CN114320542A - 感应加热装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理气态废气排放物的组件，其具有安装在气体排放物处理单元旁边的感应加热器，以及下游基体单元或单个基体的上游和下游部分。上游单元或部分具有延伸第一基体的长度的线性通道，用于气体排放物的通过，但是一些通道被金属插入件堵塞，用于感应加热上游单元。金属插入件的浓度很高，并且金属插入件分布成使得快速且强烈地感应加热切片或部分，以快速达到“起燃”温度，以便将在起燃温度处被热补充的气体排放物尽可能快地传递到下游基体或部分。

Description

感应加热装置和方法

本申请是中国申请号为201910152243.X、申请日为2019年02月28日、名称为“感应加热装置和方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及感应加热结构和方法，其特别地但非排它地应用于催化转化器、颗粒过滤器(PF)、和用于处理废气以减少有毒污染物的类似结构。

背景技术

美国运输部(DOT)和美国环境保护署(EPA)制定了美国联邦法规，其规定了国家温室气体排放标准。从2012车辆新产品年度(model year)开始，汽车制造商要求每年将车队范围内的温室气体排放量减少约5％。包含在要求中的是，例如，新标准规定新客车、轻型卡车、和中型客运车辆的估计的总计平均排放水平在2016车辆新产品年度不得超过每英里250克二氧化碳(CO2)。

催化转化器和DPF用于内燃机中，以减少燃料作为燃烧循环的一部分燃烧时产生的有毒废气排放物。这些排放物中的显著部分是一氧化碳和一氧化氮。这些气体对健康有毒，但可以通过分别氧化成二氧化碳和氮气/氧气而转化为较少的有毒气体。其他有毒气体排放产物(包括未燃烧的碳氢化合物)也可以通过氧化或还原转化为不太有毒的形式。如果转化过程在高温下进行并且存在与待处理并转化成良性气态形式的特定有毒排放气体匹配的适当催化剂的情况下，则可以实现或加速该转化过程。例如，用于将一氧化碳转化为二氧化碳的典型催化剂是细分的铂和钯，而用于将一氧化氮转化为氮气和氧气的典型催化剂是细分的铑。

催化转化器和PF在冷却时(即从环境空气启动温度到量级通常为300℃或“起燃”温度的温度的运行温度，该运行温度是金属催化剂开始加速先前描述的污染物转化过程的温度)具有低效率。起燃通常表征为有毒排放物减少50％时所处的温度，对汽油而言，其约为300℃。在起燃温度以下，几乎不发生催化作用。因此，这是车辆日常使用期间产生大部分车辆污染排放物的时期。尽可能快地使催化转换器或PF加热对于减少冷启动排放物是非常重要的。

共同未决的美国专利申请14452800(具有感应加热的催化转化器结构)示出了催化转化器组件，该催化转化器组件具有基体，该基体具有多个用于废气通过其中的巢室。金属位于基体中的预定位置处，并且电磁场发生器安装在基体附近，用于感应地产生变化的电磁场以加热金属并因此加热基体。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于处理气体排放物的组件，包括：第一基体，所述第一基体具有延伸所述第一基体的长度的多个第一线性通道，用于气体排放物的通过，所述第一基体在所述多个第一线性通道的子集中的每个第一线性通道中具有细长的金属插入件，其中，所述第一基体的每单位体积的金属浓度朝向所述第一基体的一端增加；电磁场发生器，所述电磁场发生器被构造成感应地加热所述金属插入件并由此加热所述第一基体；以及第二基体，所述第二基体具有多个第二线性通道，用于接收从所述第一基体的另一端离开的气体排放物，所述第一基体与所述第二基体基本对准但是与所述第二基体分离开。

根据本发明的第二方面，提供了一种气体加热器，包括：陶瓷蜂窝基体，所述陶瓷蜂窝基体具有：延伸所述陶瓷蜂窝基体的长度的第一多个通道，用于将在所述陶瓷蜂窝基体的一端引入到所述第一多个通道中的气体流从所述一端传输到所述陶瓷蜂窝基体的另一端；延伸所述陶瓷蜂窝基体的长度的多个第二线性通道，第一多个细长金属插入件基本上堵塞所述多个第二线性通道中的相应通道；电磁场发生器，所述电磁场发生器被构造成感应地加热所述金属插入件；和流动气体源，所述流动气体源位于所述陶瓷蜂窝基体的上游，用于产生所述气体流。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于处理气体排放物的组件，包括：金属母体和通过所述金属母体的多个通道，用于使气体排放物通过从金属母体的一端进入、通过所述通道并从所述金属母体的另一端排出；电磁场发生器，所述电磁场发生器被构造为感应地加热所述金属母体中的金属，从而加热沿着所述金属母体通过的气体排放物；以及具有多个线性通道的基体，所述线性通道用于接收从所述金属母体的所述另一端离开的气体排放物，所述金属母体与基体基本对准。

附图说明

为了说明的简单和清楚起见，附图中示出的元件未按相同比例绘制。例如，为清楚起见，一些元件的尺寸相对于其他元件被放大。本发明的优点、特征部和特性，以及结构的相关元件的方法、操作和功能，以及部件的组合和制造的经济性将在参考附图考虑以下描述和权利要求时变得显而易见，所有附图构成说明书的一部分，其中相似的附图标记表示各附图中的对应部分，并且其中：

