用於排氣處理系統的加熱模塊的製作方法
2023-07-27 22:34:46
專利名稱：用於排氣處理系統的加熱模塊的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於處理來自內燃發動機的排氣的排氣處理系統，且更具體地涉及一種排氣處理系統的加熱模塊。
背景技術：
具有內燃發動機(ICE)的車輛包括排氣處理系統以減少來自發動機的排氣的毒性。該處理系統通常包括主催化轉換器，其包括主催化劑，該催化劑還原排氣中的氮氧化物為氮和二氧化碳或水，以及氧化一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HCs)為二氧化碳和水。主催化劑可包括但不限於鉬族金屬(PGM)。在主催化劑變得可操作前，主催化劑必須被加熱至該主催化劑的起燃溫度。因此，在主催化劑和排氣開始反應前，排氣必須加熱主催化劑至起燃溫度。多數汙染物，特別是在發動機操作過程中發出的多數CO和HCs，出現在主催化劑達到起燃溫度之前。為了加速主催化劑達到起燃溫度和減少在主催化劑達到起燃溫度前的汙染物，排氣處理系統還可包括起燃催化劑，其被布置在主催化劑的上遊。起燃催化劑，由於PGM成分，容易促進放熱反應，例如CO和HCs的氧化，以減小汙染物濃度和產生附加熱量，該熱量被傳遞給主催化劑以減少主催化劑加熱至起燃溫度的時間。附加地，一些車輛可包括排氣加熱器，例如但不限於加熱模塊，以進一步加熱排氣以減少加熱主催化劑至起燃溫度的時間。在傳統車輛中，其僅由內燃發動機提供能量，排氣加熱器被限制於僅在發動機被起動後加熱排氣，即發動後加熱。在混合動力車輛中，其還包括ICE/電馬達組合以給車輛提供能量，該混合動力車輛可在發動機起動前使用電池給排氣加熱器提供能量，即發動前加熱，由此進一步增加提供給排氣加熱器的熱量和減少一旦發動機被起動加熱主催化劑至起燃溫度的時間。
發明內容
提供一種用於處理來自內燃發動機的排氣的排氣處理系統。排氣處理系統包括主催化轉換器，其被配置為降低來自排氣的有毒排放。加熱模塊被布置在主催化轉換器的上遊。加熱模塊加熱排氣。加熱模塊包括用於在起動內燃發動機前進行發動前加熱的第一加熱芯部和用於在內燃發動機被起動後進行發動後加熱的第二加熱芯部。還提供一種用於加熱排氣處理系統中的主催化轉換器的上遊排氣的加熱模塊。加熱模塊包括用於在起動內燃發動機前進行發動前加熱的第一加熱芯部和用於在內燃發動機被起動後進行發動後加熱的布置在第一加熱芯部下遊的第二加熱芯部。還提供用於加熱排氣處理系統中的主催化轉換器的上遊排氣的加熱模塊。加熱模塊包括第一加熱芯部和第二加熱芯部。第一加熱芯部包括第一芯部體積尺寸，且被配置用於在起動內燃發動機前的發動前加熱。第二加熱芯部包括第二芯部體積尺寸，且被配置用於在內燃發動機被起動後的發動後加熱。第二芯部體積尺寸小於第一芯部體積尺寸。第二芯部體積尺寸在第一芯部體積尺寸的百分之五(5% )和百分之五十(50% )的範圍間，第二芯部體積尺寸在0. 03升和0. 05升的範圍間。因此，第一加熱芯部可被設定尺寸用於有效進行發動前加熱，即在內燃發動機運行前的排氣的初始加熱，第二加熱芯部可被設定尺寸用於有效進行發動後加熱，即在發動機被起動後的排氣的加熱。與單個加熱芯部相比，第一加熱芯部和第二加熱芯部的組合使得主催化轉換器更快地達到起燃溫度，由此降低了離開主催化轉換器的總有毒排放和/或對於提供給第一加熱芯部和第二加熱芯部的電力/能量的要求。當結合附圖時，從下面的用於執行如所附權利要求限定的本發明的一些最佳方式和其它實施例的具體描述可容易地明白本發明的上述特徵和優點，以及其它特徵和優點。
圖1是排氣處理系統的示意性平面圖；圖2是排氣處理系統的替換實施例的示意性平面圖。
