CN118140040A - 排气系统和其组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于排气系统的加热器，所述加热器包含：壳体，所述壳体具有连接器，所述连接器耦接到所述壳体的外部；第一端子和第二端子，所述第一端子和所述第二端子各自安置到所述壳体的内部并电耦接到所述连接器；加热元件，所述加热元件耦接到所述第一端子和所述第二端子；加热导线，所述加热导线耦接到所述第一端子和所述第二端子；以及多个加热棒，所述多个加热棒插入到所述加热元件中以将热从所述加热导线传导至整个所述加热元件，其中所述连接器从外部电源接收电力以将电流供应到所述加热元件和所述加热导线，并且其中所述加热棒中的至少一个加热棒支撑所述加热导线。元件的组合被配置成加热和中断废气的流动并帮助从所述排气系统中去除和/或减少有毒气体和污染物。

Description

排气系统和其组件
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2021年8月13日提交的美国临时申请第63/233,019号的优先权，所述美国临时申请的全部内容特此通过引用并入。
技术领域
本发明总体上涉及排气系统，并且更具体地涉及对用于去除和/或减少可能从发动机产生或排放的有害废气、微粒物质和其它碎片的排气系统的改进。
背景技术
在背景技术部分中的细节不构成现有技术，而是仅作为关于本公开的主题的背景信息而给出。
在空气污染物中，汽油和柴油发动机排放的是氮氧化物——NO和NO2，一般缩写为NOx。氮氧化物对人类健康具有有害的直接影响，并且通过所述氮氧化物对农作物和生态系统的损害而具有间接影响。自二十世纪六十年代以来，车辆NOx排放一直受到管制。
NOx与大气化学物质反应以形成二次细微粒物质(PM2.5)或烟尘。暴露于PM2.5可能会引起中风、缺血性心脏病、慢性阻塞性肺病、肺癌和下呼吸道感染。当与挥发性有机化合物和阳光组合时，NOx帮助形成地面臭氧，这是烟雾的主要组分。臭氧可能引起或加剧慢性肺病，如哮喘、慢性阻塞性肺病或肺气肿，尤其是在脆弱群体如儿童和老年人中，对于脆弱群体臭氧可能证明是致命的。
NOx排放还会影响生态系统和农作物。臭氧污染对植物是有毒的，并且引起生物量、作物产量和森林生产率的损失。这种污染会减少太阳辐射，从而降低植物中的光合作用并减少其生物量。生物量的损失意味着更少的碳被螯合在植物中，从而在大气中留下更多的CO2。这种污染可以通过影响CO2和水蒸气在叶子表面上的交换来直接改变生态系统工作的方式，这可能对水文学具有显著影响——甚至改变水流。
柴油机废气中的NOx是特别棘手的问题。在燃烧过程中产生一定量的NOx是不可避免的。因此，关于来自车辆的NOx排放的基本问题是首先要使所产生的量最小化，并且其次要从废气中去除NOx。第一任务主要是通过降低燃烧温度来实现的。第二任务是使用后处理装置引起将废气中的NOx还原成氮气和水和/或CO2的化学反应来实现的。
在车辆废气中存在太多的氧气会使所述化学反应更难以发生。问题在于，氧气太少会使去除废气中的其它污染物、未燃烧的烃和一氧化碳变得更加困难。
柴油发动机由于其压缩点火设计而使用更多的燃烧空气，并且因此柴油发动机废气比汽油发动机废气含有更多的氧气(吸入的氧气越多，排出的氧气越多)。这对于还原NOx的化学反应在其中发生是不利的环境。与轻型柴油车辆和重型柴油车辆所提出的NOx控制相关的技术挑战有所不同。相对缺乏安装排放控制设备的物理空间是汽车(尤其是小型汽车)的关键挑战。
用于燃烧化石燃料的发动机(例如，内燃机)的排气系统通常包含一个或多个催化转化器以及连接到所述催化转化器的消声器。具有一个或多个催化转化器的排气系统包含但不限于各种车辆(例如，汽车、卡车、公共汽车、全地形车辆(ATV)等)，以及发电机、叉车、采矿设备、火车、摩托车、喷气式滑雪机、雪上摩托车、叶吹机、飞机、木炉等。
通常，催化转化器被配置成通过催化氧化还原反应(氧化或还原)将有毒气体和废气的污染物还原和/或转化为毒性较低的污染物。
现代汽油发动机车辆配备有三元催化转化器作为排气系统的一部分。其被称为三元催化转化器，因为其控制三种污染物：一氧化碳(CO)，其在转化器中与氧气结合以变成CO2；未燃烧的烃，其与氧气结合以产生CO2和水蒸气(H2O)；以及NOx，其通过催化剂还原成氮气和水和/或CO2。
当发动机在接近化学计量的空气-燃料比的窄带内操作时，三元催化转化器是有效的，使得废气在浓(过量燃料)与稀(过量氧气)条件之间振荡，对于汽油而言，所述条件可以介于约14.6重量份空气/1重量份燃料与14.8重量份空气/1重量份燃料之间。液化石油气(LPG)、天然气和乙醇燃料的比率各自略有不同，从而在使用那些燃料时需要改进的燃料系统设置。然而，当发动机在空气-燃料比的窄带外部操作时，转换效率下降得非常迅速。
因为控制柴油机废气中的NOx的问题更加复杂，所以柴油车辆需要不同的方法。首先，大多数现代柴油车辆将废气再循环(EGR)结合到其设计中。EGR系统将一部分废气再循环回到燃烧室中，在所述燃烧室中，所述废气与“新鲜”进气结合。这降低了燃烧混合物的氧气含量并增加了水蒸气含量。这具有降低峰值燃烧温度的效果。因为随着峰值燃烧温度升高会产生更多的NOx，所以EGR有效地减少了由发动机产生的NOx的量。然而，再循环过多的废气会增加PM2.5并降低燃料效率，因此适当的设计需要微妙的平衡。
EGR解决了在NOx形成的点处控制发动机气缸内的NOx排放的问题。在柴油车辆中使用两种方法来在废气已经永久地离开发动机之后控制NOx。稀NOx捕集器(LNT)使用催化剂来暂时存储来自废气的NOx。以一定间隔(在几秒至几分钟的范围内，取决于操作条件)，发动机控制器短暂地增加正在燃烧的空气-燃料混合物中的燃料比例。燃烧较浓的空气-燃料混合物产生的废气成比例地含有较少的氧气和较多的未燃烧的烃，并且在催化剂中储存的NOx与废气中的烃反应以产生氮气和水和/或CO2。选择性催化还原(SCR)使用氨作为还原剂通过催化剂还原NOx。氨通常以尿素的形式供应，所述尿素必须以溶液的形式储存在车辆上的罐中。出于与发动机尺寸、操作特性和催化剂原材料成本相关的原因，实际上目前生产的重型车辆仅使用SCR系统，而轻型车辆可以使用SCR或LNT。
与三元催化转化器相比，EGR、LNT和SCR是有源系统。它们的操作由车辆的发动机控制单元(其确定例如尿素溶液被注入到废气中进行SCR或者空气-燃料混合物被加浓以再生LNT的间隔)控制，并且它们具有直接(例如，重新加注尿素罐的服务费用)和间接(由于周期性地加浓运行发动机或者由于再循环废气而略微降低的燃料经济性)的维护要求和成本。
当在低温下(例如，在发动机冷起动期间)操作汽油或柴油车辆时，排气系统装置通常不具有足以减少如烃和NOx等发动机排放物的催化活性。冷起动排放物(在点火之后的前60秒左右期间产生的危险气体)表示发动机操作循环中最具毒性的部分。事实上，单次平均驾驶中所有有害气体排放物的超过70％是在启动之后紧接着的冷起动期间产生的。这是因为催化剂通常不能达到完全效率，直到发动机废气将催化剂加热到催化转化器内开始催化反应的温度。由于催化剂需要一定的温度(通常高于300℃)来工作以达到完全效率，所以在汽车的预热阶段期间排放显著更高。此时段的持续时间和所产生的排放物取决于环境温度以及汽车推进系统的初始温度。实际上，对于汽油汽车而言，在平均现实世界驾驶条件下，大部分CO(一氧化碳)和HC(烃)总排放归因于冷起动额外排放。此外，冷起动排放物在较低的环境温度下显著增加。相反，柴油汽车的冷起动排放低于汽油汽车的冷起动排放。因此，需要快速加热催化转化器，使得催化点火几乎从发动机启动的瞬间就发生。
本公开涉及克服上述挑战中的一个或多个挑战。本文提供的背景描述出于整体呈现本公开的上下文的目的。除非在本文中另外指出，否则在本节中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不因包含在本节中而被承认是现有技术或现有技术的建议。
发明内容
根据本公开的某些方面，公开了用于改进从排气系统中去除和/或减少有害废气、微粒物质和其它碎片的系统和方法。
在一个实施例中，存在一种用于排气系统的加热器，所述加热器包含：壳体，所述壳体包含连接器，所述连接器耦接到所述壳体的外部；以及第一端子和第二端子，所述第一端子和所述第二端子各自安置到所述壳体的内部并电耦接到所述连接器；加热元件，所述加热元件耦接到所述第一端子和所述第二端子；加热导线，所述加热导线耦接到所述第一端子和所述第二端子；以及多个加热棒，所述多个加热棒插入穿过所述加热元件中的开口以将热从所述加热导线传导至整个所述加热元件，所述加热棒中的至少一个加热棒用于支撑所述加热导线，其中所述连接器被配置成从位于所述加热器外部的电源接收电力以将电流供应到所述加热元件和所述加热导线。
在一个实施例中，所述加热元件包含具有两层或更多层贵金属的催化涂层。
在一个实施例中，所述贵金属包含铂、钛、钯、铑和金中的两种或更多种。
在一个实施例中，所述催化涂层包含：包括钛的第一层；安置在所述第一层上的包括钯的第二层；安置在所述第二层上的包括铑的第三层；以及包括陶瓷材料的最外层。
在一个实施例中，所述加热导线在彼此平行的至少两个平面中移位。
在一个实施例中，所述加热导线包含第一加热导线和第二加热导线，所述第一加热导线从所述第二加热导线移位。
在一个实施例中，所述第一加热导线与所述第二加热导线之间的所述移位正交于所述第一加热导线和所述第二加热导线的平面。
在一个实施例中，所述加热棒中的一个或多个加热棒包含棒部分和尖端部分。
在一个实施例中，所述尖端部分由绝缘材料形成，使得电流不会从所述加热导线传递到所述棒。
在一个实施例中，所述加热棒中的一个或多个加热棒包含紧固件，所述紧固件安置在其尖端部分处，所述紧固件被配置成支撑所述加热导线。
在一个实施例中，所述紧固件由绝缘材料形成，使得电流不会从所述加热导线传递到所述棒。
在一个实施例中，所述加热棒包含具有第一长度的第一长度加热棒和具有第二长度的第二长度加热棒，所述第二长度不同于所述第一长度，其中所述第一长度加热棒在第一移位处支撑所述加热导线，并且所述第二长度加热棒在第二移位处支撑所述加热导线。
在一个实施例中，所述加热棒具有至少两个长度。
在一个实施例中，所述加热器设置在催化转化器内部。
在一个实施例中，所述加热器设置在所述排气系统的排气管道的腔体内部。
在一个实施例中，所述排气管道位于所述排气系统的以下至少一个位置：排气歧管与催化转化器之间、或所述催化转化器与选择性催化还原系统(SCR)之间、或所述SCR与消声器之间。
在一个实施例中，所述排气管道位于所述排气系统的以下至少一个位置：柴油氧化催化器与柴油微粒过滤器(DPF)之间、或所述DPF与选择性催化还原系统(SCR)之间、或所述SCR与消声器之间。
在一个实施例中，所述排气管道进一步包含配量系统，所述配量系统具有配量溶液注射器和容纳配量溶液的配量溶液储器，其中所述配量溶液注射器被配置成朝向所述加热器喷涂所述配量溶液。
在一个实施例中，所述加热器被配置成从控制器接收信号，以控制供应到所述加热器的电流的量以及将所述电流供应到所述加热器的定时。
在一个实施例中，所述配量系统被配置成从所述控制器接收信号，以控制所述配量溶液喷涂的定时和持续时间，由此所供应的电流以及所述配量溶液喷涂的所述定时和所述持续时间基于定位在所述排气管道内的一个或多个传感器。
在一个实施例中，所述排气管道进一步包含多个磁体，所述多个磁体邻近所述排气管道的外表面布置，以帮助中断和减缓所述排气管道的所述腔体中的废气的流动。
在一个实施例中，所述排气管道包含第二表面，所述第二表面定位在所述外表面外部，并且所述多个磁体布置在所述排气管道的所述第二表面与所述外表面之间。
在一个实施例中，所述多个磁体是钕磁体。
在一个实施例中，所述加热导线由镍和铬形成。
在一个实施例中，所述连接器通过陶瓷间隔件与所述壳体隔离。
在一个实施例中，所述加热元件的所述开口中的一个或多个开口具有蜂窝或六边形形状。
在一个实施例中，存在一种结构，所述结构包含：排气管道，所述排气管道被配置成耦接到排气系统组件，所述排气管道包含加热器，所述加热器安置在所述排气管道的腔体内部，所述加热器包含：壳体、安置在所述壳体内部的加热导线以及附接到所述壳体并电连接到所述加热导线的连接器，其中所述连接器被配置成从位于所述加热器外部的电源接收电力以将电流供应到所述加热导线，由此所述加热器被配置成加热所述排气管道内部的气体以减少离开所述排气管道的有毒气体和/或微粒物质。
在一个实施例中，所述排气系统组件包含以下各项中的一项或多项：排气歧管、催化转化器、选择性催化还原系统(SCR)、柴油氧化催化器、柴油微粒过滤器(DPF)、选择性催化还原系统(SCR)和消声器。
在一个实施例中，所述排气管道包含多个磁体，所述多个磁体邻近所述排气管道的外表面布置，以帮助中断和减缓所述排气管道的所述腔体中的废气的流动。
在一个实施例中，所述排气管道进一步包含第二表面，所述第二表面定位在所述外表面外部，并且所述多个磁体安置在所述排气管道的所述第二表面与所述外表面之间。
在一个实施例中，一种结构包含：加热器，所述加热器被配置成连接到车辆排气系统的组件外部，所述加热器包含壳体、加热元件和传感器；以及磁体，所述磁体被配置成邻近所述组件的外表面布置，以帮助中断和减缓所述组件中的废气的流动。
在一个实施例中，所述组件是催化转化器。
在一个实施例中，所述组件是以下各项中的一项或多项：排气歧管；
催化转化器；选择性催化还原系统(SCR)；柴油氧化催化器；柴油微粒过滤器(DPF)；选择性催化还原系统(SCR)；消声器；以及排气系统管道。
在一个实施例中，所述加热器包含第一加热器和第二加热器，所述第一加热器被配置成连接到催化转化器外部，所述第二加热器被配置成连接到SCR外部。
在一个实施例中，所述加热器进一步包括配量系统，所述配量系统包含配量溶液注射器和容纳配量溶液的配量溶液储器，所述配量溶液注射器被配置成朝向所述组件喷涂所述配量溶液。
在一个实施例中，所述传感器包含一个或多个温度传感器和一个或多个气体传感器。
在一个实施例中，所述结构进一步包含组件气体传感器，所述组件气体传感器被配置成耦接到所述组件。
在一个实施例中，所述结构进一步包含排气管道气体传感器，所述排气管道气体传感器被配置成耦接到附接到所述组件的出口端口的排气管道。
在一个实施例中，所述结构进一步包含排气管道温度传感器，所述排气管道温度传感器被配置成耦接到附接到所述组件的出口端口的排气管道。
在详细描述部分中描述了具体效果连同上述效果。
本公开的方面、特征和优点不限于上面描述的方面、特征和优点。应当理解，上面未提及的其它方面、特征和优点可以从以下描述中清楚地理解，并且可以从本文中阐述的实施例中更清楚地理解。另外，应当理解，本文所述的各个方面、特征和优点可以通过在所附权利要求中描述的装置及其组合来实现。
附图说明
结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图展示了各个示例性实施例，并且与说明书一起用于解释所公开的实施例的原理。
图1是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的横截面视图；
图2A是根据本公开的一个或多个实施例的图1的催化转化器的过滤器的侧视图；
图2B是根据本公开的一个或多个实施例的图1的催化转化器的催化剂涂层的横截面视图。
图3是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的横截面视图；
