排放处理系统及操作排放处理系统的方法与流程

相关申请的交叉引用

依据35u.s.c.§119(e)，本专利申请要求了于2014年8月23日提交的、名称为“热管理催化转化器控制协议(thermallymanagedcatalyticconvertercontrolprotocol)”的美国临时申请no.62/041,053的优先权，在此将其全部内容通过引用并入本文并且成为本专利申请的一部分。

依据35u.s.c.§120，本专利申请还要求了优先权，其作为于2014年8月6日提交的、名称为“带感应加热的催化转化器结构(catalyticconverterstructureswithinductionheating)”的申请no.14/452,800的继续申请，依据35u.s.c.§119(e)，其要求了于2013年11月28日提交的、名称为“使用金属部件的域加热的催化转化器(catalyticconverterusingfieldheatingofmetalcomponent)”的美国临时申请no.61/910,067的优先权以及要求了于2013年9月18日提交的、名称为“采用电流体动力学技术的催化转化器(catalyticconverteremployingelectrohydrodynamictechnology)”的美国临时申请no.61/879,211的优先权，在此将所有这些申请的全部内容通过引用并入本文并且成为本专利申请的一部分。

本公开涉及一种用于处理车辆排放气体的催化转化器结构和该催化转化器的操作方法。

背景技术

美国交通运输部(dot)和美国环境保护署(epa)已经制定了设定国家温室气体排放标准的美国联邦规则。开始于2102年款的车辆，车辆制造商要求车队广泛的温室气体排放每年减少近百分之五。包含在这个要求中的，例如，颁布新的标准：在2016年款的车辆中，新的客车、轻型卡车和中型客车必须具有不大于250克/英里的二氧化碳排放的估计的组合平均排放水平。

催化转化器用在内燃机中以减少在燃料作为燃烧循环的一部分的燃烧时产生的有害排放物。这些排放物中重要的是一氧化碳和一氧化氮。这些气体对健康有害，但是可通过分别氧化成二氧化碳和氮/氧而转化成较无害的气体。其它的有害气态排放产物，包括未燃碳氢化合物，通过氧化或还原也可转化成较无害的形式。如果这些转化过程在高温下执行并且有合适的催化剂存在的情况下，这些转化过程可受到影响或加速，所述催化剂匹配要被处理和转化成良性气态形式的特定的有害排放物。例如，用于将一氧化碳转化为二氧化碳的典型催化剂是磨碎的铂和钯，而用于将一氧化氮转化为氮和氧的典型催化剂是磨碎的铑。

催化转化器在低温时具有低效率，例如在从大气起动温度至约300容装的温度或“点火”温度的运行温度下，该点火温度是金属催化剂开始加速如前所述的污染物转化过程的温度。低于点火温度，极少甚至没有发生催化作用。因此，这是在车辆日常使用期间产生大多数车辆污染排放物的阶段。使催化转化器尽可能快地变热对降低冷起动排放而言很重要。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种排放处理系统，包括：排放处理装置，所述排放处理装置具有多个通道以促进来自车辆发动机的排放气体的排放处理；电磁场发生器，所述电磁场发生器响应于控制信号经由线圈产生电磁场以感应地加热排放处理装置；和控制器，所述控制器联接到电磁场发生器，所述控制器基于所述线圈中的变化产生指示所述排放处理装置的至少一个温度的温度信号，并且基于所述温度信号以及进一步地基于基准温度产生控制信号，以根据所述基准温度控制所述排放处理装置的所述至少一个温度。

根据本公开的另一方面，一种用于操作排放处理系统的方法，包括：基于线圈中的变化产生指示排放处理装置的温度的温度信号；基于所述温度信号产生控制信号；以及响应于所述控制信号而经由线圈产生电磁场，以感应地加热所述排放处理装置。

附图说明

为了进行简单且清楚的解释，附图中示出的元件没有按照共同比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸相对于其它元件放大。在参照附图考虑下列描述和权利要求书的情况下，本发明的优点、特征和特性以及结构的相关元件的方法、操作和功能和部件的组合以及制造的经济性将变得明显，所有附图是说明书的一部分，其中，在各个图中，相似的附图标记指代相对应的部件，其中：

