專利名稱：用于排氣處理系統(tǒng)的加熱模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于處理來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的排氣處理系統(tǒng)，且更具體地涉及一種排氣處理系統(tǒng)的加熱模塊。
背景技術(shù)：
具有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)的車輛包括排氣處理系統(tǒng)以減少來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的毒性。該處理系統(tǒng)通常包括主催化轉(zhuǎn)換器，其包括主催化劑，該催化劑還原排氣中的氮氧化物為氮和二氧化碳或水，以及氧化一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HCs)為二氧化碳和水。主催化劑可包括但不限于鉬族金屬(PGM)。在主催化劑變得可操作前，主催化劑必須被加熱至該主催化劑的起燃溫度。因此，在主催化劑和排氣開始反應(yīng)前，排氣必須加熱主催化劑至起燃溫度。多數(shù)污染物，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)操作過程中發(fā)出的多數(shù)CO和HCs，出現(xiàn)在主催化劑達(dá)到起燃溫度之前。為了加速主催化劑達(dá)到起燃溫度和減少在主催化劑達(dá)到起燃溫度前的污染物，排氣處理系統(tǒng)還可包括起燃催化劑，其被布置在主催化劑的上游。起燃催化劑，由于PGM成分，容易促進(jìn)放熱反應(yīng)，例如CO和HCs的氧化，以減小污染物濃度和產(chǎn)生附加熱量，該熱量被傳遞給主催化劑以減少主催化劑加熱至起燃溫度的時(shí)間。附加地，一些車輛可包括排氣加熱器，例如但不限于加熱模塊，以進(jìn)一步加熱排氣以減少加熱主催化劑至起燃溫度的時(shí)間。在傳統(tǒng)車輛中，其僅由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，排氣加熱器被限制于僅在發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)后加熱排氣，即發(fā)動(dòng)后加熱。在混合動(dòng)力車輛中，其還包括ICE/電馬達(dá)組合以給車輛提供能量，該混合動(dòng)力車輛可在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前使用電池給排氣加熱器提供能量，即發(fā)動(dòng)前加熱，由此進(jìn)一步增加提供給排氣加熱器的熱量和減少一旦發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)加熱主催化劑至起燃溫度的時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種用于處理來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的排氣處理系統(tǒng)。排氣處理系統(tǒng)包括主催化轉(zhuǎn)換器，其被配置為降低來自排氣的有毒排放。加熱模塊被布置在主催化轉(zhuǎn)換器的上游。加熱模塊加熱排氣。加熱模塊包括用于在起動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)行發(fā)動(dòng)前加熱的第一加熱芯部和用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)后進(jìn)行發(fā)動(dòng)后加熱的第二加熱芯部。還提供一種用于加熱排氣處理系統(tǒng)中的主催化轉(zhuǎn)換器的上游排氣的加熱模塊。加熱模塊包括用于在起動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)行發(fā)動(dòng)前加熱的第一加熱芯部和用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)后進(jìn)行發(fā)動(dòng)后加熱的布置在第一加熱芯部下游的第二加熱芯部。還提供用于加熱排氣處理系統(tǒng)中的主催化轉(zhuǎn)換器的上游排氣的加熱模塊。加熱模塊包括第一加熱芯部和第二加熱芯部。第一加熱芯部包括第一芯部體積尺寸，且被配置用于在起動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)前的發(fā)動(dòng)前加熱。第二加熱芯部包括第二芯部體積尺寸，且被配置用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)后的發(fā)動(dòng)后加熱。第二芯部體積尺寸小于第一芯部體積尺寸。第二芯部體積尺寸在第一芯部體積尺寸的百分之五(5% )和百分之五十(50% )的范圍間，第二芯部體積尺寸在0. 