CN106762043B - 具有受控感应加热的排放物控制系统及使用该系统的方法 - Google Patents

Abstract

本公开的各方面可以包括例如排放物控制系统，所述排放物控制系统包括排放物控制基体，排放物控制基体具有多个通道，以帮助在来自内燃机的废气中的至少一种催化反应。磁场产生器响应控制信号，产生磁场以感应地加热排放物控制基体。磁屏蔽件构造成将磁场的至少一部分导向排放物控制基体。还公开了其它实施例。

Description

具有受控感应加热的排放物控制系统及使用该系统的方法

相关申请的交叉引用

本美国专利申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2015年11月20提交的、题目为“具有受控感应加热的催化转化器系统以及使用该系统的方法(CATALYTIC CONVERTER SYSTEMWITH CONTROLED INDUCTION HEATING AND METHODS FOR USE THEREWTIH)”的美国临时申请No.62/258,071的优先权，该美国临时申请全文并入本文中以作为参考并且成为本美国专利申请的一部分以用于所有目的。

技术领域

本公开涉及用于处理车辆废气的排放物控制系统的结构和操作方法。

背景技术

美国运输部(DOT)和美国环境保护局(EPA)已经建立了设定国家温室气体排放标准的美国联邦条例。从2012年型车辆开始，要求汽车制造商的车群范围内的温室气体排放每年降低大约百分之五。包含在要求中的是，例如，新标准命令新型客车、轻型货车和中型客车的预估组合平均排放水平必须不大于每英里250克二氧化碳(CO2)。

催化转化器用于内燃机中以降低在燃料燃烧时产生的有毒废气排放物，以作为燃烧循环的一部分。在这些排放物中，值得注意的是一氧化碳和一氧化氮。这些气体危及健康，但是能够分别通过被氧化为二氧化碳和氮气/氧气而转化为毒性较低的气体。其它的有毒气体排放物产品(包括未燃烧的碳氢化合物)也能够通过氧化或还原而被转化成毒性较低的形式。如果转化过程在高温下以及存在适当催化剂的情况下进行，则转化过程可以被影响或加速，该适当催化剂与待被处理以及转化为良性气态形式的特定有害排放气体相匹配。例如，用于将一氧化碳转化成二氧化碳的典型催化剂为微细分碎(finely divided)的铂和钯，而用于将一氧化氮转化成氮气和氧气的典型催化剂是微细分碎的铑。

催化转化器在冷态(即，从环境空气启动温度到300℃量级的温度或“点火”温度的运行温度)时效率低，点火温度是金属催化剂开始加速前述污染物转化过程时的温度。低于点火温度时，很少乃至无催化反应发生。因而这是车辆日常使用期间的一个产生车辆大部分污染排放物的时期。

发明内容

本发明提供了一种排放物控制系统，包括：排放物控制基体，所述排放物控制基体具有多个通道，以帮助来自内燃机的废气中的至少一种催化反应；磁场产生器，所述磁场产生器响应控制信号，产生磁场以感应地加热排放物控制基体；和磁屏蔽件，所述磁屏蔽件构造成将磁场的至少一部分导向排放物控制基体。

优选地，排放物控制系统还包括壳体，所述壳体围绕排放物控制基体的至少一部分，其中，磁屏蔽件还构造成屏蔽金属壳体的至少一部分免受磁场的影响。

优选地，磁场产生器包括围绕磁场基体的至少一部分的线圈，并且磁屏蔽件围绕线圈的至少一部分。

优选地，磁场产生器通过加热排放物控制基体中的多个传导元件而感应地加热排放物控制基体。

优选地，排放物控制基体中的多个传导元件经由磁滞损耗而被加热。

优选地，排放物控制基体中的多个传导元件经由涡电流损耗而被加热。

本发明还提供了一种排放物控制系统，包括：排放物控制基体，所述排放物控制基体具有多个通道，以帮助来自内燃机的废气中的至少一种催化反应；和磁场产生器，所述磁场产生器响应控制信号，产生磁场以感应地加热排放物控制基体，其中，磁场产生器包括：至少一个线圈，所述至少一个线圈放射磁场；振荡器，所述振荡器构造成产生功率信号；功率放大器，所述功率放大器构造成放大功率信号以在功率放大器的输出处产生放大的功率信号，以驱动所述至少一个线圈；和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络构造成将功率放大器的输出与所述至少一个线圈进行阻抗匹配。

优选地，排放物控制系统还包括控制器，所述控制器构造成调节功率信号的频率，以改善功率传递。

优选地，控制器监测线圈电流并基于该线圈电流而调节功率信号的频率。

优选地，排放物控制系统还包括控制器，所述控制器构造成响应于控制信号而调节功率放大器的功率信号的幅值。

优选地，排放物控制系统还包括控制器，所述控制器构造成调节阻抗匹配网络的阻抗，以改善功率传递。

优选地，控制器监测线圈电流并且基于该线圈电流而调节阻抗匹配网络的阻抗。

优选地，排放物控制系统还包括磁屏蔽件，所述磁屏蔽件构造成将磁场的至少一部分导向排放物控制基体。

优选地，所述至少一个线圈包括多个线圈，并且排放物控制系统包括控制器，所述控制器响应于控制信号而激活所述多个线圈中的选定线圈。

附图说明

出于阐述的简便和清晰起见，在附图中示出的元件没有按照同样的比例绘制。例如，为清晰起见，一些元件的尺寸相对于其它元件被放大。当参照附图考虑以下说明书和权利要求书时，本发明的优势、特征和特性以及结构的相关元件的操作、功能和方法以及零件的组合和制造的经济性将会变得显而易见，所有这些组成了本说明书的一部分，其中在各图中相同的附图标记指代对应的零件，并且其中：

图1是在挤压过程中形成的催化转化器块体的概要立体图。

图2是催化转化器的已知形式的纵向剖视图。

图3是根据本公开的一个实施例的催化转化器组件的纵向剖视图。

图4是根据本公开的另一实施例的催化转化器的横截面视图。

图5是根据本公开的一个实施例的催化转化器基体的片段的横截面视图。

图6是沿着图5中的线B-B截取的在图5中示出的基体片段的纵向剖视图。

图7是对应于图5和图6中示出的小基体片段的更大片段的端部立体图。

图8是类似于图7的端部立体图，但是示出了根据本公开的另一实施例的催化转化器基体。

图9是在图8所示形式的催化转化器基体中使用的金属线插入件的侧视图。

图10是催化转化器基体的片段的纵向剖视图，其示出了图9的金属线插入件插入到基体中。

图11是催化转化器基体的片段的纵向剖视图，示出了根据本公开的另一实施例的已插入的金属线插入件。

图12是根据本公开的另一实施例的催化剂转化器基体的片段的横截面视图。

图13是在图12中示出的基体片段的纵向剖视图。

图14是示出了本公开的一个实施例的发射电极和集电极以及催化转化器基体的片段的端部立体图。

图15是示出了本公开的一个替代实施例的催化转化器基体的片段以及发射电极和集电极的端部立体图。

图16是示出了本公开的又一实施例的集电极和催化转化器基体的片段的端部立体图。

图17是示出了本公开的又一实施例的发射电极和更大比例的集电极以及催化转化器基体的片段的端部立体图。

图18是根据本公开的一个实施例的催化转化器系统的示意图。

图19是表示根据本公开的一个实施例的反馈控制回路的框图。

图20示出了根据本公开的一个实施例的控制信号和催化转化器温度的图示。

图21是表示根据本公开的一个实施例的控制器的框图。

图22是表示根据本公开的一个实施例的方法的流程图。

图23是表示根据本公开一个实施例的电磁场产生器300的框图。

图24是表示根据本公开一个实施例的电磁场产生器300的框图。

图25是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的横截面视图。

图26是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的横截面视图。

图27是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的四分之一剖视图。

图28是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的四分之一剖视图。

图29是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的四分之一剖视图。

具体实施方式

催化转化器可以采取多种形式。这些催化转化器中的典型催化转化器具有由陶瓷材料制成且通常称为块体的圆筒形基体，在图1中示出了该块体的一个示例。块体10具有蜂窝状结构，在所述蜂窝状结构中许多小面积的通道或巢室14延伸块体的长度，通道由壁16分开。通常在基体单元的每平方英寸的横截面面积上具有400到900个巢室，并且壁的厚度通常处于0.006英寸到0.008英寸的范围内。如图1所示，陶瓷基体可以以挤压过程形成，在所述挤压过程中，生陶瓷材料被挤压通过适当成形的模具，并且连续地从挤压体切割单元，然后单元被切割成比单元短的块体。巢室或通道12的区域形状可以是任何便于帮助块体的整个强度同时具有大接触面积的形状，在该接触面积处流动的废气能够与覆盖巢室内壁的热催化剂发生相互作用。

块体中的管状通道的内部可以洗涂有包含特殊催化剂材料的层。这些管状通道可以具有圆形或椭圆形的横截面、矩形、正方形或其它多边形的横截面或其它横截面。适当的洗涂涂料可以包含适于确保粘附至基体的固化陶瓷材料上的基础材料和夹带的用于促进特定的减小污染的化学反应的催化剂材料。这种催化剂材料的示例为铂和钯(其为在将一氧化碳和氧气转化成二氧化碳的过程中有效的催化剂)和铑(其为适用于将一氧化氮(nitric oxide)转化为氮气和氧气的催化剂)，但是也可以使用促进高温氧化或还原其它气态材料的其它催化剂。可以通过在陶瓷糊剂或浆料中产生微细分碎催化剂的悬浮液来准备洗涂，陶瓷浆料用于引起洗涂层粘附至陶瓷基体的壁上。作为将催化剂材料布置到基体表面上的洗涂的一种替代方案，基体材料自身可以包含催化剂组件，以使得挤压物在界定基体通道或巢室的内表面处存在催化剂材料。

催化转化器可以具有一系列这样的块体，根据待中和的特定有毒排放物，每个块体具有不同的催化剂层。催化转化器块体可以由不同于烧结陶瓷的材料(例如，不锈钢)制成。还有，除了上述的那些形式之外，它们可以具有不同形式的蜂窝状通道。例如，基体巢室可以具有圆形、正方形、六边形、三角形或其它方便的截面。另外，如果需要优化强度和低热容量或出于其它目的，挤压的蜂窝状壁中的一些可以形成为比其它壁更厚，或者形成为使得蜂巢在形状或大小上存在一些变化。毗邻巢室内壁之间的接合部可以呈锐角或可以具有弯曲的轮廓。

通常，如图2中所示，块体10是包裹在陶瓷纤维膨胀毯状物16中的洗涂陶瓷蜂窝块体。冲压金属壳体或罐18在催化转化器前后方的排气管的部分之间过渡，以便包封毯状物包裹的块体。壳体18典型地由两部分组成，所述两部分被焊接以将块体密封在合适位置处。膨胀毯状物在壳体和块体之间提供了缓冲，以便适应它们不同的热膨胀系数。片状金属壳体在给定的温度增加下的膨胀比陶瓷大许多倍，如果两种材料被结合在一起或者彼此直接接触，则在两种材料的交界处将经受破坏性的应力。毯状物还抑制了来自排气系统的振动，否则所述振动将破坏易碎的陶瓷。

在使用中，被包封的块体安装在车辆排气管路上，以接收来自引擎的废气并将废气传到车辆的尾管。废气通过催化转化器会加热块体，以促进其中流动气体接触催化剂层的位置处的催化剂活化过程。尤其是当车辆引擎以最佳操作温度运行时以及当存在大吞吐量的废气时，该转化器操作以显著地降低了进入大气中的有毒气体排放物的存在。但是，当在块体的内部未处于高温而启动时以及在空转期间，该转化器存在不足，空转可能频繁地发生在城市驾驶期间或在驾车经过Tim Hortons而等待咖啡时。