图1是正在挤压过程中形成的催化转化器块料的透视轮廓图。

图2是已知形式的催化转化器的纵向剖视图。

图3是根据本发明的一个实施例的催化转化器组件的纵向剖视图。

图4是根据本发明的另一实施例的催化转化器的横剖面视图。

图5是根据本发明的一个实施例的催化转化器的片段的横剖面视图。

图6是沿着图5的线b-b剖切的图5中的基底片段的纵向剖视图。

图7是与图5和6的小基底片段相对应的较大片段的透视端视图。

图8是类似于图7的透视端视图，但是示出了根据本发明的另一实施例的催化转化器基底。

图9是用在图8所示形式的催化转化器基底中的金属丝嵌件的侧视图。

图10是催化转化器基底的片段的纵向剖视图，示出图9的金属丝嵌件已插入基底中。

图11是催化转化器基底的片段的纵向剖视图，示出根据本发明的另一实施例的已插入的金属丝嵌件。

图12是根据本发明的另一实施例的催化转化器基底的片段的横剖面视图。

图13是图12所示的基底片段的纵向剖视图。

图14是示出了本发明的一个实施例的催化转化器基底的片段与发射极和集电极的透视端视图。

图15是示出了本发明的可替代实施例的催化转化器基底的片段与发射极和集电极的透视端视图。

图16是示出了本发明的另一实施例的催化转化器基底的片段与集电极的透视端视图。

图17是示出了本发明的另一实施例的催化转化器基底的片段与发射极和较大规模的集电极的透视端视图。

图18是根据本发明的一个实施例的催化转化器系统的示意图。

图19是表现根据本发明的一个实施例的反馈控制环路的框图。

图20描述了根据本发明的一个实施例的控制信号和催化转化器温度的图示。

图21是表现根据本发明的一个实施例的控制器的框图。

图22是表现根据本发明的一个实施例的方法的流程图。

具体实施方式

催化转化器可以采取许多形式中的任一种。这些形式中的典型是具有陶瓷材料、通常称作块料的圆柱形基底的转化器，其一个例子在图1中示出。块料10具有蜂窝结构，其中，许多小面积通道或巢室12在块料的长度上延伸，这些通道被壁14分隔开。基底单元的每平方英寸横截面积上典型地有400至900个巢室，壁的厚度典型地在0.006英寸至0.008英寸的范围内。如图1所示，陶瓷基底是在挤压过程中形成，在挤压过程中，未加工的陶瓷材料被挤压通过适当成型的模具，并且，与挤压相继地切割基底单元，这些基底单元于是被切分成比单元更短的块料。通道或巢室12的面形状可以是任何有助于块料总强度的形状，同时具有正流动的排放气体可与涂覆巢室内壁的热催化剂相互作用的大接触面积。

块料中的管状通道的内部涂料涂层(wash-coated)有含有特定的催化剂材料的层。合适的涂料涂层包含适合于确保粘附在基底的固化陶瓷材料上的基础材料和用于促进特定的降低污染的化学反应的夹带催化剂材料。这样的催化剂材料的例子是铂和钯，它们是对将一氧化碳和氧转化为二氧化碳起作用的催化剂；以及铑，它是对将一氧化氮转化为氮和氧起作用的催化剂。已知其它促进其它气态物质的高温氧化或还原的催化剂。涂料涂层是通过产生磨碎的催化剂悬浮于陶瓷糊或陶瓷浆中的悬浮液而制备的，该陶瓷浆用来使得涂料涂层粘附在陶瓷基底壁上。作为的涂料涂层一种可替代方案，把催化剂材料放在基底表面上，该基底材料自身可以包含催化剂组合件，使得挤压将催化剂材料呈现在界定基底通道或巢室的内表面上。

催化转化器可以具有一系列这样的块料，每个块料具有不同的催化剂层，这取决于要消除的特定的有害排放物。催化转化器块料可以由烧结陶瓷之外的材料(诸如不锈钢)制成。再者，它们可以具有与上面所述的蜂窝状通道不同的蜂窝状通道形式。例如，基底巢室可以具有圆形截面、正方形截面、六方形截面、三角形截面或其它方便的截面。另外，如果期望优化强度和低热容量或出于其它目的，挤出的蜂窝壁中的一些可形成为比壁中的另一些更厚，或者形成为使得蜂窝巢室在形状和大小方面有一些变化。相邻的巢室内壁之间的交界部可是锐角的，或者可呈现曲线轮廓。

典型地，如图2所示，块料10是包裹在陶瓷纤维扩张覆盖层16中的涂料涂覆的陶瓷蜂窝块料。冲压金属壳体或罐18在排放管的部分与催化转化器的前后之间过渡从而环绕由覆盖层包裹的块料。壳体18典型地由两个部分组成，这两个部分在适当的地方焊接以密封块料。扩张覆盖层在壳体与块料之间提供缓冲，以适应它们之间不同的热膨胀系数。在给定温升下，片材金属壳体比陶瓷膨胀得大很多倍，并且，如果这两种材料是结合在一起或者彼此直接接触，则在这两个材料的接合处会出现破坏性应力。外壳还缓冲来自排放气体系统的振动，所述振动否则可能损坏易碎的陶器。

在使用中，将套封的块料安装在车辆排放管线上，以接收来自发动机的排放气体并且将它们传送到车辆尾管。排放气体通过催化转化器加热了块料以在流动的气体接触催化剂层的情况下促进催化剂活化过程。特别是在车辆发动机在最优工作温度下运行时且在排放气体大量产生时，这些转化器充分地工作以减少进入大气的有害气态排放物。然而，这些转化器在下述情况下起动时具有缺点，所述情况为：在块料内部非高温时、在会在城市驾驶期间或者是在timhortons车辆穿梭餐厅等待咖啡时经常出现的怠速期间。

转化器的形状、轮廓和巢室密度在不同的制造商当中有变化。例如，一些转化器块料是圆的，而一些是椭圆形的。一些转化器组合件具有单级块料，它们通常大量涂覆有催化剂金属，而其它的可以具有两个或三个转化器块料，每个块料上带有不同的涂料涂层。一些排放具有用在整个排放组合件中的900、600和400巢室/平方英寸(cpsi)的巢室密度，而其它的整体上仅仅使用400cpsi的块料。紧联接的转化器可以安装成直到接近排放歧管，着眼于缩短起动与点火之间的时段。在一旦排放组合件达到温度将花费相对长的时间来升温但是相对大并且用于处理大部分气体的情况下，地板下的转化器可安置成更远离发动机。在另一配置中，用于缩短用于点火的时段的一个单元和用于在点火之后处理高气体流量的一个单元在一个共用壳体中安装在一起。

