CN111542686A - 加热用于排气后处理的装置的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加热车辆中的排气后处理单元的设备，该车辆除了内燃发动机之外还包括电动马达作为驱动源，其中提供至少一个电加热元件(1，7)，该至少一个电加热元件布置在形成于蜂窝体(5)中的腔体(6)中，以便加热排气能够流过的蜂窝体(5)，其中，该蜂窝体(5)由彼此上下堆叠的多个金属箔片形成，这些金属箔片在它们之间形成多个流动通道，流体能够沿轴向方向穿过这些流动通道，其中，该蜂窝体(5)具有在径向方向上延伸的中空部(6)，加热元件(1，7)容纳在该中空部中。本发明还涉及一种用于加热的方法。

Description

加热用于排气后处理的装置的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于加热车辆中的排气后处理单元的设备，该车辆除了内燃发动机之外还包括电动马达作为驱动源，其中提供至少一个电加热元件(1，7)，该至少一个电加热元件布置在形成于蜂窝体(5)中的腔体(6)中，以便加热排气能够流过的蜂窝体(5)，其中，蜂窝体(5)由彼此上下堆叠的多个金属箔片形成，这些金属箔片在它们之间形成多个流动通道，流体能够沿轴向方向穿过这些流动通道。
背景技术
已知由内燃发动机引起的大部分污染是在“冷启动阶段”中产生的，这时提供用于排气后处理的部件尚未达到他们实际设想的运行温度。在这些阶段中，计划的排气处理和排气化学转化为无害的最终产品仅在有限的范围内发生。
因此，现有技术包括例如加热的催化转化器，该催化转化器使用欧姆电阻进行电加热以便较早实现运行所需的温度。为此，例如存在加热盘，加热导体穿过这些加热盘，并且排气可以流过这些加热盘，从而使得排气流被加热，其结果是，实际上提供用于化学转化的催化转化器同样可以比没有额外加热的情况更早地达到其设想的运行温度。
现有技术中先前已知的用于加热用于排气后处理的部件的设备主要提供用于仅由内燃发动机驱动的车辆中。然而，与冷启动相关联的排气排放增加的问题也发生，并且确切地，对于混合动力车辆而言，混合动力车辆除了涉及内燃发动机的驱动器之外还具有电驱动器。尤其是在仅可以通过电动方式驱动的车辆的情况下，内燃发动机的停留时间增加，由于此原因，与仅由内燃发动机运行的车辆相比，冷启动阶段占据的总运行持续时间的比例增加。迄今为止，现有技术还没有公开有针对性地改善这些问题的任何设备和方法。
发明内容
因此，本发明解决的问题是提供一种加热用于排气后处理的装置的设备和方法，特别是在混合动力车辆的情况下，可靠地降低了在冷启动阶段增加的排放数据。
通过具有权利要求1的特征的设备，实现了与加热设备有关的目的。
本发明的一个示例性实施例涉及一种用于加热车辆中的排气后处理单元的设备，该车辆除了内燃发动机之外还包括电动马达作为驱动源，其中，提供至少一个电加热元件，该至少一个电加热元件布置在形成于该蜂窝体中的腔体中，以便加热排气能够流过的蜂窝体，其中，该蜂窝体由彼此上下堆叠的多个金属箔片形成，这些金属箔片在它们之间形成多个流动通道，流体能够沿轴向方向穿过这些流动通道，其中，该蜂窝体具有在径向方向上延伸的中空部(hollow)，加热元件容纳在该中空部中。
蜂窝体优选地由金属箔片形成，这些金属箔片彼此上下堆叠成堆叠层，并且已经插入到形成蜂窝体外壳的壳体中。另一有利的可能性是缠绕或卷绕堆叠层，以产生适合于预期用途的蜂窝体。
用于容纳加热元件的中空部优选地在蜂窝体的径向方向上形成，并且从由壳体限定的蜂窝体的外圆周朝向中心(由蜂窝体的中心线形成)延伸或者甚至延伸超过在径向方向上的中心。有利地，通过刺穿用于产生蜂窝体的单独金属箔片来产生中空部。例如，金属箔片可以具有在蜂窝体的圆周方向上延伸的槽孔，这些槽孔以如下方式布置，即，使得当堆叠层被卷绕或缠绕以形成蜂窝体时，各个层中的孔重叠。
