专利名称：设定车辆废气处理系统的废气加热器加热芯部的方法
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，且更具体地涉及一种设定混合动力车辆废气处理系统的废气加热器的加热芯部尺寸的方法。
背景技术：
具有内燃发动机(internal combustion engine ICE)的车辆包括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，其包括主催化剂，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。主催化剂可包括但不限于钼族金属(platinum group metal :PGM)。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，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PGM而能可靠地促进放热的反应，譬如CO和HC的氧化，以减少污染物浓度并产生额外的热量，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。通常车辆仅由内燃发动机提供动力，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为废气加热器提供电力(即用电池进行发动前加热(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
提供一种处理来自内燃发动机的废气流的方法。该方法包括按照加热策略用废气加热器加热废气，其中，废气加热器包括加热芯部，其尺寸被设定为，在废气按照加热策略被加热时使得废气中的毒性排放最小化。该方法还包括用起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物来产生热，该起燃催化剂布置在废气加热器的下游。该方法还包括用主催化剂处理废气，来减小废气中的毒性排放，该主催化剂布置在起燃催化剂下游。还提供了一种对用于废气处理系统的废气加热器的加热芯部的体积尺寸进行设定的方法。该方法包括针对废气加热器的加热芯部的各种体积尺寸测量当废气按照加热策略被加热时离开废气处理系统的主催化剂的累积毒性排放。该方法还包括从废气按照加热策略被加热时加热芯部的各种体积尺寸下所测的累积毒性排放中选择出与最低累积毒性排放水平相关联的加热芯部的体积尺寸。还提供了一种设定用于废气处理系统废气加热器的加热芯部的体积的尺寸的方法。该方法包括模拟废气处理系统的操作。模型被用于针对废气加热器加热芯部的各种体积尺寸预测当废气按照加热策略被加热时离开废气处理系统主催化剂的累积毒性排放。该方法还包括选择加热芯部的体积尺寸，该体积尺寸与从用于求出在加热芯部的各种体积尺寸的累积毒性排放的模型中获得的最低累积毒性排放水平相关联。相应地，在起燃催化剂之前加热废气的加热芯部的体积尺寸针对特定加热策略被优化，以使得来自废气处理系统的毒性排放最小化，毒性排放包括但不限于一氧化碳排放和碳氢化合物排放。对于使混合动力车辆中的废气处理系统的效率最大化来说，优化加热芯部的体积特别有用，其中该混合动力车辆使用发动前加热来在起动内燃发动机之前预加热所述加热芯部。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是废气处理系统的示意平面图；图2是显示离开废气处理系统的累积碳氢化合物排放和加热芯部体积尺寸之间的关系图。
具体实施例方式参考图1，其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M(ICE)的废气流，由箭头22示出，以降低废气的毒性， 即减小废气的有毒排放，有毒排放包括但不限于氮氧化物(NO)、一氧化碳(CO)和/或碳氢化合物(HC)。处理系统20包括主催化转化器26。主催化转化器沈被布置在发动机M的下游。主催化转化器沈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。主催化转化器沈包括上游部分观和下游部分30。下游部分30包括主催化剂32， 用于处理废气，如上所述。主催化剂芯部34被布置在下游部分30中，并支撑主催化剂32。主催化转化器沈的上游部分观包括起燃催化剂36。起燃催化剂36可以包括但并不局限于PGM作为活性成分。起燃催化剂芯部38被布置在主催化转化器沈的上游部分 28中并支撑起燃催化剂36。起燃催化剂36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32加热到足以与废气反应的主催化剂32的起燃温度。处理系统20还包括废气加热器40。废气加热器40设置在主催化转化器沈的上游。废气加热器40在废气进入主催化转化器沈之前加热废气。废气加热器40可以包括但并不局限于电加热器40。尽管废气加热器40在后文中被称为电加热器40，但是应该理解废气加热器40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40包括单块(monolithic)加热芯部42。