专利名称：优化的电加热废气处理系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及处理来自内燃发动机的废气流的方法。
背景技术：
具有内燃发动机(internal combustion engine :ICE)的车辆配备有用于降低来自发动机的废气的毒性的处理系统。处理系统一般包括主催化转化器，其包括主催化齐U，其将废气中的氮氧化物还原为氮和二氧化碳或水，以及氧化一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)还原为二氧化碳和水。然而，主催化剂必须被加热到主催化剂的起燃 (light-off)温度之后方可工作。因此，废气必须在主催化剂和废气之间的反应开始之前加热主催化剂到主催化剂起燃温度。主要污染物，特别是在发动机工作期间放出CO和HC，发生在主催化剂抵达起燃温度之前。为了使主催化剂达到起燃温度的加热加速和降低在主催化剂达到起燃温度之前的污染物排放，废气处理系统可以包括起燃催化剂，其被布置在主催化剂的上游。起燃催化剂由于含有高钼族金属(platinum group metal :PGM)而能可靠地促进放热的反应，譬如 CO和HC的氧化，以产生额外的热量，该热量被传递到主催化剂以减少将主催化剂加热到起燃温度的时间。额外地，一些车辆可以包括废气加热器，譬如但并不局限于电加热器，以进一步加热废气，以减少将主催化剂加热到起燃温度的时间。通常车辆仅由ICE提供动力，废气加热器被限制为仅在发动机启动之后加热废气，即发动后加热(post crank heating)。在混合动力车辆中(包括ICE/电动机组合，以为车辆提供动力)，混合动力车辆可以在起动发动机之前利用电池为废气加热器提供电力(即曲柄前加热(pre-crank heating)，以由此进一步增加供应到废气加热器的热量和一旦发动机启动则减少将主催化剂加热到起燃温度的时间。
发明内容
提供一种处理来自车辆的内燃发动机的废气流的方法。该方法包括利用电加热器按照加热策略加热废气。该方法还包括利用预定量的起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物，以产生热量，该起燃催化剂布置在电加热器的下游。该方法还包括利用布置在起燃催化剂的下游的主催化剂处理废气，以降低废气的毒性；以及设置起燃芯部的尺寸，该起燃芯部支撑所述预定量的起燃催化剂。该起燃芯部被设置尺寸以在废气按照加热策略被加热时使得废气中的有毒排放最小化。提供一种设置废气处理系统的起燃芯部的尺寸的方法，该起燃芯部支撑固定量的起燃催化剂。该方法包括利用电加热器按照加热策略加热起燃芯部上游的废气。该方法还包括测量在按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的离开处理系统的累积有毒排放。该方法还包括选择起燃芯部的体积尺寸，该体积尺寸与最小累积有毒排放水平相关联，该最小累积有毒排放水平是从按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的被测累积有毒排放获得的。提供一种设置废气处理系统的起燃芯部的尺寸的方法，该起燃芯部支撑固定量的起燃催化剂。该方法包括利用电加热器按照加热策略加热起燃芯部上游的废气。该方法还包括对该气体处理系统的操作进行建模，以预测在按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的离开处理系统的累积有毒排放。该方法还包括选择起燃芯部的体积尺寸， 该体积尺寸与最小累积有毒排放水平相关联，该最小累积有毒排放水平是从求出按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的累积有毒排放的模型获得的。因此，支撑起燃催化剂的起燃芯部的尺寸针对加热策略而被优化，以使得来自废气的有毒排放最小化，有毒排放包括但并不局限于一氧化碳排放和碳氢化合物排放。优化起燃芯部的尺寸以使得废气处理系统的效率最大化在混合动力车辆中尤其重要，其可以在起动内燃发动机之前预先加热电加热器。当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些较佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点连接。