转化器的形状、轮廓和巢室密度在不同的制造商之间发生改变。例如，一些转化器块体是圆的，而一些是椭圆形的。一些转化器组件具有单级块体(其通常大量地洗涂有催化剂金属)，而其它转化器组件可以具有两个或三个转化器块体，在每个块体上具有不同的洗涂涂层。一些排气装置所使用的整个排气组件具有每平方英寸900、600和400个巢室(cpsi)的巢室密度，而其它一些整个仅使用400cpsi的块体。紧密耦联的转化器可以安装在排气歧管附近，以便减少启动和点火之间的时段。底板下转化器可以定位成远离引擎，在该处底板下转化器将花费相对更长的时间来加热，但是其相对更大，并且一旦排气组件达到温度则用于处理大多数气体。在另一构造中，用于减少点火时段的单元和在点火之后处理高气流的单元被一起安装在共用的壳体中。

在转化器组件中的一个或多个位置处，传感器安装在废气流中，传感器向引擎控制系统提供反馈，以用于排放物检查和调整目的。除了启动之外，控制燃料和空气输入的典型目的是保持期望的空气：燃料比，例如14.6:1的空气：燃料比或用于动力和清洁度的最佳组合的其它空气：燃料比。比该比值更大的比值产生稀燃条件—燃料不足。较低的比值则产生富燃条件—燃料太多。在一些车辆上启动过程在最初的几秒钟以富燃运行，以使热量进入到引擎中并最终进入到催化转化器中。用于间接加热催化剂层和废气的下述结构和操作方法可以与紧密耦联的催化转化器、底板下转化器以及两个转化器的组合中的每一个一起使用。

图3示出了具有图1和图2所示种类的两个块体的组件，但是其中一个块体可以被改变以使得能够感应加热。感应加热是这样的过程，其中，通过施加变化的电磁场以改变金属体经受的磁场来加热金属体。这继而在金属体中诱导出涡电流，从而导致电阻加热金属体。在含铁金属体的情况下，还可以通过迟滞效应来产生热量。当未磁化的含铁金属被放置在磁场中时，金属被磁化，并且产生了具有相反极部的磁域。周期变化的磁场在磁域中引起极部反转，反转响应于高频感应场的量级为每秒1000到1,000,000次循环(Hz)的变化、基于含铁金属体的材料、质量和形状。磁域极性不容易被反转并且抵抗反转(称为磁滞)，这导致在金属中产生进一步的热量。

如图4所示，围绕陶瓷基体的是金属线圈20，并且(尽管在图中未示出)位于陶瓷基体10中的选定位置处的是金属元件，所述金属元件可以采取多种形式中的任一种。通过在金属线圈20处产生变化的电磁场，可以开始连锁反应，其结果为在启动了装备有实施本公开的排气系统的车辆后，在存在变化的感应电磁场的情况下可以比不存在该电磁场的情况时更快地实现点火。连锁反应可以为如下：变化的电磁场在金属元件中诱导出涡电流；涡电流导致加热金属元件；来自金属元件的热量被传递到陶瓷基体10；当废气经过转化器时，来自被加热的基体的热量被传递到废气；以及与未被加热的废气相比，被加热的废气导致催化反应更快地发生。

金属线圈20可以是缠绕长度的铜管，但是可以使用其它材料(例如铜)或利兹线或者其它导体(例如，铝、钢等)。铜管就线圈的其它尺寸而言可以提供高表面积；感应是集肤效应现象，高表面积在产生变化场方面具有优势。如果使用利兹线或铜线，则线上的瓷釉或其它涂层可以构造成在转化器的持续高输入电流和高温操作期间不被燃掉。

电磁场屏蔽材料(例如，铁素体)的层22可以紧挨地位于线圈20的外侧，以提供感应屏蔽层并降低壳体18的感应损失。铁素体屏蔽件22还作用以增大至陶瓷基体10的感应耦联，以集中热量。

线圈可以封存在铸造和固化的电介质或绝缘体中。铸造的电介质或绝缘体的功能在于稳定线圈位置以及产生气密密封，以界定废气通过块体10的通道，在所述通道中发生催化反应。绝缘体还提供了屏障部以防止线圈20在壳体18上或铁素体屏蔽件22上短路。绝缘体可以是适当的硅铝酸盐膏剂。在替代的实施例中，转化器包裹在硅铝酸盐纤维纸中。在一种制造方法中，铜线圈20缠绕在陶瓷基体10周围，然后被放置在壳体18中。在一种替代制造方法中，线圈20被放置在壳体18中，而陶瓷基体10被插入到线圈罐组件中。

在本公开的一个实施例中，通过从直流(DC)源或交流(AC)源施加功率而在线圈中产生变化的电磁感应场。传统的汽车具有12VDC电系统。感应系统可以以DC电源或AC电源中的任一种操作。产生的感应信号也可以是DC驱动或AC驱动的。对于DC或AC而言，以1kw的功率为例，这产生了1到200kHz或更高的频率、130V到200V的RMS电压、以及5到8A的安培值。在适用于道路车辆的一个示例中，DC至DC转化器将车辆的12V DC电池功率转化为所需的上述DC电压。在适用于传统道路车辆的另一示例中，DC至AC逆变器将车辆的12V DC电池功率转化为所需的上述AC电压。

另一示例更适用于具有内燃机和电马达的混合动力车辆，其中车载电池的额定动力量级为360V和50kW。在这种情况中，电池供给功率更大，但是可以采用相同的基本DC至DC总线或者DC至AC逆变器电气构造。IGBT高速切换器可以用来改变通过线圈的电流的方向。就变化的电磁感应场对陶瓷基体中的金属的影响而言，低的切换频率产生更长的波形，从而提供了更好地穿透到金属元件表面下方的场穿透，并且因此提供了相对均匀的加热。但是，由于缺乏切换，因而这是以牺牲高温和快速加热为代价的。相反，高的切换频率产生更短的波形，这产生更高的表面温度，但以牺牲穿透深度为代价。施加的功率被限值，以避免熔化金属元件的危险。向单个块体线圈施加的适当功率可以处于1.1kw的量级。

如前所述，金属元件位于陶瓷基体10的选定位置处。通常，对于两个相同的金属元件来说，更靠近感应场的源的金属元件比远离所述源的等同金属元件变得更热，因为增大了效率：即，对于给定功率输入来说获得的感应水平。在具有如图所示的规则感应线圈10的情况下，位于块体10的外部处的金属元件靠近线圈20并且变得非常热，同时基体中心附近处的等同金属元件保持相对较冷。位于线圈20和最近的电感金属元件之间的气隙26防止从电感金属元件向线圈显著地传热，否则这将增大线圈的电阻率并因此降低其效率。在替代的实施例中，相对更集中的金属元件可以朝向陶瓷基体的中心设置，以补偿如下事实：来自线圈源的场效应在基体中心附近处比基体的外部附近处要低得多。在另一实施例中，相对较大的金属元件负载可以位于在陶瓷基体的中心和周界之间的一些中间位置处，其中，在中间层中产生的热量既向内流动至中心又向外流动至周界，以用于更有效地总体加热。线圈20的尺寸能够根据金属负载设计，以在产生热量和点火速度方面获得更高的效率。

电磁感应场可以通过适当地选择如下中的任意一个或全部而被调整以改变加热效应：(a)给线圈的电输入波形，(b)被动通量控制元件的特性和位置；(c)线圈20的特性、位置和构造。例如，感应场可以被调整至金属元件的位置或这些高度集中的金属元件在陶瓷基体10中的位置。作为替代或另外，施加的场可以随时间而变化，使得在感应场类型和从预启动到高速驱动的特定操作阶段之间存在相互依赖性。在替代构造中，可以使用多于一个的线圈以获得期望的感应效果。例如，如在图4的横截面图中示出的，陶瓷基体10具有环形横截面，其中第一激励线圈20位于基体外周处以及第二激励线圈位于基体芯部处。

如图5和6的部分剖视图所示的，在本公开的一个实施例中，金属元件是金属颗粒28，所述金属颗粒被嵌入到陶瓷蜂窝状基体的壁14中，颗粒尺寸小于壁14的厚度。作为制造过程的一部分，金属颗粒可以在陶瓷仍然未加工或可流动时(即，在陶瓷被挤压之前)添加并与陶瓷基底材料混合。这样，颗粒相对均匀地分布在整个待挤压的陶瓷基底材料上。在该实施例的操作中，当从线圈20施加变化的电磁感应场时，基体中的陶瓷材料对于施加的场而言相对不可见，因此不被加热。金属颗粒28加热并将热量传导至陶瓷蜂窝的金属颗粒结合于其中的壁14上。

在替代的制造实施例中，陶瓷基底材料和金属颗粒的混合以及随后的混合物挤压(为了形成蜂窝状基体)被构造成使得基体中的选择位置比其它位置处具有更大的金属颗粒浓度。该构造可以在挤压机处将几股未加工的陶瓷材料流与彼此具有不同金属含量水平的金属流带至一起而形成。这些流然后在刚要挤压之前立即被熔化，使得金属含量的变化反映在挤压成型的基体的横截面上。在另一实施例中，使用的金属颗粒是细长的或者要不然非对称的，使得金属颗粒在挤压处理的过程中倾向于排列得多少有些更靠近转化器的巢室壁。在另一实施例中，颗粒长度被制造为足够长，使得至少一些临近的颗粒在混合或随后挤压的过程中互相电接触。

在本公开的替代实施例中，金属元件位于陶瓷蜂窝状结构内，但是未嵌入在蜂窝状结构自身的材料中。例如，在陶瓷基体块体的后处理期间，金属元件定位在基体或块体10的选定巢室12中。在图7所示的一个实施例中，高浓度的金属颗粒与膏剂混合，形成的混合物通过使用例如在2013年8月20日提交的在审专利申请序列号13/971,129(催化转化器组件及其制备方法“A catalytic converter assembly and process for itsmanufacture”)中描述的方法来注入，该申请的公开内容全文并入本文中以作为参考并成为本申请的一部分以用于所有目的。在注入之后，膏剂混合物的注入丝30例如通过在2013年8月20日提交的在审专利申请序列号13/971,247(催化转化器组件及其制备方法“Acatalytic converter assembly and process for its manufacture”)中描述的微波加热来固化，该申请的公开内容全文并入本文中以作为参考并成为本申请的一部分以用于所有目的。在一个实施例中，膏剂基底材料是玻璃纤维、粘土浆、聚合物粘合剂和水的低粘性且糊状的混合物，在固化过程中将水和有机粘合剂从所述混合物中驱出。固化之后，注入丝30是在二氧化硅、陶瓷和金属颗粒的多孔基体中占据主要的二氧化硅。

在另一示例性构造中(未示出)，在巢室12中选择的待被注入的通道可以被制造成使得由固化的膏剂金属混合物形成的丝不均匀地分布，而是主要占据圆筒形基体的中间环形区域。在这种结构的操作中，热量优选在环形区域处产生，并且从该环形区域场所朝向基体芯部向内传递且朝向基体外周向外传递。注入到巢室中的膏剂金属混合物中的金属颗粒可以主要位于巢室内表面附近而非朝向巢室中心，以便在巢室表面附近产生局部热量以及将更多的热量传递至陶瓷基体和以更大的速度进行传递。在固化之后和/或在挤压之后且固化之前对加载的转化器块体的适当指向的搅动可以促使金属颗粒朝向巢室壁部分迁移。

在已注入的巢室的实施例中，利用由膏剂和金属颗粒形成的丝完全堵塞的任何巢室在废气经过巢室时不能够用于减少污染物的催化反应。这种堵塞的巢室仅用于在启动或空转时加热。结果，仅仅巢室中的选定巢室填充有复合加热材料。在所示的示例中，基体每平方英寸具有400个巢室。在这些中，根据巢室的径向位置，每平方英寸有8到40个巢室填充有金属膏剂复合物，使得在基体的整个表面范围内被堵塞的巢室占据基体面积的2％到10％。

