电加热柴油机微粒过滤器(DPF) 政府权利的声明
本发明是依据美国政府与能源部(DOE)的合同No.DE-FC-04-03AL67635产生的。美国政府对本发明享有一定权利。
【技术领域】
本发明涉及柴油机，并且更具体地涉及柴油机微粒过滤器(DPF)再生。
背景技术
此处的背景资料陈述只是为了大体上介绍本发明的背景。在此背景技术部分中所描述的当前署名发明人的工作以及在提交时否则可能不构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本发明的现有技术。
柴油机的燃烧循环产生微粒，这些微粒通常要从排气中滤出。柴油机微粒过滤器(DPF)可沿着排气流布置从而从排气中滤出柴油机微粒。随着碳微粒积聚在过滤器中，排气的流动阻力增大。DPF会变满，必须进行再生以清除所捕集的柴油机微粒。在再生过程中，柴油机微粒在DPF内燃烧从而使得DPF能够继续其过滤功能。
再生可涉及在主燃烧事件之后向排气流中喷射燃料。该燃烧后喷射的燃料在排气流中的催化剂上燃烧。燃料在催化剂上的燃烧期间所释放的热量加热排气以使DPF内捕集的碳烟微粒燃烧。然而，这种方法会在排气系统中产生大的超温。
【发明内容】
因此，一种柴油机微粒过滤器组件，包括柴油机微粒过滤器(DPF)和在该DPF的上游端一体形成的电加热器。电加热器包括加热基底和电阻加热元件。加热基底包括中心区和围绕该中心区的边界区。电阻加热元件包括多个导电部。中心区中的相邻导电部形成第一间距。边界区中的相邻导电部形成第二间距。
在一个特征中，第二间距小于第一间距。在另一个特征中，边界区中的导电部具有的单位长度电阻大于中心区中的。
从下面的详细描述中将明显看出本发明的更多适用领域。应当理解，该详细描述和特定例子，尽管表示了本发明的优选实施例，但只用于说明之目的而不意图限制本发明的范围。
【附图说明】
通过详细描述和附图可以更充分地理解本发明，其中：
图1是包含依据本发明的柴油机微粒过滤器(DPF)组件的示例性柴油机系统的示意图；
图2是包含依据本发明的电加热器的DPF组件的截面示意图；以及
图3是依据本发明的DPF组件的电加热器的平面图。
【具体实施方式】
下面对优选实施例的描述本质上只是示例性的，绝不意图限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中，会使用相同的附图标记表征相似的元件。本文所用的术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、或其它提供所述功能的适当部件。
柴油机微粒过滤器(DPF)组件可包括与DPF成一体的电加热器。电加热器包括加热基底和具有多个导电部的电阻加热元件。在加热基底的中心区中的相邻导电部形成第一间距。在加热基底的边界区中的相邻导电部形成比第一间距小的第二间距。这样，边界区中的导电部每单位加热基底面积产生更多的热以补偿边界区中不充足的辐射热。
现在参照图1，示意性地示出了依据本发明的示例性柴油机系统10。应当认识到，柴油机系统10本质上只是示例性的，并且本文所述地柴油机微粒过滤器(DPF)再生系统可以在各种使用DPF的柴油机系统中实施。柴油机系统10包括柴油机12、进气歧管14、共轨燃料喷射系统16和排气系统18。示例性发动机12包括六个气缸20，其设置成V型布局的相邻气缸组22、24。尽管图1示出了六个气缸(N＝6)，但应当认识到，发动机12可以包括更多或更少的气缸20。例如，可以设想具有2、4、5、8、10、12和16个气缸的发动机。还可知，本发明的DPF可以在直列型气缸配置中实施，将在下文详细描述。
空气经由节气门(未示出)吸入进气歧管14中。空气从进气歧管14吸入气缸20中并且在其中压缩。通过共轨喷射系统16将燃料喷入气缸20中，并且压缩空气的热量点燃空气/燃料混合物。排气从气缸20排出并且排入排气系统18中。柴油机系统10可包括涡轮增压器26，其将额外的空气泵入气缸20中，使该空气与燃料和从进气歧管14吸入的空气一起燃烧。
排气系统18包括排气歧管28、30，排气管32、34，催化剂36，包含柴油机微粒过滤器(DPF)38和电加热器40的柴油机微粒过滤器(DPF)组件。由第一和第二气缸组22、24限定出第一和第二排气段。排气歧管28、30将这些排气段从相应的气缸组22、24引向排气管32、34。排气被引入涡轮增压器26中以驱动涡轮增压器26。组合排气流从涡轮增压器26经过催化剂36和加热器40流向DPF 38。在排气流释放到大气中之前，DPF 38从组合排气流中滤出微粒。电加热器40可以集成到DPF 38中并且可选择性地加热流过电加热器40的排气流从而使DPF 38再生，这将在下文进行更详细地解释。
控制模块42调节柴油机系统10的运转，并且与进气歧管绝对压力(MAP)传感器44和发动机速度传感器46通讯。MAP传感器44产生指示进气歧管14内空气压力的信号，发动机速度传感器46产生指示发动机速度(RPM)的信号。控制模块42基于RPM和燃料供给速度确定发动机负载。燃料供给速度通常以每次燃烧事件的燃料体积来度量。利用燃料供给速度控制发动机输出。