图1是现有技术的气体排放物处理单元的纵向剖视图。

图2是适用于本发明的一个实施例的气体排放物处理单元的纵向剖视图。

图3是图2的单元的剖视图。

图4是根据本发明的一个实施例的气体排放物处理单元的一部分的透视剖视图，其示出了位于基体的巢室中的金属插入件。

图5、5A和5B分别是根据本发明的另一实施例的气体排放物处理单元的纵向剖视图、横剖视图和透视图，该单元适于前端加热。

图6、6A和6B分别是根据本发明的另一实施例的气体排放物处理单元的纵向剖视图、横剖视图和透视图，该单元也适用于前端加热。

图6C是根据本发明的另一实施例的气体排放物处理单元的纵向剖视图，该单元适于对离开上游块体的气体进行后端加热。

图6D是根据本发明的又一实施例的气体排放物处理单元的纵向剖视图，该单元适于前端加热。

图6E是根据本发明的又一实施例的气体排放物处理单元的纵向剖视图，该单元适于对离开上游块体的气体进行后端加热。

图7是根据本发明的另一实施例的气体排放物处理组件的纵向剖视图，前部气体排放物处理单元适于后端加热，以加热下游气体排放物处理单元。

图7A是根据本发明的另一实施例的气体排放物处理组件的纵向剖视图，其具有前部单元，该前部单元构造成用于感应地前端加热和后端加热，从而加热下游气体排放物处理单元。

图7B是根据本发明的另一实施例的气体排放物处理组件的纵向剖视图，其具有感应地前端加热和后端加热的上游单元、以及感应地前端加热的下游单元。

图8和8A分别是根据本发明的另一实施例的排放物处理单元的端视图和透视图，该单元具有单独的前端加热器。

图9和9A分别是根据本发明的一个实施例的排放物处理单元的端视图和透视图，该单元具有单独的前端加热器的替代形式。

图10和10A分别是根据本发明的一个实施例的排放物处理单元的端视图和透视图，该单元具有单独的前端加热器的另一替代形式。

图11和11A分别是根据本发明的一个实施例的排放物处理单元的端视图和透视图，该单元具有单独的前端加热器的又一替代形式。

图12和12A分别是根据本发明的一个实施例的排放物处理单元的端视图和透视图，该单元具有单独的前端加热器的另一替代形式。

图13和13A分别是根据本发明的一个实施例的气体排放物处理单元的端视图和透视图，该单元具有单独的前端加热器的另一替代形式。

图14是根据本发明的一个实施例的空间加热器的侧剖视图。

具体实施方式

气体排放物处理组件可采用多种形式中的任何一种。典型的气体排放物处理组是已知的催化转化器，其具有通常由陶瓷材料制成并通常称为块体的圆柱形基体10，其一个示例在图1中示出。块体具有蜂窝结构，其中许多小面积通道或巢室12在块体的长度上延伸，巢室由壁14隔开。通常基体10的每平方英寸(cpsi)横截面积上具有400至900个巢室，并且壁的厚度通常在0.003至0.008英寸的范围内。通常，陶瓷基体10在挤出过程中形成，其中生陶瓷材料通过适当形状的模具挤出，并且从挤出中连续切割单元，然后将单元切割成块体。巢室或通道12的面形状可以是任何便于有助于基体10的整体强度同时具有大的接触面积的形状，在接触面积处流动的废气可以与涂覆在巢室的内壁上的热催化剂相互作用。在诸如颗粒过滤器的其他气体排放物处理中，在通道壁上可能存在或可能不存在催化剂涂层。在颗粒过滤器中，巢室的棋盘格式子集的前端被堵塞，巢室的“逆向”棋盘格式子集的后端被堵塞，并且通过蜂窝结构的多孔壁将气体排放物从第一子集的巢室驱动到逆向子集的巢室中来处理气体排放物。

在催化转化器中，管状巢室12的内部洗涂有含有特定催化剂材料的层。洗涂层通常包含适合于确保粘附到基体的固化陶瓷材料上的基础材料，以及用于促进特定污染物减少化学反应的夹带颗粒催化剂材料。这种催化剂材料的示例是铂和钯(它们是将一氧化碳和氧气有效地转化成二氧化碳的催化剂)，以及铑(它是适于将一氧化氮转化成氮气和氧气的催化剂)。促进高温氧化或还原其他气体物质的其它催化剂是公知的。通过在陶瓷糊或浆料中产生细化的催化剂的悬浮液来准备洗涂，该陶瓷浆料用于使洗涂层粘附到陶瓷基体的壁上。作为用于将催化剂材料置于基体表面上的洗涂的替代方案，基体材料本身可包含催化剂，使得块体壁本身在界定巢室的内表面处存在催化剂材料。

来自柴油(压缩燃烧)发动机的废气比汽油(火花燃烧)发动机含有更多氮氧化物。即使长期暴露于低水平的氮氧化物也会导致暂时或永久的呼吸问题。选择性催化还原(SCR)是将液体还原剂注入柴油发动机废气流中以与废气中的二氧化氮和一氧化氮(统称为NO_X)结合的方法。优选的还原剂是尿素溶液(2(NH₂)₂CO)，其通常称为柴油机废气流体(DEF)。在存在催化剂的情况下，尿素热分解产生的氨与氮氧化物结合以产生危害较小的产物(主要是氮和水)。其他还原剂(如无水氨和氨水)也可用作尿素的替代品，尽管特别是对于汽车应用来说，车载储存存在较大困难。合适的催化剂可以是任意的一些金属氧化物(如钼、钒和钨的氧化物)、一些贵金属、和沸石。用于SCR反应的典型温度范围是360℃到450℃，使用活性炭等催化剂来刺激较低温度的反应。如汽油(火花燃烧)发动机那样，柴油(压力燃烧)发动机可能会在启动后经历一段时间，在该段时间中，废气温度太低而无法发生有效的SCR NOx还原过程。其它催化转化器(其中，发现本发明可应用于预热或补充加热)是贫NO_X催化剂系统、贫NO_X捕集系统、和非选择性催化还原系统。本发明也适用于这些氮氧化物排放物处理组件中的每一个。

气体排放物处理组件可以具有一系列基体或块体10，每个基体或块体具有特定的催化剂层或排放物处理模式，这取决于待还原或中和的有毒排放物。气体排放物处理块体可以由不同于烧制陶瓷的材料制成，例如不锈钢。而且，块体可以具有与上述那些具有不同形式的蜂窝状巢室或通道。例如，巢室可以呈圆形、正方形、六边形、三角形或其他方便的横截面形状。另外，如果需要优化强度和低热容量或用于其他目的，一些挤出的蜂窝壁可以形成为比其他壁更厚、或者形成为使得巢室的形状和尺寸有一些变化。巢室的相邻内壁之间的连接部可以是锐角的或者可以呈现弯曲轮廓。