在本公开的另一实施例中，比所讨论的图7的实施例中的颗粒尺寸更大的离散金属元件插入到催化转化器基体中的选定巢室位置处。如图8所示，示例的金属元件为金属线32，金属线定位在所选择的基体巢室中并且金属线沿着巢室的整个长度从块体入口延伸到块体出口。插入的金属线32可以例如具有圆形、正方形或其它合适的横截面并且可以使用具有促进感应加热的期望电磁特性的铜、钢、铝、不锈钢或其它金属或含铁元件而构造。如图8的实施例中所示，陶瓷转化器基体10具有正方形巢室和圆形截面的金属线。正方形截面的金属线向正方形截面的巢室提供更好的热传递，这是由于在两种材料之间存在大的接触面积。但是，圆形截面的金属线更易于插入到正截面的巢室中，这是因为产生插入阻力的表面面积接触更小。金属线可以通过摩擦配合而固定在其各自的巢室中，所述摩擦配合至少部分地通过金属线外部面积尺寸和巢室面积尺寸之间的紧密配合而实现，使得金属线表面的表面粗糙度和巢室壁的表面粗糙度将金属线锁定在合适的位置处。金属线被拉成其宽度比巢室宽度小0.002英寸至0.005英寸，以使得能够实现插入。

在一个构造中，由金属线形成插入件34具有如图9和10所示的弓形形状。弓形的金属线34具有记忆，使得在弓形随着金属线插入到巢室12中而被拉直之后，插入件34倾向于回复至其弓形形状，导致金属线的中央和端部区域承载在巢室12的相对侧部或角部上，并且由此改善摩擦配合以将金属线保持在巢室中的合适位置处。作为替代或另外，如图11的实施例中所示，金属线36在其端部处卷曲，以便建立端部承载接触部位。在每种情况下，总体摩擦配合致使在废气经过转化器时抵抗金属线上的压力、重力、振动、温度循环。

作为替代或另外，金属线通过将金属线的外表面结合至相应巢室的内表面而被固定到巢室中。在示例性的结合过程中，金属线在插入之前至少部分地涂覆有粘合剂/膏剂，或者少量的粘合剂/膏剂在插入金属线之前涂覆到巢室内壁上。使用了高温膏剂材料和复合粘合剂。适当膏剂的形式例如与在前述注入实施例中使用的一样。复合粘合剂例如是陶瓷和金属粉末的掺和物，在该两种主要材料之间过渡有粘结剂。这种掺和物用于使得温度循环应力效应最小化，在温度循环应力效应中，金属线可能存在显著的膨胀/收缩，而陶瓷基体存在难以察觉的小膨胀/收缩。这种差异会在两种材料之间的粘合界面处产生应力。通过使用这样的复合粘合剂，结合的金属线相对于周围巢室表面的移动被最小化，并且通过存在的复合粘合剂材料实现了增大热传递。

如图8的实施例中所示，使用了在转化器阵列上具有均匀分布的金属线阵列。在一个示例中，针对400cpsi基体的每25个巢室插入1根金属线。这具有令人满意的加热性能，并且从在转化器处实施的污染物清理催化反应的角度来看不会太阻塞转化器巢室。过高的金属线/巢室比会导致较慢地加热至点火温度，因为总体上由金属线表示的总热容量高并且因为一些金属线妨碍了其它金属线上的“视线(line of sight)”场效应。与此相反，尽管过小的金属线/巢室比导致较少地堵塞转化器巢室，但是稀疏分布的金属(针对400cpsi中的每49个巢室插入量级小于1根的金属线)导致热量产生降低并且增大了达到点火温度的时间。如在前述注入金属颗粒实施例的情况中那样，金属线可以按照非均匀的样式插入到例如位于陶瓷转化器基体内的中间径向位置处的金属线插入件的大体环形集中部处；或者与转化器外周附近的金属线集中度相比在转化器的距线圈最远的芯部附近放置更大的金属线集中度。

在使用金属颗粒和更大的金属元件(例如，金属线插入件)之间存在着优点和缺点。感应加热产生被加热金属的“集肤效应”热表面。根据金属元件的表面积这可以促进加热效率。一般来说，存在的表面积越大，则金属加热得越快。但是，感应是视线过程，其中，“看见”感应场的表面是首先被加热且更热的那个表面。粉末颗粒加热迅速，较大的本体加热较慢。在颗粒的情况中，无论是分散嵌入在陶瓷基体材料自身中还是分散嵌入到注入在选定巢室中的膏剂内，每个颗粒独立于另一个地起作用，因此在相邻的颗粒之间几乎不存在传热。结果，热量分布可能相对较差。更大的金属体将热量良好地传导通过其体积并且在分布热量方面能够更有效地操作。图8的细金属线实施例可以在颗粒和固体本体之间就表面积、视线定位和传热特性方面(所有这些方面显著地影响加热性能)提供良好的折中。

当转化器处于操作中时，导热是传递至陶瓷基体并因此传递至废气的传热的主要来源。在金属线插入件实施例的情况中，还存在少量的对流传热，但对流传热是有限的，因为在金属线和巢室的内表面之间仅存在很小的气隙，从而空气的移动被最小化。在例如其中金属线在其大部分表面积上与巢室内部分开但是该分开不被阻塞的情况下插入金属线的示例中，还存在相对少量的辐射传热。

如之前描述和示出的，感应金属元件相对于巢室位置的分布可以被构造成使得加热效应在转化器的整个表面上大体是均匀的。尤其是对于启动和空转来说，在可能发展出不均匀的废气流动图样的情况下，在转换器上刻意开发出不均匀的热量图样会是有利的。如前所述，这可以通过适当地将感应金属元件定位在选定的巢室中而实现。在本公开的另一实施例中，这还可以通过使用不同或形状不同的金属插入件而实现，或者在注入的实施例中通过使用不同浓度的颗粒来实现。在其它替代结构和方法中，这可以通过产生非径向对称的场或产生两个或更多个干涉场而实现。这样的感应场及其相互作用可以例如在从启动到点火的期间内变化。还可以使用这种感应金属定位和场操纵的组合来改变加热效应。可以实施随位置、时间或者两者而变化的靶向加热，目的在于增大污染物的转化、节省电力、或出于其它原因。

在本公开的其它实施例中，金属元件没有被夹带在陶瓷基体的材料中，并且没有被注入或定位到选定的巢室中。相反地，如在图12和13的部分剖视图中所示的，含铁金属涂层40在施加催化剂涂层38之前形成在所选的转化器巢室的壁14的内表面上。作为替代，(未示出的)含铁金属涂层被设定为具有催化剂金属的共用涂层，这是通过使用包含含铁金属和催化剂金属的合金颗粒而实现的、或者通过其中分散有含铁金属颗粒和催化剂金属颗粒的洗涂物而实现的。在后一种布置中，可能存在一些催化剂作用的损失，这是因为含铁金属占据了一些催化剂金属的位置，因此需要折中。

所有金属对感应场均有一定程度的响应，其中含铁金属是最容易被这样的感应场加热的材料。包含在施加到蜂窝基体巢室内部的洗涂涂层内的催化剂材料典型地为铂族金属—铂、钯和铑。这样的材料具有量级为1×10^-6(在铂的情况下)的低磁导率，并且因此仅非常轻微地受施加的感应场的影响。此外，催化剂金属以非常微小的量存在，其量级为每个转化器块体具有数克催化剂金属，因此，催化剂组件中存在的金属不足以在启动期间或空转期间产生任何显著的热量并将该热量传递到陶瓷基体。相反地，用于感应加热的含铁金属以每个块体具有60至200克量级的量存在，并且在铁的情况下具有量级为2.5×10^-1的磁导率。

如前所述，感应加热在点火之前的阶段中施加，以降低在催化剂涂层达到催化剂涂层开始催化反应的温度之前排放的有害污染物的量，在所述催化反应中将污染物转化为更为良性的排放物。特别是对于城市驾驶来说，引擎操作的特征经常在于被空转阶段不时地打断的突然加速和刹车。在这种时候，进入转化器的废气和基体壁(流动的废气与所述基体壁接触)的温度可能开始下降。如果空转和冷却继续，则基体和废气的温度下降到低于减少污染物的催化反应所需的温度。在这个阶段中，转化器基体的加热通过打开感应加热而获得。在将来的某时处，当车辆不再空转以及废气的温度增大至超过将有毒废气污染物转化为相对良性产品的有效催化反应所需的温度时，感应加热被关掉。

感应加热公开内容的实施例已经在含铁合金(例如钢)的背景下进行了描述，该含铁合金可以以常见形状、大小以及合理的成本商购获得。也可以使用替代的铁磁金属，例如钴或镍或它们的合金。使用的金属必须在催化转化器所达到的高温下存活并且在金属嵌入物重复地从冷启动温度加热到操作温度然后再返回冷启动温度的重复温度循环下存活。一般来说，铁或其它铁磁金属的合金具有有利的机械和物理性能，例如抗腐蚀/抗氧化、高温稳定性、弹性变形和成型性能。

参照图14至17示出了本公开的实施例，所述实施例适用于经过催化转化器基体的通道或巢室的废气的电流体动力(EHD)加热和质量传递。在EHD过程中，产生自由电子并致使自由电子从带电的上游发射器迁移到接地的下游收集器44。在自由电子的迁移过程中，电子与废气中的分子碰撞，将动量传递至气体分子，并且在气流中产生湍流。这意味着通过巢室的气流更少地趋于采取层流和/或层流的气流趋于背离层流态。与没有EHD刺激的情况相比，这两种趋势使得更多的废气与转化器基体巢室的壁接触。这导致增大了废气和基体壁之间的热传递以及增大了减少污染物的催化反应，这是由于增大了废气与基体巢室壁的内表面处的热催化剂之间的接触。

在操作中，在启动和点火之间的时间段内，基体壁的温度比废气的温度更低。更多的热量通过EHD热传递刺激而从流动的废气传递到基体，并且与没有EHD加热过程的情况相比，基体温度以更快的速率增大。控制回路包括第一温度传感器以监测转化器基体的温度和第二温度传感器以监测紧挨在转化器上游处的废气的温度。控制回路包括用于测量废气温度和转化器基体温度之间的差的比较器和由比较器控制以将EHD电压切换至发射器的开关。通过在EHD热传递过程中进行切换以在启动至点火期间刺激来自废气的热传递而获得更快速度的点火。在将来的某时处，当基体足够热以致使发生减少污染物的催化反应时，关闭EHD热传递刺激。

另外，在空转期间，进入转化器的废气的温度可能开始下降并且可能产生这样的情况：其中催化转化器基体的壁仍然处于用于催化剂反应的最佳温度处，但是进入转化器的废气的温度低于用于该催化反应的最佳温度。在空转阶段中，从降低有害排放物的角度来看，即使在流动通过转化器的气体被冷却时，转化器也可以保持在最佳操作温度处或其附近。在这个阶段中，在有限的时间段内通过在EHD热传递过程中进行切换以吸取热量而实现了低功率地加热冷却的废气。在将来的某时处，当车辆不再空转且废气温度增大超过监测的基体温度时，可以关闭EHD热传递刺激。

详细参照图14，为了操作其中应用EHD的催化转化器，发射器42连接至输送非常低安培数的25至50千伏特功率源，因此，收集器44和仅消耗几瓦的系统被接地。与未带电废气通过催化转换器的情况相比，电流在带电废气和转化器基体之间产生优选的热交换。废气的导电率影响混合的程度和流动变化，这继而导致在转化器基体和废气之间更迅速地热交换。一般来说，废气越导电，则湍流效应越高且EHD热传递效应越大。

如在图14的实施例中示出的，在第一发射器收集器布置方案中，发射器42是由直径为0.25英寸的杆和0.375英寸的孔组成的规则网格，所述网格紧挨着块体10的上游安装。收集器44是紧挨在转化器块体下游处的类似金属网格，该网格被接地。上游网格至正电压源的相互连接和下游网格至地面的相互连接提供了产生电流所需的正极(发射器)和负极(收集器)。

如图15所示，在第二发射器收集器布置方案中，除了金属线插入件彼此互相连接并接地之外，使用的金属线插入件的构造类似于图8中所示的构造。在示出的构造中，使用了连续的金属线46并且所述金属线在基体巢室内外成环，使得毗邻的金属线插入件有效地缝合式连接就位。