具體實施例方式參考圖1，其中在多個視圖中相同的標號指示相同的部件，排氣處理系統一般以 20示出。處理系統20處理來自內燃發動機(ICE) 24的由箭頭22指示的排氣流，以降低該排氣的毒性，即減少該排氣的有毒排放，包括但不限於氮氧化物(NO)、一氧化碳(CO)和/或碳氫化合物(HC)。處理系統20包括主催化轉換器26。主催化轉換器沈被布置在發動機M的下遊。主催化轉換器沈可包括但不限於三元催化轉換器。三元催化轉換器可包括鉬族金屬 (PGM)，且轉換排氣中的一定百分比氮氧化物轉換為氮和二氧化碳或水，以及一定百分比的一氧化碳轉換為二氧化碳和將一定百分比的未燃碳氫化合物轉換為二氧化碳和水。主催化轉換器沈包括上遊部分觀和下遊部分30。下遊部分30包括主催化劑32 用於處理如上所述的排氣。主催化劑芯部34被布置在下遊部分30內，且支撐該主催化劑 32。主催化轉換器沈的上遊部分28包括起燃催化劑36。主催化劑可包括但不限於作為活性成分的PGM。起燃催化劑芯部38被布置在主催化轉換器沈的上遊部分觀內，且支撐該起燃催化劑36。起燃催化劑36放熱地氧化排氣中的CO和HCs，其有助於加熱主催化劑32至主催化劑32的足以與排氣反應的起燃溫度。處理系統20還包括加熱模塊40。加熱模塊40被布置在主催化轉換器沈的上遊。 加熱模塊40在排氣進入主催化轉換器沈之前加熱該排氣。加熱模塊40包括第一加熱芯部42。第一加熱芯部42可通過電阻加熱而被加熱。因此，電流可被施加至第一加熱芯部 42，利用第一加熱芯部42的電阻產生熱量，該熱量被儲存在第一加熱芯部42中和/或傳遞至流過第一加熱芯部42的排氣。應認識到，第一加熱芯部42可被以這裡沒有示出或描述的一些其它方式加熱。加熱模塊40還包括第二加熱芯部44。如第一加熱芯部42，第二加熱芯部44也可以通過電阻加熱而被加熱。因此，電流可被施加至第二加熱芯部44，利用第二加熱芯部44的電阻產生熱量，該熱量被儲存在第二加熱芯部44中和/或傳遞至流過第二加熱芯部44的排氣。應認識到，第二加熱芯部44可被以這裡沒有示出或描述的一些其它方式加熱。
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加熱模塊40被供電以根據加熱策略加熱排氣。對於由內燃發動機M和/或單獨的ICE/電馬達組合提供能量的混合動力車輛，加熱模塊40可由發動機M或ICE/電馬達組合提供能量。如果該車輛是混合動力車輛，加熱模塊40在發動前可由電池提供能量，即在發動機M被起動前的發動前加熱，和/或加熱模塊40在發動後由發動機M提供能量，即在發動機M被起動後的發動後加熱。因此，對於混合動力車輛，加熱策略可包括以預定功率水平的預定量時間的發動前加熱和以預定功率水平的預定量時間的發動後加熱的組合。已經發現，對於給定加熱策略，排氣處理系統20的效率隨加熱模塊40的體積尺寸而變化。如果加熱模塊40包括越小的體積尺寸，根據加熱策略施加至加熱模塊40的能量快速地在加熱模塊40中產生越高的溫度且快速地傳遞儲存的熱量至排氣。但是，由於加熱模塊40的小體積尺寸，且由此導致的小儲熱能力，至流過加熱模塊40的熱傳遞僅在短時間段內發生。具有越小體積尺寸的加熱模塊已被發現對於發動後加熱越有效，即發動機M已被起動後加熱排氣。如果加熱模塊40包括越大的體積尺寸，根據加熱策略施加至加熱模塊 40的能量在加熱模塊40中產生越低的溫度且越慢地傳遞儲存的熱量至排氣。但是，由於加熱模塊40的大體積尺寸，且由此導致的大儲熱能力，至流過加熱模塊40的熱傳遞在較長時間段內發生。具有越大體積尺寸的加熱模塊已被發現對於發動前加熱越有效。發動前加熱使得加熱模塊40在排氣流過加熱模塊40前被加熱，由此在發動機M被起動和開始運行時提供排氣的即時加熱。這對於混合動力車輛特別有利，其中當車輛僅由電池提供能量時內燃發動機M可被關閉延長的時間段，且車輛可在起動內燃發動機M前使用發動前加熱。為了優化加熱模塊40的效率，加熱模塊40的第一加熱芯部42被配置為在起動內燃發動機M前進行發動前加熱，第二加熱芯部44被配置為在內燃發動機M被起動後進行發動後加熱。如圖1所示，第一加熱芯部42和第二加熱芯部44被布置為相對於彼此串聯， 第一加熱芯部42 (其被配置用於發動前加熱)布置在第二加熱芯部44 (其被配置用於發動後加熱)的上遊。