通常，如图1所示，洗涂过的陶瓷蜂窝块体10包裹在陶瓷纤维膨胀毯16中。冲压的金属外壳或罐18在气体排放物处理单元前后的排气管(未示出)的各部件之间过渡，以便包围被膨胀毯包裹的块体。外壳18通常由两个部件组成，这两个部件被焊接以将块体密封在适当位置。膨胀毯16在外壳18和块体10之间提供缓冲，以适应它们不相同的热膨胀系数。在给定的温度增加下，薄片金属外壳18的金属比块体的陶瓷材料膨胀得多得多，并且如果两种材料结合在一起或彼此直接接触，则在两种材料的界面处会发生破坏性应力。毯16还抑制来自排气系统的振动，否则可能损坏基体10的脆性陶瓷。

在使用中，被包裹的块体(或多个块体)安装在车辆排气管线中，以接收来自发动机的废气并将它们传递到车辆尾管。废气通过气体排放物处理单元而加热陶瓷块体10以促进催化剂活化过程，其中流动的气体接触催化剂层。特别地，当车辆发动机在最佳工作温度下运行并且当存在大量的废气通量时，该处理单元基本上操作成减少存在的进入大气的有毒气体排放物。然而，这些单元在启动时当块体的内部处于低温时、在城市驾驶期间的空转期间或在Tim Hortons免下车餐厅等待咖啡时、以及在混合动力车辆的电驱动期间具有缺点。

不同制造商制造的块体形状、外型和巢室密度有所变化。例如，一些块体是圆形的，而一些是椭圆形的。一些组件具有通常大量地洗涂有催化剂金属的单级块体，而其他组件可具有两个或三个块体，其中每个块体上具有不同的洗涂层。一些排气装置在整个排气组件中使用900、600和400cpsi的巢室密度，而其他排气装置在整个排气装置中仅使用400cpsi的块体。紧密联接的转换器可以靠近排气歧管安装，以着眼于减少启动和起燃温度之间的时间段。地板下转换器可以位于发动机的更远处，其中该地板下转换器将占用较长的时间来加热但相对较大、并且一旦排气组件达到温度该地板下转换器就用于处理大部分气体。在另一种构造中，用于减少到达起燃温度的时间段的单元和在起燃后处理高气流的单元一起安装在共同的外壳中。

在组件中的一个或多个位置处，安装在包括在基体内或附近的废气流中的传感器向发动机控制系统提供反馈，以用于排放物检查和调整的目的。除了启动之外，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，以实现功率和清洁度的最佳组合。高于该空气：燃料比的比值产生贫燃条件(燃料不足)。较低的比值产生富燃条件(燃料过多)。一些车辆的启动程序在最初的几秒钟内富燃运行，以使热量进入发动机并最终进入催化转化器。下面描述的用于间接加热催化剂层和废气的结构和操作方法可以与紧密联接的催化转化器、地板下转换器、和两者的组合中的每一者一起使用。来自温度传感器的输出被送到控制器，在该控制器处使用所监测的一个或多个温度来控制何时接通和断开感应加热。使用在控制器处实施的适当算法，所监测的温度还可以用于控制所施加的加热过程的特定效果以实现特定的加热模式。

如美国专利No.9488085中所公开的，如图1所示的气体排放物处理组件被修改为如图2和3所示，以便能够感应加热。感应加热是通过施加变化的电磁场以改变金属体所经受的磁场来加热金属体的过程。这进而在金属体内感应出涡流，从而引起金属体的电阻加热。在铁磁金属体的情况下，还通过滞后效应产生热量。当非磁化的铁磁金属置于磁场中时，金属通过产生具有相反磁极的磁畴而被磁化。变化的磁场周期性地启动磁畴中的极性反转，取决于铁磁金属体的材料、质量、和形状，响应于高频感应场变化的反转大约为1,000至1,000,000周期/秒(Hz)的量级。磁畴极性不易反转，并且抗反转性导致金属中进一步产生热量。

如图2和图3所示，围绕陶瓷基体10的是金属线圈20，尽管在图2中不可见，位于巢室12中的所选巢室内的是金属插针、杆、线或其他金属插入件22(图4)。通过在线圈20处产生变化的电磁场，引发链式反应，其最终结果是在配备有实施本发明的排气系统的车辆启动之后，与没有变化的电磁感应场相比在存在变化的电磁感应场的情况下可以更快地获得起燃温度。链式反应如下：变化的电磁场在金属元件22中感应出涡流；涡流引起金属元件的加热；来自金属元件22的热量传递给陶瓷基体10；来自加热的基体10的热量在废气通过排放物控制单元时被传递给废气；与未加热的废气相比，加热的废气使壁14处的催化反应更快地发生。来自加热的线、插针或其他填充元件22的传导是传递到陶瓷基体10并因此当排放物单元运行时传递给废气的主要热传递源。在线和其内包含所述线的巢室的内表面之间的任何小气隙处还存在少量的对流和辐射热传递。

线圈20是缠绕的一段铜管，但是也可以使用其他材料，例如铜线或绞合线(litzwire)。铜管是优选的，因为它在线圈的其他尺寸方面提供高表面积；感应是皮肤效应现象，高表面积有利于产生变化的场。如果使用绞合线或铜线，则导线上的搪瓷或其他涂层构造成在转换器的持续高温操作期间不会烧坏。线圈20和最近的电感金属线22之间的气隙防止了从线22到线圈10的显著热传递，否则会增加线圈电阻率并因此降低其效率。