在另一实施例中，如图16所示，网格收集器44具有突出的金属线48，所述金属线与选定的基体巢室的纵向轴线对准。在制造过程中，收集器44的突出金属线48朝向转化器块体的前端向后滑动并且进入到对准的巢室12中。网格收集器被锁定到基体的后侧上。在一种形式中，突出的金属线48如前参照图8至图11描述的那样摩擦配合在所选的巢室12中，或者使用适当的粘合剂而固定就位。在另一种形式和相关联的方法中，突出的金属线被预定位在所选的巢室中，然后通过将金属膏剂基质注入到巢室中并且之后干燥和烧结所述基质来将突出的金属线限制就位。

在图17所示的另一发射器收集器布置方案中，发射器42是金属球或盘，所述金属球或盘的直径与柱形转化器基体的直径相匹配，所述球不具有角状的角部，使得电子发射相对均匀地分布在其表面上。一系列收集器通过由粘合剂基质中的金属粉末填充所选的转化器巢室12以构成一系列收集器部位而形成，位于阻塞的巢室内的收集器金属线30例如通过网格而连接在一起并且接地，所述网格呈图16所示的形式但是具有相对较短的接触突出部48。金属颗粒与膏剂混合，产生的混合物使用如在2013年8月20日提交的在审专利申请序列号13/971,129(催化转化器组件及其制备方法“A catalytic converter assembly andprocess for its manufacture”)中描述的方法而注入，该专利申请的公开内容全文并入本文中以作为参考并形成本申请的一部分以用于所有目的。在注入之后，膏剂混合物的注入金属线30例如通过如在2013年8月20日提交的在审专利申请序列号13/971,247(催化转化器组件及其制备方法“A catalytic converter assembly and process for itsmanufacture”)中描述的微波加热而固化，该专利申请的公开内容全文并入本文中以作为参考并形成本申请的一部分以用于所有目的。在一个实施例中，膏剂基底材料是玻璃纤维、粘土浆、聚合物粘合剂和水的低粘性且糊状的混合物，水和有机粘合剂在固化过程中从所述混合物中驱出。固化之后，注入金属线30是在二氧化硅、陶瓷和金属颗粒的多孔基体中占据主要的二氧化硅。

在图17的实施例的变型方案(未示出)中，均匀分布的第一选择巢室被金属粘合剂基质堵塞，巢室由金属线彼此连在一起以形成发射器。基本上与发射器巢室交替分布的个数相等的巢室也被金属粘合剂基质堵塞，该第二组巢室利用金属线连在一起并接地以形成收集器。该布置方案在基体巢室的表面处具有高的效率，因为发射器和收集器是基体的一体化部分。

在其它替代方案中，前述发射器和收集器构造可以不同地匹配。

感应加热的好处在于转化器组件可以更小。冷启动产生内燃机的污染物中的75％到90％，并且这增大了总排放组件的尺寸。由于感应加热技术解决了该75％到90％污染物中的大部分，能够使转化器机组变小。通过利用实施EHD子系统引入增大的热量和质量传递，还能够进一步降低尺寸。

国家排放标准要求是催化转化器设计的主要驱动。该要求非常高并且难以由单个转化器满足。因此，目前，现在生产的大部分汽车采用两个转化器组件—一个位于紧密耦联的位置处，另一个位于底板下的位置处。紧密耦联的转化器的重量通常比底板下转化器更轻，这意味着紧密耦联的转化器具有低热容量，并且因此将尽可能快地达到催化反应操作温度。但是，在紧密耦联的转化器和底板下转化器已经达到其各自的催化反应操作温度之后，紧密耦联转化器与较重的底板下转化器相比具有相对较低的效率。通过在启动时将感应加热引入到排放过程中，制造商可以回到生产单个转化器装置，并且通过消除对紧密耦联转化器的需要而满足了排放标准。

尽管已经在陶瓷催化转化器基体的背景下描述了本公开的实施例，但是也可以使用不锈钢基体，其中，以与上述方法类似的方式实施感应加热。由400系列磁性合金制造的基体可以具有显著的磁滞性。利用围绕的线圈，小直径不锈钢基体的外部环形区域由于其小的热容量而非常迅速地加热。

在EHD热量和质量传递的情况中，在本公开的使用不锈钢基体的替代实施例中，催化转化器具有两个钢块体，其中第一钢块体用作发射器，而第二钢块体用作收集器。在这种情况下，避免了插入金属线插入件或注入和固化金属膏剂线，因为钢块体自身用于发射和收集自由电子。

已经在例如钢的含铁合金(其可以以常规形状、大小以及合理的成本商购获得)的背景下描述了EHD热量和质量传递公开内容的实施例。替代金属可以用于EHD电极，只要它们能够在催化转化器中达到的高温条件存活以及在转化器基体中的金属元件重复地从冷启动温度升温到操作温度然后再返回冷启动温度的重复温度循环下存活即可。一般来说，合金具有有利的机械和物理特性，例如抗腐蚀/抗氧化、高温稳定性、弹性变形和成型性。

在将本公开的感应加热和EHD质量和热传递施加到催化转化器的结构和操作中时，实施感应加热所需的电回路和电输入与实施EHD热量和质量传递所需的电回路和电输入不同。就此而言，很可能EHD效应会受施加的感应场的影响。在感应场将之字形部件添加到电子流从而导致增强热量和质量传递的情况下，这将产生积极的影响。作为替代，感应场可能将EHD效应遮蔽掉。

在感应加热的情况中或期间，在刚要启动之前，感应加热过程和EHD质量和热传递过程可以同时施加或者在不同的时间处施加。

图18是根据本公开的一个实施例的催化转化器系统的示意图。催化转化器系统75包括催化转化器60，所述催化转化器具有多个通道，以帮助在来自车辆引擎的废气56中的至少一个催化反应，从而产生处理过的废气56’。一个或多个温度传感器50联接至催化转化器60，以产生指示催化转化器的至少一个温度的温度信号。温度传感器50可以通过热电偶、热敏电阻或其它热传感器或者通过其它温度监测器而实施，所述热电偶、热敏电阻或其它热传感器安装在催化转化器之上或之中，以便在转化器之上或之中的不同位置处监测温度。

来自温度传感器50的输出被带到控制器52，在该控制器处，监测到的一个或多个温度用于通过控制AC发电机(例如，AC源64)而控制感应加热。控制器52根据由这些温度信号表示的温度而产生控制信号58。包括AC源64和线圈20的至少一个电磁场产生器响应控制信号58，产生电磁场以感应地加热催化转化器60。AC源64例如可以是产生AC信号的可变AC发电机，所述AC信号具有根据控制信号58而变化的幅度、任务周期或功率。在另一示例中，控制信号58随着根据期望加热水平幅度变化的任务周期而开关AC源64。AC源可以产生信号(例如，50Hz或60Hz的信号)，但是同样可以使用介于1kHz-100kHz范围内的中频信号和介于100kHz-10MHz范围内或更高频率的无线电频率信号。

可以经由处理器(例如，单独的处理器)或共用的处理设备(例如，引擎控制模块)而实施控制器52。控制器52使用一种或多种算法以控制实施中施加的感应和EHD过程，在该实施中感应场特性和EHD高压特性是可选的以获得特定的感应加热模式或EHD效应。控制器52可以独立于催化转化器地安装。例如，控制器52可以安装在车辆的内部，其中电子控制回路相对较好地得到保护。作为替代，在具有防风雨壳体的情况下，转化器控制模块可以放置在靠近电池的引擎舱中或者放置在车底且靠近催化转化器。

考虑这样的示例，其中通过车辆中的螺栓连接组件来实施催化转化器60以处理内燃机排放物。洗涂涂层中的铂族金属或其它催化剂与与热量相结合地工作，以处理废气中的大部分污染物。催化处理严重地依赖于温度。为了使处理有效，可能需要达到及保持大约300℃的最低点火温度。废气处理过程的效率在低于该温度时会迅速下降。在正常的引擎操作中，存在其中催化转化器的温度低于该阈值的多个时刻：冷启动、冷却和起-停混合车辆操作和其它具有内燃机的电动车辆。

在冷启动的情况下，引擎和废气处于环境温度。在非常冷的环境下，该温度在冬天定期会低至-30℃。结果，在引擎和催化转化器加热到所需温度之前引擎操作会花费几分钟。实际上，在系统达到阈值温度(通常称为“点火温度”)之前很少存在或不存在排放物处理。传统的催化转化器仅依赖于引擎加热以升高其温度。

在引擎或排出系统开始变热时发生冷却，之后温度下降到阈值点之下。在引擎变热之后的过多空转会产生该效应。低的引擎RPM将不会产生足够的热量以维持催化转化器60是热的。逐渐变冷会导致低于点火温度的稳态温度。高速减速会产生该效应。因此引擎RPM由于不需要动力而下降到接近空转水平，并且在空转的情况下，车辆废气不产生足够的热量以维持催化转化器60是热的。还有，在从引擎和催化转化器掠取热量的车辆的情况下，存在大量的对流，因此增大了冷却速率。目前的转化器技术存在的问题是立法者实施空转禁令的原因，并且还是为什么走走停停的交通如此污染的原因。

在起-停混合车辆操作中，车辆引擎可以在车辆操作期间自动地关闭和重启。在轻度混合型车辆中，车辆引擎在车辆静止时(例如在车辆停在途中时)被引擎控制模块停止以避免空转。当驾驶员将他/她的脚从刹车上移开并接合加速器以继续运动时，引擎控制模块快速重启引擎(快至350毫秒)。在混合电动车辆中，内燃机可以关闭更长时间，并且仅在必须补充通过电池电源操作的一个或多个电动机的操作时使用。类似于前述冷启动和冷却状况，催化转化器可能处于环境温度或者低于点火温度。

前述感应加热和EHD热量/质量传递过程在包括冷启动和冷却等的正常驾驶条件下改善了通过催化转化器系统75进行的排放处理的性能，并且另外还改善了通过催化转化器60进行的废气56排放处理。控制操作可以包括但不限于如下：

(a)预加热-在引擎启动之前加热催化转化器；

(b)后加热-在引擎启动之后加热催化转化器；

(c)混合型-预加热和后加热的组合，其中在引擎启动之前及之后加热催化转化器；

(d)热管理-通常不与冷启动相关，但是利用快速冷却而将转化器温度维持在点火温度之上；和/或

(e)颗粒过滤器再生。

例如，一旦在预加热期间达到了点火温度，则控制器52可以进入温度保持模式，在该温度保持模式中仅保持该温度而不增大该温度。在温度保持模式中需要的功率是连续、密集地加热所需的功率的一部分。保持温度通过脉冲地打开和关闭整个感应功率或通过调制功率而实现。脉冲是更为简单的过程，原因在于系统仅利用所需的定时控件而打开或关闭。脉冲的频率和持续时间以及脉冲之间的延迟被选择成使得温度在几度的误差内(within a few degrees)保持恒定。调制功率更为复杂，因为功率输出根据维持恒定温度的目标而自动地进行调节。需要更复杂的感应回路以能够在从0％或接近0(例如最小20％)到完全100％的整个输出范围内操作。在一个实施例中，在车辆引擎空转时催化转化器冷却但同时引擎仍然运行时(例如响应于冷却)触发保持模式。使用与上面简述的那些相类似的脉冲或调制操作来防止过度冷却。

在根据一个实施例的控制方法中，温度传感器50包括一个或多个热电偶，所述热电偶在沿着催化剂基体的长度的某个点处(例如，在转化器的中点处)嵌入在催化剂基体的表面上。热电偶向控制器52 提供直接反馈，而不需要计算或推理。首先执行校准，以补偿介于催化剂基体的外部和内部之间的偏差。在稳态下，从催化转化器60损失的最大热量损失位于其外周处，驾驶时的对流、雨水、雪和冰导致了这些损失。在预加热期间，外周、芯部或整个基体被加热到点火温度，其中对期望区域的点火温度与温度传感器50之间的计算温度偏差做出了补偿。