第一加熱芯部42包括第一芯部體積尺寸，第二加熱芯部44包括第二芯部體積尺寸。第二芯部體積尺寸小於第一芯部體積尺寸。因此，第一芯部體積尺寸可被優化用於發動前加熱，第二芯部體積尺寸可被優化用於發動後加熱。第二芯部體積尺寸可在第一芯部體積尺寸的百分之五(5% )和百分之五十(50% )的範圍間。更具體地，第二芯部體積尺寸可在第一芯部體積尺寸的百分之十五(15% )至百分之十八(18% )的範圍。但是，應認識到，第一加熱芯部42和第二加熱芯部44的體積尺寸中的差異可落在上述範圍之外。附加地，第二芯部體積尺寸優選地在0. 03升和0. 05升的範圍內。但是，應認識到，第二芯部體積尺寸可包括上述範圍外的數值。在操作中，如果加熱策略要求以預定功率水平的預定時間段的發動前加熱，例如九百瓦(900W) —百五十秒(150sec)，則第一加熱芯部42被以該預定功率水平加熱該預定時間段。一旦內燃發動機25被起動，排氣流過第一加熱芯部42，從而第一加熱芯部42可根據加熱策略傳遞儲存的熱量至排氣。如果加熱策略要求以預定功率水平的預定時間段的發動後加熱，例如一千五百瓦(1500W) —百秒(lOOsec)，則第二加熱芯部44被接合用於根據加熱策略進行排氣的附加發動後加熱。因此，第一加熱芯部42被用於發動前加熱，第二加熱芯部44被用於發動後加熱。參考圖2，加熱模塊的替換實施例被一般地以50示出。加熱模塊50包括第一加熱芯部52和第二加熱芯部M。第一加熱芯部52和第二加熱芯部M被布置為相對於彼此並聯。加熱模塊50包括入口 56、出口 58、第一流路60和第二流路62。入口 56被配置為接收來自內燃發動機M的排氣。出口 58被配置為排出來自加熱模塊50的排氣和引導該排氣至主催化轉換器26。第一流路60流體連通地連接入口 56和出口 58。第二流路62 也流體連通地連接入口 56和出口 58。但是，第二流路62與第一流路60不同且與其分開。 第一加熱芯部52被布置在第一流路60中，且第二加熱芯部M被布置在第二流路62中。加熱模塊50包括流動控制裝置64，其布置為接近入口 56且臨近第一流路60和第二流路62的上遊端。流動控制裝置64可選擇性地操作以控制第一加熱芯部52和第二加熱芯部M之間的排氣流動。流動控制裝置64可包括分流器或類似物。因此，流動控制裝置64可在引導排氣穿過第一流路60至第一加熱芯部52的第一位置和引導排氣穿過第二流路62至第二加熱芯部M的第二位置之間運動。在運行中，如果加熱策略僅要求發動前加熱，則第一加熱芯部52在起動發動機前根據加熱策略被以預定功率水平加熱預定時間段。一旦內燃發動機M被起動，流動控制裝置64引導排氣流過第一流路60，從而第一加熱芯部52可根據加熱策略傳遞儲存的熱量至排氣。只要第一加熱芯部52和進入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差大於臨界溫度， 例如直到該溫度差大於十五攝氏度(15°C )，流動控制裝置64引導排氣穿過第一加熱芯部 52。一旦該溫度差下降到低於臨界溫度，流動控制裝置64可引導排氣穿過第二流路62且跨過第二加熱芯部M以最小化穿過加熱模塊50的熱量損耗。如果加熱策略要求僅發動後加熱，則流動控制裝置64可從第一位置切換至第二位置以引導排氣穿過第二流路62且跨過第二加熱芯部M用於根據加熱策略的發動後加熱。因此，在發動機M起動時，流動控制裝置64可立即引導排氣穿過第二加熱芯部M，且保持排氣流穿過第二加熱芯部M。如果加熱策略要求發動前加熱和發動後加熱的組合，則第一加熱芯部52被根據加熱策略在起動發動機前加熱。一旦內燃發動機M被起動，流動控制裝置64引導排氣流過第一流路60，從而第一加熱芯部52可根據加熱策略傳遞儲存的熱量至排氣。只要第一加熱芯部52和進入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差大於臨界溫度，例如直到該溫度差大於十五攝氏度(15°C)，流動控制裝置64可以引導排氣穿過第一加熱芯部52。