图1废气处理系统的示意性平面视图。图2是示出了在离开废气处理系统的累积碳氢化合物排放和起燃芯部体积尺寸之间关系的图。
具体实施例方式参考图1，其中在各视图中相似的附图标记表示相似的部件，废气处理系统大致在 20处示出。处理系统20处理来自内燃发动机(ICE) 23的废气流，由箭头22示出，以降低废气的毒性。处理系统20包括主催化转化器24。主催化转化器M被布置在发动机23的下游。主催化转化器M可以包括但并不局限于三效催化转化器(three way catalytic converter)。三效催化转化器可以包括钼族金属(PGM)，将废气中一定百分比的氮氧化物转换为氮和二氧化碳或水，以将一定百分比的一氧化碳氧化为二氧化碳和将一定百分比的未燃烧碳氢化合物氧化为二氧化碳和水。主催化转化器M包括上游部分沈和下游部分28。下游部分观包括主催化剂30， 用于处理废气，如上所述。主芯部32被布置在下游部分观中，并支撑主催化剂30。如果处理系统20仅使用单个主催化转化器24，则主催化剂30可以被布置在主芯部32上，以在主芯部32的上游端和主芯部32的下游端之间限定PGM梯度。PGM梯度在主芯部32的上游端提供较高的主催化剂30的浓度和在主芯部32的下游端提供较低的主催化剂30的浓度。主催化转化器M的上游部分沈包括起燃催化剂34。起燃催化剂34可以包括但并不局限于PGM作为活性成分。起燃芯部36被布置在主催化转化器M的上游部分沈中并支撑起燃催化剂34。起燃催化剂34放热地氧化废气中的CO和HC，以产生热量，其有助于将主催化剂30加热到足以与废气反应的起燃温度。处理系统20还包括废气加热器38。废气加热器38设置在主催化转化器M的上游。废气加热器38在废气进入主催化转化器M之前加热废气。废气加热器38可以包括但并不局限于电加热器38。尽管废气加热器38在后文中被称为电加热器38，但是应该理解废气加热器38可以包括一些其它能够按照预定加热策略加热废气的装置，如下文中更详细地描述。电加热器38被供电以按照加热策略加热废气。如果车辆是通常仅由内燃发动机 23提供动力的车辆，则电加热器38由发动机23在发动后提供电力，即在发动机23启动之后的发动后加热。如果车辆是混合动力车辆(由内燃发动机23和/或分开的ICE/电动机组合(未示出)提供动力)，则电加热器38可以由发动机23或ICE/电动机组合提供电力。 因此，如果车辆是混合动力车辆，则电加热器38可以由电池(未示出)在发动前提供电力， 即发动机23启动之前的发动前加热，且可能地与发动机23发动后相组合。加热策略可以包括在预定功率水平下进行预定时间量的发动前加热，在预定功率水平下进行预定时间量的发动后加热，或在预定功率水平下进行预定时间量的发动前加热和在预定功率水平下进行预定时间量的发动后加热的结合。图2示出了在混合动力车辆的联邦测试过程(Federal Test Procedure)驾驶循环的250秒之后累积的碳氢化合物排放。用于混合动力车辆的联邦测试过程驾驶循环包括在发动机23关闭情况下用电池供电让车辆运行一百五十秒(150秒)，随后在发动机动力下运行车辆一百秒(100秒)，即发动机23打开。尽管图2针对碳氢化合物排放优化了起燃芯部36的体积尺寸，但是应该理解起燃芯部36的体积尺寸可以针对其它有毒的排放进行优化，包括但并不局限于一氧化碳排放。累积的碳氢化合物排放沿垂直轴线40以毫克每英里 (mg/mi)衡量，且起燃芯部36的体积尺寸沿水平轴线42以升(1)衡量。参考图2，已经发现固定量的起燃催化剂34的效率在任意给定加热策略下随着支撑起燃催化剂34的起燃芯部36的体积尺寸而改变。如果固定量的起燃催化剂34被施加到具有较小体积尺寸的起燃芯部36，则该固定量的起燃催化剂34以较高的浓度布置在起燃芯部36上，其通过放热反应产生较高的热量。然而，因为起燃芯部36的小体积尺寸，流动通过起燃芯部36的废气的逗留时间较小，这减少了在起燃催化剂34和废气之间的质量/热量传递的时间。如果固定量的起燃催化剂34被施加到具有较大体积尺寸的起燃芯部36，则该固定量的起燃催化剂34 以较低的浓度布置在起燃芯部36上，其通过放热反应产生较低的热量。然而，因为起燃芯部36的大体积尺寸，流动通过起燃芯部的废气的逗留时间较大，这增加了在起燃催化剂34 和废气之间的质量/热量传递的时间。因此，在任意给定加热策略下，存在用于起燃芯部36 的最佳化体积尺寸，其使得累积的有毒排放最小化。从电加热器38加到废气的额外热量影响累积的碳氢化合物排放和起燃芯部36的体积尺寸之间的关系。