CN109964011A - 用于操作可电加热催化剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在内燃发动机的排气道中操作可电加热催化转化器的方法，该内燃发动机的排气道具有排气流能够穿其而过流动的至少一个蜂窝体、并且具有至少一个可电加热的加热导体，该至少一个可电加热的加热导体沿排气的通流方向被定位在该蜂窝体的上游，其中，该加热导体的加热是通过向该加热导体施加电流得以实现的，其中，该加热导体以取决于该加热导体周围的环境温度的方式来电加热，其中，该加热导体电加热成使得该加热导体的温度的停留时间被界定在由第一下限温度TG1U和上限温度TG10限定的温度范围内。

Description

用于操作可电加热催化剂的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在内燃发动机的排气道内操作可电加热催化转化器的方法，该内燃发动机的排气道具有排气流能够穿其而过流动的至少一个蜂窝体、并且具有至少一个可电加热的加热导体，该至少一个可电加热的加热导体沿排气的通流方向被定位在该蜂窝体的上游，其中，对该加热导体的加热是通过向该加热导体施加电流得以实现的。
背景技术
为了用于内燃发动机的排气道，使用了排气后处理系统，例如催化转化器。根据其特定构造和所使用的材料，这些催化转化器需要不同的温度窗以便确保对排气进行最佳转换。特别地，在开始操作内燃发动机时，催化转化器处的温度通常低于最佳操作温度。为了实现对排气并且因此也对催化转化器的蜂窝体进行可能最快的加热，已知的是给流动的排气加温的电加热系统。为此目的，使用了加热导体，电流流动经过这些加热导体并且这些加热导体利用欧姆电阻被加热。
根据构造、材料选择和对应存在的材料结构，加热导体具有不同、可变的电阻值。加热导体的温度还对实际电阻值有影响。这具有的结果是，在给定电流的情况下，加热功率可以随着边界条件的变化而变化。加热导体的电阻变化也导致了流动经过加热导体的电流的变化，这可能导致在机动车辆的电气系统中产生错误消息。此外，可能会出现如下情况，其中，用于加热到限定温度的电流消耗大于可获得的电流量，这尤其在机动车辆中受到很大限制。
现有技术中已知的电加热系统的缺点尤其在于，由于机动车辆或内燃发动机的操作可以使加热导体的材料结构改变，由此可以改变所述加热导体的电阻值。电阻值的相关变化不能足够精确地预测，使得可能会出现如下情况，即加热导体的加热功率改变的范围超出预定义极限。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法使得可以以针对性的方式识别并且借助于合适的对策限制排气道中的加热导体的电阻值的变化。
通过如权利要求1所述的具有这些特征的方法，实现了与该方法有关的目的。
本发明的一个示例性实施例涉及一种用于在内燃发动机的排气道中操作可电加热催化转化器的方法，该内燃发动机的排气道具有排气流能够穿其而过流动的至少一个蜂窝体、并且具有至少一个可电加热的加热导体，该至少一个可电加热的加热导体沿排气的通流方向被定位在该蜂窝体的上游，其中，该加热导体的加热是通过向该加热导体施加电流得以实现的，其中，该加热导体以取决于该加热导体周围的环境温度的方式来电加热，其中，该加热导体电加热成使得该加热导体的温度的停留时间被界定在由第一下限温度TG1U和上限温度TG1O限定的温度范围内。
在未加热状态下，加热导体的环境温度作为第一近似值尤其受流动经过该排气道的排气的排气温度影响，由此，排气温度和加热导体周围的环境温度基本上完全相同或至少非常接近。这至少适用于内燃发动机运行时。在内燃发动机停机之后，排气不再流动经过排气道，由此，加热导体周围的环境温度然后受到仍然温热的结构(例如，催化转化器的壳体)的显著影响。环境温度描述的是加热导体的直接周围环境中的温度。最强烈热交换是与这些直接的周围环境发生的，使得当发生电加热时加热导体将其热量释放到此区域中，并且当由于流动的排气使周围环境的温度水平比加热导体自身高时，该加热导体从周围环境吸收热量。
通过所述排气流动经过已加温的加热导体这一事实，利用加热导体来给排气管线中流动的排气加温。以此方式，首先可以较早达到用于操作催化转化器的最佳温度，其次，借助于加热导体的针对性温度控制并且因此也以根据于此的方式借助于蜂窝体和排气的针对性温度控制，可以避免加热导体或蜂窝体发生不期望的结构转换。