图4A-4B是根据本公开的一个或多个实施例的图3的催化转化器的干扰器板的侧视图；
图4C是根据本公开的一个或多个实施例的图3的催化转化器的过滤器的侧视图；
图5是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的横截面视图；
图6是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的横截面视图；
图7是根据本公开的一个或多个实施例的图6的催化转化器的外部磁体的布置；
图8是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的横截面视图；
图9A是根据本公开的一个或多个实施例的图8的催化转化器的内部磁体之一的横截面视图；
图9B是根据本公开的一个或多个实施例的图8的催化转化器的内部磁体的分解图；
图10是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的横截面视图；
图11A是根据本公开的一个或多个实施例的图10的催化转化器的过滤器的侧视图；
图11B是根据本公开的一个或多个实施例的图10的催化转化器的过滤器的透视图；
图12是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的透视剖视图；
图13是根据本公开的一个或多个实施例的催化转化器的部分横截面视图；
图14是根据本公开的一个或多个实施例的选择性催化还原系统的透视剖视图；
图15A是根据本公开的一个或多个实施例的用于图14的选择性催化还原系统的过滤器的端视图；
图15B是根据本公开的一个或多个实施例的图14的选择性催化还原系统的过滤器的截面视图；
图16是根据本公开的一个或多个实施例的使用汽油运行的排气系统或内燃机的透视组装视图；
图17是根据本公开的一个或多个实施例的排气系统转化器的局部剖视图；
图18A是根据本公开的一个或多个实施例的加热器的透视图；
图18B是根据本公开的一个或多个实施例的加热器的透视图；
图18C是根据本公开的一个或多个实施例的加热器的透视图；
图19是根据本公开的一个或多个实施例的加热器的透视图；
图20是根据本公开的一个或多个实施例的加热器的透视图；
图21是根据本公开的一个或多个实施例的加热销的透视图；
图22是根据本公开的一个或多个实施例的示出了加热器的催化转化器的横截面视图；
图23和24是根据本公开的一个或多个实施例的线圈加热器的透视图和端视图；
图25是根据本公开的一个或多个实施例的消声器的俯视图；
图26是根据本公开的一个或多个实施例的图25的消声器的截面视图；
图27示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例性排气系统；
图28示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例性排气系统；
图28A示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例性配量溶液分配器；
图29示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例性排气控制系统的示意图；
图30A-30C示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于使用柴油燃料运行的车辆的排气系统；
图31是根据本公开的一个或多个实施例的氧化催化剂的透视剖视图；
图32是根据本公开的一个或多个实施例的布置在氧化催化器中的过滤器的端视图；
图33是根据本公开的一个或多个实施例的布置在柴油微粒过滤器中的过滤器的端视图；
图34是根据本公开的一个或多个实施例的用于煤相关应用的排气系统的组装视图；
图35A和35B是布置在图35的排气系统的催化转化器中的过滤器的前视图；
图36是根据本公开的一个或多个实施例的用于摩托车的排气系统；
图37是根据本公开的一个或多个实施例的用于割草机的排气系统；并且
图38是根据本公开的一个或多个实施例的非电池供电的排气系统；
图39是根据本公开的一个或多个实施例的用于工业发电厂的排气系统的组装视图；
图40是根据本公开的一个或多个实施例的图34中所示的烟囱的俯视图。
图41是根据本公开的一个或多个实施例的线圈加热器的视图；
图42和43是根据本公开的一个或多个实施例的具有排气管道加热器的排气系统的组装视图；
图44是根据本公开的一个或多个实施例的外部加热器的视图；
图45是根据本公开的一个或多个实施例的外部加热器的视图；并且
图46是根据本公开的实施例的具有一个或多个外部加热器的排气系统的组装视图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本公开的主题，所述附图形成本公开的一部分并且通过说明的方式示出了具体示例性实施例。在本文中描述为“示例性”的实施例或实施方案不应被解释为例如相对于其它实施例或实施方案是优选的或有利的；相反，其旨在反映或指示实施例是“示例”实施例。主题可以各种不同的形式体现，并且因此所覆盖或所要求保护的主题旨在被解释为不限于在本文中阐述的任何示例性实施例；提供示例性实施例仅仅是说明性的。同样地，预期所要求保护或所覆盖的主题的合理宽的范围。除其它事项之外，例如，主题还可以被体现为方法、装置、组件或系统。因此，实施例可以例如采取硬件、软件、固件或其任何组合(除了软件本身之外)的形式。因此，以下详细描述并不旨在以限制性意义来理解。
贯穿本说明书和权利要求，术语可以具有在上下文中表明或暗示的超出明确陈述的含义的具有细微差别的含义。同样地，如本文所用的短语“在一个实施例中”不一定是指同一实施例，并且如本文所用的短语“在另一个实施例中”不一定是指不同的实施例。旨在例如所要求保护的主题旨在整体地或部分地包含示例性实施例的组合。
下文所使用的术语可以以其最广泛的合理方式进行解释，即使其与本公开的某些特定实例的详细描述结合使用。实际上，某些术语可以甚至在下文强调；然而，旨在以任何受限方式解释的任何术语将在本详细描述部分中如此明显地且具体地定义。前述一般描述和以下详细描述都只是示例性和解释性的，并且不限制所要求保护的特征。
在本公开中，术语“基于”是指“至少部分地基于”。除非上下文另外规定，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”包含复数指示物。术语“示例性”是在“实例”而不是“理想”的意义上使用的。术语“或”意指是包含性的，并且意指所列出的项中的任一个、任何一个、若干个或所有项。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”或其其它变型旨在覆盖非排他性包含，使得包括一系列元件的过程、方法或产品不一定仅包含那些元件，而是可以包含未明确列出的或者此类过程、方法、制品或设备所固有的其它元件。相对术语，如“基本上”和“一般地”，用于指示所陈述或所理解的值的±5％的可能变化。
现在参考附图并且具体地参考图1-41，将描述体现本公开的原理和概念的排气系统及其相关联特征的实施例。
催化转化器包含一个或多个过滤器。过滤器可以由陶瓷形成，并且包含蜂窝状(不限于任何特定形状)开口。在需要特别高的耐热性的应用中，可以使用由Kanthal(FeCrAl)制成的金属箔单片过滤器。催化转化器可以包含由氧化铝、二氧化钛、二氧化硅或二氧化硅和氧化铝的混合物形成的催化剂涂层。可以选择催化剂材料以形成粗糙的不规则的表面，与裸露基材的光滑表面相比，这极大增加了表面积。这进而使可用于与发动机排气反应的催化活性表面最大化。在稀发动机操作下，可能存在过量的氧气，并且NOx的还原可能不是有利的。在富条件下，过量的燃料可能在催化剂之前消耗可用氧，因此仅存储的氧气可以用于氧化功能。由于对有效的NOx还原和HC氧化的冲突要求，闭环控制系统可能是必要的。控制系统可以防止NOx还原催化剂变得完全氧化，但补充氧气储存材料以保持其作为氧化催化剂的功能。
图1展示了根据本公开的实施例的催化转化器100的横截面视图。催化转化器100可以沿纵向(或水平)轴线104延伸。催化转化器100可以包含外壳102、入口端口106和出口端口108。一个或多个过滤器110可以安置在外壳102的内部。具有多个空间(或开口)112的内部结构可以设置或布置在外壳102的内部。例如，如图所示，空间112可以设置在所述一个或多个过滤器110之间或邻近所述一个或多个过滤器设置。被配置成加热催化转化器100的内部的一个或多个电加热元件114可以布置在空间112内。加热元件114可以包含由例如镍铬合金(NiCr)导线构成的加热导线，但不限于此。电引线116可以从电源(为了说明清楚起见，图中未示出)延伸以将电能供应到加热元件114。与常规催化转化器相比，加热元件114通过加热催化转化器100的内部而显著地且基本上改善了催化转化器100内的有害气体和微粒物质的去除或减少。尽管图1是关于催化转化器解释的，但图1的组件和实施例可以被引导到或结合到任何其它排气转化器中，例如，选择性催化剂还原系统、氧化催化剂、柴油微粒过滤器、排气管道等。
图2A示出了过滤器110的端视图。在一个实施例中，过滤器110可以是例如包含多个蜂窝状开口210的金属或陶瓷过滤器。开口210可以被配置成将气体和/或微粒物质从过滤器110的一端输送到相对端。过滤器110的开口210的形状和尺寸可以根据本公开的一个或多个排气系统的应用而变化。在一个实施例中，在汽油发动机系统中使用的过滤器110的开口210的尺寸可以为约1/16英寸，但不限于此。在另一个实施例中，在柴油发动机系统中使用的过滤器110的开口210的尺寸可以介于约1/8英寸至1/4英寸之间，但不限于此。
在一个实施例中，过滤器110可以涂覆有催化剂涂层材料，以使过滤器110与有毒或有害气体和微粒物质之间的接触最大化或增加所述接触。催化剂涂层材料可以减缓可以从入口端口106横穿到出口端口108的有毒气体和微粒物质的流动。另外，催化剂涂层材料可以帮助促进催化转化器100的快速加热。另外，催化剂涂层材料可以促进催化转化器100的快速加热。下文中描述了体现本公开的原理和概念的催化剂涂层及其相关联特征的实施例。
图2B示出了根据本公开的实施例的催化剂涂层220的横截面视图。催化剂涂层220可以包含多个层222-230。所述多个层可以包含例如第一层222、第二层224、第三层226、第四层228和第五层230。第一层222可以设置在过滤器110的表面上或包括过滤器本身的表面材料。第一层222可以包含例如厚度为约0.35微米至0.8微米的陶瓷材料。顶层(其是图2B中的第五层230)还可以包含例如厚度为0.35微米至0.8微米的陶瓷材料。包括一种或多种陶瓷材料的第一层222和第五层230可以为过滤器110和催化剂涂层220的其它层提供保护，使其免受潜在的冲击或损害。第一层222和第五层230的厚度不限于此，并且取决于具体应用。
在一个实施例中，第二层224、第三层226和第四层228可以夹置在第一层222与第五层230之间。另外，第二层、第三层和第四层224-228可以包含贵金属。例如，第二层224可以包含钛，第三层226可以包含钯，并且第四层228可以包含铑。另外或替代地，除了层222-230或与层222-230中的一个或多个层的组合之外，还可以使用金。例如，金可以被喷涂(例如，通过喷涂金的散射斑点或点)在层222-230之间或所述层的顶部上。当在催化剂涂层220中使用金时，层222-230中的每个层或组合可以制得更薄。即，可以通过在层222-230中使用金来改进催化剂涂层220的有效性。在本公开的一个示例性实施例中，用于汽油发动机系统的过滤器110可以包含涂覆有铂、钯、铑和陶瓷的蜂窝状开口。另外或替代地，可以使用金。类似地，柴油发动机系统的过滤器110可以包含涂覆有铂、钯、铑和陶瓷的六边形或蜂窝状开口。几何表面积可以是催化性能的重要因素。虽然不限于此，但相较于正方形开口，六边形开口提供了更好的热质量效率。
第二层、第三层和第四层的厚度可以为0.35 -0.80微米；然而，每个层的厚度不限于此，并且取决于具体应用。在一个实施例中，在施加催化剂涂层220中的每个层之后，可在预定温度下烘烤过滤器110。虽然在图2B中示出了催化剂涂层220的五个层，但催化剂涂层220的层数可以不限于五个。另外，第二层至第四层224-228的顺序可以是可互换的。然而，第一层222和第五层230可以优选地安置在第二层至第四层224-228的外层上，以为贵金属层(例如，层224-228)和过滤器110提供保护。根据本公开的实施例的催化剂涂层220快速加热过滤器110，并显著减少或去除不期望的废气和微粒物质。
在实施例中，催化剂涂层220可以保持其表面积并且可以防止催化金属颗粒在高温(例如，大约1000℃或更高)下烧结。如上所述，催化剂材料可以是贵重金属或贵金属的混合物。在一些实施例中，可以选择铂作为主要活性催化剂。替代地，在一些实施例中，可以不使用铂。是否使用铂可以例如基于任何不希望的另外的反应和/或成本来确定。另外或替代地，钯和铑可以包含在催化剂涂层220中。在一个实施例中，铑可以包含在用于还原催化剂的催化剂涂层220中，并且钯可以包含在用于氧化催化剂的涂层材料中。在一个实施例中，铂可以包含在催化剂涂层中以促进还原和/或氧化。另外或替代地，铈、铜、铁、锰和镍可以包含在涂层材料中以促进还原和/或氧化。
图3展示了根据本公开的实施例的催化转化器300。催化转化器300可以包含外壳302、入口端口306、出口端口308、一个或多个过滤器310和多个空间312。在此实施例中，电加热元件314可以布置或安置在空间312中。加热元件314可以包含由例如镍铬合金导线构成的加热导线，但不限于此。电引线316可以从电源(为了说明和描述清楚起见，图中未示出)延伸以将电能供应到加热元件314。
在一个实施例中，干扰器板318可以置于入口端口306和出口端口308处或附近。可以包含干扰器板318，以增加(add/increase)对横跨过滤器310的废气的流动的搅动。如图3所示，干扰器板318可以被定向或安置成正交于外壳302的纵向(或水平)轴线304。类似于图1所示的过滤器110，过滤器310可以涂覆有一种或多种催化材料以使与有毒气体和微粒的接触最大化或增加所述接触，并且减缓气体在催化转化器300内横穿所述催化转化器的流动。另外，加热元件314可以进一步通过加热催化转化器300的内部和组件(例如，过滤器310)来帮助去除或减少有害气体和微粒物质。图4A和4B示出了干扰器板318的端视图，所述干扰器板可以包含孔420的阵列，所述孔可以跨废气和微粒物质的流动方向延伸。孔420的阵列可以以如图4A所示的均匀图案或以如图4B所示的伪随机图案围绕干扰器板318散布。另外，孔420的尺寸和形状可以以合适的方式改变。图4C示出了过滤器310的端视图的一个实例。类似于图1和2A中的过滤器110，过滤器310可以包含多个孔410和具有多层陶瓷和贵金属的催化剂涂层，类似于以上对应于图2A和2B所讨论的实施例。
