CN112166243A - 可电加热的催化器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于催化处理内燃发动机（12）的排气管道（16）中的排气（17）的可电加热的催化转化器（18）。所述催化转化器（18）包括：用于催化处理所述排气（17）的第一催化区域（22）；与所述第一催化区域（22）分开的用于催化处理所述排气（17）的第二催化区域（24），其中，所述第二催化区域（24）以与所述第一催化区域（22）的预定间隔布置在所述第一催化区域（22）的下游；以及电加热装置（28），所述排气（17）能够流过所述电加热装置，所述电加热装置布置在所述第一催化区域（22）的下游和所述第二催化区域（24）的上游，并且被设计成至少部分地加热所述第一催化区域（22）和所述第二催化区域（24）。

Description

可电加热的催化器及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种可电加热的催化转化器以及一种用于操作所述类型的催化转化器的方法。

背景技术

催化转化器特别是设置在具有内燃发动机的车辆中，用于在内燃发动机的排气管道中进行排气后处理，以便由此降低内燃发动机的排气中的污染物排放。在此，在催化转化器中通过氧化或还原相应的污染物来进行燃烧污染物的催化处理或化学转化。为此，催化转化器通常具有催化区域，在该催化区域中发生化学转化-催化。

所需的操作温度通常位于从大约250℃的最小值开始的燃料依赖和涂层依赖范围内，因为在催化区域中执行的催化需要某个最小温度，也称为启动温度，以用于有效的排气后处理。

为了遵守越来越严格的排放法规，必须使催化转化器快速达到期望的操作温度。为此，一方面可以实施燃烧措施，也就是说可以实施这样的措施，利用该措施，操作内燃发动机，使得内燃发动机的废热可以用于加热催化转化器。然而，这导致更高的燃料消耗。

另一方面，也可以使用可电加热的催化转化器。这种催化转化器具有专用的电加热装置，该电加热装置电力地操作并且使催化转化器达到期望的操作温度。可电加热的催化转化器的优点在于，催化转化器即使在没有内燃发动机操作的情况下也能够在所谓的催化转化器冷阶段中达到操作温度。这节省了燃料。然而，这种催化转化器的缺点是，由于内燃发动机未处于操作中，在加热装置处局部产生的热量仅不充分地传输到催化转化器中，并且在催化转化器上，特别是在加热装置上出现明显的温度梯度。这可能导致加热装置和/或催化转化器的过热以及甚至损坏。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种可电加热的催化转化器，其可以特别有效地操作并且在加热催化转化器期间具有不太明显的温度梯度。本发明的另一个目的是提供一种用于操作所述类型的催化转化器的方法。

所述目的通过根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器和根据权利要求5所述的方法来实现。

从属权利要求涉及有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种可电加热的催化转化器，用于催化处理内燃发动机的排气管道中的排气。根据本发明的催化转化器包括用于对排气进行催化处理的第一催化区域和与第一催化区域分开的用于对排气进行催化处理的第二催化区域，其中第二催化区域以与第一催化区域的预定间隔布置在第一催化区域的下游，也就是说布置在排气的流动方向上的下游。第一催化区域和第二催化区域通常形成为蜂窝体，其由陶瓷或涂覆有所谓的载体涂层的金属构成，并且在所述蜂窝体上进行排气的催化处理或转化。

根据本发明的催化转化器还包括排气能够流过的电加热装置，该电加热装置布置在第一催化区域的下游和第二催化区域的上游，并且设计成至少部分地加热第一催化区域和第二催化区域。因此，电加热装置沿排气流动方向布置在第一催化区域的下游和第二催化区域的上游，或者换句话说，布置在第一催化区域和第二催化区域之间。由于电加热装置位于第一催化区域和第二催化区域之间，所以加热装置的热能可以均匀地传递到第一催化区域和第二催化区域，由此可以降低催化转化器上的温度梯度。

此外，利用所述类型的催化转化器，通过下面将进一步描述的合适方法，可以将位于催化转化器中并由加热装置加热的气体体积移动到第二催化区域和第一催化区域两者中。通过被加热的气体体积到第一催化区域和第二催化区域中的移动，产生在加热装置与第一催化区域和第二催化区域之间的对流热传输，这可以进一步减小温度梯度。此外，在相同的热量输入的情况下，可以增加催化活性体积，也就是说可以增加已经达到操作温度的第一催化区域和第二催化区域的比例。