在转化器组合件中的一个或多个位置处，安装在排放气体流中的传感器提供反馈给发动机控制系统，用于排放核查和调节目的。除了起动以外，对燃料和空气输入的控制具有典型地把空气与燃料之比值维持在大概14.6:1的目标，用于动力和清洁的优化组合。高于此比值的比值形成稀燃条件——没有足够的燃料。低比值形成富燃条件——燃料太多。一些车辆上的起动过程是富燃最初的数秒，以使热量进入发动机并最终进入催化转化器。下面描述的用于间接加热催化剂层和排放气体的结构和操作方法可用于紧联接的催化转化器、地板下的转化器和这两种转化器的组合中的任一种。

图3示出具有两个图1和2所示类型的块料的组合件，但是，其中一个块料被修改以实现感应加热。感应加热是这样一个过程，在该过程中，通过应用变化的电磁场来改变金属主体所受到的磁场而加热金属主体。这继而在主体内感生涡流，由此导致主体的电阻加热。就含铁金属主体来说，还通过磁滞效应产生热。当将非磁化含铁金属放入磁场时，金属被磁化，形成具有相反极的磁畴。变化的磁场周期性地引发磁畴中的磁极反向，反向响应于约1,000s至1,000,000s循环/秒(hz)高频感应场变化，这取决于含铁金属主体的材料、质量和形状。磁畴极性不容易反向，对反向的抵抗引起金属中的进一步发热。

如图3所示，包围陶瓷基底的是金属线圈20，虽然图中未示出，但是位于陶瓷基底10内的选定位置处的是可以采取任何形式的金属元件。通过在线圈20处形成变化的电磁场，引起连锁反应，其最后结果是在配备有体现本公开的排放系统的车辆起动之后，在存在变化的电磁感应场的情况下可比在没有这种电磁场的情况下更迅速地实现点火。该连锁反应如下：变化的电磁场在金属元件中感生涡流；该涡流导致金属元件的加热；来自金属元件的热被传递给陶瓷基底10；当排放气体经过转化器时，来自已加热的基底的热被传递给排放气体；以及，已加热的排放气体相比于未加热的排放气体使得催化反应更快速地发生。

线圈20是一段铜管缠绕体，尽管其可以使用其它材料，诸如铜或利兹线。铜管是优选的，因为就线圈的其它尺寸而言，它提供大的表面面积；感应是一种集肤效应现象，大的表面面积有利于形成变化的场。如果使用利兹线或铜线，在线上配置珐琅或其它涂层，不会在转化器的持续高温工作期间烧掉。

电磁场屏蔽材料层22(诸如铁素体)紧挨地布置在线圈20外部，以提供感应屏蔽层并且降低对壳体18的感应损耗。铁素体屏蔽22还用来增大给陶瓷基底10的电感耦合以集中加热。

线圈被套装在铸造绝缘体和固化绝缘体中。铸造绝缘体既用来稳固线圈位置又用来形成气密密封以界定排放气体通过块料10的通道，在该通道处发生催化作用。绝缘体还提供阻碍物以防止线圈20在壳体18或铁素体屏蔽22上短路。该绝缘体是合适的铝硅酸盐乳香脂。在一个可替代实施例中，转化器被包裹在硅酸铝纤维纸中。在一种制造方法中，铜线圈20围绕陶瓷基底10缠绕，然后被置于壳体18中。在一种可替代制造方法中，线圈20置于壳体18中，并且陶瓷基底10被插入线圈罐组合件中。

在本发明的一个实施例中，通过应用来自dc源或ac源的电力在线圈处产生变化的电磁感应场。传统的机动车具有12伏的dc电气系统。感应系统可在dc电源或ac电源下工作。所产生的感应信号也可以是受dc或ac驱动的。对于dc或ac来说，作为一个例子，使用1千瓦功率，产生1khz至200khz的频率、130伏至200伏的rms电压，5安培至8安培的电流。在一个适用于公路车辆的例子中，dc-dc总线把车辆的12伏dc电池电源转换成上面描述所需的dc电压。在另一适用于传统的公路车辆的例子中，dc-ac转换器把车辆的12伏电池电源转换成上面描述所要求的ac电压。另一例子更适于既有内燃机又有电动机的混合动力车辆，其具有标定为约360伏电压和50千瓦功率的车载电池。在这种情况下，电池电源功率较高，但是，可应用相同的基础dc-dc总线或dc-ac转换器电气配置。一种igbt快速开关用来改变通过线圈的电流方向。就变化的电磁感应场在陶瓷基底中的金属上的效应而言，低转换频率产生更长的波形，在金属元件的表面的下方提供了良好的场穿透度，并因此有相对均匀的加热。然而，这由于缺乏转换而牺牲了高温和快速加热。相反地，高转换频率产生较短的波形，其在牺牲了穿透深度的情况下产生了较高的表面温度。所施加的功率受到限制以避免将金属元件熔化的风险。输给单个块料线圈的合适的功率输入是约1.1千瓦。