尽管上文结合使用单独的温度传感器50进行了描述，但是另外或作为替代，控制器52可以使用线圈20自身以用于进行温度追踪。特别地，由于热与磁场的干涉所致的分子振动，线圈20的电感随着温度增大而下降。更低的温度比更高的温度产生更少的干涉。该干涉可以被特征化，并且基于该干涉，可以通过控制器52确定主体温度。基体是感应系统的最大部件，并且包含在基体内的热量对电感产生最大影响。用该方法监测的温度是平均温度，因为没有检测存在的热点和冷点。使用感应线圈的方法避免了需要将额外的金属线用于催化转化器。

尽管已经在感应加热的情况下描述了控制方法和装置，但是还可以适用类似的控制方法和装置，以控制电流体动力(EHD)热量和质量传递。应当注意的是，控制器52可以构造成产生控制信号58和66，以便一起或在分开的时间-独立地操作感应加热和EHD过程。

在一个示例中，感应加热过程在引擎启动之前实施、在空转期间和在减速期间、在启动之后的短时内实施。控制器52构造成产生控制信号66，以仅仅在引擎运行时打开EHD过程，因为该过程依赖于通过转化器的废气流动。在该示例中，EHD过程在存在废气流通过转化器的任何时刻均运行。在另一示例中，采取相同或类似的感应加热程序，但是EHD过程在温度高于点火温度时被关闭。

尽管电池62示出为向EHD过程提供电力，但应当注意的是，电池(例如，车辆电池)或其它车辆电力系统可以用于选择性地向催化转化器系统75的其它部件供电。在其它示例中，还可以使用替代功率源(例如，太阳能电池、例如与启动预热器(block heater)连同设置的车辆电源外部插头或系统中的混合车辆插头)，以在替代电源可够着的情况下给催化转化器系统75的部件供电。在操作中，感应加热和EHD过程可以在控制器52的控制下选择性地激活或不激活。在各种实施例中，感应加热可以由控制器52响应于如下状况而启动，所述状况例如为：点火中的关键点、运行位置的关键碰撞点(key strike)、启动位置的关键碰撞点、在车辆的X英尺范围内的关键点附近、远程启动功能的初始化、将车辆插入电网、启动预热器插入等。控制器52的操作可响应于获得的点火温度、太低的电池充电状态、需要起动机达到的电池存量、系统的手动关掉、引擎的关掉等而不激活。

应当注意的是，车辆引擎可以经由下述燃料类型中的一种或多种而操作，包括：汽油、柴油、丙烷、乙醇、天然气等。控制法可以应用到如下车辆操作构造，包括：全时的传统内燃烧、混合型-串联、并联、轻度并联、串-并联或功率分配、插电式混合电力、轻度混合自动起停、增程、恒定式RPM引擎、可变式RPM引擎或其它构造。车辆引擎可以是正常吸气、涡轮增压、超动力的、气体直接注入的、电控燃料注入的、经由分配器或其它技术操作的。

催化转化器60可以经由铂、钯、铑或其它催化剂而操作并且可以包括柴油氧化催化剂、颗粒过滤器和/或尿素注入系统。基体可以包括陶瓷蜂窝、编织金属、多孔膜或其它基体。催化转化器系统可以被引导，以将排出排放物(例如，碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、二氧化硫、颗粒物质和/或其它排放物)降低到全范围的空气燃料比(λ)，所述空气燃料比例如为化学计量比、富燃比、稀燃比和/或其它比值。

结合下图19-22描述涉及催化转化器系统75(包括任选功能和特征)的其它示例。

图19是表示根据本公开的一个实施例的反馈控制回路的框图。特别地，示出了反馈控制回路100，其中催化转化器的加热(例如结合图18示出的催化转化器60的感应加热)由传递函数G(s)表示，控制信号58由信号E(s)表示，控制输入由信号X(s)表示，催化转化器的温度由信号Y(s)表示。控制器和温度传感器(例如，控制器52和温度传感器50)的操作由反馈函数H(s)、产生的控制输入X(s)和相加点102表示。因为催化转化器的加热和对流冷却还会受废气的温度和体积以及车辆速度的影响，因此这些额外因素由相加点104处的扰动输入D(s)表示。这些信号量中的每一个经由拉普拉斯变化变量s表示在拉普拉斯变换域中。

输出温度Y(s)可以根据下式计算：

Y(s)＝G(s)[X(s)-Y(s)H(s)]+D(s)

或者，

Y(s)＝D(s)+X(s)[G(s)/[1+G(s)/H(s)]]

考虑其中传递函数G(s)根据下式模型化为一阶系统的示例：

G(s)＝a/(s+ω)

并且另外，在D(s)＝T_am的冷启动条件下，反馈函数H(s)＝k，其对应于简单的比例控制。在该情况中，

Y(s)＝T_am+X(s)[a/(s+ω+ka)]

进一步考虑环境温度为T_am，控制器试图使用感应加热以保持参照温度T_ref，并且控制输入在时刻t₀＝0时以幅度kT_ref经由阶梯函数初始化。然后，在时域y(t)中催化转化器的温度可以根据下式由拉普拉斯逆变换算出：

X(s)＝kT_ref/s

Y(s)＝T_am+kT_refa/[s/(s+ω+ka)]

y(t)＝L^-1[Y(s)]＝T_am+(T_ref-T_am)/(1-e^-t/τ)

其中，τ＝1/(ω+ka)。在这种情况中，在时刻t>0时的时域e(t)中控制信号的值简单表示为：

e(t)＝k[T_ref-y(t)]

应当注意的是，e(t)的值可以通过下述不等式限定：

0≤e(t)≤e_max

式中，e_max表示AC源64的最大输出。需要注意的是，在大部分实施方案中，感应加热容量不会到主动冷却(其中催化转化器的冷却正常地经由热辐射和对流发生)的程度。因此，负值的e(t)是不允许的。

结合图20示出了这样的反馈控制回路的一个操作示例。尽管在前面已经假定了用于传递函数G(s)的一阶模型，但是基于实施的感应加热系统和催化转化器的实际传递函数，同样还可以采用具有多个极值点和零值的其它高阶模型。另外，尽管上面已经描述了对应于比例控制的反馈函数，但是同样还可以采用实施比例控制、积分控制、微分控制的其它更高级反馈函数和/或具有多个极值点和零值的其它反馈函数。另外，尽管实施的是特定反馈控制回路，但是也可采用其它控制技术，例如：前馈控制；状态-空间控制，包括优化控制、模型预测控制、线性二次高斯控制；适应性控制；分级控制；使用各种AI计算方法的智能控制技术，例如神经网络、贝叶斯概率、模糊逻辑、机器自学习、进化计算和遗传算法；鲁棒控制；随机控制；非线性控制和/或其它控制算法。

图20示出了根据本公开的一个实施例的控制信号和催化转化器温度的图示。特别地，根据参照图19示出的示例控制信号e(t)的曲线图110和催化转化器温度的曲线图110’绘制在时域中，其中时刻t₀＝0时开始冷启动。如所讨论的，

y(t)＝T_am+(T_ref-T_am)/(1-e^-t/τ)

以及

e(t)＝k[T_ref-y(t)]

如所示，温度y(t)起始于环境温度T_am。当在t₀＝0时刻施加控制e(t)时，感应加热致使催化转化器温度升高并且渐进地接近并保持参考温度T_ref，例如有效催化转化所需的最小点火温度。在时刻t₁，催化转化器的温度已经达到T_ref(处于可接受的误差范围内)并且车辆引擎可以启动，其中排放控制完全起作用。另外，在时刻t₁，控制信号e(t)已经接近零，因为催化转化器温度已经接近其参考温度并且不再需要加热。

应当注意的是，曲线110和110’仅反应了示例催化转化器系统达到冷启动状况的操作。一旦车辆引擎启动并且车辆开始移动，则D(s) 不再是简单的T_am。来自车辆引擎的废气贡献热量，而车辆的运动增大了对流和热损失。控制器52响应于这些状况变化而将催化转化器的温度保持处于参考温度之处或之上的值。

图21是表示根据本公开的一个实施例的控制器的框图。特别地，控制器120示出了其可以在催化转化器系统中操作且操作为用作控制器52(结合图19示出)的替代物。像控制器52一样，控制器120操作以产生用于控制感应加热催化剂的控制信号58和用于控制催化转化器的EHD过程的控制信号66。与仅基于来自一个或多个温度传感器50(其与催化转化器相关联)的温度数据130进行操作不同的是，控制器120基于更宽范围的车辆控制数据125而进行操作，所述车辆控制数据125例如为环境温度数据132、示出了车辆引擎旋转速度的引擎RPM数据134、刹车激活数据136、离合器激活数据138、剩余电池寿命数据140、起-停模式数据142、排放数据144、引擎启动数据146、示出了车辆速度的速度数据148、交通数据和车辆导航数据150(其示出了车辆的路线、速度限制、当前交通拥堵、停止和前行条件等)以及可选的其它引擎控制数据、车辆状态数据和车辆数据(例如氧气传感器电压、氧气传感器温度、废气再循环温度、冷却剂温度、车辆加速/减速、空气燃料比(λ)、点火位置、引擎定时、排气歧管温度等)。

在各种实施例中，控制器120包括处理器和存储器，所述存储器储存查阅表(LUT)122，所述查阅表响应于由车辆控制数据125表示的车辆状态并产生相当于当前状态的控制信号58和66。例如，LUT122可以基于车辆状态(例如，催化转化器温度、环境温度、车辆RPM、由温度数据130表示的车辆速度、环境温度数据132、RPM数据134和车辆速度数据148)根据状态-空间控制算法而储存控制数据。按照这种方法，催化转化器的温度可以基于废气体积的变化来进行控制，所述废气体积的变化由车辆引擎RPM的变化、环境温度的变化、和由于在不同车辆速度下的对流而导致的热损失而引起。

另外，控制器120包括具有参考温度(例如，催化转化器的点火温度)的温度数据130。控制器120产生时刻温度(at-temperature)指示信号152，所述时刻温度指示信号指示催化转化器的温度何时已达到或保持在参考温度之处或之上。该时刻温度指示信号152可以用于触发时刻温度指示器160(例如，仪表板灯)、仪表板屏幕或其它用户界面上的弹出式信息，该弹出式信息向车辆的驾驶员指示催化转化器在何时已经达到或保持处于参考温度之处或之上、或者指示可以开始启动车辆了。时刻温度指示信号152还可以用于触发作为车辆点火系统的一部分的车辆启动锁定170，车辆启动锁定能够使得车辆引擎仅仅在催化转化器已经达到或保持在参考温度之处或之上时启动。

目前制造的大多数车辆装备有呈无钥匙遥控形式的无线通信设备，所述无线通信设备典型地包括门锁定、门解锁、后备箱开启、紧急警报、并且偶尔还具有远程启动能力。智能手机技术很可能在将来的某个时刻替代无钥匙遥控，并且已经被一些制造商使用，以使得能够经由智能手机应用(“app”)而赋予远程启动特征。在一个实施例中，催化转化器预加热的控制被并入至例如前述的无线控制设备中。特别地，感应预加热启动程序作为远程启动程序的一部分而开始，转化器预加热程序在激活远程引擎启动之前的固定或可选时期处开始。在替代的实施例中，远程无线控制设备包括专用电路，其中独立于车辆的任何其它远程控制能力地激活转化器预加热程序。

在按压预加热按钮或远程启动的情况下，车辆通信系统接收用于产生启动数据146的无线通信信号。作为响应，控制器120产生控制信号58，以开始控制感应加热催化转化器系统。在车辆启动之前将催化转化器加热到点火温度或接近点火温度的温度将在引擎冷启动时在气态排放物中产生较少的污染物。使用无线远程装置避免了驾驶员需要在车辆中来执行预加热程序，因为许多消费者在正常的启动程序中可能难以忍受延迟。这样，驾驶员可以进入车辆中，打开点火装置以启动车辆，然后在使用热的转化器的情况下驾车离开。作为该程序的替代方式，驾驶员进入车辆中并且转动或按压产生启动数据146的点火键。但是，在这种情况下，在按压点火键的时间和使点火回路通电的时间之间会自动地形成延迟。在该延迟期间中，控制器120开始转化器预加热程序。当车辆引擎被启动时，控制器120可以通过产生控制信号66而做出响应，以使得EHD过程能够获得更高的效率。