03升和0. 05升的范圍間。因此，第一加熱芯部可被設(shè)定尺寸用于有效進(jìn)行發(fā)動(dòng)前加熱，即在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行前的排氣的初始加熱，第二加熱芯部可被設(shè)定尺寸用于有效進(jìn)行發(fā)動(dòng)后加熱，即在發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)后的排氣的加熱。與單個(gè)加熱芯部相比，第一加熱芯部和第二加熱芯部的組合使得主催化轉(zhuǎn)換器更快地達(dá)到起燃溫度，由此降低了離開主催化轉(zhuǎn)換器的總有毒排放和/或?qū)τ谔峁┙o第一加熱芯部和第二加熱芯部的電力/能量的要求。當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，從下面的用于執(zhí)行如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的一些最佳方式和其它實(shí)施例的具體描述可容易地明白本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)，以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是排氣處理系統(tǒng)的示意性平面圖；圖2是排氣處理系統(tǒng)的替換實(shí)施例的示意性平面圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1，其中在多個(gè)視圖中相同的標(biāo)號(hào)指示相同的部件，排氣處理系統(tǒng)一般以 20示出。處理系統(tǒng)20處理來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE) 24的由箭頭22指示的排氣流，以降低該排氣的毒性，即減少該排氣的有毒排放，包括但不限于氮氧化物(NO)、一氧化碳(CO)和/或碳?xì)浠衔?HC)。處理系統(tǒng)20包括主催化轉(zhuǎn)換器26。主催化轉(zhuǎn)換器沈被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)M的下游。主催化轉(zhuǎn)換器沈可包括但不限于三元催化轉(zhuǎn)換器。三元催化轉(zhuǎn)換器可包括鉬族金屬 (PGM)，且轉(zhuǎn)換排氣中的一定百分比氮氧化物轉(zhuǎn)換為氮和二氧化碳或水，以及一定百分比的一氧化碳轉(zhuǎn)換為二氧化碳和將一定百分比的未燃碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換為二氧化碳和水。主催化轉(zhuǎn)換器沈包括上游部分觀和下游部分30。下游部分30包括主催化劑32 用于處理如上所述的排氣。主催化劑芯部34被布置在下游部分30內(nèi)，且支撐該主催化劑 32。主催化轉(zhuǎn)換器沈的上游部分28包括起燃催化劑36。主催化劑可包括但不限于作為活性成分的PGM。起燃催化劑芯部38被布置在主催化轉(zhuǎn)換器沈的上游部分觀內(nèi)，且支撐該起燃催化劑36。起燃催化劑36放熱地氧化排氣中的CO和HCs，其有助于加熱主催化劑32至主催化劑32的足以與排氣反應(yīng)的起燃溫度。處理系統(tǒng)20還包括加熱模塊40。加熱模塊40被布置在主催化轉(zhuǎn)換器沈的上游。 加熱模塊40在排氣進(jìn)入主催化轉(zhuǎn)換器沈之前加熱該排氣。加熱模塊40包括第一加熱芯部42。第一加熱芯部42可通過電阻加熱而被加熱。因此，電流可被施加至第一加熱芯部 42，利用第一加熱芯部42的電阻產(chǎn)生熱量，該熱量被儲(chǔ)存在第一加熱芯部42中和/或傳遞至流過第一加熱芯部42的排氣。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，第一加熱芯部42可被以這里沒有示出或描述的一些其它方式加熱。加熱模塊40還包括第二加熱芯部44。如第一加熱芯部42，第二加熱芯部44也可以通過電阻加熱而被加熱。因此，電流可被施加至第二加熱芯部44，利用第二加熱芯部44的電阻產(chǎn)生熱量，該熱量被儲(chǔ)存在第二加熱芯部44中和/或傳遞至流過第二加熱芯部44的排氣。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，第二加熱芯部44可被以這里沒有示出或描述的一些其它方式加熱。
4