因此，通过根据本发明的催化转化器，即使在其中内燃发动机未处于操作中的催化转化器冷阶段中，也可以快速地将催化转化器加热到期望的操作温度，并且同时使催化转化器中的温度峰值最小化。

在优选的实施例中，第一催化区域和第二催化区域在排气的流动方向上具有相等的长度。换句话说，加热装置在催化转化器的纵向延伸方向上对称地布置，该纵向延伸方向平行于排气流动方向。这样，第一催化区域和第二催化区域可以被大致均匀地加热到操作温度，使得催化转化器上的温度梯度可以进一步减小。

根据另一实施例，第一催化区域和第二催化区域与电加热装置接触，其中该接触不会损害加热装置的功能。这样，通过加热装置引入的热能也通过加热装置与第一催化区域和第二催化区域之间的热传导而直接引入第一催化区域和第二催化区域。

在另一实施例中，电加热装置是可电加热的加热盘。由于加热装置呈加热盘的形式，热能可以传递到第一催化区域和第二催化区域的几乎整个端面，使得第一催化区域和第二催化区域可以快速和有效地被加热。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于加热根据第一方面或其实施例的可电加热催化转化器的方法。该方法特别是用于在催化转化器冷阶段中，也就是说在还没有达到催化转化器的期望的操作温度，例如催化转化器的启动温度，并且还没有起动内燃发动机的阶段中，加热催化转化器。在此，催化转化器布置在内燃发动机的排气管道中。该方法包括，在第一步骤（步骤a））中，激活电加热装置，使得加热装置将排气管道的围绕加热装置的第一气体体积加热到预定温度。预定温度例如可以从加热装置的温度得到或通过模型确定。该方法包括，在第二步骤（步骤b））中，将被加热的第一气体体积移动到第一催化区域以便加热第一催化区域，其中，由于第一气体体积移动到第一催化区域，排气管道的跟随第一气体体积的第二气体体积移动到加热装置。第二气体体积的跟随移动自动地进行，因为第二气体体积例如是催化转化器中沿流动方向位于第一气体体积上游或下游的气体体积。该方法包括，在第三步骤（步骤c））中，激活电加热装置，使得加热装置将围绕加热装置的第二气体体积加热到预定温度。该方法最后包括，在第四步骤（步骤d））中，将被加热的第二气体体积移动到第二催化区域以加热第二催化区域。

第一气体体积或第二气体体积例如可以是位于排气管道中的空气体积。通过加热第一气体体积和第二气体体积以及随后将第一气体体积和第二气体体积移动到第一催化区域和第二催化区域中，第一催化区域和第二催化区域可以交替地被加热。这样，在输入到加热装置的热量相同的情况下，可以增加催化活性体积，也就是说可以增加已经达到操作温度的第一催化区域和第二催化区域的比例。由此，提供一种方法，利用该方法不仅可以快速且以小的温度梯度加热催化转化器，而且可以在预定时间内使催化转化器的尽可能大的体积达到操作温度。

在该方法的优选实施例中，重复执行步骤a）至d），直到催化转化器已经达到期望的操作温度。这里，操作温度可以从加热装置本身的温度得到，或者基于如下模型得到，所述模型考虑了引入加热装置的热能、从加热装置到第一气体体积和第二气体体积的热传输、以及从第一气体体积和第二气体体积到第一催化区域和第二催化区域的热传输。

在该方法的优选实施例中，内燃发动机在驱动方面联接到电机，并且电机被激活，使得电机交替地在第一旋转方向上旋转，以便将第一气体体积移动到第一催化区域，以及在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转，以便将第二气体体积移动到第二催化区域中。

换句话说，第一气体体积和第二气体体积进入第一催化区域和第二催化区域中的移动可以通过电机的旋转方向的反向来执行，该电机电力起动内燃发动机。这是可能的，因为电机在驱动方面例如与内燃发动机的曲轴连接，使得电机的旋转方向的反向也导致曲轴的旋转方向的反向。以这种方式，曲轴例如在第一方向上旋转，在该第一方向上，在节流挡板的合适的定位的情况下，新鲜空气能够从内燃发动机的进气管道被压入到内燃发动机的排气管道中，由此，新鲜空气的气体体积能够从加热装置移动到第二催化区域中。在电机和曲轴的旋转方向反向时，曲轴沿与第一方向相反的第二方向旋转，由此进气门和排气门的气门位置反向，并且内燃发动机的排气管道变成内燃发动机的进气管道。这样，内燃发动机可以从排气管道中抽吸空气，由此使得可以将气体体积从加热装置抽吸或移动到第一催化区域中。

