CN109630243A - 具有感应加热的催化转换器结构 - Google Patents

Abstract

催化转换器组件具有基板体，所述基板体具有用于使废气从中通过的多个孔格。金属位于基板体中的预定位置处。电磁场产生器安装在基板附近，其用于产生变化电磁场，从而感应加热金属且因此加热基板。

Description

具有感应加热的催化转换器结构

本申请是申请日为2014年9月18日、申请号为201480050678.9、发明名称为“具有感应加热的催化转换器结构”的申请的分案申请。

相关专利的交叉引用

根据35 U.S.C.§119(e)，本申请要求2013年9月18日提交的标题为“Catalyticconverter employing electrohydrodynamic technology”的未决美国临时申请序列号61879211和2013年11月28 日提交的标题为“Catalytic converter employingelectrohydrodynamic technology”的未决美国临时申请序列号61910067的优先权，出于所有目的，所述申请的公开内容由此通过引用全文并入本文且作为本申请的一部分。

发明领域

本发明涉及一种运行催化转换器以处理废气从而减少有害污染的结构和方法，其特别但非排他地用于减少内燃机在启动和怠速时的污染。

背景

美国运输部(DOT)和美国环保署(EPA)已制定了美国联邦法规，其设定了全国温室气体排放标准。从2012车型年车辆开始，要求汽车制造商将车队温室气体排放每年减少约5％。所述要求包括例如新标准，其规定在2016车型年，新客车、轻型卡车和中型客车必须具有不高于 250克二氧化碳(CO₂)/英里的估计综合平均排放水平。

催化转换器用于内燃机中以减少作为燃烧循环一部分的燃料燃烧时产生的有毒废气排放物。在该排放物中，显著的是一氧化碳和氧化氮。这些气体对健康有害，然而可通过分别氧化成二氧化碳和氮气/ 氧气而转化成毒性较小的气体。其它有毒气体排放产物(包括未燃烧的烃)也可通过氧化或还原转化成毒性较小的形式。如果转化过程在高温下且在与待处理和转化成温和气体形式的具体有毒排放气体相匹配的合适催化剂存在下实施，则其可有效进行或者促进。例如，用于将一氧化碳转化成二氧化碳的典型催化剂是细碎的铂和钯，而用于将氧化氮转化成氮气和氧气的典型催化剂是细碎的铑。

当冷时(即，从环境空气启动温度至300℃量级的温度或者“起燃温度”(其为金属催化剂开始促进前文所述污染物转化过程时的温度) 的运行温度)，催化转换器具有低效率。低于起燃温度，则很少或不起催化作用。因此，这是车辆日常应用期间产生大部分车辆污染排放物的时期。使催化转换器尽可能快地变热对减少冷启动排放物是重要的。

附图简介

出于简化和清楚示意的目的，附图中所示的元件并非是基于同一比例绘制的。例如，清楚起见，一些元件的尺寸相对于其它元件被放大了。在考虑下文说明和权利要求且参照附图后，将知悉本发明的优点、特征和特性以及方法、结构的相关元件的运行和功能，以及零件的组合和生产的经济性，其中这些附图全部构成说明书的一部分，其中在各图中，相同的附图标记表示相应的零件，且其中：

图1是以挤出工艺成型的催化转换器砖的轮廓透视图。

图2是已知催化转换器形式的纵向剖视图。

图3是本发明一个实施方案的催化转换器组件的纵向剖视图。

图4是本发明另一实施方案的催化转换器的横截面视图。

图5是本发明一个实施方案的催化转换器基板片段的横截面视图。

图6是沿图5的线B-B选取的图5所示基板片段的纵向剖视图。

图7是对应于图5和6所示小基板片段的较大片段的透视端视图。

图8是类似于图7，但显示了本发明另一实施方案的催化转换器基板的透视端视图。

图9是用于图8所示形式的催化转换器基板中的线材插入件的侧视图。

图10是催化转换器基板片段的纵向剖视图，其显示了插入基板中的图9的线材插入件。

图11是催化转换器基板片段的纵向剖视图，其显示了本发明另一实施方案的插入的线材插入件。

图12是本发明又一实施方案的催化转换器基板片段的横截面视图。

图13是图12所示基板片段的纵向剖视图。

图14是显示本发明一个实施方案的催化转换器基板片段以及发射电极和集电极的透视端视图。

图15是显示本发明一个替代实施方案的催化转换器基板片段以及发射电极和集电极的透视端视图。

图16是显示本发明又一实施方案的催化转换器基板片段以及集电极的透视端视图。

图17是显示本发明另一实施方案的催化转换器基板片段和发射电极以及较大比例的集电极的透视端视图。

图18是本发明一个实施方案的控制系统的示意图。

包括本发明优选实施方案的发明详述

催化转换器可呈多种形式中的任一种。这些中的典型的转换器具有圆柱形的陶瓷材料基板，通常称为砖，其实例示于图1中。砖10 具有蜂窝结构，其中多个小面积的通道或孔格12沿砖的长度延伸，所述通道被壁14隔开。基板单元的每平方英寸横截面面积通常存在 400-900个孔格，且壁通常具有0.006-0.008英寸的厚度。如图1所示，陶瓷基板在挤出工艺中成型，其中使生陶瓷材料挤出通过适当的成型模具，并将挤出物连续切成单元，然后将所述单元切成比单元更短的砖。通道12的面形状可为便于有助于砖的总强度，同时提供流动废气可与孔格内壁的热催化剂涂层相互作用的大接触面积的任何形式。