图5描绘了根据本公开的实施例的催化转化器500。催化转化器500可以包含一个或多个过滤器510、加热元件514、电引线516、次级平面加热元件515、517、干扰器板518和另外的电引线519。加热元件514可以布置或安置在多个空间512中。电引线516可以从电源延伸以将电力供应到加热元件514和次级平面加热元件515、517，所述次级平面加热元件可以邻近干扰器板518布置在入口端口506和/或出口端口508附近。另外的电引线519可以将电能供应到次级平面加热元件515、517。虽然本公开的各种元件中的一些元件被描述为是平面的或具有特定定向，但并不要求这些几何限制是精确的，并且其近似值在本公开的各个实施例的描述内。正常的、基本上层流的废气的中断增强了催化转化器500的效率。因此，通过包含所述多个加热元件514、515、517和干扰器板518，显著地改善了排出催化转化器的有毒气体和特定物质的去除或减少。
在一个实施例中，次级加热元件515、517可以邻近或靠近过滤器510中的一个或多个过滤器安置或布置，而不是邻近或靠近入口端口506和/或出口端口508安置。催化转化器500在有害气体和微粒物质穿过催化转化器500时去除或减少所述有害气体和微粒物质。次级加热元件515、517可以被配置成将催化转化器500的内部温度加热到例如约800℃至1200℃，这帮助去除或减少催化转化器500内或横穿所述催化转化器的有害气体和微粒物质。可以用贵金属涂覆或喷涂过滤器510(参见图16，用于说明示例过滤过程)，以帮助维持例如约800℃至1200℃的内部温度，并且进而进一步帮助去除或减少有害气体和微粒物质。另外，类似于根据图1-4描述的实施例，催化转化器500可以包含如图2B所示的催化剂涂层，以帮助去除或减少有害气体和微粒物质。
图6示出了根据本公开的实施例的催化转化器600。催化转化器600可以包含一个或多个过滤器610，通过所述一个或多个过滤器可以在入口端口606与出口端口608之间维持磁场。在此实施例中，催化转化器600通过部分地或内部地包围外壳603的包围外壳602来增强。多个磁体607可以定位或布置在壳602、603之间。如图7所示，所述多个磁体607可以具有弯曲形状以接近外壳603的外部几何形状，并且可以设置成两组607a、607b。所述多个磁体607可以安置在具有交替极性的阵列中，如图7所示。在一个实施例中，面向彼此的磁体607可以具有相反极性。替代地，磁体607可以具有相同极性，并且极性可以沿转化器600的纵向或水平方向不改变。使磁体以相反极性面向彼此会产生更强的磁场。在一个实施例中，所述多个磁体607可以包含一个或多个钕磁体。在另一个实施例中，所述多个磁体607可以是电磁体。然而，取决于期望应用，可以使用任何合适的磁体。类似于图1-5中公开的实施例，加热器612、613可以布置在催化转化器600内的一个或多个空间中。另外，电引线616、616可以附接到控制单元和电源(为了说明清楚起见，图中未示出)，所述控制单元和电源可以被配置成在加热器612、613之间切换以例如通过施加介于约6安培至45安培之间的电流来维持期望温度。
图8示出了根据本公开的实施例的催化转化器800。在此实施例中，磁体807的阵列可以被放置成从外壳802的内表面邻接外壳802。类似于根据图1-7描述的实施例，加热元件814可以布置在空间812处或附近，所述空间紧挨着具有对加热元件814供电的电引线816的一个或多个过滤器810。
图9A示出了磁体807的端视图，并且图9B描绘了磁体807的分解图。在一个实施例中，中心核心磁棒809可以作为一组磁体807的一部分提供。中心核心磁棒809可以允许磁体507的极性的不同布置。例如，面向彼此的外部磁体807可以具有相同或不同的极性，所述极性可以沿纵向方向变化。另外，中心核心磁棒809可以是从入口端口806延伸到出口端口808的一件，在每一端处具有一个极性。替代地，中心核心磁棒809可以由区段制成，所述区段可以在纵向方向上彼此分离并且具有可以在纵向方向上变化的极性。虽然磁体807已经被描绘为固定磁体，但作为补充或替代物，可以提供电磁体，以用合适的电流源(为了说明和描述清楚起见，图中未示出)操作。
图10展示了根据本公开的实施例的催化转化器1000。催化转化器1000可以包含外壳1002、入口端口1006、出口端口1008、一个或多个过滤器1010、多个空间1012和多个加热棒1016。在一个实施例中，电加热元件1014可以布置或安置在空间1012中。加热元件1014可以包含由例如镍铬合金导线构成的加热导线，但不限于此。电引线1016可以从电源延伸以将电能供应到加热元件1014。
图11A示出了图10的过滤器1010的端视图。在一个实施例中，过滤器1010可以是例如包含多个蜂窝状开口1110的金属或陶瓷过滤器。开口1110可以被配置成将气体和/或微粒物质从过滤器1010的一端输送到相对端。过滤器1010的开口1110的形状和尺寸可以根据本公开的排气系统的期望应用而变化。在一个实施例中，在汽油发动机系统中使用的过滤器1010的开口1110的尺寸可以为约1/16英寸，但不限于此。在另一个实施例中，在柴油发动机系统中使用的过滤器1010的开口1110的尺寸可以介于约1/8英寸至1/4英寸之间，但不限于此。另外，所述多个棒1016可以插入到所述多个开口1110中。所述多个棒1016可以跨过滤器1010的整个长度从过滤器1010的一端延伸到另一端。在一些实施例中，所述多个棒1016可以部分地延伸穿过过滤器1010，而不是跨过滤器1010的整个长度延伸。所述多个棒1016可以通过快速传导在催化转化器1000内部产生的热并将热传递到过滤器1010来促进过滤器1010的快速加热。在过滤器101中使用的所述多个棒1016的数量和位置可以基于使用催化转化器1000在排气系统内产生的背压的量或水平来确定。因此，多个棒1016的数量可以至少根据过滤器的形状和尺寸、过滤器1010的开口1110的尺寸等来确定。优选地，用插入到过滤器1010中的所述多个棒1016测量的背压水平可以为零。
在一个实施例中，所述一个或多个过滤器1010可以涂覆有催化剂涂层材料，以使过滤器1010与有毒气体和微粒物质之间的接触最大化或增加所述接触。催化剂涂层材料可以减缓可以从入口端口1006横穿到出口端口1008的有毒气体和微粒物质的流动。另外，催化剂涂层材料可以促进催化转化器1000的快速加热。下文中描述了体现本公开的原理和概念的催化剂涂层及其相关联特征的实施例。所述一个或多个过滤器1010可以以与以上关于图2B描述的方式相同的方式涂覆有催化剂涂层材料。
图11B示出了包含所述多个棒1016的图10的过滤器1010的透视图。在一个实施例中，所述多个棒1016可以插入到所述多个开口1110中。另外，所述多个棒1016可以跨过滤器1010的整个长度从过滤器1010的一端延伸到另一端。在一些实施例中，所述多个棒1016可以部分地延伸穿过过滤器1010，而不是跨过滤器1010的整个长度延伸。如上所述，所述多个棒1016的数量和位置可以取决于在使用催化转化器1000的排气系统中测量的背压水平。通过使用所述多个棒1016，除了根据上述图2B描述的催化剂涂层1120之外，还可以快速加热催化转化器1000，以显著改善在基于化石燃料的内燃机中产生的有毒或有害气体和微粒的去除和减少。
图12展示了根据本公开的一个示例性实施例的催化转化器1200。除了图12所示的元件之外，催化转化器1200还可以包含根据图1-11所示的实施例公开的一个或多个特征。催化转化器1200可以包含第一壳体(或壳)1212、可以由第一壳体1212包围的第二壳体(或壳)1214、废气进入第一壳体1212的入口1216以及废气离开第一壳体1212的出口1218。在第一壳体1212的内部腔体内，在入口1216与出口1218之间，第一过滤器1226和第二过滤器1228。第一过滤器1226被配置成氧化有害废气，并且具体地二氧化碳。第二过滤器1228可以被配置成进一步减少/消除有害废气，包含但不限于二氧化碳、一氧化碳和氮氧化物，以及烃和其它有害化学物质。过滤器1226、1228可以由陶瓷或金属材料形成。
第一过滤器1226和第二过滤器1228可以包含例如陶瓷过滤器，所述陶瓷过滤器包含多个蜂窝状开口，所述陶瓷过滤器可以涂覆有具有一种或多种贵金属的催化剂涂层1229。第一过滤器1226和第二过滤器1228可以包含可以延伸穿过蜂窝结构的多个棒1230。例如由经热处理的金属或合金(例如，铜或钢)形成的多个加热棒1230可以跨过滤器1226、1228纵向地或水平地延伸，使得每个棒1230的一端大致朝向入口1216定向，并且每个棒1230的另一端大致朝向催化转化器1200的出口1218定向。另外或替代地，棒1230可以被布置成围绕过滤器1226、1228横穿。在一个实施例中，第一过滤器1226中的每个棒1230可以在第一过滤器1226的整个长度上从第一过滤器1226的一端延伸到第一过滤器1226的另一端。类似地，第二过滤器1228中的每个棒1230可以在第二过滤器1228的整个长度上从第二过滤器1226的一端延伸到第二过滤器1228的另一端。替代地，一个或多个棒1230可以跨第一过滤器1226和/或第二过滤器1228部分地延伸。如下文进一步所述，棒1230用于将热传递到过滤器1226、1228中，并且过滤器1226、1228内的经加热的棒团块促进有效地在催化转化器1202内维持恒定温度。另外，在第一壳体1212与第二壳体1214之间，可以布置和分布有多个磁体1232。虽然磁体1232的放置被示出在壳体1212、1214之间，但磁体1232可以被放置在过滤器1226、1228上或内、放置在腔体1222内和/或放置在第一壳体1212的外部。在一个实施例中，棒1230的数量可以由过滤器1226、1228的尺寸确定。例如，对于尺寸为约12x 5英寸的过滤器，可以设置约6至8个棒。棒的数量可以基于排气系统的背压来确定。在一个实施例中，可以修改过滤器的尺寸以减少或消除排气气流背压。
为了便于监测废气中的氧气量，可以在催化转化器1200的外部或内部安置或固定与电子控制单元连通的氧气传感器1220。氧气传感器1220被配置成测量离开发动机的废气中的氧气量(或可燃物的浓度)。排气系统可以具有上游氧气传感器和下游氧气传感器1220两者。上游氧气传感器1220定位在催化转化器1220之前，而下游传感器定位在催化转化器1200之后。通常被称为动力系控制模块(PCM)的发动机计算机可以使用来自上游氧气传感器1220的数据来调节发动机的燃料混合物。同时，PCM可以使用来自下游氧气传感器1220的信号来监测催化转化器1200的健康状况。
氧气传感器1220可以在入口1216的下游且在第一过滤器1226之前延伸到第一壳体1212的第一壳体腔体1222中。为了将催化转化器1202的内部温度增加到高于阈值温度，从第二壳体1214外部延伸到第一壳体腔体1222中的电加热器1224可以安置在第一过滤器1226的上游。加热器1224可以连接到电源和电子控制单元，所述电子控制单元可以布置在催化转化器1202的外部，并且可以被配置成将催化转化器1200的内部加热到高于阈值温度。电源和电子控制单元可以基于由可以布置在出口1218附近的温度传感器1245提供的温度传感器数据控制加热器1224。图12中描绘的加热器1224可以包含缠绕的金属线圈1225。然而，加热器1224可以采取任何形式(稍后在下文进一步详细描述)以确保催化转化器1200的快速内部加热。虽然在图12中加热器1224被示出为在过滤器1226之前延伸到催化转化器1200中，但可以布置多于一个加热器1224以延伸到催化转化器1200中。例如，加热器1224可以布置在过滤器1226、1228中的一个或多个过滤器内、或布置在第一腔体1222和/或第二腔体1223内、布置在过滤器1226、1228之间等。因此，加热器1224的放置不限于本公开的附图中所示的实施例。另外，根据本公开的具有不同设计的一个或多个加热器可以完全布置在第一壳体1212和/或第二壳体1214内的任何位置处的催化转化器1200的腔体1222、1223内，和/或可以固定在催化转化器1200的外部和/或固定在直接定位在催化转化器1200上游的管路1206内或外部。
图13展示了根据本公开的实施例的示例性催化转化器1300。催化转化器1300可以包含过滤器1325前方的第一加热器1315和过滤器1325后方的第二加热器1317。另外，温度传感器1326、1327可以邻近或靠近加热器1315和1317放置，以监测催化转化器1300的内部温度并确保维持适当的内部温度。如图13所示，各种气体可以进入催化转化器1300，以由根据本公开的实施例的催化转化器1300减少或去除。
图14示出了根据本公开的实施例的选择性催化还原系统(SCR)1400。在一个实施例中，SCR 1400可以布置在根据本公开的实施例的催化转化器或其它排气转化器(例如，氧化催化器和/或柴油微粒过滤器)的下游。SCR 1400可以在下游通过管路1606(图16所示)耦接到催化转化器(或其它排气转化器)。SCR 1400被配置成通过氧化氮氧化物气体并将其转化成从本公开的排气系统排出并进入环境中的无害废气排放物(例如，氮气、水和少量的二氧化碳)来还原氮氧化物(N0x)气体。在一个实施例中，SCR 1400减少废气排放物，而不需要将液体还原剂结合到废气流中以减少氮氧化物的量。在其它实施例中，SCR 1400可以包含一个或多个注射器以注射液体还原剂(例如，尿素)，从而促进减少或去除有害废气排放物。尿素的一个来源是AdBlue，其包括溶解在蒸馏水中的约32.5％的高质量尿素。
如图14所展示的，SCR 1400可以包含过滤器1440、多个加热棒1446和加热元件1424。图14中描绘的加热元件1424可以包含缠绕的金属线圈1425。然而，加热元件1424可以采取任何形式(稍后在下文进一步详细描述)以确保SCR 1400的内部加热。另外，如图15A所示，过滤器1440可以包含多个蜂窝状开口1547。开口1547的具体形状和尺寸不限于此，并且根据SCR 1400的期望应用可以使用任何合适的形状和尺寸。在一个实施例中，所述多个加热棒1446可以插入到蜂窝状开口1547中。图15B示出了过滤器1440的局部透视图。除了蜂窝状开口1547之外，过滤器1440还可以包含可以围绕过滤器1440分散的多个孔1542。可以包含所述多个孔1542，以进一步中断来自层流路径的废气的流动并减缓气体从SCR 1400流出的速度。类似于在图1-13的实施例中公开的过滤器，过滤器1440可以以与以上关于图2B描述的方式相同的方式涂覆有催化剂涂层1548。
在一个实施例中，加热棒1446可以纵向延伸穿过蜂窝结构，使得每个棒1446的一端可以大致朝向SCR 1400的入口定向，并且每个棒1446的另一端可以大致朝向SCR 1400的出口定向。棒1446可以包含经热处理的金属或合金(例如，铜或钢)。电加热器1424可以与电子控制单元连通，并且可以延伸到过滤器1440上游的SCR 1400中。类似于在图1-13中公开的前述实施例的过滤器，SCR 1400的过滤器1440的棒1446和催化剂涂层1548促进快速加热并确保充分地维持跨过滤器1440的内部温度。另外或替代地，SCR 1400可以包含一个或多个氮氧化物或O2传感器，其可以由电子控制单元监测和控制，以用于控制电加热器1424。
通过增加SCR 1400的内部温度，烧掉废气中的另外的有害化学物质和微粒。过滤器1440促进捕集和/或减缓通过蜂窝状开口1547穿过选择性SCR 1400的内部腔体的废气的流动。催化剂涂层1548促进进一步减缓和中断废气的流动，使得另外的有害废气排放物可以被加热到高于阈值温度(所述阈值温度超过没有加热器1424的催化转化器1400内的正常操作温度)并在离开SCR 1400之前被烧掉。除了棒1446和催化剂涂层1548之外，类似于图6-9B的前述实施例，多个磁体(为了说明清楚起见，图中未示出)还可以布置和分布在SCR1400的内部或外部。