事先将孔引入到金属箔片中是因为，由此可以产生直线的有利中空部，该中空部在径向方向上从外部向内延伸，而不需要在已经缠绕的蜂窝体上采用机械加工方法。在此过程中形成的切屑可能会堵塞蜂窝体或由所述蜂窝体形成的流动通道。
蜂窝体的中空部中的加热元件可以直接用于加热蜂窝体的金属结构，而不必要求排气流来传递热量。加热元件可以优选地从外部引入到中空部中并且紧固在围绕蜂窝体的壳体上。加热元件可以优选地在蜂窝体的轴向方向上散发该加热元件的热量。
特别有利的是，该加热元件能够在明显高于用内燃发动机运行的车辆中可用的车载电压的系统电压下运行，其中特别地，230伏特的系统电压是有利的。
排气管路中的加热元件(例如，加热的催化转化器的加热盘)通常在车辆的车载电压下运行。在使用内燃发动机运行的车辆中，该电压通常为12伏特。一些混合动力车辆具有已经在48伏特下运行的车载电气系统。在混合动力车辆中，为了使电动马达作为驱动源运行，需要明显更高的车载电压(在一些情况下超过300伏特)，由于此原因，加热元件也可以在更高的电压下运行。在此有利的是，在较高的电压的情况下，即使在相对较低的电流强度下也可以产生期望的功率输出。
还有利的是，当在径向方向上从外向内看时，该加热元件具有与包围该蜂窝体、隔热区域和加热区的壳体接触的区域。
特别需要在实际加热区与安装区域之间的隔热区域，通过该隔热区域将加热元件紧固在壳体上，因为可以选择性地防止或减少朝向壳体和朝向蜂窝体外部的热传递。结果是，由加热元件产生的大部分热量被用于加热实际的蜂窝结构，在运行过程中，在该蜂窝结构处发生排气的化学转化。
绝缘区域可以形成为由绝缘材料构成的附加元件，或者替代性地，可以通过由隔热材料制造所述区域而形成为安装区域本身的一部分。
通过在蜂窝体中设置加热元件，可以实现蜂窝体的连续温度控制，尤其是在内燃发动机不运行时。因此，可以在纯电动驱动模式期间对蜂窝体进行温度控制，因此更快地达到排气有效转化所需的温度，从而大大减少了由于冷启动而增加的排气排放。
还优选的是，在该排气的流动方向上，在该蜂窝体的前面定位有能够电加热的加热盘。在流动方向上在蜂窝体前面的附加加热盘是有利的，以便即使在内燃发动机运行时也能实现更快速的加热，因为排气在流入蜂窝体之前已经被加热。通过这种双重结构，可以在内燃发动机的运行和在电动马达的运行二者中，实现蜂窝体的快速加热，从而实现更快速的有效排气转化。
而且，有利的是，该蜂窝体中的加热元件和定位在该蜂窝体前面的加热盘能够彼此独立地被加热。为了根据相应选择的运行模式实现正确的加热，这是有利的。也可以提供加热盘和加热元件的混合运行，以便在内燃发动机运行中进一步改善加热。
关于加热方法的问题是通过具有权利要求6的特征的方法来解决的。
本发明的一个示例性实施例涉及一种用于加热车辆中的排气后处理单元的方法，该车辆具有至少一个内燃发动机和至少一个电动马达作为驱动源，其中，使用至少两种不同的加热方法，其中，根据用于产生推进力的相应的驱动源来选择相应的加热方法。
在纯电动马达运行中，内燃发动机不会产生可能将热量从加热盘朝向蜂窝体传递的排气。因此，借助于加热盘对蜂窝体的加热不是很有效。因此，有利的是，蜂窝体被布置在其中的加热元件直接加热。在内燃发动机的运行中，蜂窝体的加热可以以常规方式通过被加热盘加热的流动排气来完成。
另外有利的是，当使用该内燃发动机作为该驱动源时，该排气后处理单元通过定位在该蜂窝体前面的加热盘被加热，其中，流过该加热盘的排气流被该加热盘加热，然后经加热的排气流随后加热该蜂窝体。因此使排气达到较高的温度水平，由于此原因，蜂窝体也被更快地加热并且化学转化可以更快速地发生。
还便利的是，当该电动马达被用作该驱动源时，该排气后处理单元通过布置在该蜂窝体的中空部中的加热元件被加热。这是有利的，因为排气流不能用作由加热盘产生的热量的传递介质。蜂窝体中的加热装置可以确保蜂窝体的连续加热。
此外，有利的是，该加热元件用大约230伏特或更高的电压加热，从而即使在1至1.5安培的低电流强度下也能实现最高达300瓦特、优选地100瓦特至200瓦特的功率输出。低电流强度是有利的，因为在故障的情况下(例如短路)，给人带来的风险会减小。此外，与先前的常规电压水平相比，所产生的功率损耗被大大降低。