砖中的管状通道的内部载体涂覆有含特定催化剂材料的层。合适的载体涂料包含适于确保附着至基板的固化陶瓷材料的基底材料，和用于促进特定减少污染的化学反应的夹带催化剂材料。该类催化剂材料的实例为铂和钯(其为将一氧化碳和氧气有效转化成二氧化碳的催化剂)，以及铑(其为适于将氧化氮转化成氮气和氧气的催化剂)。已知促进其它气态物质的高温氧化或还原的其它催化剂。载体涂料通过形成细碎催化剂在陶瓷糊料或淤浆中的悬浮液而制备，所述陶瓷淤浆用于导致载体涂层附着至陶瓷基板壁上。作为将催化剂材料置于基板表面上的载体涂层的替代方式，基板材料自身可包含催化剂组件，从而使得挤出物在与基板通道或孔格交界的内表面处具有催化剂材料。

催化转换器可具有一系列该类砖，取决于待中和的具体有毒排放物，其各自具有不同的催化剂层。催化转换器砖可由不同于烧结陶瓷的材料如不锈钢制成。它们也可具有不同于上文所述那些的蜂窝通道形式。例如，基板孔格可为圆形、正方形、六边形、三角形或者其它便利截面。此外，如果希望优化强度和低热容量或者出于其它目的，可以形成一些挤出蜂窝壁，以比其它壁更厚，或者可以形成一些挤出蜂窝壁，以使得在蜂窝孔格的形状和尺寸方面存在某种不同。相邻孔格内壁的接合处可为锐角的或者可具有曲面轮廓。

如图2所示，载体涂覆的陶瓷蜂窝砖10通常包裹在陶瓷纤维膨胀毡16中。冲压金属壳或罐18在催化转换器前后的排气管的部分之间过渡，从而包覆所述毡包裹的砖。壳18通常由两个焊接以将砖就地密封的部分组成。膨胀毡在壳和砖之间提供了缓冲，从而使得它们的相异热膨胀系数相容。在给定的温升下，片状金属壳的膨胀比陶瓷大许多倍，且如果使所述两种材料接合在一起或者彼此直接接触，则在该两种材料的界面处会产生破坏性应力。所述毡还减缓了废气系统的振动，否则的话，这会破坏脆性陶瓷。

在使用中，将该包壳的砖安装在车辆的废气管中以接受来自发动机的废气并将其通入车辆尾管中。废气在催化转换器中的通过将砖加热，从而在流动的气体与催化剂层接触时促进催化剂活化的过程。尤其是当车辆发动机在最佳运行温度下运行时和当存在显著的废气通过量时，该类转换器充分运行，从而减少进入大气中的有毒气态排放物的存在。然而，在砖的内部并非处于高温下启动时和可在城市行驶过程中或者在免下车Tim Hortons等待咖啡时通常发生的怠速期间，该类转换器具有缺点。

在不同制造商之间，转换器的形状、轮廓和孔格密度不同。例如，一些转换器砖是圆形的，而一些是椭圆形的。一些转换器组件具有通常重重地载体涂覆有催化剂金属的单级砖，而其它可具有两块或三块转换器砖，其中各砖上具有不同的载体涂层。一些排气装置具有用于整个排气组件中的900、600和400个孔格/平方英寸(cpsi)的孔格密度，而其它则在砖中各处仅使用400cpsi。就缩短启动和起燃之间的时间角度而言，可将紧密耦合的转换器安装在排气歧管附近。底置式转换器可位于距离发动机更远处，此处其需要相对较长时间来加热，然而其可较大且用于在排气组件达到温度后处理大部分气体。在另一设置中，在同一壳中一起安装用于缩短起燃时间的单元和用于在起燃后处理高气体流的单元。

在转换器组件的一个或多个位置处，将传感器安装在废气流中，从而为发动机控制系统提供反馈以用于排放检查和调节目的。除启动之外，出于功率和清洁的最佳组合的原因，控制燃料和空气输入的目的通常是保持14.6:1的空气:燃料比。高于该数值的比值导致贫燃条件—燃料不足。更低的比值导致富燃条件—过多的燃料。一些车辆上的启动程序在初始数秒内以富燃条件运行，从而使热量进入发动机中并最终进入催化转换器中。下文对催化剂层和废气的间接加热所述的结构和运行方法可用于各紧密耦合的催化转换器、底置式转换器以及二者的组合。