类似于催化转化器1200中的磁体1232，当废气和微粒经过过滤器1440时，磁体的极性可以通过增加磁体附近的电流以中断和减缓废气和微粒的流动，这进而允许在SCR1400内将废气加热较长时段并且进而进一步氧化和还原废气的有毒副产物来进一步中断和减缓废气和微粒的流动1550。另外或替代地，磁体可以布置在过滤器1440与选择性催化还原系统1400之间，和/或布置在选择性催化还原系统1400壳体的外部。因为SCR 1400内的温度可能变得非常高，所以磁体可以能够在预期的最高温度下操作而不会遭受劣化(例如，AINiCo磁体)。
图16示出了根据本公开的实施例的排气系统1600。在一个实施例中，排气系统1600可以被配置或设计成使用汽油的内燃机。排气系统1600可以包含催化转化器1602、选择性催化还原系统(SCR)1604、一个或多个电加热器1624、一个或多个热传感器1630、一个或多个气体(或氧气或O2)传感器1655和消声器1608。催化转化器1602可以通过第一管路1606耦接到SCR 1604，并且SCR 1604可以通过第二管路1610耦接到消声器1608，如图16所示。热传感器1630可以被配置成检测废气在离开催化转化器1602之前的温度。可以连接到电子控制单元(ECU)的热传感器1630可以定位在催化转化器1602的入口1616和/或出口1618附近。
在一个示例性实施例中，在发动机从冷起动启动时，一个或多个电加热器1624可以由电子控制单元同时打开，以帮助将催化转化器1602的内部温度加热到高于废气和微粒物质的温度。加热器1624可以在达到期望温度之后保持开启，或者如果催化转化器1602内的温度下降到低于预定阈值温度，所述加热器可以关闭并且然后重新开启。电子控制单元可以从一个或多个温度计和其它传感器接收输入信号并且可以生成控制加热器1624的活动的信号。多个棒(为了说明清楚起见，图中未示出)可以在催化转化器1602内的组装状态下在过滤器1626、1628内纵向地或水平地延伸。所述棒可以提供用于从加热器1624穿过过滤器1626、1628更快速地传热的通道，并且由此加速将催化转化器1602的内部温度加热到期望内部温度，并且帮助跨过滤器1626、1628的表面区域和催化转化器1602的腔体1622将期望内部温度维持高于阈值，以至少在整个过滤器1626、1528和周围内表面区域氧化有害废气。
通过将催化转化器1602的内部温度升高至高于催化转化器1602的正常操作温度的温度，作为废气的一部分的有害化学物质和微粒在离开催化转化器1602之前比在常规催化转化器中更有效地被氧化和/或烧掉。过滤器1626、1628促进在废气通过蜂窝开口穿过催化转化器1602的内部腔体时捕集和/或减缓废气的流动，并且贵金属过滤器涂层(为了说明和描述清楚起见，图中未示出)帮助进一步减缓和中断废气跨内部催化转化器腔体1622的流动，使得更多的有害废气排放物可以被加热到高于阈值废气温度并且在离开催化转化器1602之前被氧化和/或烧掉。阈值温度可以根据基于系统1600组件所期望的另外的氧化/烧掉的量和其它因素而针对任何给定配置进行优化。
在一个实施例中，磁体1632的极性帮助通过增加催化转化器1602的腔体1622内的电流来进一步中断和减缓废气和微粒在其穿过催化转化器1602时的流动。中断和减缓废气和微粒的流动允许在催化转化器1602的腔体1622内将废气加热较长时段，并且进而进一步氧化和还原废气的有毒副产物。因为催化转化器1602内的温度可能非常高，所以磁体1632可以被配置成在预期的最高温度下操作而不会遭受劣化(例如，AINiCo磁体、钕磁体等)。
类似于根据图14-15B描述的SCR 1400，SCR 1604可以被配置成通过氧化氮氧化物(N0x)气体并且通过经由根据图1-15B的前述实施例的多个棒和催化剂涂层快速加热SCR1604将其转化成无害废气排放物(例如，氮气、水和少量的二氧化碳)来还原氮氧化物气体。在离开SCR 1604时，剩余的废气可以流经连接SCR 1604的管路1610并进入消声器1608。消声器1608可以被配置成减少或“抑制(muffle)”发动机噪声，并且可以进一步减少剩余的有害废气并冷却排气温度。
图17展示了根据本公开的实施例的排气转化器1700。排气转化器1700可以用在基于汽油或柴油的发动机系统中。另外，排气转化器1700可以被设计或配置成用作例如催化转化器、SCR、氧化催化器、柴油微粒过滤器(DPF)。
在一个实施例中，排气转化器1700可以包含第一加热器1720、第一过滤器1721、第二加热器1726和第二过滤器1728。第一加热器1720可以通过第一连接器1724从电源(为了说明和描述清楚起见，未示出)接收电力，并且第二加热器1726可以通过第二连接器1734从电源接收电力。第一加热器1720和第一过滤器1721可以是集成的整体装置。替代地，第一加热器1720和第一过滤器1721可以是可以通过任何合适的固定构件(例如，通过焊接、螺钉、螺栓等)组合或附接在一起的单独装置。类似地，第二加热器1726和第二过滤器1728可以是集成的整体装置。替代地，第二加热器1726和第二过滤器1728可以是可以通过任何合适的固定构件(例如，通过焊接、螺钉、螺栓等)组合或附接在一起的单独装置。第一加热器1726和第二加热器1726可以是不同类型的加热器，如图17所示。替代地，第一加热器1720和第二加热器1727可以是同一类型的加热器。
在一个实施例中，第一加热器1720可以包含加热元件1722。加热元件1722可以由例如金属材料制成，并且加热元件1722可以包含多个开口(例如，蜂窝状开口)。另外，第一加热器1720可以包含在水平方向上跨第一加热器1720延伸的多个加热棒1722。加热棒1722可以从第一加热器1720的一端完全水平地延伸到另一端。替代地，加热棒1722可以在第一加热器1720内部分地水平地延伸。另外，加热棒1722可以插入到过滤器插入件1722的所述多个开口中。在一个实施例中，加热棒1722可以包含例如经热处理的金属或合金(例如，铜或钢)。
在一个实施例中，可以通过在第一连接器1724与第一加热器1722的壳体1723(例如，金属壳体)之间施加电势来加热第一加热器1720。第一连接器1724和壳体1723可以被配置成充当第一端子和第二端子(例如，正和负(或接地)端子)。加热元件1722和加热器壳体1723可以电耦接到电源。因此，当电源施加电势以感应电流穿过第一加热器1720时，第一加热器1720可以快速变热。因此，壳体1723、加热元件1722和加热棒1716可以促进第一加热器1720的快速加热。例如，加热棒1716促进将第一加热器1720内部产生的热传递到加热元件1722。加热元件1722可以充当过滤器，所述过滤器可以帮助去除和减少废气和微粒物质。根据排气转化器1700的期望应用，第一过滤器1721可以由陶瓷或金属材料制成。类似于根据上述图1-16的前述实施例描述的催化转化器和SCR，第一过滤器1721可以包含多个加热棒(为了说明清楚起见，图中未示出)和薄催化剂涂层。因此，由第一加热器1720、薄催化剂涂层和所述多个加热棒产生的热可以促进快速加热第一过滤器1726。
在一个实施例中，第二加热器1726可以包含一个或多个加热导线1727。如图17所示，加热导线1727可以布置成网状图案。然而，可以使用任何合适的形状和/或尺寸的加热导线1727。加热导线1727可以耦接到连接器1734。在此实施例中，第二加热器1726可以通过将电流施加到加热导线1727来加热。电源可以被配置成同时或顺序地向连接器1724和1734提供电流。通过加热导线1727产生的热可以加热第二过滤器1728。第二过滤器1728可以包含多个加热棒1730。在一些实施例中，加热导线1727可以附接到加热棒1730，以防止可能由振动或其它内部或外部移动或力引起的对加热导线1727的潜在损坏。根据排气转化器1700的期望应用，第二过滤器1728可以由陶瓷或金属材料制成。类似于根据上述图1-16的前述实施例描述的催化转化器和SCR，第二过滤器1728可以包含薄催化剂涂层。因此，由第二加热器1726、薄催化剂涂层和所述多个加热棒1730产生的热可以促进第二过滤器1728的快速加热。在一些实施例中，由金属材料制成的第一过滤器1721和/或第二过滤器1728可以电耦接到电源的一个或多个端子，以进一步帮助第一过滤器1721和/或第二过滤器1728的快速加热。另外，如图17所示，第一加热器1720和第二加热器1726的位置不受限制。第一加热器1720和第二加热器1726的位置可以基于排气转化器1700的期望应用来适当确定。
应当理解，第一加热器1720可以包含加热元件1722和一个或多个加热导线(如加热导线1727)(参见例如图19)两者。同样地，第二加热器1726可以包含一个或多个加热导线1727和加热元件并且如加热元件1722(参见例如图19)。如所指出的，加热元件1722可以充当过滤器，所述过滤器可以帮助去除和减少废气和微粒物质。
图18A-23B示出了可以结合到在图1-17中公开的前述实施例中的任何实施例中的各种示例性加热器和组件。图18A展示了根据本公开的实施例的加热器1800的透视图。加热器1800可以包含壳体(或底板)1802、一个或多个加热导线1804和连接器1806。在一个实施例中，加热导线1804可以耦接到壳体1802和连接器1806。例如，加热导线1804的一端可以耦接到壳体1802，并且加热导线1804的另一端可以耦接到连接器1806。如图18A所示，连接器1806可以包含被配置成从电源接收电流的一个或多个端子以及充当电绝缘体以在壳体1802的表面与连接器1806之间提供电绝缘的一个或多个陶瓷部分1808。所述一个或多个端子可以是例如连接器1806的正(或负)端子。壳体1802可以被配置成负(或正)端子或接地。
在一个实施例中，加热导线1804可以包含螺旋(或之字)形状，如图18A所示。然而，根据加热器1800的期望应用，加热导线1804可以具有任何合适的形状。加热导线1804可以由厚度为约1.2mm的铬镍电阻材料制成。加热导线1804中的每个加热导线的厚度和长度可以基于施加到加热导线1804的电流的量(或水平)来确定。例如，约40cm的长度可以用于约48至60安培的电流供应。对于约30安培的电流供应，可以使用约20cm的长度。在一些实施例中，可以通过将例如所述多个加热导线1804中的每个加热导线的一端连接到连接器1806的多个正端子中的每个正端子，同时将所述多个加热导线的所有其它端一起连接到壳体1802的表面上的单个负端子来使用多个加热导线1804。因此，供应电流可以被分成所述多个加热导线1804，由此减少由加热导线1804的数量供应的电流的总量。所述多个加热导线1804中的每个加热导线的厚度和长度可以相对于供应到加热导线1804的电流水平来计算。使用多个加热导线1804可以允许加热导线1804中的每个导线更短更细。因此，加热导线1804可以比具有较大厚度和长度的单一加热导线基本上更快地变热。
图18B示出了根据本公开的另一个实施例的加热器1810的透视图。加热器1810可以包含具有腹板形状(不限于此)的加热导线1814、壳体(或底板)1821以及被配置成将加热导线1814固定在适当位置的多个棒1818。当电源通过连接器1816供应电流时，加热导线1814可能会变热。连接器可以包含正端子和负端子。在一些实施例中，壳体1812可以被配置成负端子或接地。类似于根据上述图18A的实施例公开的加热导线1804，加热导线1814的形状、厚度和长度可以相对于从电源供应的电流水平来确定。加热器1810例如可以布置在陶瓷蜂窝过滤器的前方1至1.5英寸处。
图18C展示了根据本公开的另一个实施例的加热器1830的详细视图。如图18C所示，加热器1830可以被设计成包含不同尺寸和图案。加热器1830可以由被配置成当将电流施加到加热器1830时快速变热的金属材料制成。加热器1830可以另外或替代地用于在图1-18B的实施例中公开的加热器中的任何加热器。
图19展示了根据本公开的实施例的加热器1902。加热器1902可以包含壳体1902、第一端子1903、第二端子1904、一个或多个加热导线1906(尽管仅示出了一个，但可以使用类似于图18A所示的加热导线1804的多级加热导线)、加热元件1908、多个加热棒1910和连接器1912。壳体1902可以是金属壳体。
第一端子1903可以是正极(或负极)端子，并且第二端子1904可以是负极(或正极)端子或接地。在一个实施例中，第一端子1903可以电耦接到连接器1912，并且第二端子1904可以电耦接到壳体1902。
加热导线1906可以电耦接在第一端子1903与第二端子1904之间。在此实施例中，连接器1912可以被配置成从电源接收电流，并且可以用作正极(或负极)端子。另外，壳体1902可以被配置成用作负极(或正极)端子或接地。因此，由电源在正极端子1903(例如，通过连接器1912)与负极端子1904(例如，通过壳体1902)之间提供的电势可以在第一端子1903与第二端子1904之间感应电流。因此，耦接在第一端子1903与第二端子1904之间的加热导线1906可以基于供应的电流水平变热。另外，可以包含金属材料的加热元件1908可以电耦接到第一端子1903和/或第二端子1904，并且还可以由于供应的电流而变热。
加热棒1910可以通过快速传导由加热导线1906产生的热来进一步促进加热元件1908的加热。在一个实施例中，加热棒1910可以插入到加热元件1908的开口中，并且可以从加热元件1908的一端延伸到加热元件1908的另一端。加热棒1910还可以包含可以从加热元件1908的一端部分延伸到加热元件1908的另一端的棒。另外，加热棒1910可以用作支撑件，所述支撑件被配置成将加热导线1906保持在适当位置。在此实例中，加热棒1910从加热元件1908的一端部分延伸到加热元件1908的另一端。
在一个实施例中，加热导线1906可以包含螺旋形状，如图19所示。然而，加热导线1906的具体形状和尺寸可以不限于此，并且取决于加热器1900的期望应用可以具有任何合适的形状或尺寸。类似于加热导线1804，加热导线1906可以由优选地厚度为约1.2mm的铬镍电阻材料制成。加热导线1906的长度可以基于施加到加热导线1906的电流的量(或水平)来确定。例如，约40cm的长度可以用于48安培的电流供应。对于30安培的供应的电流，可以使用约20cm的长度。因此，加热导线1906的长度和厚度可以相对于电流供应的水平来计算。在一些实施例中，类似于加热导线1804，可以使用多个加热导线1906。
在一个实施例中，加热元件1908可以用作过滤器，并且可以包含根据图1-18C的前述实施例的催化剂涂层。催化剂涂层可以进一步促进加热器1900的快速加热。另外或替代地，根据图6-9B的实施例的一个或多个磁体可以放置或布置在壳体1902与第一电极1903和第二电极1904之间的腔体(或空间)1914中，以促进加热器1900的快速加热。因此，根据图19的实施例，加热器1900可以通过至少加热导线1906、加热棒1910、催化剂涂层和/或磁体的一个或多个组合而快速加热。