电磁场屏蔽/集中材料的层24位于线圈20的正外侧，以提供感应屏蔽并减少向金属转换器外壳的感应损失。层24还用于增加与基体10中的金属的感应耦合，以聚焦加热。屏蔽器/集中器24可以由铁氧体或其他高导磁率、低功率损耗材料制成，例如Giron、MagnetShield、Papershield、Finemet、CobalTex、或其他可以布置成围绕线圈20的部分或全部绕组的磁屏蔽材料。特别地，磁屏蔽器24用作磁通量集中器、磁通增强器、转向器、或磁通控制器，以在基体内容纳磁场。磁屏蔽器通过减轻相邻传导材料的不希望的加热来降低损耗。在没有磁屏蔽器/集中器24的情况下，由线圈20产生的磁通量可以在线圈20周围扩散并且与诸如金属外壳18和排气系统中的其他周围金属之类的导电的周围物体、和/或内燃机、车辆、发电机、或其他电气系统或主机系统的其他部件链接，从而降低了这些部件的寿命并增加了能量损失。另外，层24用于将磁场引导或集中到基体10，从而例如通过重新引导那些否则将远离期望区域行进的磁通量而提供对基体10的期望区域的选择性加热或增强加热。特别地，层24用于将由线圈20产生的磁通量集中在基体10中的金属线或杆22的方向上，以便更有效地加热。作为额外的益处，磁屏蔽器可以通过增加电力传输来改善感应线圈20的电效率。

线圈包含在纤维绝缘护套26中，被护套的线圈包裹在浇铸的固化绝缘体中。护套起到稳定线圈位置并产生气密密封的作用，以限制出废气通过陶瓷蜂窝基体10的通道，在所述通道处发生催化作用。绝缘体还提供屏障以防止感应线圈20在转换器外壳18或铁氧体屏蔽器24上短路。绝缘体适当地是铝硅酸盐胶粘剂。替代地，基体可以包裹在铝硅酸盐纤维纸中。在一种制造方法中，铜线圈20缠绕在基体周围，然后放置在外壳或罐18中。在一种替代的制造方法中，线圈20放置在罐或外壳18中，并且基体10插入线圈/罐组件。

通过从DC电源或AC电源施加电力而在线圈处产生变化的电磁感应场。传统汽车具有12VDC电气系统。感应系统可以在DC或AC电源上运行。产生的感应信号也可以是DC或AC驱动的。作为示例，对于DC或AC而言，这产生1至200kHz的频率、130至200V的RMS电压、和使用1kw功率的5至8A的安培数。在适用于公路车辆的一个示例中，DC到DC的总线将车辆的12VDC巢室电力转换成上面概述的期望DC电压。在适用于传统道路车辆的另一示例中，DC到AC逆变器将车辆的12V DC巢室电力转换成上面概述的期望AC电压。另一个示例更适合于具有内燃机和电动机的混合动力车辆，其具有额定值为360V电压和50kW功率的车载巢室。在这种情况下，巢室供电功率较高，但可以应用相同的DC到DC总线或DC到AC逆变器的基本电气构造。绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)高速开关用于改变通过线圈的电流方向。就变化的电磁感应场对陶瓷基体中的金属的影响而言，低切换频率产生较长的波形，从而在金属元件的表面下方提供良好的场穿透并因此提供相对均匀的加热。然而，这是由于缺乏切换而牺牲了高温和快速加热为代价的。相反，高切换频率产生较短的波形，这以牺牲穿透深度为代价而产生较高的表面温度。施加的功率是受限的，以避免熔化金属元素或使它们达到居里点的风险。输入到单个块体线圈的合适功率输入大约为1.1kw。

如前所述，诸如线、插针或由铁磁体或其它金属制成的其他填充物之类的插入件22位于陶瓷基体10的选定位置，如图4的细节图所示。在线的情况下，所述线可以通过摩擦配合固定在适当位置，使得线表面和巢室壁14的表面粗糙度将线22保持在适当位置，其中，所述摩擦配合至少部分地通过使线的外部区域尺寸与巢室面积尺寸紧密匹配来实现。另外，线可以形成有弹性的柔性元件(未示出)，当线插入巢室中时，该弹性的柔性元件从休止状态弯曲，使得线的一部分抵靠巢室12的内壁并因此提供摩擦保持力。当废气穿过基体时，整体的摩擦配合可以例如抵抗重力、振动、温度循环、和线上的压力。

替代地或另外地，线22可以通过将线的外表面粘合到巢室壁14的内表面而固定到巢室中。合适的复合粘合剂可以是选择用于降低温度循环应力效应的材料的混合物，在温度循环应力效应中，可能存在显著的金属线膨胀/收缩，但存在趋于零的陶瓷基体的小膨胀/收缩。这种差异可以在两种材料之间的粘合剂界面处产生应力。通过使用这种复合粘合剂，可以减少粘合的线相对于周围巢室壁的移动，同时保持了高热传递。替代地，金属插入件可以作为熔融金属、金属小块或金属粉末引入选定的巢室中，然后对熔融金属、金属小块或金属粉末进行处理以使插入的材料处于与基体的壁一起将金属保持在选定的巢室中的这种状态和关系。

由电磁感应线圈产生的场可以被调谐到金属线负载，以在产生热量和减少起燃温度的时间方面实现高效率。通过适当选择(a)线圈20的电输入波形，(b)无源通量控制元件(例如屏蔽器/集中器24)的性质和位置，以及(c)线圈20的性质、位置和构造中的任意一者或全部，可以改变加热效果。此外，可以随时间改变所施加的场，使得感应场/加热模式与特定操作阶段(例如，预启动、预热、高速公路行驶、空转和混合动力，从内燃到电驱动的间歇性转换)之间存在相互依赖性。在另一种构造中，可以使用一个以上的线圈来获得所需的感应效果。例如，具有环形横截面的基体可以在基体周边处具有一个激励线圈并且在基体芯部(未示出)处具有第二激励线圈。

加热模式可以通过金属插针或线22的适当位置和构造来确定。用于插入的线的合适金属是铁磁金属，例如430级不锈钢，其具有高磁导率和耐腐蚀性。也可以使用较低磁导率的合金，例如300或400系列不锈钢。取决于制造线插入件和将插入件固定在陶瓷基体的选定巢室内所需的特定性能，可以使用替代金属。这些性能包括金属可成形性、延展性、柔软性和弹性。为了形成基体中磁通量的方向和强度，较低磁导率的金属或合金可用于外部巢室中的金属插入件，而相对较高的磁导率金属用于内部巢室中的金属插入件。也可以使用具有非常高的磁导率的金属。例如，用于由Sandvik制造的线的Kanthal铁铬铝合金具有9000或更高的相对磁导率。使用由包括镍-铁和铁-钴合金的其他合金制成的线可以实现高的相对磁导率。