控制器120可以使用其它车辆控制数据125，以产生控制信号58和66和/或以适应控制器120的操作，以区分车辆状态和条件。目前的转化器技术使用预转化器氧气传感器和后转化器氧气传感器，以利用提供转化器温度测量的各传感器之间的差值来计算有效的催化传感器温度。控制器120可以使用由这些氧气传感器产生的或者从车辆的其它排放物传感器产生的排放物数据144。例如，当输入氧气传感器和输出氧气传感器之间的排放物数据144检测不出差别时，催化剂不工作，因此温度低于点火温度(300℃)。高于300℃时，各传感器之间的差别增大并且计算的温度与氧气转化成比例地增大。该排放物数据144可以用于补充温度数据130、检测温度传感器失效等。

如前面所讨论的，在轻型混合动力车辆和混合动力电动车辆中，车辆引擎可以在车辆操作期间自动地关闭和重启。车辆引擎在操作期间的长期停止会导致催化转化器冷却到最低点火温度以下并且增大了车辆的排放物。在各种实施例中，控制器120可以适于自动起停操作。特别地，起停模式数据142可以指示在包含自动起停功能的车辆上是否启动或不启动该功能。当自动起停功能不启动时，RPM数据134可以指示引擎是否被启动或停止。刹车数据136、离合器数据138和车辆速度数据148可以进一步向控制器120指示自动停止在何时可能即将发生。在一个实施例中，控制器120响应车辆引擎的启动或停止，产生控制数据66，以便以同步的方式启动和停止EHD过程。另外，控制器120可以产生控制数据52，以在引擎停止时保持催化转化器的温度，防止在随后再次启动引擎时出现冷启动状况。

在另一实施例中，控制器120包括驾驶模式预测产生器124，所述驾驶模式预测产生器分析车辆控制数据125，以便从一组可能的驾驶模式中预测当前的驾驶模式，例如：

(a)非混合的走走停停交通模式，其特征在于连续的车辆引擎操作、经常性的和/或长时间的停止并伴随空转；

(b)高速模式，其特征在于连续的车辆引擎操作、高车速、有限的刹车和离合器操作、中等的RPM和高速率对流；

(c)长时间的空转模式，其中，车辆运行但是停止很长一段时间；

(d)自动起-停的走走停停交通模式，其特征在于经常性的和/或长时间的停止并伴随自动起-停；

(e)混合车辆的仅电动模式，其中，车辆引擎停止并且车辆引擎直到退出仅电动模式为止才会启动；

(f)混合电动模式，其中，车辆引擎可以长时间停止并且仅仅在需要时才重启等。

控制器根据当前的驾驶模式适应性地产生控制信号58。在非混合型的走走停停模式、长时间空转模式或高速模式中，仅仅在需要将催化转化器的温度维持在点火温度之处或之上时，控制器120才会如前所讨论地产生控制信号58以触发感应加热。在自动起-停的走走停停交通模式中，对于较短时的停止来说，仅仅在需要将催化转化器的温度维持在点火温度之处或之上时，控制器120才会如前所讨论地产生控制信号58以触发感应加热。对于较长时的停止(其可以根据由走走停停的通勤交通或者交通停止信号灯所引起的模式、根据交通数据和导航150或者根据其它驾驶模式来预测)来说，控制器120可以允许催化转化器的温度短时内下降到点火温度以下，只要控制器预测重新加热至点火温度可以在控制器120预测将要发生重启之前开始和完成即可。例如，控制器120可以操作以将催化转化器温度控制到处于点火温度以下的备用温度。可以选择备用温度以节省功率，但是备用温度足够接近点火温度以使得将催化转化器温度返回至用于车辆引擎重启的点火温度所需的重新加热时间最小化。尽管前面已经考虑了特定的驾驶模式，但是控制器120还可以预测和适于其它驾驶模式，例如攻击性驾驶、谨慎型驾驶、超级惜油驾驶等。

同样地，在混合电动模式中，控制器可以允许催化转化器的温度下降到点火温度之下，只要控制器预测重新加热至点火温度能够在控制器120预测将要发生重启之前开始和完成即可。在一个实施例中，来自引擎控制模块的自动启动数据可以根据车辆速度、导航线路指导、交通状况来指示引擎的重启即将开始，并且引擎的重启可以根据需要开始从当前温度或从备用温度加热至点火温度，以在控制器120预测将发生重启之前完成加热。另外，在混合动力车辆的仅电动模式中，控制器仅仅在退出仅电动模式或者在控制器120预测将要发生车辆引擎的重启时才会预加热催化转化器。

如之前所讨论的，转化器预加热功率可以由车载电池提供。汽车电池可以根据功率消耗仅仅在短时内供应加热功率。在车辆引擎关闭的情况下预加热可能更受限制，这是由于与汽车引擎运行以及能够从汽车电池获得恒定的14V DC的情况相比电池电压更低。柴油汽车和卡车由于使用了电热塞而通常具有比常规汽油车更大的电池，所述电热塞必须被预加热以帮助燃烧过程。柴油车辆一般具有比传统汽车更可行的车载电源。混合型电动车辆具有更大量的电池容量，但是它们依赖该容量来提高车辆里程以及降低操作成本。

在一个实施例中，控制器120在电池中的剩余电荷与低电力阈值相比不利时根据低电力模式产生控制信号58和66。由控制器120开始催化转化器加热，并且与保持足够电池电力以启动汽车的时间相称地尽可能长时间地保持催化转化器加热。在转化器预加热程序之前和期间监测电池的电力水平，并且表示剩余电池寿命的电池寿命数据140被控制器120使用，以进入低电力模式。在该低电力模式中，例如，控制器可以使感应加热和EHD过程在起始时就停用，或者控制器在剩余电池寿命为最低可靠电力阈值或者下降到该最低可靠电力阈值之下时停止感应加热和/或EHD过程，其中所述最低可靠电力阈值指示能够保证车辆启动或其它车辆操作的进一步使用。

转化器预加热功率可以可选地由公用电网提供。使用电网电力对增程混合车辆、插电式混合车辆、启动预热器车辆和电动车辆而言是当前的实践。汽车被插入标准插座或车辆专用插座中。启动预热器车辆典型地用在冷环境中，特别是在具有柴油引擎时。插电式启动预热器车辆保持引擎冷却剂被温热，以便能够更容易地启动，而且防止冷却剂冻结。电网电力用于将电池保持处于完全充电的状态并且还被用于准备电池组以备驾驶之用。电池在极度冷或极度热的条件下不能很好地操作，设置有气候控制系统的电池组用于将电池温度保持在能够使功率最大化的适度温度处。

例如，来自车库或公共场所插座的电网电力可用于感应地预加热内燃车辆的催化转化器。在该方法中，与直接消耗车载电池相比，加热时间段不受限制。值得注意的是，对于产生相同的能量来说，电网电力的成本是汽油的五分之一，并且因为车辆将经常位于家庭场所处或者能够使用公用插头，因此使用电网预加热可以用于大部分冷启动状况。在一个变形方案中，为了激活无钥匙进入系统，使用智能电话或其它无线指令以在驾驶员进入并开走之前在预定的时间段内预加热转化器。在一个替代方案中，使用无钥匙远程部件以在汽车自动启动之前预加热催化剂预定的时间。这确保了在启动时排放物尽可能地干净，并且同时还允许消费者具有远程启动部件。感应加热催化器仅被执行至达到点火温度为止，因为超过点火温度的益处很少乃至没有。

在各种实施例中，控制器120被联接成与车辆的已连接汽车接口175通信，所述汽车接口提供如下特征件，例如：车辆的互联网接入口、车辆和无线用户设备(例如智能电话、平板电脑、智能手表、便携式电脑或其它计算设备)之间的无线连接、以及用于服务和车辆诊断的无线接入口、车辆检查和其它连接。从引擎控制模块或从分离的排放物传感器接收的排放物数据144可以被处理和/或存储在与控制器120相关联的储存器中，以提供实际车辆排放物的历史记录。

该历史排放物数据可以经由已连接的汽车接口175而找到并且提供给用户的智能电话、平板电脑、家庭计算机或其它用户设备，以用于保存车辆排放物记录的目的。另外，历史排放物数据可以被提供作为车辆检测的一部分，所述车辆检测不仅需要进行当前排放物的测试，还需要进行历史排放物数据的测试。另外，历史排放物数据可以提供给服务人员，以用于车辆诊断和修理。

出于其它目的可以使用指示实际车辆排放物的数据。例如，已连接的汽车接口175可以将该数据提供至仪表内显示器、用户智能电话或平板电脑或提供至作为应用或使用的一部分的其它显示屏，所述应用或使用具有在旅程中向车辆占有人显示当前排放物的显示器。以类似的方式，指示激活感应加热和/或EHDC过程的控制数据58和66可以提供至已连接的汽车接口175并且显示在显示器上，让车辆占有者知道例如这些系统正操作，以降低排放物。该应用或使用可以选择性地提供实际排放物和理论排放物(感应加热和/或EHDC过程在操作中不可见)之间的比较，以及向车辆占有者显示由这些系统提供的有关降低排放物的好处。在另一示例中，指示由车辆所保持的低排放物目的的数据可以经由已连接的汽车接口175报告并且用于使车辆所有者具有税收扣除、高乘载车辆状态、奖励或其它激励的资格。

图22是表示根据本公开的一个实施例的方法的流程图。特别地，示出的方法与参考图1-21所示的一个或多个功能和部分结合使用。步骤200包括产生指示催化传感器的温度的温度信号。步骤202包括基于所述温度信号而产生控制信号。步骤204包括响应于控制信号产生电磁场，以感应地加热催化传感器。

在各种实施例中，还基于参考温度产生控制信号，以根据参考温度控制催化转化器的温度。所述方法还可以包括在催化转化器的至少一个温度与参考温度相比较为有利时产生时刻温度指示信号。可以响应于所述时刻温度指示信号地启动车辆引擎。

在各种实施例中，控制器还基于下述中的至少一个来产生控制信号：指示车辆引擎的旋转速度的信号；指示包含催化转化器系统的车辆的环境温度的信号；指示车辆引擎的自动起-停模式的信号；指示车辆电池的剩余电荷的信号。该方法还可以包括基于车辆控制数据而预测多个驾驶模式中的当前一个，并且可以根据所述多个驾驶模式中的当前一个而产生控制信号。该方法还可以包括控制催化转化器系统的电流体动力的热量/质量传递过程。

图23是表示根据本公开的一个实施例的电磁场产生器300的框图。特别地，磁场产生器300示出为包括AC源64和金属线圈20。在操作中，AC源响应控制信号(例如控制信号58)，产生磁场310以感应地加热催化转化器基体(例如基体10)。特别地，磁场产生器300包括例如金属线圈20的线圈，所述线圈发射磁场310。

振荡器306(例如，电压控制的振荡器，环形振荡器或其它振荡器回路)构造成产生功率信号。在各种实施例中，振荡器在控制器308的控制下操作，以调节功率信号的频率，从而改善功率传递。例如，控制器308可以监测线圈电流、线圈电压、电流消耗和/或AC源64的其它操作参数，并且控制器包括查阅表、状态机或者迭代控制算法，以确定改善功率因子的频率，从而匹配包括线圈的谐振电路(tank circuit)的共振频率或者以其它方式最大化或以其它方式改善由磁场产生器300向催化转化器基体的传导部件传递的功率，以用于改善感应加热。

