CN102465736B - 用于排气处理系统的加热模块 - Google Patents
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Abstract
一种排气处理系统包括加热模块以加热主催化转换器上游的排气。加热模块包括具有第一芯部体积尺寸的第一加热芯部和具有比第一芯部体积尺寸小的第二芯部体积尺寸的第二加热芯部。具有较大的第一芯部体积尺寸的第一加热芯部被配置为优化发动前加热，而具有较小的第二芯部体积尺寸的第二加热芯部被配置为优化发动后加热。第一加热芯部和第二加热芯部可被布置为彼此串联或彼此并联。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于处理来自内燃发动机的排气的排气处理系统，且更具体地涉及一种排气处理系统的加热模块。
背景技术
具有内燃发动机(ICE)的车辆包括排气处理系统以减少来自发动机的排气的毒性。该处理系统通常包括主催化转换器，其包括主催化剂，该催化剂还原排气中的氮氧化物为氮和二氧化碳或水，以及氧化一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HCs)为二氧化碳和水。主催化剂可包括但不限于铂族金属(PGM)。在主催化剂变得可操作前，主催化剂必须被加热至该主催化剂的起燃温度。因此，在主催化剂和排气开始反应前，排气必须加热主催化剂至起燃温度。多数污染物，特别是在发动机操作过程中发出的多数CO和HCs，出现在主催化剂达到起燃温度之前。
为了加速主催化剂达到起燃温度和减少在主催化剂达到起燃温度前的污染物，排气处理系统还可包括起燃催化剂，其被布置在主催化剂的上游。起燃催化剂，由于PGM成分，容易促进放热反应，例如CO和HCs的氧化，以减小污染物浓度和产生附加热量，该热量被传递给主催化剂以减少主催化剂加热至起燃温度的时间。
附加地，一些车辆可包括排气加热器，例如但不限于加热模块，以进一步加热排气以减少加热主催化剂至起燃温度的时间。在传统车辆中，其仅由内燃发动机提供能量，排气加热器被限制于仅在发动机被起动后加热排气，即发动后加热。在混合动力车辆中，其还包括ICE/电马达组合以给车辆提供能量，该混合动力车辆可在发动机起动前使用电池给排气加热器提供能量，即发动前加热，由此进一步增加提供给排气加热器的热量和减少一旦发动机被起动加热主催化剂至起燃温度的时间。
发明内容
提供一种用于处理来自内燃发动机的排气的排气处理系统。排气处理系统包括主催化转换器，其被配置为降低来自排气的有毒排放。加热模块被布置在主催化转换器的上游。加热模块加热排气。加热模块包括用于在起动内燃发动机前进行发动前加热的第一加热芯部和用于在内燃发动机被起动后进行发动后加热的第二加热芯部。
还提供一种用于加热排气处理系统中的主催化转换器的上游排气的加热模块。加热模块包括用于在起动内燃发动机前进行发动前加热的第一加热芯部和用于在内燃发动机被起动后进行发动后加热的布置在第一加热芯部下游的第二加热芯部。
还提供用于加热排气处理系统中的主催化转换器的上游排气的加热模块。加热模块包括第一加热芯部和第二加热芯部。第一加热芯部包括第一芯部体积尺寸，且被配置用于在起动内燃发动机前的发动前加热。第二加热芯部包括第二芯部体积尺寸，且被配置用于在内燃发动机被起动后的发动后加热。第二芯部体积尺寸小于第一芯部体积尺寸。第二芯部体积尺寸在第一芯部体积尺寸的百分之五(5％)和百分之五十(50％)的范围间，第二芯部体积尺寸在0.03升和0.05升的范围间。
因此，第一加热芯部可被设定尺寸用于有效进行发动前加热，即在内燃发动机运行前的排气的初始加热，第二加热芯部可被设定尺寸用于有效进行发动后加热，即在发动机被起动后的排气的加热。与单个加热芯部相比，第一加热芯部和第二加热芯部的组合使得主催化转换器更快地达到起燃温度，由此降低了离开主催化转换器的总有毒排放和/或对于提供给第一加热芯部和第二加热芯部的电力/能量的要求。