加熱模塊40被供電以根據(jù)加熱策略加熱排氣。對(duì)于由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M和/或單獨(dú)的ICE/電馬達(dá)組合提供能量的混合動(dòng)力車輛，加熱模塊40可由發(fā)動(dòng)機(jī)M或ICE/電馬達(dá)組合提供能量。如果該車輛是混合動(dòng)力車輛，加熱模塊40在發(fā)動(dòng)前可由電池提供能量，即在發(fā)動(dòng)機(jī)M被起動(dòng)前的發(fā)動(dòng)前加熱，和/或加熱模塊40在發(fā)動(dòng)后由發(fā)動(dòng)機(jī)M提供能量，即在發(fā)動(dòng)機(jī)M被起動(dòng)后的發(fā)動(dòng)后加熱。因此，對(duì)于混合動(dòng)力車輛，加熱策略可包括以預(yù)定功率水平的預(yù)定量時(shí)間的發(fā)動(dòng)前加熱和以預(yù)定功率水平的預(yù)定量時(shí)間的發(fā)動(dòng)后加熱的組合。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定加熱策略，排氣處理系統(tǒng)20的效率隨加熱模塊40的體積尺寸而變化。如果加熱模塊40包括越小的體積尺寸，根據(jù)加熱策略施加至加熱模塊40的能量快速地在加熱模塊40中產(chǎn)生越高的溫度且快速地傳遞儲(chǔ)存的熱量至排氣。但是，由于加熱模塊40的小體積尺寸，且由此導(dǎo)致的小儲(chǔ)熱能力，至流過加熱模塊40的熱傳遞僅在短時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。具有越小體積尺寸的加熱模塊已被發(fā)現(xiàn)對(duì)于發(fā)動(dòng)后加熱越有效，即發(fā)動(dòng)機(jī)M已被起動(dòng)后加熱排氣。如果加熱模塊40包括越大的體積尺寸，根據(jù)加熱策略施加至加熱模塊 40的能量在加熱模塊40中產(chǎn)生越低的溫度且越慢地傳遞儲(chǔ)存的熱量至排氣。但是，由于加熱模塊40的大體積尺寸，且由此導(dǎo)致的大儲(chǔ)熱能力，至流過加熱模塊40的熱傳遞在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。具有越大體積尺寸的加熱模塊已被發(fā)現(xiàn)對(duì)于發(fā)動(dòng)前加熱越有效。發(fā)動(dòng)前加熱使得加熱模塊40在排氣流過加熱模塊40前被加熱，由此在發(fā)動(dòng)機(jī)M被起動(dòng)和開始運(yùn)行時(shí)提供排氣的即時(shí)加熱。這對(duì)于混合動(dòng)力車輛特別有利，其中當(dāng)車輛僅由電池提供能量時(shí)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M可被關(guān)閉延長(zhǎng)的時(shí)間段，且車輛可在起動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M前使用發(fā)動(dòng)前加熱。為了優(yōu)化加熱模塊40的效率，加熱模塊40的第一加熱芯部42被配置為在起動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M前進(jìn)行發(fā)動(dòng)前加熱，第二加熱芯部44被配置為在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M被起動(dòng)后進(jìn)行發(fā)動(dòng)后加熱。如圖1所示，第一加熱芯部42和第二加熱芯部44被布置為相對(duì)于彼此串聯(lián)， 第一加熱芯部42 (其被配置用于發(fā)動(dòng)前加熱)布置在第二加熱芯部44 (其被配置用于發(fā)動(dòng)后加熱)的上游。第一加熱芯部42包括第一芯部體積尺寸，第二加熱芯部44包括第二芯部體積尺寸。第二芯部體積尺寸小于第一芯部體積尺寸。因此，第一芯部體積尺寸可被優(yōu)化用于發(fā)動(dòng)前加熱，第二芯部體積尺寸可被優(yōu)化用于發(fā)動(dòng)后加熱。第二芯部體積尺寸可在第一芯部體積尺寸的百分之五(5% )和百分之五十(50% )的范圍間。更具體地，第二芯部體積尺寸可在第一芯部體積尺寸的百分之十五(15% )至百分之十八(18% )的范圍。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，第一加熱芯部42和第二加熱芯部44的體積尺寸中的差異可落在上述范圍之外。附加地，第二芯部體積尺寸優(yōu)選地在0. 03升和0. 05升的范圍內(nèi)。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，第二芯部體積尺寸可包括上述范圍外的數(shù)值。在操作中，如果加熱策略要求以預(yù)定功率水平的預(yù)定時(shí)間段的發(fā)動(dòng)前加熱，例如九百瓦(900W) —百五十秒(150sec)，則第一加熱芯部42被以該預(yù)定功率水平加熱該預(yù)定時(shí)間段。一旦內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)25被起動(dòng)，排氣流過第一加熱芯部42，從而第一加熱芯部42可根據(jù)加熱策略傳遞儲(chǔ)存的熱量至排氣。