图3显示了具有两块图1和图2所示类别的砖的组件，然而其中对一块砖进行调整，从而能感应加热。感应加热是一种通过施加变化的电磁场以改变金属体所经受的磁场而加热该金属体的方法。这又在所述金属体中感应出涡电流，由此导致所述金属体的电阻加热。在铁系金属体的情况下，热量还通过滞后效应产生。当将未磁化铁系金属置于磁场中时，所述金属变得磁化，由此产生具有相对磁极的磁畴。变化场周期性地引发磁畴中的磁极反转，其中取决于铁系金属体的材料、质量和形状，该反转以1,000-1,000,000循环/秒(Hz)的量级响应于高频感应场变化。磁畴极性不易反转，而对反转的阻抗导致在金属中进一步产生热量。

如图3所示，金属线圈20围绕着陶瓷基板，尽管在该图中未示出，可呈多种形式中的任一种的金属元件位于陶瓷基板10内的所选位置处。通过在线圈20产生变化的电磁场，引发链式反应，其最终结果是在装备有体现本发明的废气系统的车辆启动后，在存在变化的电磁感应场下起燃可比不存在该场下更快地实现。所述链式反应如下：变化的电磁场在金属元件中感应出涡电流；所述涡电流导致金属元件加热；热量由金属元件传递给陶瓷基板10；当废气通过转换器时，热量从加热的基板传递给废气；和加热的废气导致催化反应比未加热的废气更快地发生。

线圈20为具有一定卷绕长度的铜管，然而可使用其它材料如铜或绞合线。优选铜管，因为就线圈的其它尺寸而言，其提供了高表面积；感应是一种趋肤效应现象，就产生变化场而言，高表面积是有利的。如果使用绞合线或铜线，则将线上的瓷漆或其它涂层设置成在转换器的持续高温运行下不发生燃烧。

在线圈20的紧外部设置有电磁场屏蔽材料如铁氧体的层22以提供感应屏蔽层，且减少对金属转换器外罩18的感应损耗。铁氧体22 还起提高与陶瓷基板10的感应耦合的作用以集中加热。

所述线圈包封在浇铸和固化的绝缘体24中。该浇铸绝缘体起稳定线圈位置和产生气密密封从而限制废气在发生催化反应的陶瓷蜂窝基板10中的通过的作用。绝缘体24还提供了阻隔作用以防止在转换器罐18或铁氧体屏蔽体22上感应线圈20短路。该绝缘体为合适的硅铝酸盐胶泥。在另一实施方案中，转换器包裹在硅铝酸盐纤维纸中。在一种生产方法中，铜线圈20包裹在陶瓷基板10周围，然后将其置于转换器壳或罐18中。在一种替代生产方法中，将线圈10置于罐18 中，并将陶瓷基板10插入线圈罐组件中。

在本发明的一个实施方案中，通过由DC或AC源施加功率而在线圈处产生变化的电磁感应场。常规汽车具有12VDC电系统。感应系统可在DC或AC电源上运行。产生的感应信号也可为DC或AC 驱动的。对DC或AC而言，使用1kW功率作为实例，这产生了 1-200kHz的频率、130-200V的RMS电压和5-8A的安培数。在适于道路车辆的一个实例中，DC-DC公共汽车将车辆的12VDC电池组功率转化成上文所述的所需的DC电压。在适于常规道路车辆的另一实例中，DC-AC逆变器将车辆的12VDC电池组功率转化成上文所述的所需AC电压。另一实例更适于具有内燃机和电动机二者的混合动力车辆，其具有360V电压和50kW功率额定量级的车载电池组。在这种情况下，电池组电源的功率较高，但可使用相同的基础DC-DC公共汽车或DC-AC逆变器电设置。使用IGBT高速开关来改变流经线圈的电流方向。就陶瓷基板中的金属上的变化的电磁感应场效应而言，低切换频率产生了较长的波形，从而提供金属元件表面下方的良好场穿透以及因此的相对均匀加热。然而，由于切换不足，这牺牲了高温和快速加热。与此相反，高切换频率产生了较短的波形，这在牺牲穿透深度下产生了较高的表面温度。为了避免金属元件熔融的风险，对施加的功率进行限制。单一砖线圈的合适功率输入为1.1kW量级。