功率放大器304(例如A级、B级、C级、D级或者E级(包括其组合)的功率放大回路)构造成放大功率信号，以在功率放大器304的输出处产生放大的功率信号，从而驱动线圈。功率放大器304可以包括一个或多个晶体管(例如双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)和/或其它功率晶体管。在各种实施例中，功率放大器304具有可调节的增益，所述增益在控制器308的控制下响应于控制信号58操作以调节放大器功率信号的幅值，从而提供例如催化转化器基体的期望水平的感应加热。

阻抗匹配网络302构造成将功率放大器304的输出与线圈进行阻抗匹配。特别地，阻抗网络可以包括一个或多个电容器以利用线圈(例如金属线圈20)形成共振的谐振电路，并且可选地包括一个或多个其它电抗阻抗(reactive impedance)(例如电容器)和/或Pi网络、L形网络中的感应器或其它阻抗匹配电路构造。在各种实施例中，控制器308构造成调节阻抗匹配网络的阻抗，以改善功率传递。例如，控制器308可以监测线圈电流、线圈电压、电流消耗、功率信号频率和/或AC源64的其它操作参数，并且控制器包括查阅表、状态机或迭代控制算法，以控制可调节的阻抗从而改善功率因子，以匹配包括线圈的振荡电路的阻抗或以其它方式最大化或以其它方式改善由磁场产生器300向催化转化器基体的传导部件传递的功率，从而用于改善感应加热。

电磁场产生器300可选地包括备用电源305，所述备用电源包括在电磁场产生器300不工作或能够从车辆获得过量功率时的阶段期间由车辆充电的电容器、可充电电池或其它可充电的储存设备。在系统的操作由于车辆电源系统上的负荷高而间断/不和谐的情况下，备用电源305向电磁场产生器300提供补充电力，以使得控制和感应系统能够不间断地操作，例如控制到其特定的/目标的输出水平。

尽管控制器308示出为与控制器52和120分离开，但应当注意的是，控制器308的功能可以同样地并入在用于经由单个处理器、电而实施的其它控制设备或其它设备中的任一控制设备中。

尽管前述控制方法主要集中在车辆系统，但是在包括采矿或工业应用的一些应用中，100％的工作周期可以施加到基体加热。

图24是表示根据本公开的一个实施例的电磁场产生器300的框图。特别地，磁场产生器示出为包括参考图23描述的许多共用功能和特征，所述共用功能和特征用共用的附图标记表示。但是，在示出的实施例中，磁场产生器包括多个线圈(例如，金属线圈20)和分开的驱动路线350、352等。

在操作中，控制器308响应于控制信号58操作，以选择性地使得分离的驱动路线350、352等启动和停用，以便激活多个线圈中的选定线圈。考虑控制信号58命令AC源64在特定时刻仅产生最大功率的一部分的情况。在该情况中，一个或多个线圈可以通过使得其对应的驱动路线不可用而停用，以便产生更精细的控制。因为线圈在驱动时基于互感系数的变化而改变彼此的感应系数，因此激活和停用各种线圈可以通过调节成适应对应的匹配电路302的一个或多个阻抗和/或调节成适应激活的驱动路线的对应振荡器306的频率来实现，以便改善功率因子、调节包括线圈的谐振电路的共振频率、调节线圈的共振频率，以匹配驱动频率或者以其它方式最大化或以其它方式改善由磁场产生器300传递至催化转化器基体的传导部件的功率，从而用于改善感应加热。

图25是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的横截面视图。各种元件的尺寸已经被扩大以示出各种特征部并且不一定按比例绘制。沿着包含在一个或多个线圈(例如线圈20)中的金属线的横截面402、403、404和405示出了催化转化器基体(例如，基体10)的一部分。在各种实施例中，横截面402-405可以表示单个线圈的四个绕组或者四个不同线圈的四个绕组。另外，横截面402和404可以表示第一线圈的两个绕组，而横截面403和405可以表示与第一线圈交织的第二线圈的两个绕组。另外，横截面402和403可以表示第一线圈的两个绕组，而横截面404和405可以表示与第一线圈相邻的第二线圈的绕组等。

应当注意的是，尽管横截面402-405对应于实心圆形金属线，但是同样也可以实施包括标准金属线、中空导体和/或不同几何形状的导体的其它构型。另外，对应于横截面402-405的导体可以各个隔绝。在其它实施例中，间隙区域410可以填充有电解质、绝缘体或其它材料，其帮助磁场有效地传递并且支撑绕组，同时防止绕组和/或系统的其它导电部件之间电接触或短路。

横截面414表示金属壳体(例如壳体18)或者其它金属筒、碳基纳米材料筒或外壳或催化转化器的其它壳子。磁屏蔽件412设置为层22的另一示例，以将由一个或多个线圈产生的更多磁场导向催化转化器基体。磁屏蔽件412可以由铁素体或其它高磁导率、低功率损失的材料(例如Giron、MagnetShield、Papershield、Finemet、CobalTex)或由可以布置在线圈中的一些或所有绕组周围的其它磁屏蔽材料制成。特别地，磁屏蔽件412操作以作为磁通量集中器、通量增强器、分流器或通量控制器，以将磁场容纳在催化转化器内。这样，磁屏蔽件412通过减缓毗邻传导材料的不期望加热而降低了损失。在没有磁屏蔽件412的情况下，由线圈产生的磁通量可以展布在线圈周围，并且与导电的周围设备(例如金属壳体414)和排气系统中的其它周围金属、和/或内燃机、车辆、产生器或其它电气系统或主系统的其它部件连结，从而降低了这些部件的寿命并增大了能量损失。

另外，磁屏蔽件412操作成例如通过重新引导磁通量而将磁场导向基体10，以便选择性地加热基体10的期望区域，不然磁通量将从基体的所述期望区域离开。特别地，磁屏蔽件412可以操作成沿着基体10的传导元件的方向将由线圈产生的磁通量集中，以用于更有效地加热。作为附加的益处，磁屏蔽件412可以改善感应线圈的电效率、增大功率传递。

图26是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的横截面视图。特别地，示出的横截面视图包含了参考图25描述的许多共用功能和特征，所述共用功能和特征用共用的附图标记表示。

在所示的实施例中，磁屏蔽件成形为包括单独的反射器422。与磁屏蔽件412的其余部分一样，反射器422可以由铁素体或其它高磁导率、低功率损失的材料制成并且布置在线圈中的一些或所有绕组周围。特别地，反射器422操作为磁通量集中器、通量增强器、分流器或通量控制器，以将磁场包含在催化转化器中，并且进一步将磁场导向基体10的期望区域。尽管发射器422示出为具有特定的凹形形状，但是同样也可以采用包括凸形形状和其它几何形状的非凹形形状。

应当注意的是，尽管前文主要集中在催化转化器的操作上，但是本文公开的技术同样可以应用于操作和控制其它排放物控制系统，例如柴油氧化催化剂、柴油颗粒过滤器、汽油颗粒过滤器、选择性的催化还原装置和其它排放物控制设备和系统。

图27是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的四分之一剖视图500。特别地，示出的感应加热催化剂组件的四分之一部分移除了基体，以显示针形物504(金属线32的示例)的放置。各种元件的尺寸已经被放大以示出各种部件并且不一定按比例绘制。示出了壳体502，例如壳体18或其它金属筒、碳基纳米材料筒或外壳或催化转化器的其它壳部。感应线圈506(例如，一个或多个金属线圈20) 示出为实心块体，这仅仅是为了示出感应线圈相对于其它部件的定位。

磁通量集中器508操作为磁屏蔽件(作为层22的其它示例)，以将由感应线圈506产生的更多磁场导向催化转化器基体中的针形物504。特别地，磁通量集中器508操作为磁通量集中器、通量增强器、分流器或通量控制器，以将磁场包含在催化转化器中。这样，磁通量集中器508通过减缓对毗邻的传导材料的不期望加热而降低了损失。在没有磁通量集中器508的情况下，由感应线圈506产生的磁通量可以展布在线圈周围并且与导电的周围设备(例如壳体502)和排气系统中的其它周围金属和/或内燃机、车辆、产生器或其它电气系统或主系统的其它部件连结，从而降低了这些部件的寿命并增大了能量损失。

另外，磁通量集中器508操作成例如通过重新引导磁通量而将磁场导向针形物504，以便选择性地加热基体的期望区域，不然磁通量将从基体的所述期望区域离开。特别地，磁通量集中器508可以操作成沿着基体的传导元件的方向将由感应线圈506产生的磁通量集中，以用于更有效地加热。作为附加的益处，磁通量集中器508可以改善感应线圈的电效率、增大功率传递。

磁通量集中器508可以由铁素体或其它高磁导率、低功率损失的材料(例如Giron、MagnetShield、Papershield、Finemet、CobalTex)或由可以布置在线圈中的一些或所有绕组周围的其它磁屏蔽材料制成。但是，许多磁通量集中器材料没有研发成经受高温。

磁通量集中器材料典型地在窄频率范围内具有非常高的磁导率。频率在设计过程中确定。通过高密度来获得高磁导率。通过高压压实羟基铁粉来获得增大的密度。在压实之后，粉末颗粒的紧密接近度有助于来自感应线圈的磁通量的优选路线。该磁导率在低温下工作良好，但是在高温下开始衰减。用于这些材料中的许多材料的最大使用温度在250℃左右。磁通量集中器508中的过多热量会导致材料退化，并且因此导致其性能退化。更高的温度会开始烧结该致密体，并且材料开始在磁通量集中器粉到半固态感应体材料之间转变。材料的这种已改变的形式失去了其在高频率下的磁导率(衰减)，这降低了性能。另外，感应线圈506中的过多热量会导致线圈的电阻/阻抗改变，并且因此导致其操作改变。

在各种实施例中，感应线圈506可以是例如经由内燃机的冷却系统进行水冷的。冷却可以帮助将感应线圈506和磁通量集中器508保持处于低温处，同时还存在这样的针形物504和基体，所述针形物可以在感应加热期间被加热至如此高温以赤热发光，所述基体自身在操作期间达到并超过点火温度。但是，感应线圈506的水冷却可能不总是期望的解决方案。将引擎的冷却剂按路线送至感应系统的位置会增大实施感应加热催化组件的成本。

在各种实施例，磁通量集中器508由高温磁通量集中器材料(例如，来自BASF的具有1.25％Epikote 1004树脂的以稳定形式设定的SQ-R级羟基铁粉)组成。在低温稳定型磁通量集中器材料中，羟基铁原料包含尺寸相当均匀且随机定向的小球形颗粒。这些低温材料由于成形过程而显示出一些或大部分球形颗粒变形为椭圆形圆盘。这些圆盘被紧密地压紧在一起并且圆盘的纵横比主要定向成垂直于成形方向。相反，高温磁通量集中器材料(例如SQ-R级羟基铁粉)显示出紧密压缩的球形颗粒，而球形颗粒形状不发生可见变形。压实密度可以稍微降低，以降低或消除材料的烧结。粉末压实物仍然为粉末压实物，因此在整个频率范围上不存在磁导率的衰退。该高温稳定型磁通量集中器材料的磁导率介于50和60之间，且在1kHz到200kHz的可使用频率范围内是稳定的。这还具有如下好处：在介于500℃和900℃之间的温度下重复热循环测试之后，磁导率的一次下降小于5％。

在各种实施例中，磁通量集中器508通过使羟基粉末与树脂混合并且将形成的材料按压在环形模具中来形成，所述环形模具对应于磁通量集中器508的期望形状。例如，按压过程可以经由环形环压(其按压压力介于25,000lbf(113kN)和50,000lbf(226kN)之间)和介于30秒和10分钟之间的按压保持时间来使用环形模具(其环形模具温度介于25℃和300℃之间)。尽管上面描述了颗粒成形方法，但是同样也可以使用其它方法，包括：