图20展示了根据本公开的实施例的加热器2000的透视图。类似于图19的加热器1900，加热器2000可以包含壳体2002、第一端子2004、第二端子2006、加热元件2008、多个加热棒2016和一个或多个加热导线(为了图示和描述清楚起见未示出)。加热器2000的功能类似于图19的前述实施例中公开的加热器1900的功能。在一个实施例中，所述多个加热棒2016可以插入到加热元件2008的开口中。所述多个加热棒2016可以包含金属材料，并且所述多个棒2016可以固定加热导线(例如，加热导线1804、1814和/或1906)。
图21展示了根据本公开的实施例的一个示例性加热棒2016。加热棒2016可以包含由金属(例如，经热处理的金属或合金(例如，铜或钢))制成的棒部分2106和由具有绝缘性质的铝合金制成的尖端部分2104。因此，尖端部分2104可以防止电流通过加热棒2016，从而防止加热棒2016的任何短路或过热。
另外加热棒2016可以包含夹子2102(例如，紧固件)，所述夹子被配置成将加热导线固定在适当位置。在一个实施例中，加热导线可以卡入到夹子2102的开口2103中。开口2013可以具有类似于加热导线的任何合适的形状，以便将加热导线固定在夹子2102中。夹子2102可以是电绝缘体，所述电绝缘体被配置成防止电流通过对应的加热棒2016。因此，所述多个加热棒2016中的一个或多个加热棒可以在包含本公开的排气系统的机器或车辆的操作期间将本公开的加热导线牢固地保持在适当位置。
在一个实施例中，加热棒2016可以相互间隔开例如约2英寸。加热棒2016的间距不限于此，而是可以基于本公开的期望应用(例如，加热导线的形状和长度)彼此间隔开。另外，所述多个加热棒2016可以通过传导由所述多个加热棒2016的棒部分2106在加热器2000内部产生的热来另外促进加热元件2008的快速加热。在一个实施例中，所述多个加热棒2016可以直接插入到SCR的过滤器中，而不是如图20所示的加热元件中。因此，加热棒2016可以例如通过热传导来促进通过包含加热导线1906(图20和21未示出)引入的另外的快速加热，但是与所述加热导线1906电绝缘。
加热棒2016中的一个或多个加热棒可以延伸穿过加热元件2008，以进一步促进加热器2000的快速加热。在一个实施例中，所述多个加热棒2016的长度可以不同。例如，一些加热棒2016可以比其它加热棒2016长。即，较长的加热棒2016可以被配置成固定在一个位移处的加热导线1906，并且较短的加热棒2016可以被配置成固定在另一个位移处的加热导线。例如，如图18A所示，较长的加热棒2016可以固定安置在顶层部分(位移)处的加热导线1804，并且较短的加热棒2016可以固定在底层部分(位移)处的加热导线1804。
图22描绘了本公开的排气转化器(例如，催化转化器、SCR、氧化催化剂、DPF等)2200的示例性实施例。排气转化器2200可以包含具有各种类型、形状和尺寸的多个加热器2215、2216、2217、2218、2220，所述多个加热器可以放置或布置在排气转化器2200内的不同位置处。在本公开的实施例中，根据本公开，基于期望应用，可以使用任何合适数量的加热器。
图23和24描绘了根据本公开的实施例的一种类型的加热器2300。加热器2300可以从其外部插入到本公开的前述实施例的排气转化器(例如，催化转化器、SCR、氧化催化剂、DPF等)中，并且可以拧入到适当位置。因此，加热器2300可以可移除地连接到本公开的排气转化器。加热器2300也可以插入到排气系统的管子中。更具体地，此类加热器可以作为售后零件提供并安装在现有车辆的排气管子中，而不必修改催化转化器、SCR或DPF组件。图41还示出了相同或类似类型的加热器4100。加热器2300/4100可以由螺旋形缠绕在支撑螺柱/棒2308/4108周围的加热导线2304/4104形成。支撑螺柱/棒2308/4108可以连接到正极或负极端子；在一个实施例中，支撑螺柱/棒2308/4108连接到负极端子，并且可以连接到加热器插入到其中的壳体。加热器2300/4100可以包含连接到正极或负极端子的连接器螺柱2310/4110；在一个实施例中，连接器螺柱2310/4110连接到正极端子并且被配置成可从排气转化器或排气管子外部接近。图41展示了连接到加热器4100的外部电源连接器4120和4130。在一个实施例中，4120是正电源缆线并且4130是负电源缆线。在另一个实施例中，4120是负极电源缆线并且4130是正极电源缆线。电源缆线4120和4130可以以本领域普通技术人员已知的多种方式连接；在图41中，所述电源缆线被展示为用螺钉/螺栓固定在相关联端子上的电接线片。
图25和26示出了根据本公开的实施例的消声器2500。在一个实施例中，在图16的排气系统1600中可以使用消声器2500，所述排气系统可以被配置或设计用于内燃机，所述内燃机可以被配置成使用汽油或柴油操作。消声器2500可以包含壳体2510，一个或多个消音器2508和彼此散布和/或彼此间隔开的多个板2506可以定位在所述壳体中。板2506可以由例如钢形成，并且可以涂覆有一种或多种贵金属2602(如上文在图2B中所描述的)。贵金属涂层2602可以中断壳体2510内的废气的流动，使得所述废气变成湍流，这进而减缓了热废气从消声器2500的入口2502穿过并通过出口2504离开消声器壳体2510时的流动。消声器2500内的废气由于贵金属涂覆的板2602而受到干扰，这使得废气和微粒物质在离开消声器2500并进入环境之前在消声器2500内有更多的时间燃烧掉和/或氧化。另外，入口2502内的所述多个板2506可以使废气再循环进出，并且可以减少NOx，例如约15％。
图27示出了根据本公开的实施例的示例性排气系统2700。排气系统2700可以包含催化转化器2702和电耦接到催化转化器2702的控制单元2721。催化转化器2702可以包含与根据图1-26的实施例描述的前述催化转化器的组件类似的组件。控制单元2709可以通过一个或多个电引线(或缆线)2706电耦接到催化转化器2702，以通过基于来自所述一个或更多个传感器的读数控制加热元件2717中的一个或更多个加热元件来促进排气系统2700的操作。在此实施例中，催化转化器2702可以包含多个磁体2707和加热元件2717，以促进催化转化器2702的快速加热。
图28示出了根据本公开的实施例的排气系统2800。系统2800可以包含耦接到排气转化器系统2807的控制器2802。排气转化器系统2807可以耦接到发动机2804，所述发动机可以产生有害气体和微粒物质，例如由于发动机2804对化石燃料的内部燃烧。控制器2802可以电耦接到发动机2804和排气转化器系统2807。控制器2802可以被配置成从发动机2804和排气转化器系统2807接收各种信号和/或数据，以促进控制发动机2804或排气转化器系统2807，从而充分地操作车辆或机器。
在一个实施例中，排气转化器系统2807可以包含耦接到发动机2804的进气室2816，以将废气从发动机2804输送到催化转化器2818。催化转化器2818可以包含一个或多个加热器2820和与如上文根据图1-27的前述实施例所描述的催化转化器相关的其它组件。排气转化器系统2807可以进一步包含进气/排气室2822，以将过滤的(或转化的)和/或还原的气体向下输送到选择性还原催化剂过滤系统(SCR)2824。根据图1-27的实施例，SCR 2824可以包含一个或多个加热器2826和与前述SCR相关的其它组件。另外，排气转化器系统2807可以包含排气室2848，所述排气室可以耦接到消声器(为了图示和描述清楚起见未示出)。
在一个实施例中，排气转化器系统2807可以包含气体传感器2850、2854、2856。例如，气体传感器2850可以耦接到进气室2816，气体传感器2854可以耦接到进气/排气室2822，并且气体传感器2856可以耦接到排气室2848。气体传感器2850、2854、2856可以包含例如氧气(例如，O2)传感器，但不限于此并且基于系统2800的期望应用可以使用任何合适的气体传感器。另外，排气转化器系统2807可以包含温度传感器2852、2853、2855、2858和配量注射器2810、2812，所述配量注射器耦接到溶液罐2806、2808，以将如尿素、盐水或氨溶液等配量溶液以及其它可能的溶液注射或泵送到废气流气体中。气体传感器2850可以布置在催化转化器2812之前，并且气体传感器2854可以布置在催化转化器2818与SCR 2824之间。
控制器2802可以从温度传感器2852接收信号以控制加热器2818。另外，控制器2802可以从温度传感器2853接收信号以控制配量注射器2810。例如，当温度传感器2853检测到催化转化器2818中的预定温度时，控制器2802可以向配量注射器2810发送将配量溶液注射或喷射到催化转化器2818中的命令信号。在一个实施例中，如果温度传感器2853检测到已维持预定温度，则配量注射器2810可以以预定间隔将由溶液罐2806供应的配量溶液连续地注射到催化转化器2818中。替代地，温度传感器2853可以被配置成检测预定温度范围，例如约340至410摄氏度。换句话说，在预定温度或预定温度范围下注射到催化转化器2818中的配量溶液可以改善催化转化器2818中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。
在一个实施例中，气体传感器2850可以检测进气室2816中的废气的状况或状态，并且气体传感器2854可以检测进气/排气室2822中的废气的状况或状态。即，气体传感器2850、2854可以将与废气的状况或状态相关的数据传输至控制器2802。因此，控制器2802可以使用接收到的气体数据来监测催化转化器2818的有效性，并执行适当的功能来实现催化转化器2818的期望性能。另外，控制器2802可以使用接收到的气体数据并在耦接到系统2800的一个或多个显示器上显示气体监测信息。在一个实施例中，控制器2802可以自动控制发动机2804和/或排气转化器系统2807以实现系统2800的期望性能和和/或功能。在另一个实施例中，系统2800的操作者可以基于在耦接到系统2800的显示器上显示的气体和/或温度监测数据手动控制发动机2804和/或排气转化器系统2807以实现系统2800的期望性能和/或功能。在又另一实施例中，系统2800可以自动和手动控制。
在一个实施例中，温度传感器2852可以检测催化转化器2818的内部温度。控制器2802可以使用从温度传感器2852接收的温度数据来控制加热器2820。即，控制器2802可以控制加热器2820以维持催化转化器2818内部的期望温度，从而实现催化转化器2818的期望性能(例如，有害废气和微粒物质的充分减少)和/或功能。
在一个实施例中，SCR 2824可以以与如关于催化转化器2818所描述的类似方式来控制。即，控制器2802可以从气体传感器2854、2856和温度传感器2855、2858接收控制注射器2812和加热器2826的信号，类似于如上文所描述的控制催化转化器2818，以实现SCR2824的期望性能和/或功能。在一些实施例中，在排气转化器系统2807中可以使用多于一个SCR来进一步减少或去除有害废气和微粒物质。
在一个实施例中，控制器2802可以从海拔传感器2860接收数据。海拔传感器2860可以安装在车辆的任何合适的位置上。由于海拔水平可以抵消发动机和排气转化器2807内的压力，因此控制器2802可以执行适当的功能来抵消海拔变化引起的压力变化。例如，在相对较高的海拔处，系统2800可以在发动机2804中吸入相对较少的氧气。因此，控制器2802可以传输调整节气门位置开关以将另外的空气引入到发动机2804中的控制信号。海拔的变化可能会影响燃料效率以及发动机中的气压。即，在相对较高的海拔水平，发动机可能燃烧较少的气体。另外，相对较少的空气和较多的燃料可能导致例如催化转化器2818损坏。因此，控制器2802可以向各种组件(例如，节气门位置开关、加热器等)传输适当的信号。
图28A示出了根据本公开的实施例的示例性配量溶液分配器2850。配量溶液分配器2850定位在一个或多个配量注射器2810、2812的下游。所述一个或多个配量溶液分配器2850可以分别定位在配量注射器2810、2812与催化转化器2812和SCR 2824之间。配量溶液分配器2850可以包含彼此相距预定距离安置的多个翼(或板)2854。另外，配量溶液分配器2850可以包含在翼2854中的每个翼之间的多个开口2852和位于配量溶液分配器2850中心的圆形孔2852，如图28A所示。配量溶液分配器2850通过均匀地分配由注射器配量2810、2812喷涂的配量溶液来防止催化转化器和/或SCR中的蜂窝过滤器的劣化(例如，开裂)。在一个实施例中，翼2854中的每个翼可以以预定角度成角度，以提供涡轮效应并将配量溶液均匀地分配到催化转化器和/或SCR的过滤器。翼2854的形状、尺寸和数量不限于此，并且可以根据配量溶液分配器2850的期望应用或性能而变化。
图29展示了根据本公开的实施例的用于操作和/或控制排气系统的示例性排气控制系统2900的示意图。排气控制系统2900可以包含多个输入2901，例如气体数据2906、温度数据2908和海拔数据2910，控制器2902和多个输出2903，例如气体监测数据2912、加热器调整值2914、注射器调整值2916和节气门位置开关信号值2918。控制器2902可以包含确定模块2904、存储器、辅助存储装置和处理器，如中央处理单元或用于完成与本公开一致的任务的任何其它构件。与控制器2902相关联的存储器或辅助存储装置可以包含非暂态计算机可读介质，并且可以存储辅助控制器2902执行其功能的数据和/或软件例程，如关于图28的系统2800所公开的过程。另外，与控制器2902相关联的存储器或辅助存储装置可以存储从与本公开的系统2800或其它系统中公开的传感器相关联的各种输入接收的数据。可商购获得的微处理器可以被配置成执行控制器2902的功能。应当理解，控制器2902可以容易地具体化为能够控制许多其它机器功能的通用机器控制器。各种其它已知电路可以与控制器2902相关联，包含信号调节电路系统、通信电路系统、致动电路系统和其它适当的电路系统。
在一个实施例中，控制器2902可以控制一个或多个加热器(例如，加热器2818、2826)。例如，根据图1-28的前述实施例，基于从一个或多个温度传感器(例如，温度传感器2853、2852、2858)接收的温度数据2908，确定模块可以计算或确定加热器调整值2914。根据本公开的前述实施例，控制器2902然后可以传输加热器调整值2914来控制所述一个或多个加热器(例如，加热器2818、2826)。
在一个实施例中，控制器2902可以控制一个或多个配量注射器2810、2812。例如，基于温度数据2908，确定模块2904可以计算或确定注射器调整值2916。根据本公开的前述实施例，控制器2902然后可以传输注射器调整值2916来控制所述一个或多个配量注射器2810、2812。在一个实施例中，确定模块2904可以使用海拔数据2910来计算或确定节气门位置开关信号值2918。根据本公开的前述实施例，控制器2902然后可以控制节气门位置开关。在一个实施例中，确定模块2904可以基于从一个或多个气体传感器(例如，2850、2854、2856)接收的气体数据2906生成气体监测数据2912。例如，确定模块可以比较由气体传感器2850和气体传感器2854检测到的气体量。确定模块然后可以生成气体监测数据2912。控制器2902然后可以将气体监测数据2912传输到根据本公开的前述实施例的显示器。在一些实施例中，根据本公开的实施例，确定模块2904可以同时或顺序地使用气体数据2906、温度数据2907和海拔数据2910来确定适当的数据和值，以控制加热器、注射器、节气门位置开关和/或显示器。因此，根据本公开的实施例，控制器2902可以被配置成促进加热器、注射器、节气门位置开关和/或显示器的自动和/或手动控制。
