操作汽车系统中的后处理装置的方法与流程

本发明涉及一种操作汽车系统中的后处理装置的方法以及相关的后处理装置。具体地，本发明涉及快速加热后处理装置的方法，以及相关的后处理装置。

背景技术：

内燃机，特别是柴油机，通常设置有废气后处理系统，用于在发动机排放的废气中排入环境之前，降解并/或去除其中的污染物。

后处理系统通常包括用于将来自内燃机的废气引导至环境的排气管线，以及一个或多个位于排气管线中的废气后处理装置。后处理装置可以是任何被构造为改变废气成分的装置，例如借助于放热化学反应。后处理装置的一些示例包括催化转换器，例如柴油机氧化催化剂(DOC)，其用于将碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)氧化为二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)，例如柴油机颗粒过滤器(DPF)，其用于从废气中移除柴油机颗粒物质或烟灰，例如选择性催化还原(SCR)系统和/或稀燃NO_x捕集器(LNT)，其用于捕获和/或转化包含在废气中的氮氧化物NO_x。

后处理装置通常包括外壳和位于其中的催化转化器。催化转化器包括催化剂支撑体或者基底(通常是具有蜂窝结构的陶瓷单体)，以及涂层，即用于催化的载体，其通常是贵金属(例如铂、铑、钯和/或其他贵金属)的混合物。

尽管这些后处理装置有望用于控制废气排放，但它们只有在加热到预定的操作或激活温度时才能发挥作用。

因此，催化转化器的快速加热会是期望的。

为了快速达到预定的激活温度，第一种已知的方案是促使废气的温度升高，第二种已知的方案是提升催化剂的贵金属的浓度。

然而，观察到第一种方案会增加燃料消耗，这是因为增加并不产生转矩的燃烧燃料的量，然而，第二种方案会导致制造催化转化器的相关成本的提高。

因此，本发明实施例的目标是提供一种用于快速加热后处理装置的催化转化器的方法，以及提供一种相关的催化转化器，该催化转化器允许同时降低燃料损耗和制造催化转化器的相关成本。

通过具有独立权利要求所记载的特征的本发明的实施例可以实现这些以及其他的目标。从属权利要求描述了优选的和/或特别有利的方面。

技术实现要素：

本公开的实施例提供一种操作汽车系统中的后处理装置的方法，其中，后处理装置包括适于废气流穿过的催化转化器，其中，该方法包括这一步骤：加热催化转化器的选定部分，使其早于催化转化器的其余部分达到高于或等于用于激活废气流中的放热反应的温度值。

由于该方案，催化转化器的相对较小的选定部分早于催化转化器的其余部分达到激活温度，从而允许废气的放热转化反应更早地启动。通过较早的放热转化反应在选定部分中产生的热量能够(通过热传导)加热催化转化器的其余部分，使其余部分也快速达到激活温度，而不明显增加燃料消耗和制造成本。

由于该方案，可以实现将选定部分中产生的热量有效和快速地传导至催化转化器的其余部分。

根据本发明的实施例，加热选定部分通过相对于在催化转化器的其余部分中的催化剂物质的平均浓度而提高位于催化转化器的选定部分中的催化剂物质的平均浓度而实现。

本发明的该方面提供了一种简单可行的方案，以促使较早地加热催化转化器，从而限制了制造催化转化器的相关成本，而不影响燃料消耗。

根据本发明的进一步的实施例，加热选定部分通过将全部废气流导向到选定部分中的步骤而操作。

通过这种方式，大量的废气穿过选定部分，从而导致位于选定部分 的催化剂的温度较早地升高。因此，本发明的该方面也提供了一种简单可行的方案来促使催化转化器较早地加热，而不影响制造催化转化器的相关成本和燃料消耗。

根据本发明的实施例，选定部分的加热是通过提升穿过选定部分的废气流的速度的步骤操作的。

可以注意到，废气流提升的速度促使催化剂表面和运动的废气之间的对流换热系数提升。因此，通过这种方式，允许更加有效和快速的从废气到位于选定部分的催化剂的对流换热，这导致选定部分的温度提升。