在特别优选的实施例中，内燃发动机还可以具有完全可变气门传动装置，在所述完全可变气门传动装置中，进气门和排气门的位置独立于曲轴的旋转方向。这样，通过进气门和排气门的对应定位，即使电机的旋转方向没有反向，气体体积也可以从加热装置移动到第一催化区域或第二催化区域中。

附图说明

现在将参考附图在下文更详细地解释本发明的示例性实施例。在附图中：

图1是车辆的示意图，该车辆具有内燃发动机和在内燃发动机的排气管道中的根据本发明的催化转化器；

图2是用于在催化转化器冷阶段中加热根据本发明的催化转化器的方法的步骤的示意图；以及

图3至图8示出了根据本发明的催化转化器的详细视图，以用于更详细地解释该方法。

具体实施方式

首先参考图1，该图是车辆10的示意图，该车辆具有内燃发动机12、例如经由曲轴在驱动方面连接到该内燃发动机的电机14、以及该内燃发动机12的排气管道16。

在排气管道16中布置有可电加热的催化转化器18。该可电加热的催化转化器包括套管20，在该套管中设置有第一催化区域22和与第一催化区域以预定间距间隔开的第二催化区域24。在这种情况下，第一催化区域22和第二催化区域24在排气管道16的排气17的流动方向上串联布置。也就是说，第二催化区域24在排气17的流动方向上布置在第一催化区域22的下游，或者在第一催化区域22之后。

第一催化区域22和第二催化区域24都用于催化处理或氧化或还原内燃发动机12的存在于排气管道16中的排气17，以便排气17可以基本上无污染地排放到周围环境26中。因此，第一催化区域22和第二催化区域24也可以称为活性催化区域。

为了在第一催化区域22和第二催化区域24中可以进行排气17的催化处理，第一催化区域22和第二催化区域24必须各自处于或高于某一操作温度，该操作温度也被称为启动温度。为了达到该操作温度，催化转化器18具有电加热装置28，其可以主动加热第一催化区域22和第二催化区域24。

如图1中可以看到的，加热装置28布置在第一催化区域22的下游和第二催化区域24的上游，也就是说，在第一催化区域22和第二催化区域24之间。这里，加热装置28设计成使得排气17可以流过加热装置28，使得排气17首先流过第一催化区域22，然后流过加热装置28，并且然后流过第二催化区域24。

如果能量施加到加热装置28上，加热装置28升温并将其热能传递到第一催化区域22和第二催化区域24。第一催化区域22和第二催化区域24在排气流动方向上具有相等的长度23。换句话说，加热装置28在催化转化器18的纵向延伸方向上，也就是说在排气流动方向上，对称地布置在第一催化区域22和第二催化区域24之间。由于对称布置，热量可以均匀地传递到第一催化区域22和第二催化区域24。如图1中还可以看到的，加热装置28还与第一催化区域22和第二催化区域24接触。这样，加热装置28可以通过热传导将热能传递到特别是第一催化区域22和第二催化区域24的端侧。

加热装置28可以呈加热盘的形式。所述加热盘可以大致完全填充套管20的内部空间，使得当加热盘被加热时，大量的热能可用于加热第一催化区域22和第二催化区域24。

在车辆10中还设置有控制装置30，该控制装置在控制方面如虚线所示与加热盘28、内燃发动机12和电机14连接。在此，控制装置30例如可以读取加热装置28的温度并且以取决于所测量的温度的方式改变电机14或内燃发动机12的操作模式。

如果催化转化器18现在从催化转化器冷阶段开始被加热，在该冷阶段中，第一催化区域22和第二催化区域24还没有达到期望的操作温度，并且同时内燃发动机12处于停止或未处于操作中，则能量被施加到加热装置28。这导致加热装置28的局部加热，使得热能例如通过热传导被传递到第一催化区域22和第二催化区域24。

然而，由于内燃发动机12不旋转或处于停止，当加热装置28被加热时，在加热装置28处局部释放的热量将不会完全被传输到第一催化转化器区域22和第二催化转化器区域24中。这会导致催化转化器18两端的明显的温度梯度，也就是说在排气17的流动方向上或在催化转化器的纵向延伸方向上明显的温度梯度。这种明显的温度梯度会导致加热装置28的过热并最终导致其损坏。此外，仅第一催化转化器区域22和第二催化转化器区域24的面向加热装置28的端部区域被加热。