加热芯部42通过加热芯部42 的电阻性加热而被加热。因此，电流被施加给加热芯部42，通过加热芯部42的电阻产生热量，热量被储存在加热芯部42中和/或传递到流过加热芯部42的废气。应该理解，加热芯部42可以未在本文显示或描述的一些其他方式加热。电加热器40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 24提供动力的车辆，则电加热器40由发动机M在发动后提供电力，即在发动机M启动之后的发动后加热。如果车辆是混合动力车辆(由内燃发动机对和/或分开的ICE/电动机组合(未示出)提供动力)，则电加热器40可以由发动机M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40可以由电池在发动前提供电力，即发动机M启动之前的发动前加热，或替换地可通过发动机M在发动后提供电力。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，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)中驾驶循环的250秒之后离开废气处理系统20的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M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M打开。尽管图2针对碳氢化合物排放优化了加热芯部42的体积尺寸，但是应该理解加热芯部42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44以毫克每英里(mg/mi)衡量，且加热芯部42的体积尺寸沿水平轴线46以升 (1)衡量。参考图2，应该发现，在任意给定的加热策略中处理系统20的效率随加热芯部42 的体积尺寸变化。如果加热芯部42包括较小的体积尺寸，则按照加热策略施加给加热芯部的电力在加热芯部42内快速产生较高温度，并快速将储存的热传递到废气。但是，因为加热芯部42的小体积尺寸，并由此因为小储热能力，仅在短时间段发生内向流过加热芯部42 的废气传热。如果加热芯部42包括较大的体积尺寸，则按照加热策略施加给加热芯部42的电力在加热芯部42内产生较低的温度，并较慢地将存储的热传递到废气。但是，由于加热芯部42的大体积尺寸并由此因为较大的储热能力，在长时间段内发生向流过加热芯部42 的废气的传热。因此，对于任何给定加热策略存在用于加热芯部42的优化尺寸体积，其使得从主催化转换器沈离开的累积毒性排放最小化。来自电加热器40的给废气增加的任何额外热量影响累积碳氢化合物排放和加热芯部42的体积尺寸之间的关系。因此，加热芯部 42应该按照特定加热策略设定尺寸，该策略用于使得处理系统20的效率最大化。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催化剂芯部38的体积尺寸之间的第一关系示出在48处。第一加热策略包括利用电加热器40在九百瓦(900w) 下对废气进行发动前加热一百五十秒(150s)，然后用电加热器40在零瓦(Ow)下对废气进行发动后加热零秒(Os)。第一加热策略下最小碳氢化合物排放水平示出在50处，且第一加热策略下起燃催化剂芯部38的最佳体积尺寸示出在52处。在第二加热策略下累积的碳氢化合物排放和起燃催化剂芯部38的体积尺寸之间的第二关系示出在M处。第二加热策略包括利用电加热器40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40在一千五百瓦特(1500w)下对废气进行发动后加热一百秒(100秒)。第二加热策略下的最小碳氢化合物排放水平示出在56处，且第二加热策略下起燃催化剂芯部38的最佳体积尺寸示出在58处。回头参考图1，本发明提供了一种处理来自混合动力车辆的内燃发动机M的废气流的方法。处理来自内燃发动机M的废气流的方法包括设定电加热器40的加热芯部42 的体积的尺寸的方法。设定加热芯部42的体积尺寸的方法包括限定用于加热废气的加热策略。加热策略可被限定为仅包括以预定功率水平进行发动前加热预定时间段，或以预定功率水平进行发动前加热预定时间段和以预定功率水平进行发动后加热预定时间段二者的组合。废气处理系统20的效率尤其得益于采用使用将发动前加热和发动后加热相组合的加热策略。这是因为混合动力车辆在被电池提供动力时在起动发动机对之前对加热芯部42可以进行预加热。电加热器40的加热芯部42的体积的尺寸被设定为，当废气按照加热策略被加热时使得废气中的毒性排放最小化。毒性排放可包括但不限于，碳氢化合物排放或一氧化碳排放。因此，加热芯部42的尺寸被设定为优化性能并使得碳氢化合物排放或一氧化碳排放最小化。设置加热芯部42的尺寸还可以包括在限定加热策略针对加热芯部42各种体积尺寸下测量离开主催化剂32的累积有毒排放。如上所述，毒性排放可包括CO或HC。