根据本发明的另一个方面，将废气流导向选定部分的步骤和/或提高穿过选定部分的废气流的速度的步骤，是通过致动位于催化转化器的选定部分上游的遮板而操作的。

因此，遮板被操作以便暂时地缩小废气流的穿过面积，从而将废气流引导向催化转化器的较小的选定部分，并且导致遮板下游的进入选定部分的废气的速度提升。如上文所述，通过该方式，允许更加有效和快速的从废气到位于选定部分中的催化剂的对流换热，这导致选定部分的温度提升。

根据本发明的另一个实施例，加热选定部分借助于加热元件而操作，优选地，所述加热元件包括电阻器。

本发明的该方面提供了一种简单可行的方案，以促使较早地加热催化转化器，而不显著影响制造催化转化器的相关成本以及燃料消耗。

事实上，相对于废气温度和流量、和/或穿过选定部分的废气流的速度、以及相对于位于选定部分的催化剂的贵金属的浓度，可以独立地促使选定部分快速且有效地加热至激活温度。

本发明的另一个实施例提供了一种用于内燃机的后处理装置，其包括适于废气流穿过的催还转化器，以及用于加热催化转化器的选定部分使其早于催化转化器的其余部分达到高于或等于用于激活废气流中的放热反应的激活温度值的器件。

由于该方案，催化转化器的相对较小的选定部分可以比其余部分更早达到激活温度，从而允许废气的放热转化反应更早启动。在选定部分 中产生的、也是由较早的放热转换反应产生的热量能够加热催化转化器的其余部分，并使其也较快地达到激活温度，为不显著增加燃料消耗和制造成本。

根据本发明的实施例，催化转化器包括涂覆有催化剂物质的催化剂基底，用于加热的器件由催化器基底限定并位于催化转化器的选定部分中，其中，位于催化转化器的选定部分中的催化剂物质的平均浓度大于催化转化器的其余部分中的催化剂物质的平均浓度。

本发明的该方面提供了一种简单可行的方案以促使催化转化器较早地加热，从而限制了制造催化转化器的相关成本并且不影响燃料消耗。

替代地或者另外地，根据本发明的进一步的实施例，用于加热的器件包括位于催化转化器的选定部分的上游的遮板，该遮板可以活动以便缩小废气流进入催化转化器的入口面积，并将全部的废气流引导向催化转化器的选定部分。

在这种方式中，大量废气穿过选定部分，从而导致位于选定部分的催化剂的温度较早提升。因此，本发明的该方面提供了一种简单可行的方案，以促使较早地加热催化转化器，而不影响制造催化转化器的相关成本及燃料消耗。

事实上，遮板可因此通过这种方式操作以暂时地缩小废气的穿过面积，从而导致遮板下游的、进入选定部分的废气的速度提升。还可观察到，废气速度的提升导致在催化剂表面和运动的废气之间的对流换热系数的提升。因此，通过这种方式允许更有效和快速的从废气到位于选定部分的催化剂的对流换热，这使得选定部分的温度升高。