电加热器40可经由电接线柱(未示出)连接到电源48。当在再生模式下工作时，电流选择性地流经电加热器40，以便电加热器40能够生热。
参照图2，DPF 38可包括整体式微粒捕集器并且包括限定出交替的进口通道50和出口通道52的侧壁49。DPF 38的侧壁49可包括堇青石材料制成的陶瓷蜂窝壁。排气，例如由发动机12产生的排气，流过进口通道50和侧壁49并且经过出口通道52排出。当排气从进口通道50流向出口通道52时，碳烟微粒56沉积在侧壁49上。应当认识到，任何陶瓷蜂窝材料都被认为在本发明的范围内。
电加热器40可一体地安装到DPF 38的上游端62的端壁62上并且可限定出多个通道64从而允许排气和碳烟微粒56通过。作为加热基底70的合适材料包括但不限于，堇青石和碳化硅。
在再生过程期间，电加热器40产生热从而对流过通道64的碳烟微粒56加热。例如，控制模块42可启动电源48从而给电加热器40提供电流。从电加热器40向碳烟微粒56传递足够的热量从而引起其放热燃烧，释放额外的热。然后，热量流入DPF 38从而加热其中的碳烟微粒56。因此，在DPF 38中获得级联效应。由上游碳烟微粒56的燃烧产生的热量引起下游碳烟微粒56的燃烧。换句话说，电加热器40起着点火催化剂的作用，其点燃或点着上游的碳烟微粒56，这些微粒的燃烧热又点燃下游的碳烟微粒56。通过这种方式，DPF 38内的所有碳烟微粒56都燃烧掉，从而再生DPF 38。
参照图3，电加热器40可包括加热基底70和围绕加热基底70的环形安装部72。环形安装部72包括多个孔74。可通过孔74将电加热器40螺栓连接到DPF 38的壁62上。
加热基底70包括中心区76和围绕中心区76的边界区78。所示的中心区76的尺寸/直径只是示例性的，可以增大或减小。电阻加热元件80形成在加热基底70的表面上或嵌置在加热基底70中。电阻加热元件80可包括，仅作为实例，电阻丝或电阻膜。电阻丝/膜可具有不变的直径/宽度，从而沿着电阻加热元件80的长度方向具有不变的单位长度电阻。因此，沿着电阻加热元件80的长度方向，电阻加热元件80产生不变的热量。电阻加热元件80可由，例如(镍铁合金)、不锈钢、(镍铬合金)或任何其它高温合金制成。
电阻加热元件80布置成形成连续的螺旋状图案，并且包括多个导电部82、84、86、88、90和92。这多个导电部82、84、86、88、90和92可具有环状构造，并且串联起来形成单个单元。这多个导电部82、84、86、88、90和92限定出与相邻导电部的间距s1、s2、s3、s4和s5。相邻导电部之间的间距可变化并且可具有这样的关系：仅作为实例，如图3所示，s1＞s2＞s3＞s4＞s5。可替代地，这些间距可具有这样的关系：仅作为实例，s1＞s2＝s3＝s4＞s5、s1＝s2＝s3＝s4＞s5或s1＞s2＝s3＝s4＝s5。在任何情况下，最大间距s1存在于中心区76中并且在导电部82与84之间。最小间距s5存在于边界区78中并且在导电部90与92之间。由于边界区78中的较小间距，来自边界区78中的相邻导电部的辐射热可增大。
通常，加热基底70某区域中的总热输出包括由位于该区域中的导电部产生的热量和来自该区域外的相邻导电部的辐射热。点辐射源所发出的单位面积辐射能随着从该源到检测点的距离的平方而减小。
当电阻加热元件的导电部布置成具有相等间距时，边界区78中的加热基底70的表面温度通常低于中心区76中的，因为来自相邻导电部的辐射热不充足。边界区78只从一个方向(也就是，从中心)接收辐射热，而中心部76从多个方向(也就是，从围绕中心区76的导电部沿径向)接收辐射热。
通过在边界区78中形成较小间距，边界区78中的单位面积辐射热可增大。边界区78的表面温度可增大成等于或高于中心区76的表面温度。因此，在再生期间，边界区中捕集的碳烟微粒可得到有效燃烧。
可替代地，电阻加热元件80的导电部82、84、86、88、90和92可布置成具有不变的间距，也就是，s1＝s2＝s3＝s4＝s5。在这种情况下，电阻加热元件80沿着电阻加热元件80的长度方向可具有变化的单位长度电阻，从而沿着电阻加热元件80的长度方向产生变化的热量。变化的电阻可以通过，仅作为实例，沿其长度改变电阻丝/膜的直径/宽度来实现。为了在整个加热基底上获得更均匀的表面温度或在边界区78中获得更高的表面温度，可通过减小导电部92的直径/宽度使边界区78中的导电部92具有更大的单位长度电阻。因此，边界区78中的导电部92可产生更多的单位面积热量，从而补偿来自相邻导电部90的不充足的辐射热。
现在本领域技术人员能够从上文的描述中认识到，可以以多种形式实施本发明的宽泛教导。因此，尽管本发明用其特定例子进行了描述，但是，本发明的实际范围不应该如此局限，因为对本领域技术人员来说，通过研究附图、说明书和所附权利要求可以很明显地想到其它修改。