如前文所述，金属元件位于陶瓷基板10的所选位置处。对两个相同的金属元件而言，更接近感应场源的金属元件由于效率(即，对给定功率输入获得的感应水平)提高而通常变得比位于距该源更远处的相同金属元件更热。通过使用所示的常规感应线圈10，位于圆柱形基板 10外部的金属元件接近线圈20，且变得极热，而接近基板中心的相同金属元件则保持较冷。线圈10和最近的感应金属元件之间的气隙26 防止了大量热量从感应金属元件传递给线圈，否则的话，这会提高线圈的电阻率，且因此降低其效率。在一个替代的实施方案中，在朝向陶瓷基板中心处设置有相对较高浓度的金属元件，从而补偿如下事实：基板中心附近的线圈源的场效应显著低于基板外部附近的效应。在又一实施方案中，在陶瓷基板的中心和周边之间的某一中间位置处设置有相对较高的金属元件装载量，由此使得在中间层中产生的热量向内流向中心处和向外流向周边，从而更有效地整体加热。对感应线圈20 的尺寸加以调整至金属装载量，从而获得就热量产生而言和就起燃速度而言的高效率。

可通过适当选择如下中任一种或全部而调节电磁感应场以改变加热效果：(a)线圈的电输入波形，(b)被动式磁通控制元件的特性和位置，和(c)线圈20的特性、位置和设置。例如，将感应场调节至金属元件的位置或者陶瓷基板10中的该类元件的高浓度位置处。替代地或者除此之外，施加的场随时间变化，从而使得在感应场模式和从预启动到高速行驶的特定运行阶段之间存在相互依赖性。在一种替代设置中，可使用超过一个线圈以获得所需的感应效应。例如，如图4的横截面视图所示，陶瓷基板10具有环形横截面，其具有位于基板周边处的第一激励线圈10和位于基板核处的第二激励线圈。

如图5和6的片段剖视图所示，在本发明的一个实施方案中，金属元件为包埋在陶瓷蜂窝基板的壁14中的金属颗粒28，其中粒度小于壁14的宽度。作为生产方法的一部分，在陶瓷仍是生的或者可流动性时(即，在挤出之前)，添加金属颗粒并与陶瓷基底材料混合。以此方式，颗粒较均匀地分布在待挤出的陶瓷基底材料各处中。在该实施方案的操作中，当由线圈20施加变化的电磁感应场时，基板中的陶瓷材料对所施加的场相对无感，因此不被加热。金属颗粒28被加热且将热量传导给它们所结合在其中的陶瓷蜂窝的壁14。

在一个替代的生产实施方案中，对陶瓷基底材料与金属颗粒的混合以及随后的挤出混合物以形成蜂窝基板加以设置，从而使得基板中的所选位置具有比其它位置更高的金属颗粒浓度。该设置可通过在挤出机中使数种生陶瓷材料的料流与彼此之间具有不同金属含量水平的料流混合在一起而实现。然后在紧临挤出前使料流熔融，从而使得金属含量的波动反映在挤出基板的横截面中。在又一实施方案中，使用细长的或以其它方式的非对称的金属颗粒，从而使得它们在挤出工艺期间倾向于排列得稍微靠近转换器孔格壁。在另一实施方案中，颗粒的长度足够长，从而使得在混合或随后的挤出期间，至少一些相邻的颗粒彼此电接触。

在本发明的替代实施方案中，金属元件位于陶瓷蜂窝结构中，然而不包埋在蜂窝结构自身的材料中。例如，在陶瓷基板砖的后处理期间，金属元件位于基板10的所选孔格12中。在图7所示的一个实施方案中，将高浓度的金属颗粒与胶泥混合，并使用诸如2013年8月20日提交的共同未决实用新型专利申请13971129(A catalystic converter assemblyand process for its manufacture)中所述那些的方法将所得混合物注入。在注入后，例如通过2013年8月20日提交的共同未决实用新型专利申请13971247(A catalysticconverter assembly and process for its manufacture)中所述的微波加热将胶泥混合物的注入线状物30固化。在一个实施方案中，胶泥系材料是玻璃纤维、粘土淤浆、聚合物粘合剂和水的低粘度糊状混合物，在固化过程中水和有机粘合剂被驱除。在固化后，注入线状物30主要为处于二氧化硅、陶瓷和金属颗粒的多孔基体中的二氧化硅。

在另一示例性设置(未示出)中，选择待注入的通道12，从而使得固化胶泥金属混合物的线状物不均匀分布，而是通常占据圆柱形基板的中间环形区域。在该结构的运行中，热量优先在环形区域处产生，并从该区域位置向内朝基板核传递和向外朝其周边传递。优选注入孔格中的胶泥金属混合物中的金属颗粒主要位于孔格内表面附近，而不是朝向孔格中心，从而使得热量产生局限在孔格表面附近且使得更多的热量传递给陶瓷基板且该传递的速度更快。在挤出期间和/或之后且在固化之前适当地定向搅动负载的转换器砖可在一定程度上促进金属颗粒朝孔格壁迁移。

在注入的孔格实施方案中，被胶泥和金属颗粒的线状物堵塞的任何孔格不能在废气通过该孔格时起催化减少污染的反应的作用。该堵塞的孔格仅用于在启动或怠速时加热。因此，仅用复合加热材料填充所选的孔格。在所示的实例中，基板具有400个孔格/平方英寸。在这些中，取决于孔格的径向位置，8-40个孔格/平方英寸填充有金属胶泥复合材料，从而使得在基板的整个面积范围上，堵塞的孔格占基板面积的2-10％。