如前所述，金属元件位于陶瓷基底10的选定位置处。对于两个相同的金属元件，通常，更靠近感应场源的金属元件变得比更远离源定位的同等金属元件更热，这是因为效率提高；即，对于给定功率输入，所获得的感应级别提高。在所示的规则感应线圈10的情况下，块料10外部的金属元件接近线圈20并且变得非常热，而接近基底中心的同等金属元件仍然相对冷。线圈20与最接近的感应金属元件之间的气隙26防止从感应金属元件向线圈的绝显著传热，这否则会增大线圈阻抗并因此降低其效率。在一个可替代实施例中，对于来自线圈源的场效应在基底中心附近与基底外部附近相比极其小的事实，相对高度集中的金属元件朝着陶瓷基底的中心定位以进行补偿。在另一实施例中，相对较高的金属元件负载位于陶瓷基底的中心与周边之间的一些中间位置，由此，在中间层内生成的热既向内流向中心又向外流向周边，用于更有效的总体加热。就发热和点火速度而言，线圈20的尺寸适合金属负载以获得高效率。

通过适当地选择下述情况中的任一或所有可调整电磁感应场以修改加热效应：(a)输给线圈的电输入波形，(b)被动通量控制元件的性质和位置，和(c)线圈20的性质、位置和配置。例如，感应场被调整到金属元件的位置或调整到上述元件在陶瓷基底10中的高度集中的位置。可替代地或附加地，所施加的场随着时间而变化，使得感应场模式与从预起动到高速行驶之间的特定工作阶段之间存在相互依赖。在一种可替代配置中，可使用一个以上的线圈以获得期望的感应效应。例如，如图4的横剖面视图所示，陶瓷基底10具有环形横截面，其中第一励磁线圈20在基底周边处，第二励磁线圈在基底中心处。

如图5和6的片段剖面视图所示，在本公开的一个实施例中，金属元件是嵌入陶瓷蜂窝基底的壁14中的金属颗粒28，颗粒尺寸小于壁14的宽度。作为制造过程的一部分，金属颗粒被加入陶瓷基础材料中且与陶瓷基础材料混合，同时陶瓷仍然是未加工或可流动的；即，在它被挤压之前。通过这种方式，这些颗粒被相对平均地分布到整个要被挤压的陶瓷基础材料中。在这个实施例的实施中，当由线圈20施加变化的电磁感应场，基底中的陶瓷材料对所施加的场而言是相对不可见的，因此没有被加热。金属颗粒28加热且将热传导给界定了陶瓷蜂窝的壁14。

在一种可替代的制造实施例中，陶瓷基础材料与金属颗粒的混合以及混合物随后挤压以形成蜂窝基底被配置成使得基底中的选定位置具有比其它位置中更大的金属颗粒浓度。这样的配置可以通过把具有相互不同级别的金属含量的几个未加工陶瓷材料流在挤压机处聚在一起而获得。这些流然后在即将挤压之前被熔化，从而金属含量的变化在挤压出的基底的横截面上镜像出来。在另一实施例中，使用的金属颗粒是细长的，或者是不对称的，从而它们趋向于在挤压过程中在更接近转化器巢室壁的地方有点对齐。在另一实施例中，使颗粒长度足够长，从而在混合过程或随后的挤压过程中，至少一些相邻的颗粒彼此电接触。

在本公开的可替代实施例中，金属元件位于陶瓷蜂窝结构内，而不是嵌在蜂窝结构材料自身内。例如，在陶瓷基底块料的后处理期间，金属元件位于基底或块料10的选定巢室12中。在如图7所示的实施中，高浓度的金属颗粒与乳香脂混合，由此得到的混合物使用在于2013年8月20日提交的共同待审的序列号为13/971,129的实用新型专利申请(催化转化器组合件及其制造方法)所描述的方法进行注入，该申请的全部内容出于所有目的通过引用并入文本并且成为本申请的一部分。在注入之后，通过例如微波加热将乳香脂混合物的注入丝体30固化，微波加热如于2013年8月20日提交的共同待审的序列号为13/971,247的实用新型专利申请(催化转化器组合件及其制造方法)所述，该申请的全部内容出于所有目的通过引用并入文本并且成为本申请的一部分。在一实施例中，乳香脂基础材料是由玻璃纤维、粘土浆、聚合物粘结剂和水构成的低粘度糊状混合物，在固化过程中，将水和有机粘结剂驱逐出去。在固化之后，注入的丝体30在由硅、陶瓷和金属颗粒构成的多孔基体中，硅占主要地位。

在另一示例性配置(未示出)中，对要被注入的巢室12中的通道进行选择，使得固化的乳香脂金属混合物的丝体不是均匀分布的，而是大致占据圆柱形基底的中间环形区域。在操作这样的结构时，热优先地在环形区域产生，并且从该区域位置向内朝着基底芯传递且向外朝着其周边传递。优选的是，注入到巢室中的乳香脂金属混合物内的金属颗粒主要位于巢室内表面附近，而不是朝着巢室中心，从而使发热位于巢室表面附近并且获得更大的热传递和向陶瓷基底传热的速度。在挤压期间和/或之后且在固化之前，加载的转化器块料的适当定向搅动可激起金属颗粒朝着巢室壁的一些移动。

在注入的巢室实施例中，堵塞了乳香脂和金属颗粒的丝体的任何巢室不能在排放气体经过该巢室时起到催化降低污染反应的作用。这样的阻塞的巢室只用作在起动或怠速时进行加热。因此，只有巢室中的选定巢室填充有复合加热材料。在所示的例子中，基底具有400巢室/平方英寸。其中，根据巢室的径向位置从8至40巢室/平方英寸填充有金属乳香脂复合材料，使得在基底的整个面积范围上，堵塞的巢室占据基底面积的2％至10％。