因此， 测量累积的毒性排放可还定义为测量来自废气的累积CO排放或测量来自废气的累积HC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加热芯部42的体积尺寸之间的关系。累积有毒排放和加热芯部42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加热芯部42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加热芯部42的体积尺寸相关的图来视觉地确定。设置加热芯部42的体积尺寸还包括选择与最小累积有毒排放水平相关联的加热芯部42的体积尺寸。该最小累积有毒排放水平可用在加热芯部42的各种体积尺寸下的用于累积有毒排放的处理系统的模型来预测，或用测得的累积有毒排放来确定。参考图2，针对第一加热策略下的第一关系48、第二加热策略下的第二关系M，最小累积碳氢化合物排放水平分别示出在标记50和56处。因而，针对加热策略下的第一关系48、第二加热策略下的第二关系M，加热芯部42的尺寸分别由如标记52和58示出的累积碳氢化合物排放的最小水平确定。替代地，设置加热芯部42的体积尺寸的方法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加热芯部42的体积尺寸下的离开主催化剂32的测量累积有毒排放。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32的有毒排放的水平。一旦模型被开发，则设置加热芯部42的尺寸可以包括选择与最小累积有毒排放水平相关联的加热芯部42的体积尺寸，该最小累积有毒排放水平是从模型获得的，该模型用于求出加热芯部42的各种体积尺寸下的累积有毒排放。处理废气的方法还可包括按照加热策略用电加热器40加热废气。废气被加热以降低需要使起燃催化剂36和/或主催化剂32达到它们各自起燃温度的时间量。加热废气可包括发动前加热、或发动前加热和发动后加热的组合，如上所述。处理废气的方法还可以包括利用起燃催化剂36放热地氧化废气中的CO和HC。如上所述，起燃催化剂36被布置在电加热器40的下游和主催化剂32的上游，以在与主催化剂32反应之前在废气中产生热量，从而减少将主催化剂32加热到起燃温度所需的时间。处理废气的方法还包括用主催化剂32处理废气，其放置在起燃催化剂36的下游， 来如上减小废气的毒性。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定和实施例。
权利要求
1.一种处理来自内燃发动机的废气流的方法，该方法包括按照加热策略用废气加热器加热废气，其中，废气加热器包括加热芯部，该芯部尺寸被设定为，在废气按照加热策略被加热时使得废气中的毒性排放最小化；用起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物来产生热，该起燃催化剂布置在废气加热器的下游；以及用主催化剂处理废气，来减小废气中的毒性排放，该主催化剂布置在起燃催化剂下游。
2.如权利要求1所述的方法，还包括限定用于加热废气的加热策略。
3.如权利要求2所述的方法，其中，加热策略包括以预定功率水平进行发动前加热一预定时间段。
4.如权利要求2所述的方法，其中，加热策略包括以预定功率水平进行发动前加热一预定时间段和以预定功率水平进行发动后加热一预定时间段两者。
5.如权利要求1所述的方法，还包括针对加热芯部的各种体积尺寸测量在废气按照加热策略被加热时离开主催化剂的累积毒性排放。
6.如权利要求5所述的方法，还包括从废气按照加热策略被加热时加热芯部的各种体积尺寸下所测的累积毒性排放中选择出与最低累积毒性排放水平相关联的加热芯部的体积尺寸。
7.如权利要求1所述的方法，还包括模拟废气处理系统的操作，用于针对废气加热器加热芯部的各种体积尺寸预测当废气按照加热策略被加热时离开废气处理系统的累积毒性排放。
8.如权利要求7所述的方法，还包括选择加热芯部的体积尺寸，该体积尺寸与从用于求出在加热芯部的各种体积尺寸的累积毒性排放的模型中获得的最低累积毒性排放水平相关联。
9.如权利要求1所述的方法，其中，毒性排放包括一氧化碳排放或碳氢化合物排放中的一种。
全文摘要
提供一种处理来自内燃发动机的废气流的方法。该方法包括按照加热策略用废气加热器加热废气，其中，废气加热器包括加热芯部，其尺寸被设定为，在废气按照加热策略被加热时使得废气中的毒性排放最小化。该方法还包括用起燃催化剂放热地氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物来产生热，该起燃催化剂布置在废气加热器的下游。该方法还包括用主催化剂处理废气，来减小废气中的毒性排放，该主催化剂布置在起燃催化剂下游。加热策略可包括发动前加热、或发动前加热和发动后加热的组合。
文档编号F01N3/18GK102465734SQ20111033586
公开日2012年5月23日 申请日期2011年10月31日 优先权日2010年10月29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