因此，起燃芯部36应该根据用以使得系统效率最大化的具体加热策略来设置尺寸。如图2所示，第一加热策略下累积的碳氢化合物排放和起燃芯部36的体积尺寸之间的第一关系示出在44处。第一加热策略包括利用电加热器38在零瓦特(Ow)下对废气进行发动前加热一百五十秒(150秒)，随后利用电加热器38在一千五百瓦特(1500w) 下对废气进行发动后加热五十秒(50秒)。第一加热策略下最小碳氢化合物排放水平示出在46处，且第一加热策略下起燃芯部36的最佳体积尺寸示出在48处。在第二加热策略下累积的碳氢化合物排放和起燃芯部36的体积尺寸之间的第二关系示出在50处。第二加热策略包括利用电加热器38在九百瓦特(900w)下对废气进行发动前加热一百五十秒(150
5秒)，随后利用电加热器38在零瓦特(Ow)下对废气进行发动后加热一百秒(100秒)。第二加热策略下的最小碳氢化合物排放水平示出在52处，且第二加热策略下起燃芯部36的最佳体积尺寸示出在M处。在第三加热策略下累积的碳氢化合物排放和起燃芯部36的体积尺寸之间的第三关系示出在56处。第三加热策略包括利用电加热器38在九百瓦特 (900w)下对废气进行发动前加热一百五十秒(150秒)，随后利用电加热器38在一千五百瓦特(1500w)下对废气进行发动后加热一百秒(100秒)。第三加热策略下最小碳氢化合物排放水平示出在58处，且第三加热策略下起燃芯部36的最佳体积尺寸示出在60处。回头参考图1，本发明提供了一种处理来自车辆的内燃发动机23的废气流动的方法。该方法包括设置对固定的且是预定量的起燃催化剂34进行支撑的起燃芯部36的尺寸。起燃芯部36尺寸设置为在电加热器38按照加热策略操作时使得废气中的有毒排放最小化。有毒的排放可以包括但并不局限于碳氢化合物排放或一氧化碳排放。因此，起燃芯部36尺寸设置为优化性能和使得碳氢化合物排放或一氧化碳排放最小化。设置起燃芯部36的尺寸包括限定用于联邦测试过程的加热策略。加热策略可以限定为包括在各种功率水平和/或持续时间的仅发动前加热、仅发动后加热、或发动前加热和发动后加热的结合。设置起燃芯部36的尺寸还可以包括测量在限定加热策略和起燃芯部36各种体积尺寸下离开主催化剂30的累积有毒排放。测得的累积有毒排放可以被用于获得按照限定加热策略加热废气时累积有毒排放和起燃芯部36的体积尺寸之间的关系。累积有毒排放和起燃芯部36的体积尺寸之间的关系可以包括“曲线拟合”出经过与各种体积尺寸起燃芯部36下的累积有毒排放相关的测量数据点的最佳拟合曲线。该最佳拟合曲线可以用图形示出，使得当废气按照限定加热策略加热时，限定加热策略下的最小有毒排放水平可以通过观察与累积有毒排放和起燃芯部36的体积尺寸相关的图来视觉地确定。设置起燃芯部36的尺寸还包括选择起燃芯部36的体积尺寸，该选择与来自在起燃芯部36的各种体积尺寸下测得的累积有毒排放的最小累积有毒排放水平相关联。参考图2，针对第一加热策略下的第一关系44、第二加热策略下的第二关系50、和第三加热策略下的第三关系56，最小累积碳氢化合物排放水平分别示出在标记46、52和58处。针对第一加热策略下的第一关系44、第二加热策略下的第二关系50、和第三加热策略下的第三关系 56，起燃芯部36的尺寸分别由如标记4854和60示出的累积碳氢化合物排放的最小水平确定。替代地，设置起燃芯部的尺寸可以包括对处理系统的操作进行建模。处理系统的模型可以被用于预测在按照加热策略加热废气时各种起燃芯部体积尺寸下的离开主催化剂的累积有毒排放。模型可以包括例如一组偏微分方程。处理系统20的数学模型可以被解出，以获得限定加热策略下整个联邦测试过程中各种时间下离开主催化剂30的有毒排放的水平。一旦模型被开发，则设置起燃芯部的尺寸可以包括选择与最小累积有毒排放水平相关联的起燃芯部的体积尺寸，该最小累积有毒排放水平是从模型获得的，该模型用于求出起燃芯部的各种体积尺寸下的累积有毒排放。如果车辆包括混合动力车辆，则除了发动后加热以外处理废气流的方法可以包括预加热电加热器38，即发动前加热，在起动内燃发动机23之前。预加热电加热器38减少使主催化剂30达到起燃温度的时间，这增加了废气处理系统20的效率。