在本发明的另一实施方案中，将比图7实施方案所述粒度更大的离散金属元件插入催化转换器基板的所选孔格位置处。如图8所示，示例性的金属元件为位于所选基板孔格中且沿孔格整个长度从砖入口延伸至其出口的线材32。插入的线材32可例如为圆形、正方形或其它合适的横截面。如图8实施方案所示，陶瓷转换器基板10具有正方形的孔格和圆截面的线材。正方形截面线材提供了对正方形截面孔格更好的热传递，这是由于两种材料之间的高接触面积。然而，圆截面的线材由于更小的导致插入阻力的表面积接触而更易插入正方形截面孔格中。线材可通过摩擦配合而固定至其相应的孔格中，这至少部分通过使线材外部面积尺寸与孔格面积尺寸密切匹配，以使得线材表面和孔格壁的表面粗糙度将该线材束缚就位而实现。线材被制成宽度比孔格宽度小0.002-0.005英寸，从而能插入。

在一种设置中，形成具有图9和10所示弓形的线材插入件34。弓形线材34具有记忆，从而使得该弓在线材插入孔格12中而变直后，插入件34倾向于恢复其弓形，从而导致线材的中心和末端区域贴靠孔格12的相对侧面或角落，因此加强摩擦配合以保持线材在孔格中就位。替代地或者除此之外，如图11的实施方案所示，线材36在其末端压接，从而建立端支承接触位点。在每种情况下，当废气通过转换器时，整个摩擦配合使得抵抗对线材的重力、振动、温度循环和压力。

替代地或者除此之外，线材可通过将线材的外表面结合至相应孔格的内表面而固定至孔格中。在示例性的结合方法中，在插入之前，用胶粘剂/胶泥至少部分涂覆线材，或者在插入线材之前，将少量胶粘剂/胶泥涂覆至孔格内壁上。使用高温胶泥材料和复合胶粘剂。合适的胶泥例如具有与前文所述的注入实施方案中所用那些相同的形式。复合胶粘剂例如为陶瓷和金属粉末与在所述两种主要材料之间过渡的粘合剂的共混物。该共混物用于使温度循环应力效应最小化，在该应力效应中可能存在显著的金属线材膨胀/收缩，然而陶瓷基板发生微乎其微小的膨胀/收缩。该差异可在所述两种材料之间的胶粘剂界面处产生应力。通过使用该复合胶粘剂，使结合的线材相对于周围孔格表面的运动最小化且由于存在复合胶粘剂材料而获得热传递提高的热传递。

如图8的实施方案所示，使用具有通过转换器孔格阵列的均匀分布的线材阵列。在一个实例中，对于400cpsi基板的每25个孔格，插入1根线材。就在转换器上实施的清洁污染催化反应角度而言，这具有令人满意的加热性能，且不过大以至于闭塞转换器孔格。显著更高的线材与孔格之比由于该线材总体上所表现的高整体热容量以及由于一些线材阻挡对其它线材的“视线(line of sight)”场效应这一事实而可导致更慢加热至起燃。与此相反，尽管显著更低的线材与孔格之比导致更少的转换器孔格闭塞，然而对于400cpsi基板中的每49个孔格，插入少于1根线材量级的金属稀疏分布导致产生的热量减少且起燃时间延长。正如在前文所述的注入金属颗粒的实施方案的情况下那样，线材可以以非均匀模式插入：例如，至在陶瓷转换器基板中的中间径向位置处的通常环形浓度的线材插入处；或者使更高浓度的线材置于与转换器周边附近的线材浓度相比，距离线圈最远的转换器核附近。

在使用金属颗粒和较大金属元件如线材插入物之间存在优点和缺点。感应加热产生加热的金属的“趋肤效应”热表面。这使得金属元件的表面积对有效加热而言是重要的。一般而言，表面积越大，则金属加热越快。然而，感应是一种视线过程，其中“看见”感应场的表面是首先加热且变得更热的表面。粉末颗粒快速加热，且物体越大，则加热越慢。在颗粒的情况下，无论是分散和包埋在陶瓷基板材料本身中或在注入所选孔格的胶泥中，各颗粒独立于相邻颗粒地起作用，因此在相邻颗粒之间存在很小的感应。因此，热分布可能较差。较大的金属体将热量良好地传导至其本体各处，因此就热量分布而言是优选的。就表面积、视线定位和传导特性(所有这些显著影响了加热性能) 而言，图8实施方案的细线材提供了颗粒和实心体之间的良好折衷。