如果加熱策略要求以預(yù)定功率水平的預(yù)定時(shí)間段的發(fā)動(dòng)后加熱，例如一千五百瓦(1500W) —百秒(lOOsec)，則第二加熱芯部44被接合用于根據(jù)加熱策略進(jìn)行排氣的附加發(fā)動(dòng)后加熱。因此，第一加熱芯部42被用于發(fā)動(dòng)前加熱，第二加熱芯部44被用于發(fā)動(dòng)后加熱。參考圖2，加熱模塊的替換實(shí)施例被一般地以50示出。加熱模塊50包括第一加熱芯部52和第二加熱芯部M。第一加熱芯部52和第二加熱芯部M被布置為相對(duì)于彼此并聯(lián)。加熱模塊50包括入口 56、出口 58、第一流路60和第二流路62。入口 56被配置為接收來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M的排氣。出口 58被配置為排出來自加熱模塊50的排氣和引導(dǎo)該排氣至主催化轉(zhuǎn)換器26。第一流路60流體連通地連接入口 56和出口 58。第二流路62 也流體連通地連接入口 56和出口 58。但是，第二流路62與第一流路60不同且與其分開。 第一加熱芯部52被布置在第一流路60中，且第二加熱芯部M被布置在第二流路62中。加熱模塊50包括流動(dòng)控制裝置64，其布置為接近入口 56且臨近第一流路60和第二流路62的上游端。流動(dòng)控制裝置64可選擇性地操作以控制第一加熱芯部52和第二加熱芯部M之間的排氣流動(dòng)。流動(dòng)控制裝置64可包括分流器或類似物。因此，流動(dòng)控制裝置64可在引導(dǎo)排氣穿過第一流路60至第一加熱芯部52的第一位置和引導(dǎo)排氣穿過第二流路62至第二加熱芯部M的第二位置之間運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)行中，如果加熱策略僅要求發(fā)動(dòng)前加熱，則第一加熱芯部52在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前根據(jù)加熱策略被以預(yù)定功率水平加熱預(yù)定時(shí)間段。一旦內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M被起動(dòng)，流動(dòng)控制裝置64引導(dǎo)排氣流過第一流路60，從而第一加熱芯部52可根據(jù)加熱策略傳遞儲(chǔ)存的熱量至排氣。只要第一加熱芯部52和進(jìn)入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差大于臨界溫度， 例如直到該溫度差大于十五攝氏度(15°C )，流動(dòng)控制裝置64引導(dǎo)排氣穿過第一加熱芯部 52。一旦該溫度差下降到低于臨界溫度，流動(dòng)控制裝置64可引導(dǎo)排氣穿過第二流路62且跨過第二加熱芯部M以最小化穿過加熱模塊50的熱量損耗。如果加熱策略要求僅發(fā)動(dòng)后加熱，則流動(dòng)控制裝置64可從第一位置切換至第二位置以引導(dǎo)排氣穿過第二流路62且跨過第二加熱芯部M用于根據(jù)加熱策略的發(fā)動(dòng)后加熱。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)M起動(dòng)時(shí)，流動(dòng)控制裝置64可立即引導(dǎo)排氣穿過第二加熱芯部M，且保持排氣流穿過第二加熱芯部M。如果加熱策略要求發(fā)動(dòng)前加熱和發(fā)動(dòng)后加熱的組合，則第一加熱芯部52被根據(jù)加熱策略在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前加熱。一旦內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)M被起動(dòng)，流動(dòng)控制裝置64引導(dǎo)排氣流過第一流路60，從而第一加熱芯部52可根據(jù)加熱策略傳遞儲(chǔ)存的熱量至排氣。只要第一加熱芯部52和進(jìn)入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差大于臨界溫度，例如直到該溫度差大于十五攝氏度(15°C)，流動(dòng)控制裝置64可以引導(dǎo)排氣穿過第一加熱芯部52。一旦該溫度差下降到低于臨界溫度，流動(dòng)控制裝置64可引導(dǎo)排氣穿過第二流路62且跨過第二加熱芯部M用于根據(jù)加熱策略的發(fā)動(dòng)后加熱。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，基于控制法則(其依賴于第一加熱芯部52和進(jìn)入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差)，排氣流可被從第一加熱芯部52轉(zhuǎn)變至第二加熱芯部54，由此該排氣首先流過第一加熱芯部52，在一段時(shí)間后減小，同時(shí)穿過第二加熱芯部M的流動(dòng)增大。