替代地或者另外地，根据本发明的另一实施例，用于加热的器件包括加热元件，优选为电阻器。

本发明的该方面提供了一种简单可行的方案，以促使催化转化器较早加热，而不显著影响制造催化转换器的相关成本以及燃料消耗。

事实上，相对于废气温度和流量、和/或穿过选定部分的废气流的速度、以及相对于位于选定部分的催化剂的贵金属的浓度，可以独立地促使选定部分快速且有效地加热至激活温度。

本发明的进一步实施例提供了一种内燃机，其包括如上文所述的后处理装置。

本发明的进一步实施例提供了一种汽车系统，特别是乘用车，其包括如上文所述的内燃机。

附图说明

现在通过举例方式并结合附图描述各种实施例，在附图中：

图1示出汽车系统；

图2是属于图1的汽车系统的内燃机的横截面图；

图3是本发明的催化转化器的第一实施例的局部剖切的透视图；

图4和5分别是设置有本发明的催化转化器的第二实施例的第一示例的排气管线的示意图；

图6和7分别是设置有本发明的催化转化器的第二实施例的第二示例的排气管线的示意图；

图8是沿着图6的剖面线VIII-VIII的截面图。

图9是沿着图7的剖面线IX-IX的截面图。

图10是本发明的催化转化器的第三实施例的局部剖切的透视图。

具体实施方式

一些实施例可以包括汽车系统100，如图1和2所示，所述汽车系统包括具有发动机缸体120的内燃机(ICE)110，所述发动机缸体限定了至少一个汽缸125，该汽缸具有联接至以转动曲轴145的活塞140。汽缸盖130和活塞140协作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)设置在燃烧室150中、被点燃，从而导致热的膨胀的废气，从而促使活塞140往复运动。燃料通过至少一个燃料喷射器160供给，并且，空气穿过至少一个进气口210供给。燃料以高压从燃料轨170供给至燃料注射器160，所述燃料轨与高压燃料泵180流体连通，该燃料泵增加接收自燃料源190的燃料的压力。

每个汽缸125都具有至少两个阀215，其由随曲轴145旋转的凸轮轴 135致动。阀215有选择地允许空气从进气口210进入燃烧室150，并交替地允许废气从排气口220排出。在一些示例中，凸轮相位器155可以有选择地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。

空气可以穿过进气歧管200分配至一个或多个空气进气口210。空气进气导管205可以从周围环境向进气歧管200提供空气。在其他实施例中，可以设置节流阀330来调节进入进气歧管200的空气流量。在另一些实施例中，可以设置例如涡轮增压器230的强制空气系统，该强制空气系统具有可旋转地联接至涡轮机250的压缩机240。压缩机240的旋转增加导管205和进气歧管200中的空气的压力和温度。导管205中的中冷器260可以降低空气的温度。

涡轮机250通过接收来自排气歧管225的废气而旋转，该排气歧管225引导来自排气口220的废气、并引导其在穿过涡轮机250而膨胀之前通过一系列叶片。废气离开涡轮机250，并被引导到废气后处理系统270中。该例示出具有VGT致动器255的变几何涡轮机(VGT)250，该致动器被布置以活动叶片从而改变穿过涡轮机250的废气的流量。

排气后处理系统270可以具有排气管线275，该排气管线具有一个或多个废气后处理装置280。后处理装置280可以是任何被配置为改变废气成分的装置。后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转化器(二元和三元)、氧化催化剂、稀燃NO_x捕集器、碳氢化合物吸附器、选择性催化还原(SCR)系统、以及颗粒过滤器。

在附图的示例中，后处理装置280包括位于排气管线275中的氧化催化剂(即柴油机氧化氧化剂，DOC)281。

此外，后处理装置280包括位于DOC 281下游的排气管线275中的颗粒过滤器(即柴油机颗粒过滤器，DPF)282。另外，后处理装置280包括位于DPF 282的下游排气管线275中的选择性催化还原(SCR)系统283。

其他实施例可以包括废气再循环导管(EGR)300，其联接在排气歧管225和进气歧管200之间。EGR导管300可以包括EGR冷却器310，以降低EGR导管300中的废气的温度。EGR阀320调节EGR导管300 中的废气的流量。

汽车系统100可以进一步包括电子控制单元(ECU)450，其与关联于ICE 110的一个或多个传感器和/或装置通讯。ECU 450可以接受来自各种传感器的输入信号，这些传感器被配置为产生和与ICE 110相关联的各种物理参数成正比的信号。传感器包括但不限于质量流量、压力、温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和燃油温度及液位传感器380、燃料轨压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲轴位置传感器420、废气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440、以及加速踏板位置传感器445。

进一步，ECU 450可以产生输出信号至各种控制装置，该控制装置被布置为控制ICE 110的操作，包括但不限于燃料喷射器160、节流阀330、EGR阀320、VGT致动器290、废气门执行器252、以及凸轮相位器155。应注意，虚线用于表示ECU 450和各种传感器及装置之间的通信，但为了清楚起见省略了一些。