当转换器运行时，感应是陶瓷基板的主要热传递源，且因此也是废气的主要热传递源。在线材插入物实施方案的情况下，还存在少量对流热传递，然而这受到限制，这是因为在线材和孔格内表面之间仅存在小气隙，因此空气运动最小化。在诸如其中线材在其大部分表面积与孔格内部隔离，但其中未闭塞隔离的插入的线材情况下，还存在较少量的辐射热传递。

正如前文所描述和示意的那样，感应金属元件相对于孔格位置的优选分布以使得加热效果在转换器面积上通常是均匀的方式设置。尤其是对其中可产生非均匀的废气流模式的启动和怠速而言，当在转换器上故意产生非均匀的加热模式时，这可能是有利的。如前文所述，这可通过将感应金属元件适当置于所选的孔格中而实现。在本发明的另一实施方案中，这还可通过使用具有不同尺寸或形状的金属插入件或者通过在注入实施方案中使用不同浓度的颗粒而实现。在又一替代的结构和方法中，这可通过产生非径向对称的场或者产生两个或更多个干扰场而实现。例如在从启动到起燃的期间内，该类感应场及其相互作用可变化。变化的加热效果也可通过使用该感应金属定位和场控制而实现。就提高污染物转化率、节约功率或者出于其它原因的角度而言，可实施位置、时间或二者变化的靶向加热。

在本发明的另一实施方案中，金属元件不夹带在陶瓷基板的材料中，且不注入或置于所选的孔格中。相反地，如图12和13的片段剖视图所示，在施加催化剂涂层40之前，在所选转换器孔格的壁14的内表面上形成铁系金属涂层38。替代地，(未示出)将铁系金属涂层与催化剂金属作为共同涂层通过使用包含所述铁系金属和催化剂金属二者的合金颗粒或者通过使用其中分散有铁系金属颗粒和催化剂金属颗粒二者的载体涂料而设置。在后一布置中，由于铁系金属占据某些催化剂金属位点，催化剂作用可能存在一定的损失，因此必须做出折衷。

所有金属在某种程度上响应于感应场，其中铁系金属为最易被该场加热的材料。施加至蜂窝基板孔格内部的载体涂料中所含的催化剂材料通常为铂族金属—铂、钯和铑。该类材料具有1×10^-6量级的低磁导率(在铂的情况下)，因此仅受到施加的感应场的极其微弱的影响。此外，催化剂金属以克/块转换器砖的量级的极小量存在，因此催化剂组件中的金属不足以在启动期间或怠速期间产生任何显著的热量并传递给陶瓷基板。与此相反，用于感应加热的铁系金属以60-200克/块砖的量级的量存在，且在铁的情况下具有2.5×10^-1数量级的磁导率。

如前文所述，在起燃之前的期间使用感应加热，从而在催化剂涂层达到其开始催化将污染物转化成更温和的排放物的反应时的温度之前减少有害污染物的量。特别是对城市行驶而言，发动机运行的特征通常在于突然加速和刹车，其中间隔着怠速期间。此时，进入转换器以及流动废气与之接触的基板壁的废气温度可能开始降低。如果怠速和冷却继续，则基板和气体的温度降至低于发生减少污染物的催化反应所需的温度。在此期间，转换器基板的加热通过开启感应加热而实现。在将来的时刻，当车辆不再怠速且废气温度升高从而超过将有毒废气污染物转化成较为温和产物的有效催化反应所需的温度时，关闭感应加热。

感应加热发明的实施方案已在铁系合金如钢的上下文中描述，铁系合金可以以常规形状和尺寸且以合理的成本商购获得。还可使用替代的铁磁性金属，如钴或镍或其合金。所用的金属必须经受催化转换器所达到的高温以及当金属入侵由冷启动至运行温度且再次返回而反复变动时的反复温度循环。一般而言，铁或其它铁磁性金属的合金化给出了有利的机械和物理性能，如耐腐蚀/氧化性、高温稳定性、弹性变形和成型性。

参照图14-17，其示意了本发明的实施方案，所述实施方案适于通过催化转换器基板的通道或孔格的废气的电流体动力学(EHD)传热和传质。在EHD方法中，产生自由电子且使其从带电的上游发射极迁移至接地的下游集电极44。在其迁移过程中，电子与废气中的分子碰撞，将动量传递给气体分子并在气流中导致紊流。这意味着流经孔格的气体采用层流方式的倾向较小和/或存在偏离层流性的层状气体流的倾向。与无EHD激励的情况相比，这两种倾向使得更多的废气与转换器基板孔格壁接触。由于废气与基板孔格壁内表面处的热催化剂的接触提高，这导致废气与基板壁之间的传热提高以及污染减少的催化反应的提高。

在运行中，在启动和起燃之间的期间，基板壁的温度比废气低。通过EHD传热激励的激励，更多的热量从流动的废气传递给基板，基板温度以比不使用EHD加热方法情况下更快的速度升高。控制电路包括用于监测转换器基板温度的第一温度传感器，和用于监测转换器紧上游废气温度的第二温度传感器。控制电路包括用于测量废气和转换器基板的温度差的比较器，和由比较器控制以开启至发射极的 EHD电压的开关。更大的起燃速度通过开启EHD传热方法以促进启动到起燃期间的废气的传热。在将来的时刻，当基板足够热以导致减少污染的催化反应发生时，关闭EHD传热激励。