在本发明的另一实施例中，比图7实施例中论述的颗粒尺寸更大的离散金属元件插在催化转化器基底的选定巢室位置处。如图8所示，示例性金属元件是金属丝32，所述金属丝定位在选定的基底巢室中，并且沿着巢室的整个长度从块料入口延伸到块料出口。插入的金属丝32可以例如具有圆形的、方形的或其它合适的横截面。如图8的实施例所示，陶瓷转化器基底10具有方形巢室和圆形截面的金属丝。方形截面金属丝向方形截面巢室提供更好的传热，这是由于这两个物质之间的高的接触面积。然而，圆形截面金属丝更易于插入方形截面巢室中，这是由于引起插入阻力的表面积接触更小。金属丝可以通过摩擦配合固定到它们各自的巢室中，所述摩擦配合至少部分地通过使得金属丝外部区域尺寸与巢室区域尺寸紧密匹配来获得，从而使得金属丝表面和巢室壁的表面粗糙度把金属丝固定就位。金属丝被拉成宽度比巢室宽度小0.002英寸至0.005英寸以实现插入。

在一种配置中，嵌件34由金属丝形成，以具有如图9和10所示的弓形形状。弓形金属丝34具有记忆力，从而在弓形被弄直之后，当金属丝被插入巢室12中时，嵌件34倾向于回到它的弓形形状，促使金属丝的中央区域和端部区域抵靠在巢室12的相对侧或角上，并且因此增强摩擦配合以将金属丝在巢室中保持到位。可替代地或另外地，如图11实施例所示，金属丝36在它们的端部处被卷曲，从而建立端部支承接触部位。每种情形中的总摩擦配合达到在排放气体通过转化器时抵抗金属丝上的重力、振动、温度周期变化和压力。

可替代地或另外地，金属丝可以通过把金属丝的外表面粘结到各个巢室的内表面上而固定到巢室中。在示例性粘结过程中，金属丝在插入之前至少部分地涂有粘结剂/乳香脂，或者在金属丝插入之前将少量的粘结剂/乳香脂涂覆到巢室内壁上。使用高温乳香脂材料和合成粘结剂。合适的乳香脂例如具有相同于在先前描述的注入实施例中所使用的形式。合成粘结剂例如是陶瓷粉末、金属粉末和在这两个主材料之间过渡的粘结剂的混合物。这样的混合物用来最小化温度周期变化应力效应，在温度周期变化应力效应中，可能有显著的金属丝膨胀/收缩，但是陶瓷基底的膨胀/收缩小得几乎察觉不到。这个差异可在这两种材料之间的粘结界面处产生应力。通过使用这样的合成粘结剂，粘结的金属丝相对于周围的巢室表面的移动被最小化，并且由于合成粘结剂材料的存在，使得传热得以提高。

如图8的实施例所示，使用穿过转化器阵列均匀分布的金属丝阵列。在一个例子中，对于400cpsi的基底的每25个巢室插入一根金属丝。从在转化器巢室处实施的污染物清理催化反应的角度来看，这具有令人满意的加热性能并且不会对转化器造成妨碍。金属丝与巢室的极高的比值会引起较慢地加热到点火，这归因于总体由金属丝所代表的总热容高，并且归因于一些金属丝堵塞了其它金属丝上的“视线”场效应的事实。相反地，虽然金属丝与巢室的极低的比值引起对转化器巢室的堵塞更少，但是对于在400cpsi基底中的每49个巢室插入大约少于1根金属丝的金属稀疏分布导致发热减小并且至点火所用的时间增大。如先前描述的注入金属颗粒的实施例的情形一样，金属丝能够以非均匀模式插入：例如，金属丝嵌件大致环形地集中在陶瓷转化器基底内的中间径向位置；或者，与转化器周边附近的金属丝的集中性相比，离线圈最远的转化器芯部附近的金属丝的集中性更大。

在使用金属颗粒和诸如金属丝嵌件的较大金属元件之间有利有弊。感应加热产生被加热的金属的“集肤效应”热表面。这使得金属元件的表面面积对有效加热来说很重要。通常，表面面积越大，金属加热得越快。然而，感应是一个视线过程，其中“看到”感应场的表面是首先加热且变得较热的一个表面。粉末颗粒加热迅速，较大的主体加热得较慢。在颗粒的情形中，每个颗粒是否分散和嵌在陶瓷基底材料自身中或在注入选定巢室的乳香脂中，每个颗粒独立于下一个颗粒起作用，从而，在相邻颗粒之间少有传热。因此，热分布可能相对薄弱。较大的金属主体在它们的体积中传热好，并因此就分配热量而言是优选的。就显著影响加热性能的表面面积、视线定位和传导特征而言，图8的细金属丝实施例提供了颗粒与实心主体之间的良好折衷。

当转化器在工作时，传导是向陶瓷基底并因此向排放气体传热的主要来源。在金属丝嵌件实施例的情形中，也有少量的对流传热，但是是有限的，因为在金属丝与巢室内表面之间只有很小的气隙，因此，空气运动最小化。在例如插入的金属丝的情形中，在金属丝在它们的大部分表面面积上与巢室内部分离但是该分离未被阻挡的情况下，还有相对少量的辐射传热。