期望对基体进行强烈的快速加热，使得整个基体快速达到起燃温度。使起燃时间段最小化对于整体减排很重要，因为实际上没有催化剂来促进低于该温度的气体排放物的处理。对于给定的施加功率水平，低插针密度导致插针位置处的热区域，但是在插针之间为冷区域。尽管插针位置可以相对快速地实现起燃温度，但是陶瓷基体横截面积的在起燃温度处或高于起燃温度的部分可能不足够高以感应出并维持整体起燃温度。流过窄基体通道的废气与局部陶瓷的温度大致相同，因此通过冷通道的气体未被处理。

虽然在目前的商业用途中，基体(诸如基体10)通常可具有3至6英寸的长度，但是如果基体的长度为2英寸或甚至更小的上游部分在其整个范围内处于起燃温度，则通过基体的该部分的排放气体将快速驱动下游催化剂涂覆区域使其达到起燃温度。在起燃温度处和高于起燃温度下发生的催化反应通常是放热的，使得在上游实现起燃后，在基体的下游部分产生自燃料级联效应。因此，尽管与未被感应加热的基体部分相比，感应加热的前部可能较窄，但是可能存在足够的质量流量和热量以将基体的其余部分快速驱动至起燃温度。在小的上游基体部分达到起燃后，促进废气中未燃烧成分的燃烧的放热催化向下游发展成链式反应。

通过使用高插针密度(其中插针加热位置紧密地靠近在一起)可以实现快速加热到起燃温度，使得在基体的整个横截面上获得起燃温度。然而，填充到通道12中的金属插入件22的增大的密度增加了通过系统的压降，因此限制了陶瓷基体10的横截面积中的多少可以用金属插入件22来阻挡。这进而限制了基体的横截面积中的多少在操作期间将达到起燃温度。在排放物处理组件的长度上的压降与发动机驱动其气体排放物通过排放物处理组件所需的工作量有关。发动机在处理排放物处理方面所做的工作越多，其在燃料燃烧转化到驾驶车辆方面的效率就越低。诸如本发明所涉及的组件的压降源自三个来源：摩擦损失、冲击损失和膨胀损失。摩擦损失是由于沿着基体的窄巢室的废气流动。冲击损失是由于废气流在基体表面遇到的阻挡横截面积所引起的，这包括巢室的端壁和被金属插入件堵塞的任何巢室。膨胀损失是由于当排放气体以高速离开陶瓷基体时、气体从离散通道膨胀成较慢的流动质量的流动转变所引起的。虽然可以增加基体的直径以补偿由于存在更多插针而引起的额外压降，但这需要更大的单元和更高的材料成本。

在如图1所示的基体中，来自摩擦损失的压降与长度呈近似线性关系并且在例如具有3英寸(0.0762米)的陶瓷基体、400和900之间的cpsi(巢室/每平方英寸)和5米/秒的废气流速的单元中占总压降的约90％。如图4所示，如果选定的通道以1：x的装填密度堆放插针，则压降增加约(100/x)％，不管插针长度如何，巢室12被认为被插针22所阻挡。

给定长度为“L”且插针密度为“1：x”的基体所导致的一定的压降P，如果基体的长度为“L/2”的一部分具有1：x/2的插针密度而基体的长度为“L/2”的剩余部分具有敞开的未被阻挡的巢室，则压降P保持大致相同。这种关系推广到上述示例之外，对于长度为“L/3”和插针密度为“1：x/3”的第一基体部分和具有敞开的未被阻挡的巢室的长度为2L/3的基体剩余部分而言，压降再次基本不变。然而，利用这种布置，虽然压降保持相对恒定，但存在更多的加热位置。这意味着，根据系统的其他要求，可以调节基体的加热部分的插针密度和相对长度，而不会显著影响通过系统的压降。特别地，可以感应地加热较小体积的基体，以便比整个基体经受相同的功率输入更快地获得起燃温度。

在如图5、5A和5B所示的本发明的一个实施例中，插针22的放置和它们通过线圈22的感应加热限于基体的废气进入的前部。基体10的前部28具有高的插针堆放密度，并且基体的后部30中的通道12是敞开的和未被阻挡的。为了在操作方面的实用性，前部28和后部30之间的长度关系以及前部28的插针堆放密度至少部分地取决于加热特性和所产生的压降是否在操作上可接受。

在图4和图5所示的实施例中，金属插入件22在基体10的前部28处占据1英寸9通道的规则阵列，其中被占据通道的位于插针22的后部的长度是敞开的。同样在该实施例中，前部的最大插针长度是后部长度的50％或整个基体长度的33％。基体前部的插针22以其尾端呈D形或抛物线形状分布。来自周围线圈20的磁通量在最接近线圈22的位置最强，并且随着远离线圈22而减弱。D形的线阵列很好地分配磁通量并且还补偿作为“视线”过程的感应激励，由此靠近基体10内部的线22可能处于靠近线圈20的激励的线的阴影中。取决于系统需求(包括加热和排放物处理要求和结构特征，例如每平方英寸的巢室和块体的实际长度)，块体前部的通道22可以以大于或小于1：9的比例装填。从获得可接受的压降同时实现高强度加热的视角来看，已经发现从1:4至1:16的装填范围是特别有利的。在该范围内，气体排放物可以在系统没有不可接受的压降的情况下通过块体。在这样的构造中，插针22必须提供足够的每单位体积的金属，以在加热的前部28中实现所需的加热分布而不损坏插针材料。插针的抛物线或D形堆放可以纵向反转，尽管所示的构造对于在制造期间放置金属插入件来说是优选的。在插针的D形堆放的一个示例中，对于其中在整个基体上获得大致均匀的输出温度的50mm基体切片来说，使用的最短插针的长度为9mm(在加热器切片的外侧)和最长插针的长度为50毫米(在中心线处)。