现在转到ECU 450，该装置可以包括与存储器系统和接口总线通信的数字中央处理单元(CPU)。CPU配置成执行作为程序储存在存储器系统中的指令，并且将信号发送至接口总线/从接口总线接收信号。存储器系统可以包括各种存储类型，包括光存储、磁存储、固态存储、以及其他非易失性存储器。接口总线可以配置成发送、接收和调制至/自各种传感器和控制装置的模拟和/或数字信号。程序可以体现本文公开的方法，从而允许CPU执行这种方法的步骤、并控制ICE 110。

储存在存储器系统中的程序从外部经由线缆或以无线方式发送。在汽车系统100外，作为计算机程序产品通常是可见的，该计算机程序产品在本领域中也被称为计算机可读介质或机器可读介质，并且其应被理解为驻留在载体上的计算机程序代码，所述载体在本质上是暂时的或者非暂时的，其结果是该计算机程序产品可被视为在本质上是暂时的或非暂时的。

暂时性计算机程序产品的示例是信号，例如电磁信号比如光信号，其是用于计算机程序代码的暂时载体。携带这种计算机程序代码可以通 过由常规的调制技术比如用于数字数据的QPSK来调制信号而实现，使得代表所述计算机程序代码的二进制数据在暂时的电磁信号上传送。这样的信号例如用于在通过WiFi连接到笔记本电脑以无线方式传输计算机程序代码时。

在非暂时性计算机程序产品的情况下，计算机程序代码体现在有形存储介质中。存储介质则是上面提及的非暂时性载体，使得计算机程序代码以可检索方式永久或非永久地存储在该存储介质中或其上。存储介质可以是计算机技术中已知的常规类型，比如闪存、Asic、CD等。

代替ECU 450，汽车系统100可以具有不同类型的处理器来提供电子逻辑，例如嵌入式控制器、车载计算机、或可能部署在车辆中的任何处理模块。

现在转向废气后处理系统270，后处理装置280(例如DOC 281)包括外壳284，该外壳具有进气导管285用于使来自燃烧室150的废气进入，以及用于排出废气的出气导管286。

此外，后处理装置280(例如DOC 281)包括定位在外壳284中的催化转化器287，使得从进气导管285流向出气导管286的废气流穿过该催化转化器。

如图10的放大图示意性显示，催化转化器287包括催化剂基底288，即蜂窝结构的陶瓷单体，其涂覆有催化剂物质289，即通常为贵金属(例如铂、铑、钯和/或其他贵金属)的混合物的催化剂。

例如，催化转化器287具有圆柱形状，其具有圆形或者椭圆形横截面。

催化转化器287具有两个相反的朝外的多孔的面，具体地，催化转化器287具有面朝进气导管285的第一面290，以及相反的面对出气导管286的第二面291，废气从进气导管285进入催化转化器287，穿过催化转化器287的内部芯核后排出催化转化器。

根据图3示出的第一实施例，催化转化器287的选定部分292包括具有一平均浓度的催化剂物质289(例如贵金属，诸如一个或多个铂族金属(缩写为PDMs))，该平均浓度大于催化转化器287其余部分(整个 催化转化装置287减去选定部分292)上的相同催化剂物质289的平均浓度。

选定部分292小于整个催化转化器287，并且优选的，是催化转化器287的一部分，该部分包括第一面290的区域290′，或者靠近区域290′(例如区域290′的紧跟下游)的芯核部分(优选但不限于)。例如，选定部分292是催化转化器287的外侧的圆柱形部分。

作为相同的整个催化转化器287的一部分，选定部分292与催化转化器287的其余部分热接触，尤其允许热量在选定部分292和催化转化器287的其余部分之间传导地传递。

当废气流进入催化转化器287的第一面290，其也穿过选定部分292，并且，遇到废气的贵金属的量的增加促使组成选定部分292的催化转化器287的温度相对于催化转化器287的其余部分升高更快。