此外，在怠速期间，进入转换器的废气温度可能开始降低，且可出现催化转换器基板壁仍处于催化剂反应的最佳温度，然而进入转换器的气体低于该反应的最佳温度的情况。就减少有害排放物的角度而言，在怠速阶段，转换器可保持在最佳运行温度或其附近，即使当流经转换器气体冷却时。在此期间，冷却废气的低功率加热通过开启 EHD传热方法以在有限时间抽取热量而实现。在将来的时刻，当车辆不再怠速且废气温度超过监测的基板温度时，可关闭EHD传热激励。

详细参照图14，为了运行其中实施EHD的催化转换器，将发射极42与25-50kV的电源连接以传输极低的安培数，因此系统仅消耗极少的瓦数，且集电极44接地。与通过催化转换器的未带电废气相比，电子的流动在带电废气和转换器基板之间产生了优先热交换。废气的电导率影响混合程度和流动变化，这又导致转换器基板和废气之间的更快传热。一般而言，废气的电导率越高，紊流效应越大且EHD传热效应越大。

如图14实施方案所示，在第一发射极-集电极布置中，发射极42 为0.25英寸直径的杆和0.375英寸孔的常规网孔，该网孔安装在转换器砖10的紧上游。集电极44为位于转换器砖紧下游的类似金属网孔，该网孔接地。上游网孔与正电压源的互联以及下游网孔与地面的互联提供了产生电子流动所需的正电极(发射极)和负电极(集电极)。

如图15所示，在第二发射极-集电极布置中，使用类似于图8所示的线材插入件设置，不同之处在于线材插入件彼此互联且与地面互联。在所示的设置中，使用连续线材46且循环进出基板孔格，从而使得相邻的线材插入件有效地缝合就位。

在另一实施方案中，如图16所示，网孔集电极44具有突出的线材48，其与所选基板孔格的纵轴对准。在生产期间，网孔集电极44 的突出的线材48向后滑动，从而朝向转换器砖的前端并进入对准的孔格12中。网孔集电极束缚在基板的背侧。在一种形式中，突出的线材 48具有处于所选孔格12中的前文参照图8-11所述的摩擦配合，或者使用合适的胶粘剂固定就位。在另一形式和相关方法中，将突出的线材预先置于所选的孔格中，然后通过将金属胶泥基体注入孔格中，然后干燥并烧结基体而结合就位。

在图17所示的另一发射极-集电极布置中，发射极42为直径与圆柱形转换器基板直径匹配的金属球，所述球不存在成角度的拐角，从而使得电子发射较为均匀地分布在其表面上。通过用处于粘合剂基体中的金属粉末填充所选转换器孔格12以构成一系列集电极位点30而形成一系列集电极，堵塞的孔格中的集电极线连接在一起且接地，例如借助图16所示的形式但具有较短接触突起48的网孔。将金属颗粒与胶泥混合，并使用诸如2013年8月20日提交的共同未决实用新型专利申请13971129(A catalystic converter assemblyand process for its manufacture，出于所有目的，该申请的公开内容通过引用全文并入本文且构成本申请的一部分)中所述那些的方法将所得混合物注入。在注入后，例如通过2013年8月20日提交的共同未决实用新型专利申请 13971247(A catalystic converterassembly and process for its manufacture，出于所有目的，该申请的公开内容也通过引用全文并入本文且构成本申请的一部分)中所述的微波加热将胶泥混合物的注入线状物30固化。在一个实施方案中，胶泥系材料是玻璃纤维、粘土淤浆、聚合物粘合剂和水的低粘度糊状混合物，在固化过程中水和有机粘合剂从中驱除。在固化后，注入线状物30主要为处于二氧化硅、陶瓷和金属颗粒的多孔基体中的二氧化硅。

在图17实施方案的调整(未示出)中，用金属粘合剂基体堵塞均匀分布的第一所选孔格，其中孔格被线连接在一起且彼此连接，从而形成发射极。还用金属粘合剂基体堵塞通常与发射极孔格一起交替分布的相同数量孔格，其中第二组孔格被线连接在一起且接地，从而形成集电极。由于发射极和集电极是基板的集成部件，该布置在基板孔格表面处具有高效率。

在其它替代方案中，前文所示的发射极和集电极设置可以以不同方式匹配。

感应加热的益处是转换器组件可更小。冷启动产生75-90％的内燃机污染物，这决定了整个废气组件的尺寸。由于感应加热技术解决了该75-90％中的许多，因此能缩减转换器包。通过引入运行EHD子系统的额外的传热和传质，可进一步减少尺寸。