一旦該溫度差下降到低於臨界溫度，流動控制裝置64可引導排氣穿過第二流路62且跨過第二加熱芯部M用於根據加熱策略的發動後加熱。應認識到，基於控制法則(其依賴於第一加熱芯部52和進入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差)，排氣流可被從第一加熱芯部52轉變至第二加熱芯部54，由此該排氣首先流過第一加熱芯部52，在一段時間後減小，同時穿過第二加熱芯部M的流動增大。替換地，第二加熱芯部M的發動後加熱可不開始，直至第一加熱芯部52和進入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差達到預定值(例如一百攝氏度 (100°C))，從而當該溫度差達到臨界溫度(例如15攝氏度(15°C))時，第二加熱芯部M 已被預先加熱至足夠高的溫度且排氣可被引導至第二加熱芯部M用於根據加熱策略的發動後加熱。應認識到，排氣流過第一加熱芯部52和第二加熱芯部M的控制可不同於這裡描述的情形。雖然用於執行本發明的最佳方式已經被詳細描述，與本發明相關的本領域技術人員應認識到在所附的權利要求的範圍內的執行本發明的各種替換設計和實施例。
權利要求
1.一種用於處理來自內燃發動機的排氣的排氣處理系統，該排氣處理系統包括主催化轉換器，其被配置為減小來自排氣的有毒排放；和加熱模塊，其被布置在主催化轉換器的上遊用於加熱排氣，其中該加熱模塊包括第一加熱芯部，其被配置用於起動內燃發動機前的發動前加熱；和第二加熱芯部，其被配置用於內燃發動機被起動後的發動後加熱。
2.如權利要求1所述的排氣處理系統，其中第一加熱芯部包括第一芯部體積尺寸，第二加熱芯部包括第二芯部體積尺寸，第二芯部體積尺寸小於第一芯部體積尺寸。
3.如權利要求2所述的排氣處理系統，其中第二芯部體積尺寸在0.03升至0. 05升的範圍。
4.如權利要求2所述的排氣處理系統，其中第一加熱芯部和第二加熱芯部被布置為相對於彼此串聯。
5.如權利要求4所述的排氣處理系統，其中第一加熱芯部被布置在第二加熱芯部的上遊。
6.如權利要求2所述的排氣處理系統，其中第一加熱芯部和第二加熱芯部被布置為相對於彼此並聯。
7.如權利要求6所述的排氣處理系統，其中加熱模塊包括流動控制裝置用於控制排氣至第一加熱芯部或第二加熱芯部的流動。
8.如權利要求7所述的排氣處理系統，其中加熱模塊包括配置為接收來自內燃發動機的排氣的入口，和配置為從加熱模塊排出排氣的出口，流體連通地連接入口和出口的第一流路，以及與第一流路分開且流體連通地連接入口和出口的第二流路，其中第一加熱芯部被布置在第一流路中，且第二加熱芯部被布置在第二流路中。
9.如權利要求8所述的排氣處理系統，其中流動控制裝置被選擇性地操作以在第一流路和第二流路之間控制排氣的流動。
10.如權利要求9所述的排氣處理系統，其中主催化轉換器包括起燃催化劑和布置在起燃催化劑下遊的主催化劑，其中起燃催化劑被配置為放熱地氧化排氣中的一氧化碳和碳氫化合物以產生熱量，以將主催化劑加熱至起燃溫度，且其中主催化劑被配置為處理排氣以減少來自排氣的有毒排放。
全文摘要
一種排氣處理系統包括加熱模塊以加熱主催化轉換器上遊的排氣。加熱模塊包括具有第一芯部體積尺寸的第一加熱芯部和具有比第一芯部體積尺寸小的第二芯部體積尺寸的第二加熱芯部。具有較大的第一芯部體積尺寸的第一加熱芯部被配置為優化發動前加熱，而具有較小的第二芯部體積尺寸的第二加熱芯部被配置為優化發動後加熱。第一加熱芯部和第二加熱芯部可被布置為彼此串聯或彼此並聯。
文檔編號F01N3/20GK102465736SQ20111033718
公開日2012年5月23日 申請日期2011年10月31日 優先權日2010年10月29日
發明者K.拉瑪納森, S.H.奧 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司