位于选定部分292的催化转化器287的温度达到并超过激活温度值，该激活温度值是作为催化剂物质使用的贵金属的特性，并且是废气中的放热转化反应被激活的原因，选定部分中的该放热转化反应早于催化转化器287的其余部分而发生。

特别地，由催化转化器287的所述贵金属富集的体积或面积导致的、以及由在其中开始的放热转化反应导致的选定部分292的加热产生热能能够加热催化转化器287的其余部分。

特别地，选定部分292中产生的热能通过热传导、从催化转化器287的选定部分292传递至催化转化器287的其余部分。

根据图4-7示出的第二实施例，后处理装置280(例如DOC 281)包括遮板293，其例如固定至催化转化器287上游的外壳284上。

遮板293可以固定至进气导管285，以这种方式来调节进气管道的穿过面积。

实践中，遮板293可以在关闭位置(例如图4和8所示)和打开位置(例如图5和图9所示)之间活动，在关闭位置，进气导管285的穿过面积最小(然而不等于零)，在打开位置，进气导管285的穿过面积最大(例如等于进气导管285的内径)。

遮板293通过遮板致动器294致动，该遮板致动器与ECU 450通信，从其接收信号，以便选择性地使遮板293在打开位置和关闭位置之间活动。

实践中，当遮板293处于关闭位置，废气流被强制穿过进气导管285的较小的穿过面积，并被导向催化转化器287的第一面290的较窄的选定区域290′。

因此，被导向的废气流碰撞并穿过催化转化器287的第一面290的较窄的选定区域290′，并被强制沿着催化转化器287的小于整个催化转化器287的选定部分292流动。

特别地，该实施例中，选定部分292可以被限定为催化转化器287的一部分，其包括第一面290(其在轴向上面对进气导管285的较小的穿过面积，并且被导向的废气流抵靠其持续流动)的区域290′，和/或优选但不限于靠近区域290′(例如区域290′的紧跟下游)并在轴向上对准区域290′的芯核部分。

沿着选定部分292的废气流的浓度比在催化转化器287的其余部分中的更高。

作为相同的全部催化转化器287的一部分的选定部分292，在这种情况下，也与催化转化器287的其余部分热接触。

在图4和5中的第二实施例的第一示例中，遮板293是倾斜的遮板，其被设置为在其处于开放位置时，其大体上对齐废气流进入外壳284的、和/或穿过催化转化器287的流动方向；在其处于关闭位置时，倾斜于所述流动方向。

因此，处于关闭位置的遮板293使废气流整体偏移朝向催化转化器287的第一面290的外侧区域290′。例如，选定部分292是催化转化器287的外侧的圆柱形部分。

在图6-9相同的第二实施例的第二示例中，遮板293是膜片遮板，其在其关闭位置限定一个较小的中心通孔。

因此，处于其关闭位置的遮板293使废气流整体偏移朝向催化转化器287第一面290的中心区域290′。例如，选定部分292是催化转化器 287的中心圆柱形部分。

当穿过关闭的遮板293的废气流进入催化转化器287的第一面290，并穿过其中的区域290′，废气流液穿过选定部分292，并且，较窄的选定部分292中相对于催化转化器287其余部分增加的排气数量(浓度)促使组成选定区域292的催化剂转化器287的温度相对于催化器转化器287的其余部分更快地升高。

此外，当废气流穿过关闭的遮板293，其速度增大，并且同时，催化剂表面和运动的废气之间的对流传热系数也增大，从而允许构成选定部分292的催化转化器287的温度更快上升。

位于选定部分292中的催化转化器287的温度达到并超过激活温度值，该激活温度值是用作催化剂底物的贵金属的特性，并且是激活废气中的放热转化反应的原因，选定部分中的反应早于催化转化器287的其余部分。

特别地，由于全部废气(或其主要部分)沿着选定部分292穿过、并由于在其中开始的放热转化反应导致的选定部分292的加热产生的热量能够加热催化转化器287的其余部分。