在一个实施例中，根据前述实施例的催化转化器可以被放置或布置成使得废气可以从根据前述实施例的一个或多个入口端口流经前述实施例的一个或多个干扰器板(在一些实施例中)，并流经前述实施例的一个或多个加热器或加热元件。另外，在一些实施例中，废气可以通过一个或多个另外的加热器另外加热，并通过前述实施例的磁体受到磁场的作用。另外的加热器和/或磁场可以与穿过催化转化器的气体的单个分子和离子相互作用，并提高在离开催化转化器之前发生的催化转化的效率。除了包含在催化转化器内的加热器之外，加热器还可以添加到车辆或机器上的现有催化转化器中。
根据测试结果，根据本公开的前述实施例配备或修改的排气系统导致碳排放、废气(NOx、CO等)和微粒物质在汽油动力汽车中减少约95-99％并且在柴油动力汽车中减少约90-97％。
图30A和30B展示了使用柴油燃料运行的车辆的排气系统3100的实施例。如图30A和30B所示，排气系统3100可以包含氧化催化剂3102、柴油微粒过滤器(DPF)3104、选择性催化还原过滤系统(SCR)3108和消声器3112。尽管氧化催化剂3102、DPF 3104和SCR 3108分开示出，但是在一些实施例中，氧化催化剂3102、DPF 3104和/或SCR 3108可以组合成包含在单个壳体中的单个整体系统。排气系统3100可以进一步包含将氧化催化剂1302连接到柴油微粒过滤器1304的第一管路3106、将DPF 3104连接到SCR 3114的第二管路3118以及将SCR3114连接到消声器3116的第三管路3120。排气系统3100还可以包含加热器3124、3149和传感器3140、3141、3142。
图30C示出了根据本公开的另一个实施例的排气系统3150。排气系统3150可以包含与图31A和33B所示的组件类似的组件。另外，排气系统3150可以包含包括注射器3154的另外的SCR 3152。在此实施例中，另外的SCR 3152和注射器3154可以促进有害气体在由氧化催化剂3102、柴油微粒过滤器3104和SCR 3108处理之后的另外的减少和去除。
如图31所示，氧化催化剂3102可以包含壳体3216、废气进入壳体3216的腔体3220的入口3218和废气离开壳体3216的出口3222。氧气传感器(例如，O2传感器)可以固定在壳体3216的外部，并且可以延伸到入口3218下游的腔体3220中，以评估废气中氧气的百分比。电加热器3124(参见图32)可以从壳体3216的外部延伸到腔体3220中。加热器3124可以在氧化催化剂3102的外部连接到电源和电子控制单元。图30A中描绘的加热器3124可以包含缠绕的金属线圈3125。然而，加热器3124可以采取任何形式来确保氧化催化剂3102的内部加热。为了评估废气在离开氧化催化剂3102之前的温度，热传感器可以定位在入口3218和/或出口3222附近。
如图31所示，在壳体3216的内部腔体3220内，在加热器3124的下游，布置至少一个过滤器3226。过滤器3226被配置成过滤有害气体和微粒，包含但不限于二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)以及碳氢化合物(HC)、微粒物质(PM)和其它有害化学物质和碎片。过滤器3226可以由例如陶瓷形成，并且可以涂覆有一种或多种贵金属3228(如上文在图2B中所描述的)，并且可以包含多个蜂窝状开口。过滤器3226的开口被配置成中断废气的流动并捕集微粒物质以防止微粒物质排放到环境中。
可以由经热处理的金属或合金(例如，铜或钢)形成的多个棒3230可以纵向延伸穿过过滤器3226的蜂窝结构。棒3230还可以或替代地跨过滤器3226延伸。另外，一个或多个磁体3232可以分布在壳体3216内部。磁体3232可以布置在过滤器3226附近或与所述过滤器接触和/或布置在过滤器3226内。
类似于上文参考图16所公开的使用汽油的发动机，在从冷起动启动使用排气系统3100的柴油发动机时，电加热器3124可以同时由电子控制单元(ECU)开启以帮助将氧化催化剂3102、DPF 3104和SCR 3108的内部温度加热到高于废气和微粒物质的温度。加热器3124可以在达到期望温度之后保持开启，或者如果氧化催化剂3102、DPF 3104和/或SCR3108内的温度下降到低于阈值温度，所述加热器可以关闭并且然后重新开启。棒3230被配置成加速加热氧化催化剂3102的内部温度至期望内部温度，并帮助至少在整个过滤器3226和周围内表面区域维持期望内部温度。
通过提高氧化催化剂3102的内部温度，作为废气的一部分的有害化学物质和微粒在离开氧化催化剂3102之前氧化和/或燃烧掉。贵金属过滤器涂层3228帮助进一步减缓和中断横跨氧化催化剂3102的腔体的内部的废气的流动，使得更多的有害废气排放物可以加热到高于阈值温度并在离开氧化催化剂3102之前燃烧掉。
磁体3232通过磁体3232的极性通过增加氧化催化剂3102的腔体3220内的电流，从而在废气和微粒穿过氧化催化剂3102时进一步中断和减缓废气和微粒的流动，类似于结合到汽油排气系统602和1200中的磁体1232、1632、1646。中断和减缓废气和微粒的流动允许在氧化催化剂3102的腔体3220内将废气加热较长时段，并且进而进一步氧化和还原废气的有毒副产物。在离开氧化催化剂3102时，剩余的有害废气、微粒和碎片穿过管路3110并进入到柴油微粒过滤器3104中。柴油微粒过滤器3104可以设计成在微粒(例如，烟尘)离开氧化催化剂3102之后并在离开排气系统3100并排放到环境中之前捕集所述微粒。
如图32所示，柴油微粒过滤器3104包含陶瓷过滤器3105，所述陶瓷过滤器可以具有多个开口(例如，蜂窝状开口)，所述多个开口被配置成捕集微粒(例如，烟尘)以防止微粒排放到环境中。类似于本公开的前述实施例的过滤器，过滤器3105可以涂覆有一种或多种贵金属3336，并且可以包含延伸穿过蜂窝结构的多个棒3338。棒3338可以由经热处理的金属或合金(例如，铜或钢)形成。另外，一个或多个磁体3339可以分布在过滤器3105附近或与所述过滤器接触和/或分布在过滤器3105内。
为了减少累积在过滤器3105上的微粒物质并防止微粒物质堵塞过滤器3105并进而在排气系统3100中产生背压，过滤器3105必须通过燃烧掉累积在过滤器3105上的微粒进行再生来清洁。有两种类型的再生，主动再生和被动再生。主动再生涉及通过引入另外的热能来提高实际废气温度。相反，被动方法基于将期望温度降低到某个范围内，在所述范围内可用温度足以进行再生。与现有再生系统不同，与电子控制单元通信的加热器3140可以放置在DPF 3104的上游，并且可以与布置在DPF 3104内的棒3338、金属涂层3336和一个或多个磁体3339组合使用以增加电流(通过磁体3339)，中断废气和微粒物质的流动(通过贵金属涂层3336)并升高过滤器3105的温度(通过棒3338)，并且进而升高过滤器上和过滤器内捕集获的微粒的温度以氧化微粒并产生气态副产物(即，CO2)。另外，废气中二氧化氮的百分比降低并转化为一氧化氮。该化学过程不断重复，使得过滤器3105可以在排气系统的常规操作期间持续清洁。因此，再生可能不需要另外的帮助，例如，在发动机管理系统的帮助下。
柴油微粒过滤器3104的下游是选择性催化还原系统3108，所述选择性催化还原系统类似于汽油排气系统1600中的SCR 1604，被配置成通过氧化二氧化氮气体并将其转化为无害的废气排放物(例如，氮气、水和少量二氧化碳)来还原二氧化氮气体，所述废气排放物被排出排气系统3100并进入到环境中，而无需将液体还原剂引入到排气流中。
SCR 3108可以包含过滤器3342，所述过滤器具有分散在过滤器3342周围的多个开口(例如，蜂窝状开口)3344和小孔3346。类似于汽油排气系统1600中的SCR 1604，过滤器3342可以涂覆有一种或多种贵金属3348(如上文在图2B中所描述的)，并且可以包含延伸穿过蜂窝结构的多个棒3350和分散在过滤器3342周围的一个或多个磁体3347。
返回参考图30A，与电子控制单元通信的电加热器3149可以设置在过滤器3342上游的选择性催化还原系统3108中。加热器3149可以被配置成与棒3350和金属涂层3348一起将选择性催化还原系统3108的内部温度升高到高于阈值温度，以确保跨过滤器3342和周围内表面区域的内部温度高于剩余废气和微粒物质的温度，并维持所述温度以在氮氧化物气体穿过过滤器3342时进一步降低氮氧化物气体的百分比。可以包含小孔3346和磁体3347，以帮助在废气在选择性催化还原系统3108内行进时进一步中断废气的流动，并在废气离开之前穿过加热的选择性催化还原系统3108时为废气提供更多的时间来氧化和/或燃烧掉。SCR 3108可以包含一个或多个氮氧化物传感器以确保SCR 3108有效操作。
在离开SCR 3108时，剩余的废气可以流经管路3114到达消声器3112。消声器3112可以基本上类似于汽油排气系统1600的消声器1608。如图25和26所描绘的，消声器3112可以包含壳体，一个或多个消音器和彼此散布和/或彼此间隔开的多个板定位在所述壳体中。例如可以由钢形成的板涂覆有一种或多种贵金属。贵金属涂层(如上文在图2B中所描述的)可以帮助中断壳体内的废气的流动，使得所述废气变成湍流，这进而减缓了热废气从消声器3112的入口穿过并通过出口离开消声器壳体时的流动。消声器3112内的废气由于包含贵金属涂覆的板而受到干扰，这使得废气和微粒物质在离开消声器3112并进入环境之前在消声器3112内有更多的时间燃烧掉和/或氧化。
根据本发明的另一个实施例，一个或多个加热器4220可以连接到排气系统4200(本文中为“排气管道加热器”)的各种排气管道4210(例如，连接管道、延伸管道等)中的一个或更多个或者安置在其中，如图42和43所示。排气管道4210可以由镀铝或不锈钢制成。
例如，在用于汽油动力发动机的排气系统4200中，一个或多个排气管道加热器4220可以安置在排气管道4210内部催化转化器的入口端口之前、催化转化器与SCR之间和/或SCR与消声器之间的位置处。类似地，在柴油动力发动机的排气系统4200中，一个或多个排气管道加热器4220可以安置在排气管道4210内柴油氧化催化器之前、柴油氧催化剂与DPF之间和/或DPF与SCR之间的位置处。排气管道加热器4220可以通过电连接器4225(如上文所描述的电连接器1724、1734)从电源(未示出)接收电力。排气管道加热器可以通过单独的电连接器4225单独供电，或者通过单个电连接器4225一起供电。在汽油或柴油动力车辆中，排气管道加热器4220可以通过一个或多个电连接器4225电连接到车辆的主电池(未示出)或替代地电连接到二次电池(未示出)并由所述电池供电。
排气管道加热器4220可以安装在排气系统4200的现有排气管道4210内或者作为现有排气系统的替换排气管道4210的一部分。例如，具有所述一个或多个排气管道加热器4220的替换排气管道4210可以连接到排气系统4200的排气歧管、催化转化器、SCR和/或消声器。应当理解，一些催化转化器被整合到排气歧管中。
如图42和43所示，排气管道4210可以进一步包括配量系统4230。配量系统4230可以包含配量注射器4240(如上文所描述的配量注射器2810、2812)，所述配量注射器耦接到配量溶液罐4250(如上文所描述的配量溶液罐2806、2808)，以将如尿素、盐水或氨溶液等配量溶液以及其它可能的溶液注射或泵送到废气流气体中。排气管道4210可以进一步包含一个或多个气体传感器4270(如上文所描述的气体传感器2850、2854、2856)。另外，排气管道可以包含温度传感器(如上文所描述的温度传感器2852、2853、2855、2858)。配量溶液可以在预定温度或预定温度范围下注射到排气管道4210中，以进一步改善排气管道4210中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。
因此，如上文所讨论的，控制器(如上文所描述的控制器2802)(未示出)可以从气体传感器4270和/或温度传感器接收信号，以基于接收到的信号控制供应到加热器的电流的量和供应到排气管道加热器4220的电流的定时。另外，配量系统4230可以从控制器接收信号，以基于从所述一个或多个传感器接收的信号来控制配量溶液喷涂的定时和持续时间。例如，当温度传感器检测到排气管道4210中的预定温度时，控制器可以基于检测到的温度向配量注射器发送将配量溶液注射或喷射到排气管道中的命令信号。在一个实施例中，如果温度传感器检测到已维持预定温度，则配量注射器4240可以以预定间隔将由配量溶液罐4250供应的配量溶液连续地注射到排气管道4210中。替代地，温度传感器可以被配置成检测预定温度范围，例如约340至410摄氏度。换句话说，在预定温度或预定温度范围下注射到排气管道4210中的配量溶液可以改善排气管道4210中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。另外，温度传感器可以检测排气管道的内部温度。控制器可以使用从温度传感器接收的温度数据来控制排气管道加热器4220。即，控制器可以控制排气管道加热器4220以维持排气管道4210内部的期望温度，从而实现排气系统的期望性能(例如，有害废气和微粒物质的充分减少)和/或功能。
另外，排气管道4210可以包含一个或多个磁体(如上文所描述的磁体607)，所述一个或多个磁体定位在或布置在排气管道4210的外表面4215上或邻近所述排气管道的外表面定位或布置。磁体(本文未示出)可以具有弯曲的形状以接近排气管道的外部几何形状，并且可以安置在具有交替极性的阵列中(如上文图7所示)。在一个实施例中，面向彼此的磁体可以具有相反极性。替代地，磁体可以具有相同极性，并且极性可以沿排气管道4210的纵向或水平方向不改变。使磁体以相反极性面向彼此会产生更强的磁场。在一个实施例中，所述多个磁体可以包含一个或多个钕磁体。在另一个实施例中，所述一个或多个磁体可以是电磁体。然而，取决于期望应用，可以使用任何合适的磁体。另外，排气管道4210可以包含外壳或外表面(例如，胶带、紧固件、覆盖物等)(未示出)，并且磁体中的一个或多个磁体可以布置或安置在排气管道的外表面与外壳之间。另外，排气管道可以包括一个或多个过滤器4260(如上文所描述的过滤器110)。
根据实施例，排气管道4210被配置成耦接到排气系统组件。排气系统组件可以包含以下各项中的一项或多项：排气歧管、催化转化器、选择性催化还原系统(SCR)、柴油氧化催化器、柴油微粒过滤器(DPF)、选择性催化还原系统(SCR)和消声器。排气管道4210可以包含安置在排气管道4210的腔体4280内的排气管道加热器4220。排气管道加热器4220可以包含壳体4290、安置在壳体内的加热导线(如上文所描述的加热导线1804、1906)以及连接到壳体并电连接到加热导线的电连接器4225。电连接器4225可以被配置成从排气管道加热器4220外部的电源(未示出)接收电力，以向加热导线提供电流。排气管道加热器4220可以被配置成加热排气管道4210内部的气体以减少离开排气管道4210的有毒气体和/或微粒物质。排气管道4210可以进一步包含一个或多个磁体，所述一个或多个磁体邻近排气管道4210的外表面4215布置，以帮助中断和减缓排气管道4210的腔体4280中的废气的流动。排气管道4210可以进一步包含定位在外表面4215的外部的第二表面(未示出)，并且所述一个或多个磁体可以安置在排气管道4210的第二表面与外表面4215之间。第二表面可以是外壳、外罩、胶带或其它粘合剂、紧固件等的表面。