此外便利的是，只要不运行内燃发动机，就可以通过加热元件对蜂窝体进行连续的加热。这是有利的，以便在任何时候都将蜂窝体保持在一定的温度水平上，该温度水平允许在重新启动内燃发动机时使排气快速转化。取决于混合动力车辆的应用和蓄电装置的设计以及相应的驱动情况，内燃发动机可能会突然启动。因此，已经被充分预热的蜂窝体是有利的。
作为优选的选择，还可以提供用于运行加热元件的主动反馈控制。例如，考虑额外的输入变量(例如外部温度、内燃发动机的运行状态或蜂窝体的温度)，可以执行主动反馈控制。为了调节通过加热元件的加热，替代性地或附加地，也可以设置PTC加热元件或者将加热元件本身设计为PTC加热元件。
还优选的是，提供用于监测该车辆的控制单元，该控制单元根据相应的主动驱动源和瞬时行驶情况来产生对未来选择的驱动类型的预测，其中，在预期使用该内燃发动机作为该驱动源的情况下，开始通过该加热元件加热该蜂窝体。
该控制单元可以是独立的控制装置，或者可以在已经出于某种其他目的而存在的控制装置中实施。本质上，控制单元监测当前正在用于推进的驱动源以及车辆的当前行驶情况。如果合适，控制单元还从位于车辆中的其他系统(例如导航系统)获取数据。根据这些，控制单元确定关于将使用哪个驱动源的未来预测。如果可能使用内燃发动机，则可以激活蜂窝体中的加热元件，以确保蜂窝体得到足够的加热。
取决于要加热的蜂窝体的尺寸和加热元件的可能功率输出，可以调整预热时间。此外可能的是，提供特殊的运行模式，该运行模式例如确保在用电动马达运行的情况下对蜂窝体进行连续加热，以便以此方式始终在蜂窝体上产生足够高的运行温度。
还便利的是，为该加热元件提供预热功能，其中，可以基于由监测单元获取的值，通过计时器或通过外部控制元件来启动该预热功能。特别有利的是，可以通过安装在移动通信装置上的app来启动预热功能。为此，例如为了开始自动加热，app可以考虑数据(例如用户的移动曲线、所述用户的常规习惯，例如早晨的出发时间或类似)，从而确保蜂窝体在内燃发动机启动时已经具有用于排气后处理的足够温度。
在从属权利要求中并且在以下附图说明中描述了本发明的有利发展。
附图说明
在下文中将基于参照附图的示例性实施例详细解释本发明，在附图中：
图1示出了穿过加热元件的示意性截面图示，以及
图2示出了穿过具有加热元件的蜂窝体的示意性截面图示。
具体实施方式
图1示出了穿过加热元件1的示意性截面图示。加热元件1被分成三个区域。“冷”端2形成加热元件1的安装区域。通过这个区域2，加热元件1可以紧固在蜂窝体的壳体上，并且因此定位在蜂窝体的中空部中。
在这个区域下方，区域3表示隔热区域，该隔热区域在加热区域4(将在下面说明)与安装区域2之间产生隔热。加热区域4也可以称为加热区。
整个加热元件1为销形设计，并且优选地可以在径向方向上插入蜂窝体中。隔热区域3减少了由加热元件1朝向安装区域2释放的热量，从而同时也减少了朝向安装区域2并且进而朝向蜂窝体外部的热损失。因此，在加热区域4中产生的所有热量可以有利地释放到蜂窝体的蜂窝结构，从而总体上实现更有效的加热。
加热元件1具有电导体9，该电导体通过加热元件1内部的沟道型结构10穿过安装区域2和隔热区域3进入到加热区域4中。电导体6与安装区域2和隔热区域3电绝缘。
图2示出了穿过由堆叠的金属箔片制成的蜂窝体5的截面。在这种情况下，金属箔片具有孔，这些孔在完全组装的状态下，即当箔片堆已经被缠绕以形成蜂窝体5时，这些孔彼此成一条线，从而形成在径向方向上穿过蜂窝体延伸的中空部6。加热元件7从外部插入这个中空部6中。
如已经在图1中示出的，加热元件7具有三个区域，其中，特别是安装区域通过隔热与加热区域分开，通过该安装区域，加热元件7紧固在蜂窝体5的壳体8上。由此以尽可能小的热损失实现了蜂窝体5的适当加热。