前部的长度与基体的总长度相比可小于33％，前提是基体的前部足够大以容纳所需的插针填充水平，因为插针长度存在下限以增加加热强度。感应系统需要相当大的负载(在这种情况下，为插针材料的质量)来吸收磁通量。如果插针材料达到其居里点，则质量太小会导致插针的过热和熔化以及电热效率的损失。在该温度下，插针材料的电磁特性恶化。此外，对小负载施加大功率，电源可能过热并且失效。在基体10的后部30中，通道22应具有足够的催化剂涂覆表面(或在颗粒过滤器的情况下为颗粒过滤器表面)，以有效地处理通过系统的排放气体。

在基体的前部28处的集中加热增加了每个线针对给定的插针阵列图案和输入功率所产生的热量，因此增加了局部加热。然而，该结构的问题在于基体10的陶瓷在加热循环期间在所有方向上会将热量传导离开。这有效地增加了热量占据的陶瓷的总体积，并因此降低了针对特定功率输入的插针占据地点的体积上的强度。

在如图6、6A和6B所示的本发明的另一个实施例中，该组件具有与后基体34分开的前基体32或“切片”。两个基体安装成与被金属插入件22(例如，线、插针或其他形式的金属填充物)占据以能够进行感应加热的切片基体32的选定子集的巢室或通道对准，并且与敞开的后块体34的巢室或通道22对准。在所示的实施例中，就待处理的排放气体的流动方向36而言，切片基体32基本上比后块体34短。切片的长度可以是后基体的长度的2％至50％，尽管在实践中选择的任意特定的百分比的适当性依赖于厚基体的长度与直径之比。尽管前切片基体32具有作为加热器的重要功能，但是前块体通道22的壁可涂覆有排放物处理催化剂，使得切片基体32可操作以在排放气体从前块体32穿过间隙38进入后块体34以便在进一步的催化剂促进反应中进行处理之前加热和处理排放气体。

在该实施例中，通过使感应加热的前单元32与下游单元34分离来减小压降冲击，同时下游单元由于来自前单元的热气体通过而被加热。插针装填密度以及单元32的每单位横截面积的加热地点的数量显著增加，以便在插针22处获得热区域并且在紧密间隔的插针之间获得相对热的区域。结果是在切片32的整个横截面上达到相对均匀的温度，以足以快速获得起燃温度。块体32和34分开约2至6mm的距离。在该分离处，沿着切片基体32通过的气体排放物具有从小于0.5米/秒到大于5米/秒的典型流速，以便在前块体32中的流动和后块体34中的流动之间进行容易地适应而不会实质上增加压降。如果分离距离小于2mm，则由于流动离开感应加热基体时的尾流效应而导致压降较高。这是由来自感应加热单元的巢室的流动扩散到包含加热元件的堵塞巢室后面的空隙中引起的。根据基体的巢室密度和相关的插针阵列密度，尾流效应部分或完全消退所需的代表性一般距离为2mm至6mm。具有低插针阵列密度的高cpsi基体提供对应于所需的最小分离距离的最短尾流效应。低于2mm的分离距离导致更高的压降，因为尾流效应处于最高强度。这里，如果不允许尾流效应消退，则流动通过转化成第二基体的较少的巢室扩散。在低分离距离的情况下，如果敞开的巢室与前基体的被堵塞的巢室太紧密地对准，则后基体的作用就好像它具有被堵塞的巢室，其中，几乎没有气流通过相关的通道。该分析假设前基体和后基体完全对准。基体的不对准导致从小的分离距离产生更大的压降。如果分离距离大于6mm，则没有尾流效应的缺点，但是包装不可避免地增加了尺寸。大的间隙还可以允许来自纤维垫的绝缘体膨胀到空间中并且通过减小开口直径或导致绝缘劣化的开始而受到排气流的影响。通常在没有前端切片加热器的商业化感应加热组件中，MFC比感应加热基体短，以允许施加绝缘层并借助于塌缩的金属板进行罐装。基体之间的小间隙的优点在于：MFC可以制造得比正常长，使得它与后基体(非加热器)重叠，这导致加热器单元的电磁效率的增加。间隙处的绝缘体通过将其支撑在间隙的两侧来保护MFC。

在组装期间通过光学对准过程调整前切片基体32相对于后块体34的取向，以减小壁端到壁端的入射面积；即，增加通道到通道的入射面积。为了保持线性间距，块体通过与图1和2中所示的护套布置类似的公共护套布置(未示出)或任何其他合适的安装方式保持对准。在一个优选实施例中，前块体32和后块体34的相对的面40是平的并且垂直于块体的纵向轴线。然而，块体32和34之间的间隙可以替代地成形，例如，通常遵循插针尾端的圆顶/抛物线形分布(图6E)。

在如图6C所示的本发明的另一个实施例中，加热切片基体安装在排放物处理块体的下游。以这种方式，离开上游块体33的气体在进一步沿着排气管线进入随后的排放物处理块体之前被给予感应加热增强。

图6的分离设计在产品完整性方面具有优点。在经常用于制造基体的材料中，有低膨胀的蜂窝陶瓷，如堇青石和碳化硅。这些材料具有高度绝热性，但不是零膨胀材料，因此温度梯度会导致应力发展。理想情况下，梯度足够低，应力不会充分累积而导致缺陷或基体失效。然而，随着施加的感应功率水平随着在较小面积/体积上施加的加热而增加，陶瓷内的温度梯度将相应地增加，从而提高了缺陷和失效的风险。对于图5的单个基体示例，温度梯度是极端的，因为被加热的陶瓷区域与没有加热的冷区域物理连接。例如，热区域可以是700℃或更高，而冷区域可以低于0℃，这种变化存在于陶瓷的非常短的距离上。仅在前面和保持冷却的后部存在强烈加热的设计更容易通过从主体弹出陶瓷的前部而失效。图6的分离块体实施例的特征在于较低的温度梯度。前块体32的小体积甚至允许未被直接加热的块体末端通过传导而升高温度。这避免了上面提到的极端的700℃至0℃的梯度。相反，700℃可以是最高温度，但可以普遍存在量级为350℃的最低温度。在约3.5厘米(1.375英寸)的距离上的这种温度梯度更易于管理并且可构造成商业设计。另外，由于在间隙38处不存在基体材料，因此热量不会通过朝向组件的后部传导而损失。这反过来意味着产生的可能在其它情况中会被传导掉的热量被保留在较小的前体积中，以提高加热效率和速度。

