[发明专利]柴油机颗粒过滤器的再生

说明书

本申请要求2005年10月28日提交的，发明名称为“柴油机颗粒过滤器的分级再生”的美国临时申请60/731,116的利益。

本申请还要求2005年10月28日提交的，发明名称为“柴油机颗粒过滤器再生的最小放热”的美国临时申请60/731,117的利益。

发明背景

在世界范围内，正在发展或完善控制柴油机发动机排放的新立法。结果是，柴油机发动机设计者和发展更好发动机控制及废气处理技术的重装备制造商正在付出更多的努力。这种努力包括发展用于捕获存在于所有柴油机发动机废气流中的颗粒(如烟灰)的柴油机颗粒过滤器(DPF)技术的项目。目前和将来的立法要求倾向于颗粒过滤技术的应用，这种技术可有效地除去柴油机动力交通工具废气流中的至少一些含碳颗粒(如烟灰)。陶瓷柴油机颗粒过滤器(DPF)是因此做出的技术选择，通过壁流过滤将废气流中的烟灰滤出。

目前柴油机颗粒过滤器共有的特点是，在发动机运转的聚集期内不断聚集烟灰和其他颗粒。期望达到烟灰的连续氧化，但连续氧化对整个发动机运行范围甚至对包括催化涂层的过滤器设计(称为“催化的”过滤器，与“未催化的”过滤器相反)并不可行。因此，应用柴油机排放控制的柴油机颗粒过滤器系统的一个必要方面是，一旦捕获颗粒的聚集量开始反作用于发动机运转，过滤器必须定期清理或“再生”。

为了进行所述定期主动再生，，通常加热进入过滤器的废气至高于600℃以点燃并烧掉聚集的烟灰来升高柴油机颗粒过滤器的进口温度。例如，可通过附加燃料在有或没有氧化催化剂的支持下燃烧来完成废气加热。

在柴油机工业中，过滤器再生被认为是有困难的。过滤器的进口条件(废气温度和流量，废气组成)，以及过滤器中的烟灰负载水平，对柴油机颗粒过滤器的再生性能有重要的影响。在许多情况下，烟灰燃烧可在过滤器中产生极大的放热，导致过滤器破裂和/或熔融并降低过滤效果。因此，要重点关注用于降低过滤器损坏风险的新技术的发展，包括缓和与不可控再生(即，以聚集烟灰快速且不可控燃烧为特征的再生)密切相关的极高过滤器温度。

同时，特别是在动力驾驶条件下，有利的是快速完成再生过程以减少燃料的经济成本并达到几乎完全再生。快速再生也能降低遇到不利的边界条件(称为“降至空转”(Drop-to-Idle)(DTI))的可能性，此时空转发动机产生的废气流量不足以有效地降低烟灰燃烧过程中的最高过滤器温度。

快速升温至超过烟灰燃烧温度(通常为650-750℃)的高进口温度可实现快速再生。所述高进口温度通常引起燃烧过程，以从柴油机颗粒过滤器的进口向出口很快地进行，导致可能在柴油机颗粒过滤器的出口表面附近形成极高的温度而损毁过滤器。另外，快速加热再生会形成不均衡的和不完全的烟灰燃烧，其中，过滤器中心被再生，而其外围边缘仍保留一定程度的未燃烧的烟灰。这使得发动机控制系统很难预测实际的过滤器烟灰负载水平以及何时开始下一个过滤器再生循环。

在这些情况下，用于应对产品失败可能的一种策略是降低柴油机颗粒过滤器的最大可允许的烟灰负载水平，由此增加再生频率。不幸的是，这种策略引起再生均一性、再生效率和燃料效率损耗，另外还会导致由引发再生的气缸里燃料后喷射的过量使用引起的高发动机油稀释水平。后一效果降低了油润滑性并对发动机喷射和发动机寿命有负面影响。

工业上，在不同的发动机工作条件下进行了发动机测功器研究，这些工作条件可近似地模拟实际车辆在不同的公路和越野工作环境中遇到的情况。在这些研究过程中，评估了用于在再生循环开始时引发烟灰燃烧的各种系统，包括燃料的后喷射、氧化催化剂的应用、燃烧附加燃料的燃烧器的应用、以及置于颗粒过滤器上游的同轴废气加热器的应用。所有这些都能有效地引发过滤器再生，但到目前为止，没有一种能有效控制引发烟灰燃烧后的再生过程。

例如，美国专利5,551,971公开了一种系统，其中，用于监测再生过程中过滤器温度的热电偶和一电控制单元相连接，当过滤器温度超过某些设定值时，该控制单元可降低输入过滤器的总热量。这种方法的一个缺点是需要在废气系统和过滤器本身中直接放置热电偶和关联电路。另一个问题是无论是否中断引发该燃烧的额外热能供应，已知过滤器中都会因不可控的烟灰燃烧而产生过高的过滤器温度。

发明概述

本发明提供了柴油机颗粒过滤器再生的方法，通过调节通入过滤器的受热废气的加热速率来引发燃烧，以有效地控制其后的燃烧过程。这些方法适用于任何一种过滤器材料，过滤器结构和再生时存在于过滤器中的可燃颗粒的负载，也可应用于催化的及非催化的柴油机颗粒过滤器，以及由低热导陶瓷(如堇青石和/或钛酸铝)组成的过滤器。