图1和图2中的示例性实施例尤其不具有限制性质、并且用于展示本发明的概念。

Claims (13)

1.一种用于加热车辆中的排气后处理单元的设备，该车辆除了内燃发动机之外还包括电动马达作为驱动源，其中提供至少一个电加热元件(1，7)，该至少一个电加热元件布置在形成于蜂窝体(5)中的腔体(6)中，以便加热排气能够流过的蜂窝体(5)，其中，该蜂窝体(5)由彼此上下堆叠的多个金属箔片形成，这些金属箔片在它们之间形成多个流动通道，流体能够沿轴向方向穿过这些流动通道，其特征在于，该蜂窝体(5)具有在径向方向上延伸的中空部(6)，加热元件(1，7)容纳在该中空部中。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该加热元件(1，7)能够在12伏特以上、最高达48伏特的系统电压下运行。
3.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，该加热元件(1，7)能够在明显高于用内燃发动机运行的车辆中可用的车载电压的系统电压下运行，其中特别地，230伏特的系统电压是有利的。
4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，当在径向方向上从外向内看时，该加热元件(1，7)具有与包围该蜂窝体(5)、隔热区域(3)和加热区(4)的壳体(8)接触的区域(2)。
5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，在该排气的流动方向上，该蜂窝体(5)的前面定位有能够电加热的加热盘。
6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，该蜂窝体(5)中的加热元件(1，7)和定位在该蜂窝体(5)前面的加热盘能够彼此独立地加热。
7.一种用于加热车辆中的排气后处理单元的方法，该车辆具有至少一个内燃发动机和至少一个电动马达作为驱动源，其特征在于，使用至少两种不同的加热方法，其中，根据用于产生推进力的相应的驱动源来选择相应的加热方法。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当使用该内燃发动机作为该驱动源时，该排气后处理单元通过定位在该蜂窝体(5)前面的加热盘被加热，其中，流过该加热盘的排气流被该加热盘加热，然后该经加热的排气流随后加热该蜂窝体(5)。
9.如前述权利要求7或8中任一项所述的方法，其特征在于，当该电动马达被用作该驱动源时，该排气后处理单元通过布置在该蜂窝体(5)的中空部(6)中的加热元件(1，7)被加热。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该加热元件(1，7)用大约230伏特或更高的电压加热，从而即使在1至1.5安培的低电流强度下也能实现最高达300瓦特、优选地100瓦特至200瓦特的功率输出。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，只要该内燃发动机不运行，就能通过该加热元件(1，7)对该蜂窝体(5)进行连续地加热。
12.如前述权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，提供用于监测该车辆的控制单元，该控制单元根据相应的主动驱动源和瞬时行驶情况来产生对未来选择的驱动类型的预测，其中，在预期使用该内燃发动机作为该驱动源的情况下，开始通过该加热元件(1，7)加热该蜂窝体(5)。
13.如前述权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，为该加热元件提供预热功能，其中，能够基于由监测单元获取的值，通过计时器或通过外部控制元件来启动该预热功能。
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