其高金属含量在单元前部处的小体积中聚焦加热的前端加热器的特征在于：相对紧密地装填的金属用于集中来自周围线圈20的场以增大加热，并且作为推论用于减少外壳18处的不希望的场效应(图2和3)。

以下是前端加热器切片构造的三个示例，显示了相关的结构特性和性能特征：

示例1

a)切片长度：50mm的堇青石基体

b)Cpsi：600

c)最长插针长度-50mm/最短插针-9mm

d)切片中金属的重量：221克

e)施加功率：10kW抽取

f)达到起燃温度(包括实际温度)的时间：8秒至300摄氏度

g)插针和整体切片温度：681℃，插针温度和切片温度局部大致相同

在该示例中，磁通量集中器相对较厚以处理高功率，并且线圈相对较大以处理高电压。

示例2

a)切片长度：50mm堇青石

b)Cpsi：600

c)最长插针长度：50mm/最短插针：9mm

d)切片中金属的重量：221克

e)施加功率：2kW抽取

f)达到起燃温度的时间：26秒至300摄氏度

g)插针和整体切片温度(推测很高但不超过熔化点或居里点)？450℃，插针温度与切片温度局部相同

在该示例中，磁通量集中器由于相对低的功率而相对较薄，并且线圈因为电压较低而相对较小。

示例3

a)切片长度：25mm堇青石

b)Cpsi：600

c)最长插针长度25mm/最短插针6mm

d)切片中金属的重量：111克

e)施加功率：2kW抽取

f)达到起燃温度的时间：16秒至300摄氏度

g)插针和整个切片温度：692℃，插针温度和切片温度局部相同。

在该示例中，磁通量集中器由于相对低的功率而相对较薄，并且线圈因为切片较薄而相对较短。

在如图6D所示的本发明的另一个实施例中，加热切片基体32的通道12仅制造得足够长，以便为插针22提供必要的结构支撑。例如，插针22可从块体的前面42向前突出和/或罐从块体的背面44向后突出。因此，插针22的某些部分可以通过空气而不是绝缘陶瓷与相邻的插针分开，绝缘陶瓷会增加加热体积内的传导。在本发明的另一个实施例中，被线或插针占据的切片通道不是D形或抛物线形状。例如，插针中的一些或全部可以具有均匀的长度，或者可以使用一些其他构造来获得离开的废气穿过切片区域的所需热分布。

分离构造或切片构造对于其中气体排放物经受两种或更多种不同处理的复杂洗涂催化剂布置具有进一步的优点。施加催化剂洗涂层通常通过采用裸基体并将其浸渍入含有催化剂金属和多孔陶瓷载体的浆料中来完成。多孔基体内的毛细管作用从浆料中吸收水/液体，这使贵金属和陶瓷材料沉积在通道表面上。浸渍期间的停留时间和浸渍循环的次数可以变化，以产生厚的洗涂层，这对于最大化排放物处理是理想的。使用真空系统吸去多余的液体，然后加热洗涂过的基体以将洗涂层固化到巢室壁上。有时，在催化剂组件中需要两种不同的洗涂层；例如，当在单个系统中处理多种排放气体时，每种排放气体都需要其自身的洗涂化学品。施加两种不同的洗涂层对单个基体是挑战性的，因为在目前的商业生产方法中，一种洗涂层被施加到基体的一端而不同的洗涂层被施加到基体的另一端。浸渍期间的浸没深度难以控制，并且通常不能实现两个洗涂层之间的清洁过渡。洗涂层固有地缩小了巢室的敞开区域，但是洗涂层的厚度通常也是渐缩的。在涂覆期间真空去除以留下一致厚度的洗涂材料在基体端部比在基体中间更容易实现。图6的加热切片设计使双重洗涂过程更容易，并且通常可以提供更好的质量结果。

在制造基体材料中，有几种不同的市售cpsi基体可供选择，这些基体通常包括400、600和900cpsi结构，尽管已经实现了更高的cpsi基体。对于给定的cpsi，这些基体也可具有不同的壁厚。而且，基体可由几种不同陶瓷材料中的一种制成。可能需要优化催化剂组件的性能或成本。例如，可以通过使用相对昂贵的900cpsi薄壁(低质量)碳化硅作为前基体的材料和使用低成本的400cpsi厚壁堇青石基体作为后基体的材料来优化设计。这对于单个基体设计实际上是不可能的，因为单个基体的横截面形状是固定的。用于制造基体材料的挤出工艺不具有允许在挤出的中间过程中改变cpsi、壁厚和/或材料成分的灵活性。图6、6A和6B的切片实施例允许基体材料性质的几种可能组合被包括在催化剂组件中，以优化性能和成本。

尽管在图6、6A和6B的切片实施例中，前块体32具有催化剂涂覆的通道12，该通道可替代地不含催化剂，这意味着块体仅用作预加热器以在排放气体穿过间隙38到达后单元34之前加热沿着其通道通过的排放气体。这种构造允许以通道12的尺寸和轮廓以及金属插入件22的位置、尺寸和轮廓的方式优化加热。在前述实施例中，电感金属元件相对于巢室的位置的分布构造成使得在薄的前基体部分或单独的基体上的加热通常是均匀和快速的。通过使用不同尺寸和/或形状的巢室和不同尺寸、形状和/或组成的线，可以增强上游预加热器中的局部化加热。

前端感应切片加热器设计产生快速的热量，从而提供非常快的起燃时间段和快速达到催化剂的高温而不需要发动机排气流。极端能量集中在小体积上，产生高强度加热。感应加热切片构造有足够的热质以克服冷启动期间排气流的冷却效应，使得制造商能够实现接近零的有害排放车辆平台。由于切片感应加热器系统的占地面积小，因此在现有技术的转换器和颗粒过滤器的背景下，对切片设计进行包装变得容易。经过验证的为传统感应技术提供电力的同样电子设备(如美国专利中描述的那些)也用于为切片感应加热器设计提供电力。

