） 其中， 可调参数从c1被用于针对实验数据进行拟合。 0041 上述加热元件模型包含两个可调参数eff和c1， 可以针对一组校准运行来校准可 调参数eff和c1， 这在下一节进行描述。优选地， 一旦拟合后， 这些值对随后使用加热元件 模型作出的预测保持不变。 0042 用于上述方程的参数、 术语和变量的描述符如表 1 所示。 0043 表 1 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A8/10 页 10 因而， 对于已知的电功率输入。

39、和排气流率， 可以计算颗粒过滤器正面处加热元件的温 度和排气的温度。排气温度然后被用作颗粒过滤器的过滤器基底的一维 （1-D） 再生 模型的入口条件， 从而与排气流率和氧浓度一起， 以获得颗粒物氧化以及再生过程期间达 到的过滤器基底的内部温度方面的结果， 所述颗粒物氧化即油烟转换 （soot conversion） 。 不针对数据调整颗粒过滤器模型的动力学参数， 并且标称值被用于热氧化的动力学参数。 0044 图 7、 图 8 和图 9 图形化地示出了使用上述参考方程 1-5 描述的、 并针对可用数据 予以校准以获得描述加热元件与排气供应流之间的热传递的可调参数eff和c1的数学模 型所取得的。

40、结果。使用加热元件模型中的下列拟合参数对参考上述方程 1-5 描述的模型予 以校准。 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A9/10 页 11 0045 和 （7） 已对操作条件的范围进行了温度预测。已在 5 g/L 油烟负载和 9氧浓度下执行了所 有运行， 除非另有说明。加热元件仿真用于 3 区加热元件设计的每区 2 kW 和 3 kW 的功率 输入。 0046 图 7 图形化地示出了与操作上述系统的实施例相关联的结果， 该结果包括经过一 段时间后在相对于加热元件下游的过滤器基底的前面的特定位置处确定的温度。温度位 置包括过滤器基底中相对于加热元件的轴向位置处。

41、的温度， 包括 2.5 cm（DPF 2.5cm） 、 7.5 cm（DPF 7.5 cm） 、 12.5 cm（DPF 12.5 cm） 和 17.5 cm（DPF 17.5 cm） ， 以及排气供应流温 度Tg。 操作条件包括相对较低的50 kg/hr的排气供应流流率， 其目的是模拟发动机怠速条 件。过滤器基底具有 5 g/L 的颗粒物负载。在 2 kW 功率输入下操作加热元件 50 秒。过滤 器基底和排气最初都在 300 ， 加热元件栅在 20 秒时被打开， 在 70 秒时被关闭。结果指 示了进入过滤器基底的排气温度和过滤器基底内四个轴向位置处随时间推移的温度曲线 （temperatur。

42、e profile） 。 达到了整体上91的油烟转换， 过滤器基底内四个轴向位置处的 峰值温度是 868、 891、 887和 880。过滤器基底内的最大温度出现在接近过滤器基 底的轴向中心。这是源于当入口排气温度回落到 300以及当过滤器基底的中心已达到其 峰值温度时的 70 秒后对被去激活的加热元件的功率输入。 0047 图 8 图形化地示出与操作上述系统的实施例相关联的结果， 包括轴向曲线， 所述 轴向曲线包括在与过滤器基底前面的一定轴向距离处测量的在系统再生期间各种不同的 逝去时间段处的相对油烟层厚度 （油烟厚度 （比例缩放的） ） 。当在 70 秒 （70sec） 处去激活 加热元件。

43、时， 存在整体上5的再生， 只有过滤器基底的前部显示了一些油烟层损耗。 然而， 由于初始油烟氧化释放的能量通过过滤器基底轴向传播再生前端 （regeneration front） ， 随后在 135 秒 （135sec） 、 180 秒 （180sec） 以及测试运行结束 （400 秒） 后确定的油烟厚度曲 线分别表示了37、 57和91的整体油烟转换水平。 与再生相关联的低流率 （50 kg/hr） 减小了从放热氧化反应释放的热量的消散速率。 0048 图 9 图形化地示出了与操作上述系统的实施例相关联的结果， 该结果包括在不同 车速下的系统再生期间的各个不同时间段处与稳态操作相关联的总的颗。