当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。
附图说明
图1是排气处理系统的示意性平面图；
图2是排气处理系统的替换实施例的示意性平面图。
具体实施方式
参考图1，其中在多个视图中相同的标号指示相同的部件，排气处理系统一般以20示出。处理系统20处理来自内燃发动机(ICE)24的由箭头22指示的排气流，以降低该排气的毒性，即减少该排气的有毒排放，包括但不限于氮氧化物(NO)、一氧化碳(CO)和/或碳氢化合物(HC)。
处理系统20包括主催化转换器26。主催化转换器26被布置在发动机24的下游。主催化转换器26可包括但不限于三元催化转换器。三元催化转换器可包括铂族金属(PGM)，且转换排气中的一定百分比氮氧化物转换为氮和二氧化碳或水，以及一定百分比的一氧化碳转换为二氧化碳和将一定百分比的未燃碳氢化合物转换为二氧化碳和水。
主催化转换器26包括上游部分28和下游部分30。下游部分30包括主催化剂32用于处理如上所述的排气。主催化剂芯部34被布置在下游部分30内，且支撑该主催化剂32。
主催化转换器26的上游部分28包括起燃催化剂36。主催化剂可包括但不限于作为活性成分的PGM。起燃催化剂芯部38被布置在主催化转换器26的上游部分28内，且支撑该起燃催化剂36。起燃催化剂36放热地氧化排气中的CO和HCs，其有助于加热主催化剂32至主催化剂32的足以与排气反应的起燃温度。
处理系统20还包括加热模块40。加热模块40被布置在主催化转换器26的上游。加热模块40在排气进入主催化转换器26之前加热该排气。加热模块40包括第一加热芯部42。第一加热芯部42可通过电阻加热而被加热。因此，电流可被施加至第一加热芯部42，利用第一加热芯部42的电阻产生热量，该热量被储存在第一加热芯部42中和/或传递至流过第一加热芯部42的排气。应认识到，第一加热芯部42可被以这里没有示出或描述的一些其它方式加热。加热模块40还包括第二加热芯部44。如第一加热芯部42，第二加热芯部44也可以通过电阻加热而被加热。因此，电流可被施加至第二加热芯部44，利用第二加热芯部44的电阻产生热量，该热量被储存在第二加热芯部44中和/或传递至流过第二加热芯部44的排气。应认识到，第二加热芯部44可被以这里没有示出或描述的一些其它方式加热。
加热模块40被供电以根据加热策略加热排气。对于由内燃发动机24和/或单独的ICE/电马达组合提供能量的混合动力车辆，加热模块40可由发动机24或ICE/电马达组合提供能量。如果该车辆是混合动力车辆，加热模块40在发动前可由电池提供能量，即在发动机24被起动前的发动前加热，和/或加热模块40在发动后由发动机24提供能量，即在发动机24被起动后的发动后加热。因此，对于混合动力车辆，加热策略可包括以预定功率水平的预定量时间的发动前加热和以预定功率水平的预定量时间的发动后加热的组合。
已经发现，对于给定加热策略，排气处理系统20的效率随加热模块40的体积尺寸而变化。如果加热模块40包括越小的体积尺寸，根据加热策略施加至加热模块40的能量快速地在加热模块40中产生越高的温度且快速地传递储存的热量至排气。但是，由于加热模块40的小体积尺寸，且由此导致的小储热能力，至流过加热模块40的热传递仅在短时间段内发生。具有越小体积尺寸的加热模块已被发现对于发动后加热越有效，即发动机24已被起动后加热排气。如果加热模块40包括越大的体积尺寸，根据加热策略施加至加热模块40的能量在加热模块40中产生越低的温度且越慢地传递储存的热量至排气。但是，由于加热模块40的大体积尺寸，且由此导致的大储热能力，至流过加热模块40的热传递在较长时间段内发生。具有越大体积尺寸的加热模块已被发现对于发动前加热越有效。发动前加热使得加热模块40在排气流过加热模块40前被加热，由此在发动机24被起动和开始运行时提供排气的即时加热。这对于混合动力车辆特别有利，其中当车辆仅由电池提供能量时内燃发动机24可被关闭延长的时间段，且车辆可在起动内燃发动机24前使用发动前加热。