排气管道4210可以包含安置在排气管道4210的腔体4280内的排气管道加热器4220。排气管道加热器4220可以包含壳体4290、安置在壳体内的加热导线(如上文所描述的加热导线1804、1906)以及连接到壳体并电连接到加热导线的电连接器4225。电连接器4225可以被配置成从排气管道加热器4220外部的电源(未示出)接收电力，以向加热导线提供电流。排气管道加热器4220可以被配置成加热排气管道4210内部的气体以减少离开排气管道4210的有毒气体和/或微粒物质。排气管道4210可以进一步包含一个或多个磁体，所述一个或多个磁体邻近排气管道4210的外表面4215布置，以帮助中断和减缓排气管道4210的腔体4280中的废气的流动。排气管道4210可以进一步包含定位在外表面4215的外部的第二表面(未示出)，并且所述一个或多个磁体可以安置在排气管道4210的第二表面与外表面4215之间。第二表面可以是外壳、外罩、胶带或其它粘合剂、紧固件等的表面。
图44示出了根据本发明的实施例的外部加热器4400。外部加热器4400可以定位在外部并连接到排气系统的一个或多个组件。所述一个或多个组件可以是催化转化器、选择性催化还原系统(SCR)、柴油氧化催化器、柴油微粒过滤器(DPF)、选择性催化还原系统(SCR)、消声器或排气系统的排气管道(如图46所示)。
在一个实施例中，外部加热器4400具有加热器壳体4420和加热导线4410(如上文所描述的加热导线1804、1906)或安置在其中的替代性加热元件，所述加热器壳体可以由钢或铝制成(不限于此)。加热导线4410不限于任何配置或形状。外部加热器4400可以进一步包含一个或多个气体传感器4440(如上文所描述的气体传感器2850、2854、2856)和温度传感器4450(如上文所描述的温度传感器2852、2853、2855、2858)。温度传感器4450也可以用作海拔传感器。外部加热器4400可以进一步包含配量系统4430。配量系统4430可以包含配量注射器(如上文所描述的配量注射器2810、2812、4240)，所述配量注射器耦接到配量溶液罐(如上文所描述的配量溶液罐2806、2808、4250)，以将如尿素、盐水或氨溶液等配量溶液以及其它可能的溶液注射或泵送到排气系统中。配量溶液可以在预定温度或预定温度范围下注射到外部加热器4400中，以进一步改善排气系统中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。外部加热器4400可以通过电连接器(如上文所描述的电连接器1724、1734)或通过第一端子4460和第二端子4465从电源(未示出)接收电力。例如，第一端子4460可以是正极端子并且第二端子4465可以是负极端子。在汽油或柴油动力车辆中，外部加热器4400可以通过第一端子4460和第二端子4465电连接到车辆的主电池(未示出)或替代地电连接到二次电池(未示出)并由所述电池供电。
图45示出了根据本发明的另一个实施例的外部加热器4500。外部加热器4500可以定位在外部并连接到排气系统的一个或多个组件。所述一个或多个组件可以是催化转化器、选择性催化还原系统(SCR)、柴油氧化催化器、柴油微粒过滤器(DPF)、选择性催化还原系统(SCR)、消声器或排气系统的排气管道(如图46所示)。
在一个实施例中，外部加热器4400具有加热器壳体4520和安置在其中的多个加热元件4510、4515(如上文所描述的加热元件1908、2008、2717)，所述加热器壳体可以由钢或铝制成(不限于此)。加热元件4510、4515不限于任何配置或形状。加热元件4510、4515可以包含加热导线(如上文所描述的加热导线1804和1906)和/或加热元件，例如上文所描述的蜂窝或六边形形状加热器。因此，加热元件4510、4515可以用作过滤器，并且可以包含如图2B所示的催化剂涂层，以帮助去除或减少有害气体和微粒物质。
外部加热器4500可以进一步包含一个或多个气体传感器4540(如上文所描述的气体传感器2850、2854、2856、4440)和温度传感器4550(如上文所描述的温度传感器2852、2853、2855、2858、4440)。温度传感器4550也可以用作海拔传感器。外部加热器4500可以进一步包含配量系统4530。配量系统4530可以包含配量注射器(如上文所描述的配量注射器2810、2812、4240)，所述配量注射器耦接到配量溶液罐(如上文所描述的配量溶液罐2806、2808、4250)，以将如尿素、盐水或氨溶液等配量溶液以及其它可能的溶液注射或泵送到排气系统中。配量溶液可以在预定温度或预定温度范围下注射到外部加热器4500中，以进一步改善排气系统中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。外部加热器4500可以通过电连接器(如上文所描述的电连接器1724、1734)或通过第一端子4560和第二端子4565从电源(未示出)接收电力。例如，第一端子4560可以是正极端子并且第二端子4565可以是负极端子。在汽油或柴油动力车辆中，外部加热器4500可以通过第一端子4560和第二端子4565电连接到车辆的主电池(未示出)或替代地电连接到二次电池(未示出)并由所述电池供电。
图46示出了包含一个或多个外部加热器4610(如上文所描述的外部加热器4400和4500)的排气系统4600。在一个实施例中，排气系统4600包含但不限于催化转化器或DPF4690、排气管道4692、SCR 4694和消声器4696。外部加热器4610可以连接到排气系统4600的前述组件中的任何一个或多个前述组件。在图46中，外部加热器4610定位在外部并连接到催化转化器/DPF 4690。应当理解，外部加热器4610可以连接到不同的组件，如在SCR 4694的入口处，或者连接到催化转化器/DPF 4690和SCR 4694两者(或其它组件，如一个或多个排气管道4692)。
外部加热器4610可以通过连接管道4615连接到排气系统组件(在此实施例中为催化转化器/DPF 4690)，如金属或柔性连接管道或其它连接构件。替代地，外部加热器4610可以通过形成孔并将外部加热器4610紧固到所述孔或者通过使用排气系统组件中的现有传感器孔而直接耦接到排气系统组件。
外部加热器4610可以包含一个或多个温度传感器4650(如上文所描述的温度传感器2852、2853、2855、2858、4440、4550)。温度传感器4650也可以用作海拔传感器。外部加热器4610可以进一步包含配量系统4630。配量系统4630可以包含配量注射器(如上文所描述的配量注射器2810、2812、4240)，所述配量注射器耦接到配量溶液罐4635(如上文所描述的配量溶液罐2806、2808、4250)，以将如尿素、盐水或氨溶液等配量溶液以及其它可能的溶液注射或泵送到排气系统中。配量溶液可以在预定温度或预定温度范围下注射到外部加热器4610中，以进一步改善排气系统中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。外部加热器4610可以通过电连接器(如上文所描述的电连接器1724、1734)从电源(未示出)接收电力。在汽油或柴油动力车辆中，外部加热器4500可以电连接到车辆的主电池(未示出)或替代地电连接到二次电池(未示出)并由所述电池供电。
外部加热器4610可以进一步包含一个或多个气体传感器4640(如上文所描述的气体传感器2850、2854、2856)。气体传感器4640可以包含例如氧气(例如，O2)传感器，但不限于此并且基于排气系统4600的期望应用可以使用任何合适的气体传感器。气体传感器4640中的每个气体传感器可以由专用控制器4645控制，所述专用控制器与例如车辆排气系统的现有控制器分离。
催化转化器/DPF 4690可以包含一个或多个磁体4670，所述一个或多个磁体邻近催化转化器/DPF 4690的外表面定位或布置或定位在或布置在所述催化转化器/DPF的外表面上。所述一个或多个磁体4670可以安置在具有交替极性的阵列中，如图7所示。在一个实施例中，面向彼此的磁体4670可以具有相反极性。替代地，所述一个或多个磁体4670可以具有相同极性，并且极性可以沿催化转化器/DPF 4690的纵向或水平方向不改变。使磁体以相反极性面向彼此会产生更强的磁场。在一个实施例中，所述多个磁体4670可以包含一个或多个钕磁体。在另一个实施例中，所述一个或多个磁体4670可以是电磁体。然而，取决于期望应用，可以使用任何合适的磁体。应当理解，所述一个或多个磁体4670可以邻近排气系统的其它组件的外表面定位或定位在所述排气系统的其它组件的外表面上，如SCR 4694、消声器4696和/或排气管道4692。
另外，气体传感器4640可以从外部耦接到排气系统4600的一个或多个组件。在图46中，第一气体传感器4640耦接到催化转化器/DPF 4690，并且第二气体传感器4640耦接到排气管道4692，所述排气管道连接到催化转化器/DPF 4690的出口端口。气体传感器4640可以包含例如氧气(例如，O2)传感器，但不限于此并且基于排气系统4600的期望应用可以使用任何合适的气体传感器。气体传感器4640中的每个气体传感器可以由专用控制器4645控制，所述专用控制器与例如车辆排气系统的现有控制器分离。
另外，温度传感器4450可以从外部耦接到排气系统4600的一个或多个组件。例如，如图46所展示的，温度传感器4650从外部耦接到排气管道4692，所述排气管道连接到催化转化器/DPF 4690的出口端口。温度传感器4650也可以用作海拔传感器。
另外，排气系统可以耦接到控制器4680。控制器4680可以从温度传感器4650接收信号以控制外部加热器4610。另外，控制器4680可以从温度传感器4650接收信号以控制配量系统4630。例如，当温度传感器4650检测到催化转化器/DPF 4690中的预定温度时，控制器4680可以向配量系统4630发送将配量溶液注射或喷射到催化转化器/DPF 4690中的命令信号。在一个实施例中，如果温度传感器4650检测到已维持预定温度，则配量系统4630可以以预定间隔将由配量溶液罐4635供应的配量溶液连续地注射到催化转化器/DPF 4690中。替代地，温度传感器4650可以被配置成检测预定温度范围，例如约340至410摄氏度。换句话说，在预定温度或预定温度范围下注射到催化转化器/DPF 4690中的配量溶液可以改善催化转化器/DPF 4690中的有害气体(例如，NOx等)的减少或去除。
在一个实施例中，气体传感器4640可以将与废气的状况或状态相关的数据传输至专用控制器4645。因此，控制器4645可以使用接收到的气体数据来监测催化转化器/DPF4690的有效性，并执行适当的功能来实现催化转化器/DPF 4690的期望性能。
图34展示了用于燃煤设备、装置等的排气系统3400。排气系统3400包含壳体3402。顺序地，在壳体3402内是直接位于入口3404下游的第一选择性催化还原过滤系统(SCR)3406、第一电加热器3408、第二SCR 3410、第二加热器3412和另一个具有蜂窝结构的过滤器3413。另外，多个磁体3415分散在壳体3402的内部周围，靠近内侧壁。SCR 3406、3410和加热器3408、3412的设计和性质可以基本上类似于上文关于汽油和柴油排气系统1600、3100所讨论的前述实施例，并且因此基本上类似的特征通过引用并入作为煤排气系统3400的一部分。
图34中的排气系统3400的下游是第一电鼓风机3414、包含蜂窝结构3517的多个过滤器3416(参见图35A和35B中的细节)、将未燃烧的颗粒(例如，煤)引导至未燃烧的颗粒安置在其中的废物箱3418的斜槽3219、另外的金属过滤系统3420、第二电鼓风机3432和烟囱3424，清洁气体通过所述烟囱排出到环境中。
图36描绘了用于摩托车的排气系统3600。如图36所示，第一选择性催化还原过滤系统(SCR)3602可以布置在排气管路3604内，并且电加热器3606和第二SCR 3608可以布置在排气壳体3609内。如图36所示，加热器3606可以被布置成在壳体3608的入口3612附近在壳体3609内延伸，其中第二SCR 3608定位在加热器3606的下游。在一个实施例中，第一SCR3602和第二SCR 3608可以包含铜陶瓷。加热器3608可以被配置成使用车辆的期望电压(例如，6-45安培)来操作。
第一SCR 3602和第二SCR 3608如上文所讨论的前述实施例的SCR一样被配置成通过氧化氮氧化物气体并将其转化成无害的废气排放物来减少氮氧化物气体，所述废气排放物从排气系统3600排出并进入到环境中，需要或无需将液体还原剂引入到选择性催化还原过滤系统3602、3608中。第一SCR 3602和第二SCR 3608各自分别可以包含过滤器3614、3615，所述过滤器可以包含涂覆有一种或多种贵金属3616、3617的多个蜂窝状开口、可以纵向延伸穿过蜂窝结构的由金属或合金形成的多个棒3618、3619以及一个或多个磁体3620、3621。另外或替代地，棒3618、3619可以延伸以在过滤器3614、3615周围穿过。棒3618、3619和金属涂层3616、3617(如上文在图2B中所描述的)促进快速加热第一SCR 3602和第二SCR3608，并确保维持跨过滤器3614、3615的内部温度。磁体3620、3621可以布置和分布在过滤器3614、3615内，以通过其极性来帮助通过增加磁体3620、3621附近的电流而在废气和微粒穿过过滤器3614、3615时进一步终端和减缓废气和微粒的流动，从而允许在每个相应选择性还原系统3602、3608内将废气加热更长时段，并且进而进一步氧化和还原废气的有毒副产物。另外或替代地，磁体3620、3621在过滤器3614、3615内的放置，磁体3620、3621可以邻近过滤器3614、3615布置和/或布置在每个相应选择性催化还原系统3602、3608壳体外部。虽然示出了两个选择性催化还原系统3602、3608，但是排气系统3600可以在壳体3609中包含单个选择性催化还原系统3608。
图37描绘了用于割草机的排气系统3700。如图所示，电加热器3702和选择性催化还原过滤系统3704可以布置在排气壳体3706内。加热器3702可以被布置成在壳体3706内在壳体3706内向上游延伸，其中SCR 3704定位在加热器3702的下游。加热器3702可以被配置成使用车辆的期望电压(例如，6-45安培)来操作。当割草机和/或其它机器不依靠电池工作时，热可以由发动机提供，而不是使用加热器。
SCR 3704如上文所讨论的选择性催化还原过滤系统一样可以被配置成通过氧化氮氧化物气体并将其转化成无害的废气排放物来减少氮氧化物气体，所述废气排放物从排气系统3700排出并进入到环境中，需要或无需将液体还原剂引入到选择性催化还原过滤系统3704中。选择性催化还原系统3704包含过滤器3708，类似于前述实施例，所述过滤器可以包含多个蜂窝状开口，可以涂覆有一种或多种贵金属3710(如上文图2B中所描述的)，包含由金属或合金形成的多个棒3712和一个或多个磁体3714，所述棒纵向延伸穿过蜂窝结构，所述一个或多个磁体布置在过滤器3708内。加热器3702、棒3712、金属涂层3710和磁体3714可以类似于上文关于本公开的前述实施例的排气系统所讨论的功能操作。另外或替代地，磁体3714可以邻近过滤器3708布置和/或布置在排气系统3700的壳体3706外部。