44、粒物转换 （油烟转 换 （） ） ， 所述各种车速与各种排气供应流流率相关联。车速包括怠速、 40 km/h （25 mph） 、 56 km/h（35 mph） 和 72 km/h（45 mph） ， 对应的排气供应流流率为 50 kg/h、 70 kg/h、 130 kg/h和170 kg/h， 在每一速度和流率下发动机排气中存在的预期氧浓度。 这在表2中示出。 0049 表 2 该结果指示了随着车速增加油烟转换被减小了。这些结果包含三个因素的组合效应， 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A10/10 页 12 所述三个因素包括过滤器基底入口处排气供应流的。

45、温度、 排气流率和氧浓度。由于与加热 元件表面区域接触的气体的停留时间的减少， 所以通过加热元件的排气流速率中的增加减 小了从加热元件到气相的对流热传递。 这导致进入过滤器基底的排气供应流的峰值温度下 降。其次， 过滤器基底内排气流率的增加确保了来自油烟氧化的热释放被有效地消散并携 带出过滤器基底。在至加热元件的电功率被去激活后， 反应热是通过过滤器基底的每一个 流动通道传播油烟氧化前端 （soot oxidation front） 的一个因素。相反， 在高排气流率期 间， 反应热的很大一部分与被加热的气体一起被传递出过滤器基底。 再次， 增加流量以降低 氧浓度也起了作用， 但程度比其它两个因。

46、素要小得多。油烟转换率在怠速与 40 km/h（25 mph） 车速之间增加， 但是最终转换仍遵循上述趋势。这表明存在油烟氧化的最佳排气供应 流流率， 而且油烟氧化前端一旦开始， 就可以更快地沿通道行进， 只要温度足够高以实现再 生便可。太高的排气供应流流率会消耗能量， 并且扑灭油烟氧化前端， 如通过 72 km/h（45 mph） 情况所证明的那样。因此， 氧化率在怠速与 25 mph 之间的增加是流效应， 而随后由于 与更高流率 35 mph 和 45 mph 相关联的温度下降， 则氧化率随后下降。因此， 本领域技术人 员可以确定用于过滤器基底中有效油烟氧化的优选排气供应流流率以及相关联的。

47、热传递， 以及对多区加热元件 80 和流控制装置 70 的控制操作， 以实现在过滤器基底 60 的区中的再 生。 0050 因此， 在对应于高车速的高排气流率下， 仅进行电加热可能不足以确保达到可引 起几乎完全油烟转换的稳健的再生前端 （或前锋 （front） ） 。 在这些高流率下， 可能需要额外 能量输入， 例如， 通过与电加热一致的碳氢化合物的后喷射， 或者通过增加提供到加热元件 的功率。 碳氢化合物喷射已被表示为加热器入口处被升高的排气温度 （与更早300相比的 450） ， 与对加热元件的功率输入一致。因此， 减少到过滤器基底 60 的平行流动通道的一 部分的流量是再生过滤器基底 6。

48、0 和氧化所过滤的颗粒物的优选方式。 0051 此外， 当预测输出功率请求 （Ppred） 和预测车速 （Vpred） 表明车速在大于 40 km/h（25 mph） 的范围中时， 可以控制流控制阀70来阻挡通过多区加热元件80的所选部分的流， 以达 到可实现再生的流率。这包括顺序激活多区加热元件 80 的区中的一个， 以及控制流控制阀 70来控制到过滤器基底60的对应区的排气流率， 以在预定时间段中达到大于600的排气 温度。这个顺序激活多区加热元件 80 的各单独区并且控制流控制阀 70 来控制到过滤器基 底 60 的对应区的排气流率的动作能够使过滤器基底 60 的区顺序地再生。 0052。

49、 本发明公开已描述了特定优选实施例以及其变型。经阅读和理解本说明书， 可以 想到进一步的变型和更改。因此， 本发明不受限于作为执行本发明公开所设想的最佳模式 公开的特定实施例， 而是将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。 说 明 书 CN 102191973 A CN 102191977 A1/6 页 13 图 1 说 明 书 附 图 CN 102191973 A CN 102191977 A2/6 页 14 图 2 说 明 书 附 图 CN 102191973 A CN 102191977 A3/6 页 15 图 3 说 明 书 附 图 CN 102191973 A CN 102191977 A4/6 页 16 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102191973 A CN 102191977 A5/6 页 17 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102191973 A CN 102191977。