为了优化加热模块40的效率，加热模块40的第一加热芯部42被配置为在起动内燃发动机24前进行发动前加热，第二加热芯部44被配置为在内燃发动机24被起动后进行发动后加热。如图1所示，第一加热芯部42和第二加热芯部44被布置为相对于彼此串联，第一加热芯部42(其被配置用于发动前加热)布置在第二加热芯部44(其被配置用于发动后加热)的上游。
第一加热芯部42包括第一芯部体积尺寸，第二加热芯部44包括第二芯部体积尺寸。第二芯部体积尺寸小于第一芯部体积尺寸。因此，第一芯部体积尺寸可被优化用于发动前加热，第二芯部体积尺寸可被优化用于发动后加热。第二芯部体积尺寸可在第一芯部体积尺寸的百分之五(5％)和百分之五十(50％)的范围间。更具体地，第二芯部体积尺寸可在第一芯部体积尺寸的百分之十五(15％)至百分之十八(18％)的范围。但是，应认识到，第一加热芯部42和第二加热芯部44的体积尺寸中的差异可落在上述范围之外。附加地，第二芯部体积尺寸优选地在0.03升和0.05升的范围内。但是，应认识到，第二芯部体积尺寸可包括上述范围外的数值。
在操作中，如果加热策略要求以预定功率水平的预定时间段的发动前加热，例如九百瓦(900W)一百五十秒(150sec)，则第一加热芯部42被以该预定功率水平加热该预定时间段。一旦内燃发动机25被起动，排气流过第一加热芯部42，从而第一加热芯部42可根据加热策略传递储存的热量至排气。如果加热策略要求以预定功率水平的预定时间段的发动后加热，例如一千五百瓦(1500W)一百秒(100sec)，则第二加热芯部44被接合用于根据加热策略进行排气的附加发动后加热。因此，第一加热芯部42被用于发动前加热，第二加热芯部44被用于发动后加热。
参考图2，加热模块的替换实施例被一般地以50示出。加热模块50包括第一加热芯部52和第二加热芯部54。第一加热芯部52和第二加热芯部54被布置为相对于彼此并联。
加热模块50包括入口56、出口58、第一流路60和第二流路62。入口56被配置为接收来自内燃发动机24的排气。出口58被配置为排出来自加热模块50的排气和引导该排气至主催化转换器26。第一流路60流体连通地连接入口56和出口58。第二流路62也流体连通地连接入口56和出口58。但是，第二流路62与第一流路60不同且与其分开。第一加热芯部52被布置在第一流路60中，且第二加热芯部54被布置在第二流路62中。
加热模块50包括流动控制装置64，其布置为接近入口56且临近第一流路60和第二流路62的上游端。流动控制装置64可选择性地操作以控制第一加热芯部52和第二加热芯部54之间的排气流动。流动控制装置64可包括分流器或类似物。因此，流动控制装置64可在引导排气穿过第一流路60至第一加热芯部52的第一位置和引导排气穿过第二流路62至第二加热芯部54的第二位置之间运动。
在运行中，如果加热策略仅要求发动前加热，则第一加热芯部52在起动发动机前根据加热策略被以预定功率水平加热预定时间段。一旦内燃发动机24被起动，流动控制装置64引导排气流过第一流路60，从而第一加热芯部52可根据加热策略传递储存的热量至排气。只要第一加热芯部52和进入第一加热芯部52的排气之间的温度差大于临界温度，例如直到该温度差大于十五摄氏度(15℃)，流动控制装置64引导排气穿过第一加热芯部52。一旦该温度差下降到低于临界温度，流动控制装置64可引导排气穿过第二流路62且跨过第二加热芯部54以最小化穿过加热模块50的热量损耗。