如先前描述和示出的，感应金属元件相对于巢室位置的优选分布配置成使得加热效应在转化器的整个区域中大致均匀。特别是对于起动和怠速，在可能形成非均匀排放气体流动模式的情况下，在整个转化器中故意形成不均匀的加热模式可能是有利的。如前所述，这可以通过将感应金属元件适当地安置在选定巢室中来实现。它也可以在本公开的另一实施例中通过下述方式获得：通过使用不同尺寸或形状的金属丝嵌件，或者通过在注入实施例中使用不同浓度的颗粒。它可以在另一种可替代结构和方法中通过形成非径向对称的场或形成两个或多个干扰场来获得。这样的感应场和它们的相互作用例如可在起动至点火的时段变化。改变热效应还可以使用这种感应金属就位和场操作的组合来获得。着眼于增加对污染物的转化、节省能量或针对其它原因，可实施位置、时间或这两者发生变化的有目标性加热。

在本发明的另一实施例中，金属元件没有夹带在陶瓷基底材料内，并且没有注入或定位在选定巢室中。替代地，如图12和13的局部剖视图所示，在涂覆催化剂涂层40之前，含铁金属涂层38形成在选定转化器巢室的壁14的内表面上。可替代地，(未示出)含铁金属涂层作为与颗粒催化剂金属共同的涂层进行敷设，或者通过使用包含含铁金属和一种或多种催化剂金属的合金颗粒，或者通过具有分散有含铁金属颗粒和催化剂金属颗粒的涂料。在后一布置中，可能损失一些催化剂作用，起因于含铁金属占据了一些催化剂金属位置，并因此折衷是必需的。

所有金属一定程度上响应于感应场，含铁金属是最容易被这种场加热的材料。包含在涂覆到蜂窝基底巢室内部的涂料涂层内的催化剂材料典型的是铂系金属-铂、钯和铑。这样的材料具有约1×10^-6(就铂而言)的低磁导率，并因此仅仅非常轻微地受到所施加感应场的影响。而且，催化剂金属存在的量非常少，每个转化器块料大约有1克，因此，在起动阶段或怠速阶段，催化剂组合件中没有足够的金属来产生热并将任何显著量的热传递给陶瓷基底。相反地，用于感应加热的含铁金属存在的量为每块料有大约60至200克，并且就铁而言，具有大约2.5×10^-1的磁导率。

如前所述，在点火之前的阶段应用感应加热，从而减少有害污染物的量，有害污染物是在催化剂涂层达到它们开始将污染物转化成更良性的排放物的催化反应之前排出的。特别是对于城市驾驶，发动机操作经常有的特征是，急速加速和制动，插有怠速时段。在处于这样的时间时，进入转化器的排放气体的温度和流动的排放气体所接触的基底的壁的温度可能开始下降。如果怠速和冷却继续，基底和气体的温度降至发生污染物减少催化反应所需的温度的以下。在这样的时段，转化器基底的加热是通过接通感应加热而获得的。在将来的点，当车辆不再怠速并且排放气体温度增大到超过把有害排放气体污染物转化成相对良性的产物的有效催化反应所需的温度时，断开感应加热。

感应加热公开的实施例已经在铁基合金(诸如钢)的背景下进行了描述，它们在市场上可获得的的有通用的形状和尺寸，并且价格合理。也可以使用可替代的铁磁性金属，诸如钴或镍或它们的合金。所使用的金属必须经受得住催化转化器所达到的高温和反复的温度周期变化，因为金属侵入体反复地从冷起动移到工作温度然后再复原。通常，铁或其它铁磁性金属的合金给出了有利的机械和物理性能，诸如如，抗腐蚀性/抗氧化性、高温稳定性、弹性变形和可成形性。

参照图14至17，示出了本发明的实施例，其适合于流过催化转化器基底的通道或巢室的排放气体的电流体动力(ehd)传热传质。在ehd过程中，产生自由电子，并且促使自由电子从上游的带电发射极迁移到下游的接地集电极44。在它们的迁移过程中，电子与排放气体中的分子碰撞，传递动量给气体分子并且在气流中引起湍流。这意味着，通过巢室的气体流采用层流的趋势较小，和/或层状气体流有从层流分离的趋势。相比于没有ehd激发的情况，这两种趋势都使更多的排放气体接触转化器基底巢室壁的壁。这既引起排放气体与基底壁之间的传热增加，又引起污染物降低催化反应的增强，这归因于排放气体与基底巢室壁的内表面处的热催化剂的接触增大。

在工作中，在起动与点火之间的时段，基底壁处于比排放气体更低的温度。相比于没有ehd加热过程的情况，通过激发ehd传热，更多的热从流过的排放气体传递给基底，并且基底温度升高的速度更快。控制电路包括监测转化器基底温度的第一温度传感器和监测紧接转化器上游的排放气体的温度的第二温度传感器。控制电路包括比较器和开关，该比较器用于测量排放气体温度与转化器基底温度之间的差值，该开关受到比较器的控制以将ehd电压接通至发射极。在起动或点火时段期间，通过接通ehd传热过程以激发来自排放气体的传热，获得对点火而言的更大速度。在另一点，当基底足够热以促使发生污染物降低催化反应时，断开ehd传热激发。