为了现在更快、更有效地并且以不太明显的温度梯度加热催化转化器18，控制装置30可以控制电机14的操作，使得位于加热装置28的区域中的气体体积32向下游和向上游移动（由双箭头表示）。

由于气体体积32在加热装置28的下游和上游移动，由加热装置28加热的气体体积可以移动到第一催化区域22和第二催化区域24中，并且因此通过对流热传递更有效地且以更低的温度梯度加热第一催化区域22和第二催化区域24。

在此，气体体积32在加热装置28下游的移动，也就是说向第二催化区域24的移动，例如通过控制装置30控制电机14使得电机顺时针旋转而发生。结果，内燃发动机12的曲轴同样顺时针旋转。如果节流挡板打开，则空气现在可以从内燃发动机12的进气管道吸入并被压入内燃发动机12的排气管道。存在于催化转化器18中的新鲜空气随后可以由加热装置28加热，使得由加热装置28加热的气体或新鲜空气容积32可以通过内燃发动机12的继续旋转被压入第二催化区域24。在那里，加热的气体体积32可以加热第二催化区域24。

气体体积32在加热装置28上游的移动、也就是说向第一催化区域22的移动类似地进行。例如，控制装置30控制电机14，使得电机逆时针旋转。电机14的旋转方向的这种反向导致内燃发动机12的曲轴的旋转方向的反向，使得进气门和排气门的气门位置同样反向。因此，内燃发动机12的排气管道变成内燃发动机12的进气管道。因此，内燃发动机12可以吸入存在于催化转化器18中的气体，并将气体体积32移动到例如第一催化区域22。在那里，加热的气体体积32可以加热第一催化区域22。

这里，电机14首先顺时针还是逆时针旋转并不重要。电机14的旋转方向的反向导致曲轴的旋转方向的反向，并因此导致排气管道中的流动方向的反向，这个事实就足以使气体体积32向下游或向上游移动。

现在将基于图2至图8在下文更详细地讨论用于加热催化转化器18的方法。图3至图8中示出了该方法的各个步骤。图2中示意性地示出了流程图。

如已经提到的那样，首先借助于加热装置28 （图3）将排气管道16的第一气体体积32加热到预定的温度T。该气体体积32例如可以是存在于排气管道16或催化转化器18中的气体。这里，预定温度T可以在催化转化器18的期望操作温度的范围内。控制装置30例如基于加热装置28的温度来确定第一气体体积32的预定温度T。

当控制装置30已经确定第一气体体积32的温度已经达到预定温度T时，控制装置30控制电机14 ，使得电机14沿第一旋转方向（例如逆时针方向）旋转（图4）。电机14沿第一旋转方向的旋转在排气管道16中产生抽吸作用，使得被加热的第一气体体积（由虚线框32'表示）从加热装置28移动到第一催化区域22。被加热的第一气体体积32现在可加热第一催化区域22。

由于第一气体体积32移动到第一催化区域22，加热装置28现在被跟随第一气体体积32的第二气体体积34包围（图5）。控制装置30又控制加热装置28，使得第二气体体积34加热到预定温度T，该预定温度T可以是与在第一气体体积32的情况下相同的预定温度。

当控制装置30已经确定第二气体体积34的温度已达到预定温度T时，控制装置30现在控制电机14，使得电机14沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向（例如顺时针）旋转（图6）。电机14在第二旋转方向上的旋转在排气管道16中产生推力作用，使得被加热的第二气体体积34从加热装置28移动到第二催化区域24。被加热的第二气体体积34现在可以加热第二催化区域24。

然而，在第二气体体积34移动到第二催化区域24期间，位于第一催化区域22中的第一气体体积（由虚线框32'表示）同时也从第一催化区域22移动到加热装置28。

然而，由于第一气体体积32已经至少部分地将其热能释放到第一催化区域22，第一气体体积32的温度现在低于预定温度T。因此，控制装置30将激活加热装置28，使得加热装置28将第一气体体积32再次加热到预定温度T （图7）。

当控制装置30已经确定第一气体体积32的温度已经达到预定温度T时，控制装置30控制电机14，使得电机14再次沿第一旋转方向（例如逆时针方向）旋转（图8）。电机14沿第一旋转方向的旋转在排气管道16中产生抽吸作用，使得被加热的第一气体体积32从加热装置28移动到第一催化区域22。被加热的第一气体体积32现在可以再次加热第一催化区域22。