处理废气流的方法还可以包括利用固定和预定量的起燃催化剂34放热地氧化废气中的CO和HC。如上所述，起燃催化剂被布置在电加热器38的下游和主催化剂30的上游，以在与主催化剂30反应之前在废气中产生热量以减少将主催化剂30加热到起燃温度所需的时间。如果车辆包括混合动力车辆，则利用预定量的起燃催化剂34放热地氧化废气中的CO和HC以产生热量还可以被限定为利用预定量的起燃催化剂34放热地使废气反应，以将起燃催化剂34的实际温度保持在起燃催化剂34的起燃温度之上。处理废气流的方法还包括利用主催化剂30处理废气，主催化剂30被布置在起燃催化剂34的下游，以如上所述减少废气的毒性。虽然用于执行本发明的较佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。
权利要求
1.一种处理来自车辆的内燃发动机的废气流的方法，该方法包括利用电加热器按照加热策略加热废气；利用预定量的起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物以产生热量，该起燃催化剂布置在电加热器的下游；利用布置在起燃催化剂下游的主催化剂处理废气，以降低废气的毒性；以及设置起燃芯部的尺寸，以在按照加热策略加热废气时使得废气中的有毒排放最小化， 该起燃芯部支撑所述预定量的起燃催化剂。
2.如权利要求1所述的方法，其中有毒排放包括一氧化碳排放或碳氢化合物排放。
3.如权利要求1所述的方法，还包括限定加热策略。
4.如权利要求3所述的方法，其中限定加热策略包括限定这样的加热策略，该加热策略包括以预定功率水平进行预定时间段的发动前加热，或以预定功率水平进行预定时间段的发动后加热，或以预定功率水平进行预定时间段的发动前加热和以预定功率水平进行预定时间段的发动后加热的结合。
5.如权利要求3所述的方法，其中设置起燃芯部的尺寸包括测量在按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下离开主催化剂的累积有毒排放。
6.如权利要求5所述的方法，其中设置起燃芯部的尺寸包括选择起燃芯部的体积尺寸，该体积尺寸与最小累积有毒排放水平相关联，该最小累积有毒排放水平是从按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的被测累积有毒排放获得的。
7.如权利要求3所述的方法，其中设置起燃芯部的尺寸包括为处理系统的操作建模， 以预测在按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下离开主催化剂的累积有毒排放。
8.如权利要求7所述的方法，其中设置起燃芯部的尺寸包括选择起燃芯部的体积尺寸，该体积尺寸与最小累积有毒排放水平相关联，该最小累积有毒排放水平是从求出按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的累积有毒排放的模型获得的。
9.如权利要求1所述的方法，其中利用预定量的起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物以产生热量进一步被限定为利用预定量的起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物以保持起燃催化剂的实际温度在起燃催化剂的起燃温度之上。
10.如权利要求1所述的方法，还包括将主催化剂布置在主芯部上，以限定在主芯部的上游端和主芯部的下游端之间的PGM梯度，从而较高浓度的主催化剂被布置在芯部的上游端且较低浓度的主催化剂被布置在主芯部的下游端。
全文摘要
一种设置起燃芯部的尺寸的方法，该点燃芯部支撑用于废气处理系统的固定量的起燃催化剂，该废气处理系统具有位于起燃催化剂上游的电加热器，用于加热废气，该方法包括根据加热策略并针对起燃芯部的多个体积尺寸测量离开废气处理系统的累积碳氢化合物或一氧化碳排放。替代地，处理系统的模型可以被使用以预测累积碳氢化合物或一氧化碳排放。该方法还包括选择选择起燃芯部的体积尺寸，该体积尺寸与最小累积有毒排放水平相关联，该最小累积有毒排放水平是从按照加热策略加热废气时起燃芯部的各种体积尺寸下的被测累积有毒排放获得的。加热策略可以包括发动前加热、发动后加热或发动前加热和发动后加热的组合。
文档编号F01N3/20GK102454454SQ20111031954
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者K.拉马纳森, S.H.奥 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司