替換地，第二加熱芯部M的發(fā)動(dòng)后加熱可不開始，直至第一加熱芯部52和進(jìn)入第一加熱芯部52的排氣之間的溫度差達(dá)到預(yù)定值(例如一百攝氏度 (100°C))，從而當(dāng)該溫度差達(dá)到臨界溫度(例如15攝氏度(15°C))時(shí)，第二加熱芯部M 已被預(yù)先加熱至足夠高的溫度且排氣可被引導(dǎo)至第二加熱芯部M用于根據(jù)加熱策略的發(fā)動(dòng)后加熱。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，排氣流過第一加熱芯部52和第二加熱芯部M的控制可不同于這里描述的情形。雖然用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式已經(jīng)被詳細(xì)描述，與本發(fā)明相關(guān)的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的執(zhí)行本發(fā)明的各種替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于處理來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的排氣處理系統(tǒng)，該排氣處理系統(tǒng)包括主催化轉(zhuǎn)換器，其被配置為減小來自排氣的有毒排放；和加熱模塊，其被布置在主催化轉(zhuǎn)換器的上游用于加熱排氣，其中該加熱模塊包括第一加熱芯部，其被配置用于起動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)前的發(fā)動(dòng)前加熱；和第二加熱芯部，其被配置用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)后的發(fā)動(dòng)后加熱。
2.如權(quán)利要求1所述的排氣處理系統(tǒng)，其中第一加熱芯部包括第一芯部體積尺寸，第二加熱芯部包括第二芯部體積尺寸，第二芯部體積尺寸小于第一芯部體積尺寸。
3.如權(quán)利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中第二芯部體積尺寸在0.03升至0. 05升的范圍。
4.如權(quán)利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中第一加熱芯部和第二加熱芯部被布置為相對(duì)于彼此串聯(lián)。
5.如權(quán)利要求4所述的排氣處理系統(tǒng)，其中第一加熱芯部被布置在第二加熱芯部的上游。
6.如權(quán)利要求2所述的排氣處理系統(tǒng)，其中第一加熱芯部和第二加熱芯部被布置為相對(duì)于彼此并聯(lián)。
7.如權(quán)利要求6所述的排氣處理系統(tǒng)，其中加熱模塊包括流動(dòng)控制裝置用于控制排氣至第一加熱芯部或第二加熱芯部的流動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的排氣處理系統(tǒng)，其中加熱模塊包括配置為接收來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的入口，和配置為從加熱模塊排出排氣的出口，流體連通地連接入口和出口的第一流路，以及與第一流路分開且流體連通地連接入口和出口的第二流路，其中第一加熱芯部被布置在第一流路中，且第二加熱芯部被布置在第二流路中。
9.如權(quán)利要求8所述的排氣處理系統(tǒng)，其中流動(dòng)控制裝置被選擇性地操作以在第一流路和第二流路之間控制排氣的流動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的排氣處理系統(tǒng)，其中主催化轉(zhuǎn)換器包括起燃催化劑和布置在起燃催化劑下游的主催化劑，其中起燃催化劑被配置為放熱地氧化排氣中的一氧化碳和碳?xì)浠衔镆援a(chǎn)生熱量，以將主催化劑加熱至起燃溫度，且其中主催化劑被配置為處理排氣以減少來自排氣的有毒排放。
全文摘要
一種排氣處理系統(tǒng)包括加熱模塊以加熱主催化轉(zhuǎn)換器上游的排氣。加熱模塊包括具有第一芯部體積尺寸的第一加熱芯部和具有比第一芯部體積尺寸小的第二芯部體積尺寸的第二加熱芯部。具有較大的第一芯部體積尺寸的第一加熱芯部被配置為優(yōu)化發(fā)動(dòng)前加熱，而具有較小的第二芯部體積尺寸的第二加熱芯部被配置為優(yōu)化發(fā)動(dòng)后加熱。第一加熱芯部和第二加熱芯部可被布置為彼此串聯(lián)或彼此并聯(lián)。
文檔編號(hào)F01N3/20GK102465736SQ20111033718
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者K.拉瑪納森, S.H.奧 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司