国家排放物标准要求是催化转换器设计的主要驱动力。该要求极高且难以用单一转换器满足。因此，目前大多数生产中的汽车使用两个转换器组件—一个位于紧密耦合的位置，另一个位于底置位置。紧密耦合的转换器的重量通常比底置式转换器更轻，这意味着其具有低热容量，因此尽可能快地获得催化反应运行温度。然而，当两个转换器达到其各自的催化反应运行温度时，与较重的底置式转换器相比，紧密耦合的转换器具有较低的效率。通过在启动时在废气处理中引入感应加热，制造商可通过取消紧密耦合转换器这一需求而转回至单一转换器设置，同时满足排放标准。

尽管已就陶瓷催化转换器基板的上下文中描述了本发明的实施方案，然而也可使用不锈钢基板，其中感应加热以与上文所述类似的方式实施。由400系列的磁性合金制成的基板是优选的，因为该合金显示出显著的磁滞。当使用环绕线圈时，小直径不锈钢基板的外部环形区域由于其小热容量而极快地加热。

在EHD传热和传质的情况下，在使用不锈钢基板的本发明替代实施方案中，催化转换器具有两块钢砖，其中第一个起发射极的作用，而第二个起集电极的作用。在该情况下，由于钢砖本身起发射和收集自由电子的作用，因此避免了线材插入件的插入或者金属胶泥线状物的注入和固化。

EHD传热和传质发明的实施方案已在铁系合金如钢的上下文中描述，所述铁系合金可以以常规形状和尺寸且以合理的成本商购获得。还可将替代金属用于EHD电极，条件是它们可经受催化转换器所达到的高温以及转换器基板体中的金属元件由冷启动至运行温度且再次返回而反复变动时的反复温度循环。一般而言，合金化给出了有利的机械和物理性能，如耐腐蚀/氧化性、高温稳定性、弹性变形和成型性。

在将感应加热以及EHD传质和传热发明用于催化转换器的结构和运行时，实施感应加热所需的电路和电输入不同于实施EHD传热和传质所需的电路和电输入。就此而言，EHD效应可能受到所施加的感应场的影响。这可为正面影响，其中感应场为电子流动提供了曲折分量，从而导致传质和传热提高。或者，感应场可遮蔽EHD效应。

感应加热方法以及EHD传质和传热方法可同时使用或者在启动期间的不同时间使用，或者在感应加热的情况下，在紧临启动前使用。如图18的示意图所示，使用安装在催化转换器中的一个或多个温度传感器50来监测任意时刻的温度，且可适当地布设以监测转换器中不同位置处的温度。将温度传感器的输出送至控制器52，在此处，通过开关54将监测到的温度用于控制使用感应和EHD方法的时刻。通过使用在控制器52中执行的合适算法，监测到的温度也可用来控制实施中所使用的感应和EHD方法的具体效果，其中为了获得特定的感应加热模式或EHD效应，感应场特性或EHD高电压特性是可选的。

Claims (12)

1.催化转换器组件，其包括两个基板(10)，其中将一个基板(10)设置成能够感应加热。

2.根据权利要求1所述的催化转换器组件，其中所述两个基板(10)包括第一基板(10)和第二基板(10)，各个经设置以处理气态排放物，其中将第一催化转换器基板(10)设置成能够感应加热和由此加热所述气态排放物。

3.根据权利要求2所述的催化转换器组件，其中所述第一基板(10)和第二催化转换器基板(10)各个包括多个用于排放气体通过的延伸所述基板的长度的孔格。

4.根据权利要求2或3所述的催化转换器组件，其中所述第一基板(10)位于所述第二基板(10)的上游。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的催化转换器组件，其中所述第一基板(10)包括定位在所述第一基板内的多个位置处的金属元件，和所述组件包括用于产生变化电磁场的围绕所述第一基板的感应加热线圈(20)，由此感应加热所述金属元件和由此加热所述第一基板。

6.根据权利要求5所述的催化转换器组件，其中相比于所述第一基板(10)的外部，将更高浓度的金属元件朝向所述第一基板(10)的中心定位。

7.根据权利要求5所述的催化转换器组件，其中相比于在所述第一基板(10)的中心或周边处，将更高浓度的金属元件定位在所述中心和所述周边之间的中间位置处。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的催化转换器组件，其中所述金属元件为金属颗粒(28).

9.根据权利要求5至7中任一项所述的催化转换器组件，其中所述金属元件为金属线材(32)。

10.根据权利要求3至从属到权利要求3的权利要求9中任一项所述的催化转换器组件，其中所述第二基板的孔格的至少一些具有涂覆有用于处理气态排放物的催化剂的内壁。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的催化转换器组件，其进一步包括紧位于所述线圈(20)的外侧的电磁场屏蔽材料(22)的层。

12.根据前述权利要求任一项所述的催化转换器组件，其中所述两个基板之一或两者为陶瓷材料的圆柱形基板。