具体地，在此涉及的是金属材料尤其在受到特定温度或温度曲线影响时所产生的效果。通过加热至材料特定最低温度以上并且随后缓慢冷却经过预定义的温度窗，在金属材料的情况下材料结构可以发生至少暂时性的持久变化。材料结构中的这种变化也对材料的特定欧姆电阻具有一定影响。就通过材料选择和尺寸确定预先设计的初始欧姆电阻而言，欧姆电阻的变化可能导致在存在已知电流的情况下加热导体的加热功率高于或低于初始设计。因为顾客非常精确地定义了可获得的电流的极限和由于加热而有待获得的温度的极限，所以这种意外结构转换可以导致加热发生超出顾客预定义的极限。为了创建永远起作用的电加热系统，因此需要使加热导体和/或蜂窝体的欧姆电阻的不期望的变化最小化或优选地完全防止该变化。可替代地，至少需要提供一种方法，该方法允许结构转换的回复原样(Rückbildung)，以便允许在实际希望的限制内操作电加热系统。
以取决于材料的方式，存在由第一下限温度TG1U和上限温度TG1O限定的温度窗，并且当材料太慢地穿过此温度窗时在该温度窗内发生相应材料的结构转换。这是由在温度变化期间在金属的晶体结构中发生的过程导致的。具体地，在此涉及的是所谓的α'相(alpha-prime phase)的形成。
所谓的α'相是从铁-碳图示的上下文中的文献已知的。此相的特征在于形成特定的金属结构。α'相导致了金属合金的铁素体相的脆化。α'相优选地在低于约500摄氏度下形成。此α'相可以通过重新加热处理进行再分解或回复原样。在这种情况下精确的温度范围是针对在各自情况下所具体使用的材料的。然而，α'相的形成及其分解原理通常是相同的。
如果材料的温度太慢地穿过所述温度窗，则可能发生不利的材料结构的形成。借助于有源加热，可以确保的是仅短暂地穿过限定的温度窗，或至少在限定的温度窗中的停留时间足够短，使得尤其在穿过所述温度窗时温度瞬变足够高。
温度瞬变应理解为是指温度随时间的变化。可替代地，在技术文献中还可以发现对于此的表述“温度梯度”。温度的可变性例如表述为开尔文每分钟[K/min]的变化并且基本上与从预定义的温度水平到更低温水平的限定冷却相关。
有利地，在材料的情况下、并且尤其在具有铬含量≥10％和铝含量≤11％的钢的情况下可以实施该方法。此处，特别优选地使用具有铬含量≥19％的钢，例如1.4410和1.4362。此外，该方法还可以有利地应用于合金(尤其用于电加热导体)。这些材料例如包括钢1.4765或1.4767以及具有相似成分的紧密相关类型的钢。
在上述有利材料的情况下，第一下限温度TG1U大约在380摄氏度。此处，第一上限温度TG1O优选地在530摄氏度。
特别有利的是，当从高温到低温经过所限定的温度范围时，该加热导体的温度的温度瞬变不会低于预定义极限值。
这是有利的，因为在温度窗中过长的停留时间、或过慢地穿过温度窗会引起结构转换并且因此形成α'相。因此特别有利的是，尽可能快地穿过、但至少比下限值更快地穿过限定的温度窗。
特别优选的是，在如上所述的TG1U和TG1O参数的情况下，寻找≥10K/min的冷却瞬变DT/Dt。此处，≥100至1000K/min的冷却瞬变是特别有利的。这具有的作用是，特别快地发生冷却，由此非常快地穿过被视为临界的温度窗，并且因此没有发生足够的停留时间，在该停留时间内可以形成应当避免的α'相。
还有利的是，如果该加热导体周围的环境温度低于上限温度TG1O而高于第二下限温度TG2U，则借助于电加热使该加热导体的温度保持在所述上限温度TG1O以上。
这对于由于冷却排气以及加热导体周围环境的冷却而防止加热导体的温度下降、并且滑入预定义温度窗内是有利的，在该预定义温度窗内开始结构转换、尤其形成α'相。
基本上不可避免的是，例如由于内燃发动机的停机，在对排气和加热导体周围环境的冷却期间，加热导体的温度贯穿临界温度窗。然而，根据本发明的方法的目的是在所述温度窗中的停留时间尽可能短，或冷却发生得足够快以使尽可能快地穿过临界温度窗而不发生结构转换。
在具有相对低负载的内燃发动机的操作点处，较少排气排放到排气道中，由此加热导体处的温度下降。如果新的较低环境温度现在低于上限温度TG1O而高于第二下限温度TG2U，相对而言，这具有的作用是，加热导体比在环境温度例如低于第二下限温度TG2U时冷却得更慢。结果是，在临界温度窗中的停留时间被延长，这是因为加热导体的冷却的温度瞬变较低。
现在为了防止加热导体的温度长时间处于临界温度窗中，或防止冷却发生得太慢，优选地加热导体电加热并且因此保持温度水平在上限温度TG1O以上，以便防止结构转换。在加热导体周围的温度已经下降到足够远低于第二下限温度TG2U之后，电加热可以是去激活的，因为加热导体的温度与加热导体周围的环境温度之间的Δ足够大以确保加热导体的温度充分快地下降穿过临界温度窗。在这种情况下，冷却的温度瞬变足够高以防止形成α'相。