如果加热策略要求仅发动后加热，则流动控制装置64可从第一位置切换至第二位置以引导排气穿过第二流路62且跨过第二加热芯部54用于根据加热策略的发动后加热。因此，在发动机24起动时，流动控制装置64可立即引导排气穿过第二加热芯部54，且保持排气流穿过第二加热芯部54。
如果加热策略要求发动前加热和发动后加热的组合，则第一加热芯部52被根据加热策略在起动发动机前加热。一旦内燃发动机24被起动，流动控制装置64引导排气流过第一流路60，从而第一加热芯部52可根据加热策略传递储存的热量至排气。只要第一加热芯部52和进入第一加热芯部52的排气之间的温度差大于临界温度，例如直到该温度差大于十五摄氏度(15℃)，流动控制装置64可以引导排气穿过第一加热芯部52。一旦该温度差下降到低于临界温度，流动控制装置64可引导排气穿过第二流路62且跨过第二加热芯部54用于根据加热策略的发动后加热。应认识到，基于控制法则(其依赖于第一加热芯部52和进入第一加热芯部52的排气之间的温度差)，排气流可被从第一加热芯部52转变至第二加热芯部54，由此该排气首先流过第一加热芯部52，在一段时间后减小，同时穿过第二加热芯部54的流动增大。替换地，第二加热芯部54的发动后加热可不开始，直至第一加热芯部52和进入第一加热芯部52的排气之间的温度差达到预定值(例如一百摄氏度(100℃))，从而当该温度差达到临界温度(例如15摄氏度(15℃))时，第二加热芯部54已被预先加热至足够高的温度且排气可被引导至第二加热芯部54用于根据加热策略的发动后加热。应认识到，排气流过第一加热芯部52和第二加热芯部54的控制可不同于这里描述的情形。
虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。
Claims (9)
1.一种用于处理来自内燃发动机的排气的排气处理系统，该排气处理系统包括：
主催化转换器，其被配置为减小来自排气的有毒排放；和
加热模块，其被布置在主催化转换器的上游用于加热排气，其中该加热模块包括：
第一加热芯部，其被配置用于起动内燃发动机前的发动前加热；和
第二加热芯部，其被配置用于内燃发动机被起动后的发动后加热；
其中第一加热芯部包括第一芯部体积尺寸，第二加热芯部包括第二芯部体积尺寸，第二芯部体积尺寸小于第一芯部体积尺寸。
2.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第二芯部体积尺寸在0.03升至0.05升的范围。
3.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第一加热芯部和第二加热芯部被布置为相对于彼此串联。
4.如权利要求3所述的排气处理系统，其中第一加热芯部被布置在第二加热芯部的上游。
5.如权利要求1所述的排气处理系统，其中第一加热芯部和第二加热芯部被布置为相对于彼此并联。
6.如权利要求5所述的排气处理系统，其中加热模块包括流动控制装置用于控制排气至第一加热芯部或第二加热芯部的流动。
7.如权利要求6所述的排气处理系统，其中加热模块包括配置为接收来自内燃发动机的排气的入口，和配置为从加热模块排出排气的出口，流体连通地连接入口和出口的第一流路，以及与第一流路分开且流体连通地连接入口和出口的第二流路，其中第一加热芯部被布置在第一流路中，且第二加热芯部被布置在第二流路中。
8.如权利要求7所述的排气处理系统，其中流动控制装置被选择性地操作以在第一流路和第二流路之间控制排气的流动。
9.如权利要求8所述的排气处理系统，其中主催化转换器包括起燃催化剂和布置在起燃催化剂下游的主催化剂，其中起燃催化剂被配置为放热地氧化排气中的一氧化碳和碳氢化合物以产生热量，以将主催化剂加热至起燃温度，且其中主催化剂被配置为处理排气以减少来自排气的有毒排放。
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