另外，在怠速时段期间，进入转化器的排放气体的温度可以开始下降，并且可以出现催化转化器基底壁仍然处于适于催化剂反应的最佳温度的情形，但是，进入转化器的气体低于对于这类反应而言最优的温度。在怠速阶段期间，从降低有害排放的角度来看，即使流过转化器的气体在降温时，转化器可以保持或接近最优工作温度。在这样的时段中，通过接通ehd传热过程以有限的时间段提取热量来获得对冷却的排放气体的低功率加热。在另一点，当车辆不再怠速并且排放气体温度增大到超过所监测的基底温度时，可断开ehd传热激发。

详细地参照图14，为了操作实施了ehd的催化转化器，发射极42联接到25千伏至50千伏的电源，传递非常低的电流量，该系统因此仅仅消耗几瓦电，并且集电极44接地。相比于不带电排放气体通过催化转化器的通道，电子的流动产生了带电排放气体与转化器基底之间的优先热交换。排放气体的传导性影响混合程度并且流动改变，这又引起催化器基底与排放气体之间的更迅速的传热。通常，排放气体传导性越好，湍流效应越大，且ehd换热效应越大。

如图14实施例所示，在第一发射极集电极配置中，发射极42是规则的网，有0.25英寸直径的杆和0.375英寸的孔，网安装在块料10的紧挨上游。集电极44是类似的金属网，位于转化器块料的紧挨下游，这个网被接地。上游的网与正电压电源互连，下游的网互连到接地，这些互连提供了产生电子流所需要的正电极(发射极)和负电极(集电极)。

如图15所示，在第二发射极集电极配置中，使用与图8所示类似的金属丝嵌件配置，除了这些金属丝嵌件彼此互连和接地以外。在所示配置中，使用连续的金属丝46并且进出基底巢室成环，从而相邻的金属丝嵌件有效地缝合就位。

在另一实施例中，如图16所示，网状集电极44具有突出的金属丝48，所属金属丝与选定基底巢室的纵向轴线对齐。在制造过程中，集电极44的突出的金属丝48向后滑朝向转化器块料的前端并且进入对准的巢室12中。网状集电极被锁在基底的背面。在一种形式中，如之前参照图8至11所描述的，突出的金属丝48在选定巢室12内具有摩擦配合，或者使用适当的粘结剂固定就位。在另一种形式和相关方法中，突出的金属丝北预先放置在选定巢室中，然后通过注入金属乳香脂基体到巢室中而粘合就位，然后干燥并且烧结基体。

在如图17所示的另一发射极集电极配置中，发射极42是金属球，该金属球具有与圆柱形转化器基底的直径相匹配的直径，该球没有角状转角，从而电子发射是相对均匀的分布穿过它的表面。通过用粘结剂基体中的金属粉末填充选定转化器巢室12组成一系列集电极位来形成一系列集电极，堵塞的巢室内的集电极丝体30连在一起并且通过图16所示形式的网接地，但是具有相对较短的接触突起48。金属颗粒与乳香脂混合，所得到的混合物使用于2013年8月20日提交的序列号为13/971,129的共同待审的实用新型专利申请(催化转化器组合件及其制造方法)所描述的方法进行注入，该申请的内容通过引用全部并入文本并且出于所有目的成为本申请的一部分。在注入之后，乳香脂混合物的注入丝体30被固化，例如通过于2013年8月20日提交的序列号为13/971,247的共同待审的实用新型专利申请(催化转化器组合件及其制造方法)所描述的微波加热，该申请的内容通过引用全部并入文本并且出于所有目的成为本申请的一部分。在一个实施中，乳香脂基础材料是玻璃纤维、粘土浆、聚合物粘结剂和水的低粘度糊状混合物，在固化过程中，驱逐出水和有机粘结剂。在固化之后，注入的丝体30在硅、陶瓷和金属颗粒的多孔基体中，硅占主要地位。

在图17实施例的变型(未示出)中，均匀分布的第一选择的巢室用金属粘结剂基体堵塞，这些巢室一起装金属丝并且彼此绕在一起以形成发射极。相同数量的巢室通常与发射极巢室交替分布，也用金属粘结剂基体堵塞，第二组巢室一起装金属丝并且接地以形成集电极。该配置在基底巢室的表面上具有高效率，因为发射极和集电极是基底的组成部分。

在另一可替代方案中，先前示出的发射极和集电极配置可以不同地配合。

感应加热的好处是转化器组合件可较小。冷起动产生内燃机污染物的75％至90％，并且这推进对整个排放组合件的尺寸。因为感应加热技术占了这个75％至90％，有能力缩小转化器包装。通过利用ehd子系统而引入增加的传热传质，可能进一步减小尺寸。

国家的排放标准要求是对催化转化器设计的原始驱动力。这个要求非常高并且用单个转化器难以满足。因此，目前，现在生产的大多数汽车采用两个转化器组合件，一个在紧联接位置处，另一个在地板下的位置处。紧联接转化器通常比地板下转化器的重量更轻，这意味着具有低热容量并且因此将尽可能快地达到催化反应工作温度。然而，一旦这两个转化器已经达到它们各自的催化反应工作温度，紧联接转化器相比于更重的地板下转化器具有相对低的效率。通过在起动时向排放过程引入感应加热，可能是制造商会回到单个转化器安装并且通过消除对紧联接转化器的需要来满足排放标准。