在上述材料的情况下，尤其例如钢1.4410和1.4362或相似类型的具有铬含量大于10％或优选地大于19％并且铝含量小于11％的钢，大约300摄氏度的第二下限温度TG2U是有利的。因此，当加热在低于第二下限温度TG2U时结束时，第一下限温度TG1U与第二下限温度TG2U之间的温差足够大，来实现足够快的冷却以及足够高的冷却瞬变。
优选的实施例的特征在于，如果该加热导体的环境温度已经低于第二下限温度TG2U，则该加热导体的电加热结束。这是有利的，以便确保可以获得足够高的温度瞬变使得防止形成α'相、并且因此防止改变影响欧姆电阻的金属结构。
还优选的是，第二下限温度TG2U低于第一下限温度TG1U。这是必要的，以便确保为了获得低于第一下限温度TG1U的足够陡的温度梯度而确保获得足够高的温度瞬变。
此外有利的是，该加热导体借助于电加热保持高于上限温度TG1O预先可定义的持续时间。凭借加热导体的温度被限制在高于上限温度TG1O的高度水平，在太慢穿过临界温度窗的情况下可以避免结构性转换。此外，借助于针对性加温并且保持温度，可以使已经发生的α'相的形成反向，使得再次获得初始材料特征。
此外有利的是，当该加热导体周围的环境温度低于第二下限温度TG2U预定义的时间时，电加热结束。这是有利的，以便确保只有当加热导体的周围环境中的温度已经低于第二下限温度TG2U某一最小持续时间时，才结束加热。以此方式，确保了在任何情况下，在加热导体冷却经过临界温度范围期间获得足够高的温度瞬变。
还便利的是，当该加热导体的周围环境与该加热导体的当前温度之间的温差超过预先可定义的值时，该加热导体的电加热结束。如果加热导体与其周围环境之间的温差足够大，可以假设冷却率或温度瞬变足够高以防止在临界温度范围中形成α'相。
此外，有利的是，借助于预测元件，输出关于该加热导体周围的环境温度的预期变化的陈述，并且以取决于如该预测元件所预测的环境温度变化的方式执行该加热导体的电加热。
这是有利的，因为可以预测加热导体处的预期温度，由此可以以更加有效的方式执行电加热的活化和去激活。例如，预测元件可以采集关于内燃发动机的当前和未来操作点的数据，由此，将可以作出关于预期温度发展的陈述。还可以设想的是，基于地形学数据(例如来自导航单元)并结合当前位置和设计的行车路线，预测元件作出关于在可预见的未来中将如何操作内燃发动机的陈述。加热元件的加热也可以有利地适配于此。例如，如果预测元件识别出前方的梯度，则可以推断内燃发动机将以相对高的负载操作，由此，可以期望增加排气温度并且因此也增加催化转化器的加热元件或蜂窝体处的温度。
借助于对未来温度发展的预测，可以更有效地作出关于是否应当执行电加热的决定。此处，例如，如果预测元件预测到排气温度以及加热元件周围的温度或加热元件自身的温度在不久的将来在任何情况下将再次上升，则电加热将是毫无意义的。
此外，便利的是，在环境温度预期保持在第二下限温度TG2U之下的情况下，该加热导体的电加热结束。这是有利的，因为如果温度低于第二下限温度TG2U，则不期望发生结构性转换。然而，无论出于其他什么原因，都可以在任何时间进行加热。如果此时没有发生加热元件的加热，则加热将不会结束，而是还保持不活跃。
还优选的是，借助于第一下限温度TG1U和上限温度TG1O，限定了其中由于热量的作用该加热导体的材料经受材料结构的导致该加热导体的特定电阻发生变化的转换的温度范围。如上文已经进一步描述的，α’结构的形成可能不利地影响加热导体的欧姆电阻，这可能损害功能性。因此应该基本上防止α’相的形成，或如果已经形成了α’结构，则应该使得该α’结构回复原样。
在从属权利要求中以及在以下附图说明中描述了本发明的有利改进。
附图说明
将在下文中参考附图详细地解释本发明。在附图中：
图1示出了如下图示，其中，在上部区域中展示了加热导体相对于时间的温度，并且在下部区域中展示了相对于时间引导穿过加热导体的加热电流。
具体实施方式
图1示出了被分成上部区域1和下部区域2的图示。在上部区域1中，展示了加热导体相对于时间4的温度3，时间是沿X轴线绘制的。还展示了相对于时间4的排气温度5。
在图示的下部区域2中，展示了相对于时间4施加至加热导体的加热电流6。如果没有电流流动则用值0％展示加热电流6，如果有电流流动则用值100％展示该加热电流。
从加热导体和流动排气大约550摄氏度的起始温度开始，加热是去激活的，并且没有电流流动经过加热导体。由于例如内燃发动机上的负载减少，排气温度5随着随后时间的进程而下降。如果现在加热导体没有加热，则加热导体的温度将因此相应地下降至排气温度或相对于其具有轻微偏移量。由于冷却的温度瞬变相对较低，在加热导体中能够发生结构转换和α'相的形成。