同时，第二气体体积34从第二催化区域24 （由虚线框34'表示）移动到加热装置28（图8）。然而，由于第二气体体积34已经至少部分地将其热能释放到第二催化区域24，第二气体体积34的温度同样低于预定温度T。因此，控制装置30将激活加热装置28，使得加热装置28将第二气体体积34再次加热到预定温度T （图5）。

执行这些步骤直到控制装置30确定催化转化器18、特别是第一催化区域22和第二催化区域24已经达到期望的操作温度。

尽管已经结合图2至图8将用于控制催化转化器18的方法描述为使得第一气体体积首先移动到第一催化区域22中，并且随后使得第二气体体积移动到第二催化区域24中，不言而喻也可以使得第一气体体积首先移动到第二催化区域24中，并且随后使得第二气体体积移动到第一催化区域22中。

尽管结合图1至图8，催化转化器18在第一催化区域22与第二催化区域24之间具有单个加热装置28，不言而喻地，催化转化器18也可以具有另外的附加加热装置。例如，第一附加加热装置可居中地布置在第一催化区域22中，并且第二附加加热装置可居中地布置在第二催化区域24中。

本发明基于这样的构思，即，不是如先前那样在催化转化器的端侧处，而是在两个相邻的催化区域之间设置加热装置。以此方式，由加热装置加热的气体体积可通过来回移动而通过对流热传输将加热装置的热能传递到相邻的催化区域。本发明还基于这样的构思，即，通过内燃发动机的正向和反向旋转，使得气体体积的来回移动成为可能。本发明还基于这样的构思，即，内燃发动机的正向和反向旋转可以通过内燃发动机的电力起动和电机的旋转方向的对应反向来实现。

Claims (7)

1.一种能够被电加热的催化转化器（18），用于催化处理内燃发动机（12）的排气管道（16）中的排气（17），包括：

-用于催化处理所述排气（17）的第一催化区域（22），

-第二催化区域（24），其与所述第一催化区域（22）分开，用于所述排气（17）的催化处理，其中所述第二催化区域（24）以与所述第一催化区域（22）的预定间隔布置在所述第一催化区域（22）的下游，以及

-电加热装置（28），所述排气（17）能够流动通过所述电加热装置，所述电加热装置布置在所述第一催化区域（22）的下游和所述第二催化区域（24）的上游，并且所述电加热装置设计成至少部分地加热所述第一催化区域（22）和所述第二催化区域（24）。

2.根据权利要求1所述的催化转化器（18），其中，所述第一催化区域（22）和所述第二催化区域（24）在所述排气（17）的流动方向上具有相等的长度（23）。

3.根据权利要求1或2所述的催化转化器（18），其中，所述第一催化区域（22）和所述第二催化区域（24）与所述电加热装置（28）接触。

4.根据前述权利要求中任一项所述的催化转化器（18），其中，所述电加热装置（28）是能够被电加热的加热盘。

5.一种用于在催化转化器冷阶段中加热根据前述权利要求中任一项所述的能够被电加热的催化转化器（18）的方法，在所述催化转化器冷阶段中，所述催化转化器（18）尚未达到期望的操作温度并且所述内燃发动机（12）尚未起动，其中，所述方法具有以下步骤：

a）激活电加热装置（28），使得所述加热装置（28）将所述排气管道（16）的围绕所述加热装置（28）的第一气体体积（32）加热到预定温度，

b）将被加热的第一气体体积（32）移动到第一催化区域（22）以便加热所述第一催化区域（22），其中，由于所述第一气体体积（32）移动到所述第一催化区域（22），所述排气管道（16）的跟随所述第一气体体积（32）的第二气体体积（34）移动到所述加热装置（28），

c）激活所述电加热装置（28），使得所述加热装置（28）将围绕所述加热装置（28）的所述第二气体体积（34）加热到预定温度，以及

d）将被加热的第二气体体积（34）移动到所述第二催化区域（24）以便加热所述第二催化区域（24）。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，重复执行步骤a）至d），直到所述催化转化器（18）已经达到所述期望的操作温度。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述内燃发动机（12）在驱动方面联接到电机（14），并且所述电机（14）被激活以使得所述电机（14）交替地在第一旋转方向上旋转以便将所述第一气体体积（32）移动到所述第一催化区域（22），以及在与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转以便将所述第二气体体积（34）移动到所述第二催化区域（24）中。

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