1.冲压—对于高密度刚性产品来说，在短的持续时间中(典型地，1秒循环时间)高压成形粉末混合物；

2.注塑成型—对于中等密度刚性产品来说，在短的持续时间中(典型地，45秒循环时间)高压成形液体混合物；

3.挤压—对于中等密度可模塑产品来说，在连续基底上中等压力成形半液体混合物；

4.辊轧成形—对于中等密度刚性产品来说，在连续基底上中等压力成形粉末混合物；和

5.电磁成形—对于中等密度刚性产品来说，在短的持续时间中(典型地，45秒循环时间)低压成形粉末或液体混合物。

另外，尽管已经公开了颗粒粉末/树脂混合物，但是可以使用其它粉末和液体混合物，包括具有粉末和更高百分比树脂的高粘度液体混合物。

在示出的示例中，磁通量集中器508约为3到5mm厚并且具有设计成均匀地覆盖感应线圈506的形状。模拟结果显示磁通量集中器不具有强烈的效果且热转化率(限定为由针形物504吸收的粉末与驱动感应线圈的粉末之间的比值)大约为80％。但是，一些剩余的磁场仍然到达壳体502。另外，尽管可透过的针形物504是通量线的优选路线，但是磁场集中在最靠近线圈的针形物504中。

结合下列图28和29示出了感应加热催化剂组件的其它设计。

图28是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的四分之一剖视图510。特别地，感应加热催化剂组件的四分之一截面示出为包括参照图27描述的许多共用功能和特征，所述共用功能和特征用共用的附图标记表示。

在该示例中，感应线圈506已经被加长，以用于更多的磁通量覆盖/产生，且针形物长度已经被修改以促进磁通量更好地分布在陶瓷基体中。特别地，针形物504的长度是呈梯度的，使得最靠近感应线圈506的针形物比最靠近基体中心的针形物短。磁通量集中器508的尺寸也已经被增大。在设计中，模拟结果显示热转化率提高至大约90％的效率并且基体的加热更加均匀。

图29是根据本公开的另一实施例的催化转化器的一部分的四分之一剖视图520。特别地，感应加热催化剂组件的四分之一截面示出为包括参考图27描述的多个共用功能和特征，所述共用功能和特征用相同的附图标记表示。

在该示例中，通过延长悬突部522超过针形物504的端部并且可选地也超过基体的端部而改变了磁通量集中器508的形状。模拟结果显示热转化率提高至约0.93或93％的效率。

如在本文中可使用的，术语“大体”和“大约”为其对应的术语和/或物品之间的相对性提供了工业上可接受的公差。该工业上可接受的公差的范围从小于1％到5％，并且对应但不局限于部件值、集成电路工艺变化、温度变化、升高和下降的时间和/或热噪音。该物品之间的相对性的范围从百分之几的差别到显著差别。还如在本文中可使用的，术语“构造成”、“可操作地联接至”、“联接至”和/或“联接”包括物品之间的直接联接和/或物品之间经由中介物品(例如，物品包括但不限于部件、元件、电路和/或模块)的间接联接，其中，以间接联接为例，中介物品不改变信号的形成，但是可以调整其电流水平、电压水平和/或功率水平。如在本文中可进一步使用的，推断的联接(即，其中一个元件通过推断联接至另一元件)包括两个物品之间的以与“联接至”相同的方式的直接或间接联接。如在本文中可进一步使用的，术语“构造成”、“可操作成”、“联接至”或“可操作地联接至”表示：物品包括一个或多个电力联接、输入、输出等以在激活时执行一个或多个对应的功能、以及物品还可进一步包括推断地联接至一个或多个其它物品。如在本文中仍然可进一步使用的，术语“与…关联”包括分开的物品的直接和/或间接联接和/或一个物品嵌入在另一物品中。

如在本文中可使用的，术语“比较有利”指的是两个或更多个物品、信号等之间的比较提供了期望的关系。例如，当期望的关系是信号1比信号2具有更大的量级时，则在信号1的量级大于信号2的量级时或者当信号2的量级小于信号1的量级时可以获得有利的比较结果。如在本文中可使用的，术语“比较不利”指的是两个或更多个物品、信号等之间的比较不能提供期望的关系。

如在本文中还可使用的，术语“处理模块”、“处理电路”、“处理器”和/或“处理单元”可以是单个处理设备或多个处理设备。该处理设备可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑设备、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路、和/或基于电路的硬编码和/或操作指令来操纵信号(模拟和/或数字)的任何设备。处理模块、模块、处理电路和/或处理单元可以是或者进一步包括存储器和/或集成的存储元件，所述存储器和/或集成的存储元件可以是单个存储设备、多个存储设备和/或另外的处理模块、模块、处理电路和/或处理单元的嵌入电路。该存储设备可以是只读存储器、随机存取存储器、易失存储器、非易失存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓冲存储器和/或存储数字信息的任何设备。注意的是，如果处理模块、模块、处理电路和/或处理单元包括多于一个的处理设备，则处理设备可以居中布置(例如，经由有线和/或无线的总线结构直接联接在一起)或者可以分撒布置(例如，经由局域网和/或广域网通过间接联接的云计算)。另外，注意的是，如果处理模块、模块、处理电路和/或处理单元经由状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路而实施其一个或多个功能，则存储相应操作指令的存储器和/或存储元件可以嵌入在电路中或电路外，所述电路包括状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路。仍然需要进一步注意的是，存储元件可以存储，而处理模块、模块、处理电路和/或处理单元执行硬编码和/或操作指令，所述操作指令对应于在一个或多个附图中示出的步骤和/或功能中的至少一些。该存储设备或存储元件可以包括在制品中。

上文已经借助于示出了具体功能的性能及关系的方法步骤而描述了一个或多个实施例。这些功能性构造块和方法步骤的边界和顺序为了描述方便而任意地限定在本文中。可以限定替代的边界和顺序，只要适当地执行具体功能和关系即可。任何这样的替代边界和顺序因此处于权利要求的精神和范围内。另外，这些功能性构造块的边界为了描述方便已经任意地限定。可以限定替代的边界，只要适当地执行某些重要功能即可。类似地，流程框图也可以任意地限定在本文中，以示出某些重要的功能。

在使用的程度上，流程框图的边界和顺序可以以其它方式限定并且仍然执行某些重要的功能。对功能性构造块和流程框图及顺序的这些替代限定因此处于权利要求的精神和范围内。本领域技术人员还将认识到的是，本文的功能性构造块和其它示意块、模块和部件可以如所示地实施，或者通过离散的部件、应用具体集成电路、执行适当程序等的处理器或者其任何组合来进行实施。

另外，流程图可以包括“开始”和/或“继续”指示。“开始”和/或“继续”指示反映了存在的步骤可以选择性地并入或者以其它方式与其它例程相结合地使用。关于这点，“开始”表示存在的第一步骤的开始，并且可以在之前具有其它未具体示出的活动。另外，“继续”指示反映了存在步骤可以执行多次和/或可以在之后具有其它未具体示出的活动。另外，尽管流程图示出了步骤的特定顺序，但是其它顺序同样是可行的，只要保持因果关系的原理即可。

在此一个或多个实施例用于示出一个或多个方面、一个或多个特征、一个或多个概念和/或一个或多个示例。设备、制品、机器和/或工艺的物理实施例包括参照本文讨论的一个或多个实施例描述的一个或多个方面、特征、概念、示例等。另外，从这图到那图，实施例可以包含可使用相同或不同附图标记的相同或类似命名的功能、步骤、模块等，并且这样，功能、步骤、模块等可以是相同的或类似的功能、步骤、模块等或者是不同的功能、步骤、模块等。

除非明确地相反说明，否则向在本文示出的任何附图中的元件传递的信号、来自所述元件的信号和/或所述元件之间的信号可以是模拟的或数字的、连续时间的或离散时间、以及单端(single-ended)的或差分的。例如，如果信号路径示出为单端路径，则它也可代表差分信号路径。类似地，如果信号路径示出为差分路径，则它也可以代表单端路径。尽管本文已经描述了一个或多个特定构造，但是同样可以实施其它构造，所述其它构造使用未明显示出的一个或多个数据总线、元件之间的直接连接和/或其它元件之间的间接联接，如本领域普通技术人员可意识到的。

术语“模块”用在一个或多个实施例的描述中。模块经由设备实施一个或多个功能，所述设备例如是可以包括存储器(其存储操作指令)或与存储器相关联地操作的处理器或其它处理设备或其它硬件。模块可以单独操作和/或与软件和/或固件相结合地操作。还如本文中使用的，模块可以包含一个或多个子模块，每个子模块可以是一个或多个模块。

尽管已经在本文中明确地描述了一个或多个实施例的各种功能和特征的特定组合，但是这些特征和功能的其它组合同样也是可行的。本公开不限于本文公开的特定示例并且明显包含这些其它组合。

Claims (14)

1.一种排放物控制系统，包括：

排放物控制基体，所述排放物控制基体具有多个通道，以帮助来自内燃机的废气中的至少一种催化反应；

磁场产生器，所述磁场产生器响应控制信号，产生磁场以感应地加热排放物控制基体；和

磁屏蔽件，所述磁屏蔽件构造成将磁场的至少一部分导向排放物控制基体，

其中，所述磁场产生器包括构造成执行阻抗匹配的阻抗匹配网络，其中，所述阻抗匹配网络包括多个电抗阻抗；并且

其中，所述排放物控制系统包括控制器，所述控制器构造成通过调节所述多个电抗阻抗中的至少一个电抗阻抗的阻抗来调节所述阻抗匹配网络的阻抗，以改善功率传递。

2.根据权利要求1所述的排放物控制系统，还包括壳体，所述壳体围绕排放物控制基体的至少一部分，其中，磁屏蔽件还构造成屏蔽金属壳体的至少一部分免受磁场的影响。

3.根据权利要求1所述的排放物控制系统，其中，磁场产生器包括围绕磁场基体的至少一部分的线圈，并且磁屏蔽件围绕线圈的至少一部分。

4.根据权利要求1所述的排放物控制系统，其中，磁场产生器通过加热排放物控制基体中的多个传导元件而感应地加热排放物控制基体。

5.根据权利要求4所述的排放物控制系统，其中，排放物控制基体中的多个传导元件经由磁滞损耗而被加热。

6.根据权利要求4所述的排放物控制系统，其中，排放物控制基体中的多个传导元件经由涡电流损耗而被加热。

7.一种排放物控制系统，包括：

排放物控制基体，所述排放物控制基体具有多个通道，以帮助来自内燃机的废气中的至少一种催化反应；和

磁场产生器，所述磁场产生器响应控制信号，产生磁场以感应地加热排放物控制基体，其中，磁场产生器包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈放射磁场；

振荡器，所述振荡器构造成产生功率信号；

功率放大器，所述功率放大器构造成放大功率信号以在功率放大器的输出处产生放大的功率信号，以驱动所述至少一个线圈；和

阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络构造成将功率放大器的输出与所述至少一个线圈进行阻抗匹配，其中，所述阻抗匹配网络包括多个电抗阻抗；以及

控制器，所述控制器构造成通过调节所述多个电抗阻抗中的至少一个电抗阻抗的阻抗来调节所述阻抗匹配网络的阻抗，以改善向线圈的功率传递。

8.根据权利要求7所述的排放物控制系统，其中，所述控制器还调节功率信号的频率，以改善功率传递。

9.根据权利要求8所述的排放物控制系统，其中，所述控制器监测线圈电流并基于该线圈电流而调节功率信号的频率。

10.根据权利要求7所述的排放物控制系统，其中，所述控制器还响应于控制信号而调节功率放大器的功率信号的幅值。

11.根据权利要求7所述的排放物控制系统，其中，所述多个电抗阻抗以Pi-网络或L-网络配置构造。

12.根据权利要求11所述的排放物控制系统，其中，所述控制器监测线圈电流并且基于该线圈电流而调节阻抗匹配网络的阻抗。

13.根据权利要求7所述的排放物控制系统，还包括磁屏蔽件，所述磁屏蔽件构造成将磁场的至少一部分导向排放物控制基体。

14.根据权利要求7所述的排放物控制系统，其中，所述至少一个线圈包括多个线圈，并且排放物控制系统包括控制器，所述控制器响应于控制信号而激活所述多个线圈中的选定线圈。

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