为了防止这种情况，在大约30秒时开始加热导体加热，以便保持加热导体的温度3处于恒定的高水平并且防止进入结构转换的温度范围。
在这段时间期间，排气温度5继续近似线性地下降，由此，加热导体的温度3与排气温度5之间的温度Δ增加。保持加热导体的加热，直到排气温度下降到下限温度TG2U 7的水平。从这个时间开始，加热导体的温度3与排气温度5之间的温度Δ足够大来实现足够快地冷却加热导体，在此情况下，防止α'相的形成。
随后，加热导体的温度3同样开始下降。如图1所示，在加热结束之后，加热导体的温度3以比排气温度5高得多的瞬变下降。由于加热导体的温度3有较高的瞬变，实现了以比在排气温度5的情况下短得多的时间穿过温度窗，在该温度窗中优选地发生α'相的形成。因此大大减少了或完全防止了α'相在加热导体中的形成。
图1的图示示出了特定情况，其中，为了保持某一最小温度水平而执行加热导体的加热，以便不会进入结构转换的温度范围。只有当加热导体的温度与周围环境的温度之间的温度Δ足够大以确保在冷却期间可以获得足够高的温度瞬变时，才停止加热。加热导体的温度随后很快地下降，足以经过结构转换的温度范围，而实际没有经受结构转换。
图1描述的使用情况是示例性的，并且不具有限制性质。

Claims (11)

1.一种用于在内燃发动机的排气道中操作可电加热催化转化器的方法，该内燃发动机的排气道具有排气流能够穿其而过流动的至少一个蜂窝体、并且具有至少一个可电加热的加热导体，该至少一个可电加热的加热导体沿排气的通流方向被定位在该蜂窝体的上游，其中，该加热导体的加热是通过向该加热导体施加电流得以实现的，其特征在于，该加热导体以取决于该加热导体周围的环境温度的方式来电加热，其中，该加热导体电加热成使得该加热导体的温度的停留时间被界定在由第一下限温度TG1U和上限温度TG1O限定的温度范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当从高温到低温经过所限定的温度范围时，该加热导体的温度的温度瞬变不会低于预定义极限值。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果该加热导体周围的环境温度低于所述上限温度TG1O而高于第二下限温度TG2U，则借助于电加热使该加热导体的温度保持在该上限温度TG1O以上。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果该加热导体的环境温度已经低于该第二下限温度TG2U，则该加热导体的电加热结束。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该第二下限温度TG2U低于该第一下限温度TG1U。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于电加热，该加热导体保持在该上限温度TG1O之上预先可定义的持续时间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当该加热导体周围的环境温度低于该第二下限温度TG2U预定义的时间时，电加热结束。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当该加热导体的周围环境与该加热导体的当前温度之间的温差超过预先可定义的值时，该加热导体的电加热结束。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于预测元件，输出关于该加热导体周围的环境温度的预期变化的陈述，并且以取决于如该预测元件所预测的该加热导体周围的环境温度变化的方式执行该加热导体的电加热。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在该加热导体周围的环境温度预期保持在该第二下限温度TG2U之下的情况下，该加热导体的电加热结束。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于该第一下限温度TG1U和该上限温度TG1O，限定了其中由于热量的作用该加热导体的材料经受材料结构的导致该加热导体的特定电阻发生变化的转换的温度范围。
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