特别地，选定部分292中产生的热量从催化转化器287的选定部分292通过热传导传递至催化转化器287的其余部分。

根据该第二实施例的示例，ECU 450被配置为操作遮板致动器294，以便在加热阶段过程中活动处于关闭位置的遮板293，在该加热阶段中，催化转化器287的温度小于激活温度。

特别地，催化转化器287的温度可以通过废气压力和温度传感器430进行测量，并且激活温度可以在测试工作台上预先校准并存储在存储系统中。

根据图10示出的第三实施例，后处理装置280(例如DOC 281)包括加热元件，例如插入催化转化器287中(或者在其附近)的电阻器295，以便加热催化转化器中的选定部分292。

在该实施例中，选定部分292被限定为催化转化器287的表面和/或芯核部分，其包围并接触(或者临近)电阻器295。

此外，选定部分292作为相同的整个催化转化器287的一部分，在该例中也与催化转化器287的其余部分热接触。

借助于电阻器295引起的加热，位于选定部分292中的催化转化器287的温度达到并超过激活温度值，该温度值是用作催化剂物质的贵金属的特性，并是激活废气中的放热转化反应的原因，选定部分中的该放热转化反应早于催化转化器287的其余部分。

特别地，由电阻器295引起的、并由选定部分中的启动的放热转化反应引起的选定部分292的加热产生的热能能够加热催化转化器287的其余部分。

特别地，选定部分292中产生的热能通过热传导从催化转化器287的选定部分292传递至催化转化器287的其余部分。

ECU 450(直接或间接地)启动电阻器295，具体地，ECU 450被配置为在加热阶段过程中向电阻295供应电能，在所述加热阶段中，催化转化器287的温度低于激活温度，并且，ECU 450被配置为例如当催化转化器287的温度达到或者超过激活温度时，中断电能供应。

特别地，催化转化器287的温度可以通过废气压力和温度传感器430进行测量，并且，激活温度可以在测试工作台上预先校准并存储的存储系统中。

尽管已经在前面的发明内容和具体实施方式中展示了至少一个示例性实施例，但应该理解存在大量的变型。还应该理解的是，一个或多个示例性实施例仅是示例，且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或结构。相反，前面的发明内容和具体实施方式将向本领域技术人员提供方便的路线图以实施至少一个示例性实施例，要理解的是，在不脱离如在所附权利要求及其合法等效物所规定的本发明的范围内，可以对在示范性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种变化。

附图标记 280 后处理装置

100 汽车系统 281 柴油机氧化催化剂

110 内燃机 282 柴油机颗粒过滤器

120 发动机缸体 283 选择性催化还原系统

125 汽缸 284 外壳

130 汽缸盖 285 进气导管

135 凸轮轴 286 出气导管

140 活塞 287 催化转化器

145 曲轴 288 催化剂基底

150 燃烧室 289 催化剂物质

155 凸轮相位器 290 第一面

160 燃料喷射器 290′ 区域

165 燃料喷射系统 291 第二面

170 燃料轨 292 选定部分

180 燃料泵 293 遮板

190 燃料源 294 遮板致动器

200 进气歧管 295 电阻器

205 空气进气导管 300 废气再循环导管

206 压力传感器 310 EGR冷却器

210 进气口 320 EGR阀

215 阀 330 节流阀

220 排气口 340 质量流量、压力、温度传

225 排气歧管 感器

230 涡轮增压器 350 歧管压力和温度传感器

240 压缩机 360 燃烧压力传感器

245 涡轮增压器轴 380 冷却剂温度及液位传感器

250 涡轮机 385 润滑油温度及液位传感器

255 VGT致动器 390 金属温度传感器

260 中冷器 400 燃料轨数字压力传感器

270 废气后处理系统 410 凸轮位置传感器

275 废气管线 420 曲轴位置传感器

430 废气压力和温度传感器

440 EGR温度传感器

445 加速器位置传感器

446 加速器踏板

450 ECU/控制器

460 中央处理器。