图38描绘了使用化石燃料的非电池操作机械的排气系统3800。如图所示，可以使用或可以不使用液体还原剂的选择性催化还原过滤系统3802包含过滤器3804，所述过滤器可以布置在壳体3803内并且可以包含多个蜂窝状开口，可以涂覆有一种或多种贵金属3806(如上文图2B中所描述的)，并且可以包含由金属或合金形成的多个棒3808和一个或多个磁体3810，所述棒纵向延伸穿过蜂窝结构，所述一个或多个磁体布置在过滤器3804内。棒3808、金属涂层3806和磁体3810可以执行与上文关于前述实施例的排气系统所讨论的基本上类似的功能，但与系统3800的不同之处在于，元件可以不在壳体3803内被加热。除了将一个或多个磁体3810放置在过滤器3804内之外或作为其替代方案，磁体3810还可以邻近过滤器2004布置和/或布置在排气系统3800的壳体3803外部。
图39所示的实施例展示了用于发电厂和钢厂或具有烟囱的任何类似工厂的排气系统，如用于燃煤设备、装置等的排气系统。与图34共享的那些特征在此不再讨论。
图39的新特征包含燃煤和炼钢制造商以及使用排烟系统3100的任何其它制造设施，除其它制造设施外，所述排烟系统还具有集中于氮氧化物(NOx)还原能力以支撑从低到高流量选择性催化还原(SCR)配量应用的应用范围的配量系统，以及用于减少来自发电厂的二氧化硫(SO2)和NOx排放的烟囱的许多其它特征。
除了其它特征之外，配量系统还可以包含配量溶液罐003、控制器001和配量溶液注射器0035。除了其它可能的溶液之外，配量溶液罐003还可以含有例如尿素、盐水或氨的配量溶液。配量溶液促进还原系统中存在的氮氧化物，并且优选地作为含水还原剂注射到SCR催化转化器上游的废气中。
配量溶液罐003包含带盖的填充开口和耦接到控制器001的泵002。配量溶液罐003不限于任何特定尺寸，例如500加仑、2000加仑或任何期望尺寸。泵的输出耦接到配量注射器0035。配量注射器0035可以是满足系统要求的现成注射器或者可以是基于系统要求定制设计的注射器。控制器001还可以包含用于电源、数据和通信的系统布线，尽管也设想了数据和通信的无线耦接。
如先前所描述的，一个或多个加热器可以增加到选择性催化还原(SCR)过滤系统中。另外，任何增加的加热器可以在位置中的一个或多个位置处与配量注射器0035配对，使得注射的处理溶液穿过加热器。燃煤排气系统还可以包含至少一个传感器，如气体温度(热)传感器或O2流量传感器。其它实施例可以在位置中的一个或多个位置处具有气体温度(热)传感器或O2流量传感器中的一个或两个。控制单元接收这些传感器中的每个传感器的输出，以确定加热器的温度和/或注射器的占空比。配量处理溶液(例如，剂量)可以通过进料管线09从控制器001发送，并且剂量溢流和空气通过剂量溢流管线08排出。同样地，所述罐可以具有溢流和排气管线008，或类似的压力控制阀，以控制配量处理溶液的流量。
如图39所示，配量注射器0035向加热器提供配量溶液(例如，尿素、盐水或氨)，所述加热器取决于环境和系统已经被加热到足够的汽化温度。将配量溶液蒸发，并且因此产生进入到系统中的蒸汽。这降低了燃烧温度，如果所述燃烧温度足够低，就会降低形成的热NOx的浓度。控制器001可以监测和控制加热器的温度和处理溶液注射的有效时间。例如，最高效的加热器温度将从400华氏度到任何期望温度，如最大值为1800华氏度。例如，配量溶液注射的有效时间通常为每分钟一剂量。取决于系统，注射次数可以不同，包含多剂量注射。取决于系统，时间可以不同，包含多于或少于每15分钟。但是系统将在更低或更高浓度下工作。
类似于图34的排气系统，但是有所增加，图39展示了多个过滤器300/400/500，所述多个过滤器包含蜂窝结构和将未燃烧的颗粒(例如，煤)引导至未燃烧的颗粒安置在其中的废物箱4000的斜槽、另外的金属过滤系统400、第二电鼓风机601和烟囱，清洁气体通过所述烟囱排出到环境中。
图39的烟囱可以包含双壳设计以提高效率和环境考虑。具体地，图39的烟囱包含由间隙分开的内壳和外壳，在所述间隙中使用鼓风机电机602和新鲜空气进料管道000吹送新鲜空气。此空气通道冷却烟囱的第二(外)壳。双壳烟囱可以由内烟囱92和外壳90以及定位在内烟道92与外壳90之间的空气空隙80限定，来自排气系统的所有废气穿过所述内烟囱，所述外壳在一侧暴露于外部环境，所述空气空隙允许新鲜空气吹过其中，保持外壳90相对于环境较冷。内壳还可以包含加热垫93，以帮助将热保持在内壳内。
图40示出了烟囱的俯视图，并帮助展示排气管4、加热垫3(93)、内管1(92)以及内管1与外管之间的新鲜空气开口2。与更昂贵的砖结构相反，内管1可以由钢制成。加热垫3可以包含铝背衬，并安装在可承受至多2200F或更高的温度的内管上。
如上所述，前述设计消除了砖结构烟囱的高成本，所述砖结构烟囱随时间推移而退化。内钢管1与加热垫3一起将热集中到内部，在所述内部可以继续处理废气。此外，第二管之前的新鲜空气间隙意味着面向外的第二管是低温的，对环境生物(例如，鸟类)的接触是安全的，具有较少的机械维护，并且不会由于大的温度波动而快速退化。为了方便起见，以下列表标识了根据本发明的实施例的图39中公开的特征：
001-控制器
002-到控制器的剂量水平控制器和剂量液体泵
003-配量溶液罐
008-溢流管线和排气孔
08-来自配量注射器的剂量溢流管线
09-进料管线
0035-配量注射器
12-热传感器
10-导线(例如，正极电连接器导线和负极)
79-主电箱和安全箱
400-SCR贵金属涂覆的SCR过滤器，带加热器，同时用于NOx
300-陶瓷贵金属过滤器(例如，起到与氧化催化相同的目的)
500-加热的陶瓷专用过滤器
13-热传感器和安全传感器
600-鼓风机电机(例如，可变鼓风机电机)
14-蒸汽和温度传感器
25-电加热器
26-SCR金属催化转化器系统
27-微粒过滤器
28-NOx存储过滤器
010-负极电缆线
3000-第二过滤器壳体
4000-灰尘和未燃烧的线圈集尘器
00-烟管的第二开口的新鲜空气进料管道
601-第二鼓风机电机
602-主烟管与第二壳体之间的新鲜空气的鼓风机电机
89-第一壳体烟管开口
90-第二外壳烟管
80-在新鲜空气鼓风机的2个壳开口之间，以保持外壳较冷
93-加热垫(例如，在第一烟管上安装铝背衬)
7000-磁体
8000-加热垫
9000-内壳
0112-外壳
为了方便起见，以下列表标识了图40中公开的特征，所述图展示了根据本发明的实施例的图40所示的烟囱的俯视图：
1-内钢烟管壳体
2-新鲜空气管开口
3-铝包加热垫(附接到内壳上)
4-第一主体烟管壳体开口
先前的描述和附图展示了本发明的原理、示例性实施例和操作模式。然而，本发明不应被解释为限于本文所公开的特定实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员将理解对上文所讨论的实施例的变化。因此，上文所描述的实施例和附图应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (38)

1.一种用于排气系统的加热器，所述加热器包括：
壳体，所述壳体包含
连接器，所述连接器耦接到所述壳体的外部，以及
第一端子和第二端子，所述第一端子和所述第二端子各自安置到所述壳体的内部并电耦接到所述连接器；
加热元件，所述加热元件耦接到所述第一端子和所述第二端子；
加热导线，所述加热导线耦接到所述第一端子和所述第二端子；以及
多个加热棒，所述多个加热棒插入穿过所述加热元件中的开口以将热从所述加热导线传导至整个所述加热元件，所述加热棒中的至少一个加热棒用于支撑所述加热导线，
其中所述连接器被配置成从位于所述加热器外部的电源接收电力以将电流供应到所述加热元件和所述加热导线。
2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热元件包括具有两层或更多层贵金属的催化涂层。
3.根据权利要求2所述的加热器，其中所述贵金属包括铂、钛、钯、铑和金中的两种或更多种。
4.根据权利要求3所述的加热器，其中所述催化涂层包括：
包括钛的第一层；
安置在所述第一层上的包括钯的第二层；
安置在所述第二层上的包括铑的第三层；以及
包括陶瓷材料的最外层。
5.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热导线在彼此平行的至少两个平面中移位。
6.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热导线包括第一加热导线和第二加热导线，所述第一加热导线从所述第二加热导线移位。
7.根据权利要求6所述的加热器，其中所述第一加热导线与所述第二加热导线之间的所述移位正交于所述第一加热导线与所述第二加热导线的平面。
8.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热棒中的一个或多个加热棒包括棒部分和尖端部分。
9.根据权利要求8所述的加热器，其中所述尖端部分由绝缘材料形成，使得电流不会从所述加热导线传递到所述棒。
10.根据权利要求9所述的加热器，其进一步包括：紧固件，所述紧固件安置在所述加热棒中的至少一个加热棒的所述尖端部分处，所述紧固件被配置成支撑所述加热导线。
11.根据权利要求10所述的加热器，其中所述紧固件由绝缘材料形成，使得电流不会从所述加热导线传递到所述棒。
12.根据权利要求11所述的加热器，其中所述加热棒包括具有第一长度的第一长度加热棒和具有第二长度的第二长度加热棒，所述第二长度不同于所述第一长度，其中所述第一长度加热棒在第一移位处支撑所述加热导线，并且所述第二长度加热棒在第二移位处支撑所述加热导线。
13.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热棒包括至少两个长度。
14.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热器设置在催化转化器内部。
15.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热器设置在所述排气系统的排气管道的腔体内部。
16.根据权利要求15所述的加热器，其中所述排气管道位于所述排气系统的以下至少一个位置：排气歧管与催化转化器之间、或所述催化转化器与选择性催化还原系统(SCR)之间、或所述SCR与消声器之间。
17.根据权利要求15所述的加热器，其中所述排气管道位于所述排气系统的以下至少一个位置：柴油氧化催化器与柴油微粒过滤器(DPF)之间、或所述DPF与选择性催化还原系统(SCR)之间、或所述SCR与消声器之间。
18.根据权利要求15所述的加热器，其中所述排气管道进一步包括配量系统，所述配量系统包含配量溶液注射器和容纳配量溶液的配量溶液储器，所述配量溶液注射器被配置成朝向所述加热器喷涂所述配量溶液。
19.根据权利要求18所述的加热器，其中所述加热器被配置成从控制器接收信号，以控制供应到所述加热器的电流的量以及将所述电流供应到所述加热器的定时；并且其中所述配量系统被配置成从所述控制器接收信号，以控制所述配量溶液喷涂的定时和持续时间，由此所供应的电流以及所述配量溶液喷涂的所述定时和所述持续时间基于定位在所述排气管道内的一个或多个传感器。
20.根据权利要求15或18所述的加热器，其中所述排气管道进一步包括磁体，所述磁体邻近所述排气管道的外表面布置，以帮助中断和减缓所述排气管道的所述腔体中的废气的流动。
21.根据权利要求20所述的加热器，其中所述排气管道进一步包括第二表面，所述第二表面定位在所述外表面外部，并且所述磁体布置在所述排气管道的所述第二表面与所述外表面之间。
22.根据权利要求20所述的加热器，其中所述磁体是钕磁体。
23.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热导线包括镍和铬。
24.根据权利要求1所述的加热器，其中所述连接器通过陶瓷间隔件与所述壳体隔离。
25.根据权利要求3所述的加热器，其中所述加热元件的所述开口中的一个或多个开口具有蜂窝或六边形形状。
26.一种结构，其包括：
排气管道，所述排气管道被配置成耦接到排气系统组件，所述排气管道包括：
加热器，所述加热器安置在所述排气管道的腔体内部，所述加热器包括：
壳体，
加热导线，所述加热导线安置在所述壳体内部，以及
连接器，所述连接器附接到所述壳体并电连接到所述加热导线，所述连接器被配置成从位于所述加热器外部的电源接收电力以将电流供应到所述加热导线，
其中所述加热器被配置成加热所述排气管道内部的气体以减少离开所述排气管道的有毒气体和/或微粒物质。
27.根据权利要求26所述的结构，其中所述排气系统组件包括以下各项中的一项或多项：
排气歧管，
催化转化器，
选择性催化还原系统(SCR)，
柴油氧化催化器，
柴油微粒过滤器(DPF)，
选择性催化还原系统(SCR)，以及
消声器。
28.根据权利要求27所述的结构，其中所述排气管道进一步包括磁体，所述磁体邻近所述排气管道的外表面布置，以帮助中断和减缓所述排气管道的所述腔体中的废气的流动。
29.根据权利要求28所述的结构，其中所述排气管道进一步包括第二表面，所述第二表面定位在所述外表面外部，并且所述磁体安置在所述排气管道的所述第二表面与所述外表面之间。
30.一种结构，其包括：
加热器，所述加热器被配置成连接到车辆排气系统的组件外部，所述加热器包括：
壳体，
加热元件，以及
传感器；以及
磁体，所述磁体被配置成邻近所述组件的外表面布置，以帮助中断和减缓所述组件中的废气的流动。
31.根据权利要求30所述的结构，其中所述组件是催化转化器。
32.根据权利要求30所述的结构，其中所述组件是以下各项中的一项或多项：
排气歧管；
催化转化器；
选择性催化还原系统(SCR)；
柴油氧化催化器；
柴油微粒过滤器(DPF)；
选择性催化还原系统(SCR)；
消声器；以及
排气系统管道。
33.根据权利要求30所述的结构，其中所述加热器包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器被配置成连接到催化转化器外部，所述第二加热器被配置成连接到SCR外部。
34.根据权利要求30所述的结构，其中所述加热器进一步包括配量系统，所述配量系统包含配量溶液注射器和容纳配量溶液的配量溶液储器，所述配量溶液注射器被配置成朝向所述组件喷涂所述配量溶液。
35.根据权利要求30所述的结构，其中所述传感器包括一个或多个温度传感器和一个或多个气体传感器。
36.根据权利要求30所述的结构，其进一步包括组件气体传感器，所述组件气体传感器被配置成耦接到所述组件。
37.根据权利要求36所述的结构，其进一步包括排气管道气体传感器，所述排气管道气体传感器被配置成耦接到附接到所述组件的出口端口的排气管道。
38.根据权利要求30或37所述的结构，其进一步包括排气管道温度传感器，所述排气管道温度传感器被配置成耦接到附接到所述组件的出口端口的排气管道。
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