[发明专利]柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法。

背景技术

在过滤器再生期间柴油微粒过滤器(DPF，Diesel Particulate Filter)内会发 生温度非均匀性。这种非均匀性逐渐得到关注，因为其对于在具有低发动机排放水准 的氮氧化物的现代柴油发动机中使用的过滤器已经变得特别大。过去，这些氮氧化物 气体用于被动地氧化碳烟并且从而去除聚积的烟粒。对于现代发动机，柴油烟粒聚积 在过滤器内直至采取主动措施以开始烟粒燃烧，开始主动再生，以在相对短的时间间 隔内燃烧掉大部分的烟粒，并造成更严重的温度非均匀性。即使选择低热膨胀系数的 陶瓷，来自主动再生的这样大的温度非均匀性能够造成大小足以破裂过滤器陶瓷的内 应力。在有利于大量生产和经济性的单块整体式载体(single-brick monolithic) 形式的DPF中，穿过该整体式载体的破裂导致突然的、灾难的、不能挽回的过滤器性 能损失。这种关于整体式载体具有的过滤功能维护的不确定性限制了他们的广泛使 用。实际上，这种整体式载体的风险已经导致多段灰浆结构的广泛商业使用，而不管 其关联的高的材料和制造成本。

因此，为了减小受到多次再生的经济的整体式DPF的突然故障的风险并且为了延 长其工作寿命，应该有方向地寻求在再生期间降低DPF内的温度非均匀性。更具体地， 应该以将陶瓷内的应力降低至一些与陶瓷的强度和其热膨胀系数相关的特定水准以 下的水准的方式来减少非均匀性。在研究环境中，能够通过基于由全场的数十个温度 传感器检测的温度的有限元分析得出这种具体的关系。为了简化计算，该过滤器陶瓷 体能够充分地近似为具有相对简单类型的非各向同性的连续材料，即具有从特殊蜂窝 的特殊形状中的蜂窝壁材料的各向同性产生的物理特性。在再生期间的一系列时间点 执行这样的有限元计算，可以估算DPF内的瞬时内应力以及相应的故障可能性。该方 法适合研究。

然而，本文的申请人认识到放置遍布DPF的数十个传感器是高成本的并且在研究 和提高发展环境下是不切实际的。同样，具有不太合适的估算器会保持使用的应力低 于所需或者会导致故障。如果应力保持得太低，则该运转导致燃料用于开始更多的微 粒过滤器再生而使燃料量多于其他情况下所需的量导致低效率。如果该不太合适的估 算器在另一方面出错，将会发生更多的故障。如果不具有合适的简单的估算器，可能 必须设计微粒过滤器以容忍多段式灰浆结构使用时的破裂，但是这种方法增加了不必 要的制造成本并且用作为对随时间变化的降低的减排性能特性的担忧。

发明内容

由于这样的有限元方法比较麻烦，本文提供了用于防止DPF应力的简单的方法和 系统。通过从较少量的温度传感器估算应力，可使用较常规的方法以采取措施防止应 力上升到不能接受的破裂的高可能性的关键水准之上。尽管这些方法和系统意图应用 于更经济的整体式载体，这些方法和系统也应用至灰浆结构，该灰浆(如制造的或老 化的)允许一条裂缝穿过下一段而不会有太多的偏差，就像其为整体式载体一样。

这种简单的方法的一个例子包括测量接近柴油微粒过滤器的出口面并接近柴油 微粒过滤器的周壁的径向温度梯度，并且调节至少一个发动机运转参数以控制该径向 温度梯度，如由在接近柴油微粒过滤器的出口面的一个角度位置所测量的径向温度梯 度所指示。这种系统的这个例子的一个实施例包括配置用于测量接近该柴油微粒过滤 器的出口面并接近柴油微粒过滤器的周壁的径向温度梯度的两个接近出口面的温度 传感器和配置用于基于所测量的温度梯度调节至少一个发动机运转参数以限制应力 的控制器，如假设从出口面深深延伸入DPF内的相同梯度所计算。

具体地，在接近怠速发动机排气流的排气流处主动开始的DPF再生期间，高温度 梯度和高绝对温度发生在过滤器的大部分长度。在计算陶瓷内的应力时，沿平行于流 线的线条向着中心对径向温度梯度向内积分，在选择的自由面即出口面处开始零值。 当遍布大半部分的过滤器长度的径向梯度为高时，积分为较大的。