在如图7所示的本发明的另一个实施例中，上游块体60的基体具有感应加热的后端部分62，该后端部分位于下游排放气体处理块体64的紧上游。下游基体64可以是不感应加热的，因此达到起燃取决于进入的排放气体的温度，由于进入的排放气体是废气或者在上游单元60处通过感应加热使废气温度升高，所以进入的排放气体实际上是热的。替代地，如图7A所示，上游单元可以另外在上游块体的前部具有相关的电磁场发生器。替代地，如图7B所示，下游块体可在其前端具有电磁场发生器。在图7-7B的每一个中，三个加热区可以可选地在不同时间激励或激励至彼此不同的功率水平。上游单元还可以构造用于类型与下游单元中发生的排放气体处理过程不同的排放物处理。可以将三个端部部分中的任何一个构造为单独的切片。

在图6和7中，可以将感应地加热基体中的金属插入件的各种分布视为金属母体。

在图6和7中所示的专用感应加热的预加热器或后加热器实施例的变型中，金属母体是感应加热的盘绕波纹金属切片46，如在图8和8A的实施例中所示。

在另一个实施例中，金属母体是围绕开口毂座50的多个同心金属叶片48，如在图9和9A的实施例中所示。

在另一个实施例中，金属母体是随机分布的金属丝52的网状物，如在图10和10A的实施例中所示。

在另一个实施例中，金属母体是金属丝54的编织网，如图11和11A的实施例中所示。

在另一个实施例中，金属母体是穿孔金属板，如图12和12A的实施例中所示。

在另一个实施例中，预加热器具有蜂窝陶瓷基体32，但是具有陶瓷构成蜂窝壁，其高掺杂有金属，如图13和13A所示的实施例中的58所示。

在所有示出的预加热器设计中，前块体预加热器(或在某些情况下为后加热器)被优化以提供相对致密的金属负载，以实现来自周围线圈的快速、高强度感应加热(在图8至13中未示出)。然而，金属负载不是那么大或者线也不是如此密集地装填，以免通过将不可接受的压降引入排气管线中而影响排放气体的流动。

在图14中所示的本发明的另一个实施例中，用作空间加热器的加热单元具有陶瓷基体，通道延伸通过该陶瓷基体，线、插针或其他金属填充物之类的金属插入件在通道的子集中。感应线圈安装在基体周围并被激励以产生变化的电磁场，使得产生的电磁通量中的至少一些渗透金属线插入件，以感应地加热它们。安装了风扇以迫使空气沿着未被金属线插入件阻挡的通道。在使用中，热量从感应加热的金属体传递到相邻的基体壁以加热基体。反过来，在未被占据的通道中，热量从基体传递到被风扇迫使沿着通道的热空气。在图14中所示种类的加热单元可用于机动车辆的车厢加热。这对于没有内燃机或插电式混合动力车的电动车辆而言是特别有价值的，在电动车辆中在初始车辆使用之后的一段时间之前可能无法获得发动机操作和相关的加热。

先前描述和示出的感应加热构造可与催化转换器和颗粒过滤器(PF)一起使用。这样的排放物处理单元可以在先前描述的任何布置中被感应地加热，或者可以定位成从感应加热的上游单元接收热量，无论是以较长基体的一部分的形式还是以单独的切片的形式。

其他变化和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且所描述和示出的本发明的实施例不是限制性的。本发明的原理考虑了许多替代方案，所述替代方案具有在示例性实施例中明显的优点和特性。

根据本发明的另一方面，一种气体加热器包括陶瓷蜂窝基体，所述陶瓷蜂窝基体具有：延伸所述基体的长度的第一多个通道，用于将在所述基体的一端引入到所述第一多个通道中的气体流从所述一端传输到所述基体的另一端；延伸所述基体的长度的多个第二线性通道，第一多个细长金属插入件基本上阻挡所述多个第二线性通道中的相应通道；电磁场发生器，所述电磁场发生器构造成感应地加热金属插入件和基体上游的流动气体源，用于产生所述气体流。流动气体源可以是内燃机，其中气体是来自内燃机的气体排放物。在一个替代方案中，流动气体源是安装在基体的所述一端附近的风扇，并且可操作地将空气吹入其第一多个通道中。

根据本发明的另一方面，一种用于处理气体排放物的组件包括：金属母体和通过所述母体的多个通道，用于使气体排放物通过从金属母体的一端进入、通过所述通道并从所述金属母体的另一端排出；电磁场发生器，电磁场发生器被构造为感应地加热母体中的金属，从而加热沿着母体通过的气体排放物；以及具有多个线性通道的基体，用于接收从金属母体的所述另一端离开的气体排放物，所述金属母体与基体基本对准。金属母体可以是感应加热线圈、波纹金属切片、围绕开口毂座的多个同心金属叶片、随机分布的金属丝形成的网状物、金属丝的编织网和具有高掺杂有金属的陶瓷的蜂窝陶瓷基体中的一种。

Claims (6)

1.一种用于处理气体排放物的组件，所述组件包括：

基体，所述基体具有从所述基体的输入端延伸到所述基体的输出端的多个线性通道，所述通道用于使待在所述基体中处理的排放气体从其中通过；

金属母体，所述金属母体在所述基体的输入端附近，用于在待处理的排放气体进入所述基体的通道之前使待处理的排放气体通过所述金属母体；和

感应加热线圈，所述感应加热线圈安装在所述金属母体附近，用于产生变化的电磁场，从而加热所述金属母体以及通过所述金属母体的排放气体。

2.如权利要求1所述的组件，其中，所述金属母体是感应加热的盘绕波纹金属切片。

3.如权利要求1所述的组件，其中，所述金属母体是围绕开口毂座的多个同心金属叶片。

4.如权利要求1所述的组件，其中，所述金属母体是随机分布的金属丝形成的网状物。

5.如权利要求1所述的组件，其中，所述金属母体是金属丝的编织网。

6.如权利要求1所述的组件，其中，所述金属母体是穿孔金属板。

Images