虽然，本公开的实施例已经以陶瓷催化转化器基底为背景进行了描述，但是，还能使用不锈钢基底，以与上面描述类似的方式实施感应加热。由400系列磁合金制成的基底是优选的，这是因为这类合金呈现极大的磁滞。利用包围的线圈，小直径不锈钢基底的外环形区域由于它们的小热容量而极快速地升温。

在ehd传热传质的情况中，在使用不锈钢基底的本公开的可替代实施例中，催化转化器具有两个钢块料，第一钢块料用作发射极，第二钢块料用作集电极。在这种情况下，可消除金属丝嵌件的插入或金属乳香脂细线的注入和固化，这是因为钢块料本身起到发射和收集自由电子的作用。

本公开ehd传热传质的实施例已经在铁基合金(诸如钢)的背景下进行了描述，其市场上可买到，有通用的形状和尺寸，并且价格合理。可替代的金属可以用作ehd电极，只要它们能够承受催化转化器中所达到的高温和如转化器基底主体中的金属元件反复地从冷起动移向工作温度然后再复原一样的反复的温度周期变化。通常，合金给出了有利的机械和物理性能，诸如抗腐蚀/抗氧化、高温稳定性、弹性变形和可成形性。

在将本公开的感应加热和ehd传质传热应用到催化转化器的结构和操作时，实施感应加热所需要的电路和电输入不同于实施ehd传热传质所需要的电路和电输入。在这个方面，有可能的是，ehd效应受到所施加感应场的影响。这可能是一种积极影响，感应场向电子流增加之字形分量，引起提高的传热传质。可替代地，感应场可使ehd效应衰退。

在紧临起动之前的感应加热期间或在在紧临起动之前的感应加热的情况下，感应加热过程和ehd传质传热可以同时应用或在分开的时刻应用。

图18是根据本公开实施例的催化转化器系统的示意图。催化转化器系统75包括催化转化器60，该催化转化器具有多个通道以促进来自车辆发动机的排放气体56中的至少一种催化反应，产生处理过的排放气体56'。一个或多个温度传感器50联接到催化转化器60以产生指示催化转化器的至少一个温度的温度信号。温度传感器50可通过安装在催化转化器上或中的热电偶、热敏电阻或其它热传感器来实施，以便监测在转化器上或中的不同位置处的温度，或通过其他的温度监测器监测在转化器上或中的不同位置处的温度。

来自温度传感器50的输出被带至控制器52，在此，监测的一个或多个温度被用来通过控制ac发电机(诸如如ac电源64)来控制感应加热。控制器52基于由这些温度信号指示的一个或多个温度来生成控制信号58。包括ac电源64和线圈20的至少一个电磁场发生器响应于控制信号58通过产生电磁场来感应地加热催化转化器60。ac电源64例如可以是可变的ac发电机，其产生具有根据控制信号58而变化的幅值的ac信号。在另一例子中，控制信号58打开和关闭ac电源64，带有根据期望的加热水平的幅值而变化的占空度。ac电源可产生诸如50赫兹或60赫兹的信号，然而，同样可采用1千赫兹至100千赫兹范围中的中频信号和100千赫兹至10兆赫兹范围中或其它频率的射频信号。

控制器52可经由处理器来实施，处理器诸如是独立的处理器或共用处理装置(诸如发动机控制模块)。控制器52使用一种或多种算法来控制实施中所应用的感应过程和ehd过程，在此，感应场特征或ehd高电压特征可选择为获得特定的感应加热模式或ehd效应。控制器52可独立于催化转化器安装。例如，控制器52可安装在车辆内部，在此处，电子控制电路受到相对好的保护。可替代地，在有防风雨的壳体的情况下，转化器控制模块可安置在发动机舱内，靠近电池或者在车辆下方靠近催化转化器。

考虑一个例子，其中，经由车辆中的螺栓螺入组合件执行催化转化器60来处理内燃机排放。涂料涂层中的铂族金属或其它催化剂与热联合工作来处理排放气体中的大多数污染物。催化处理可很大程度上取决于温度。为了使处理有效，可能需要达到并维持约300容装的最低点火温度。低于这个温度，排放气体处理过程的效率可能迅速下降。在正常的发动机操作中，存在催化转化器温度可能低于这个阈值的几种情况：冷起动、冷却和起动-停止混合动力车辆操作。

在冷起动条件下，发动机和排放气体系统处于环境温度。在确实冷的环境中，在冬天，这个温度可能定期地低至-30℃。因此，在发动机和催化转化器升温到要求温度之前，发动机可能要花几分钟运转。事实上，几乎没有排放处理，直到系统上升到阈值温度(通常称作“点火”温度)为止。传统的催化转化器仅仅依赖于发动机加热以升高它们的温度。

冷却发生在发动机和排放气体系统开始热且然后温度下降到阈值点以下的时候。在发动机热了之后过多的怠速可能产生这个结果。低发动机每分钟转速(rpm)将不会产生足够的热来保持催化转化器60是热的。逐渐冷却可能导致低于点火温度的稳态温度。从高速进行减速也会导致这个结果。发动机rpm因不需要动力而下降至接近怠速水平，并且，在怠速的情况下，由车辆排放产生的气体不足以保持催化转化器60是热的。此外，车辆下方有大量对流，从发动机和催化转化器夺取了热量，从而增加了冷却速率。与当前转化器技术相关的问题的原因在于：原制造商已经实施了怠速禁用，还有为什么停-走交通会有如此污染性。

在起动-停止混合动力车辆操作中，在车辆运行期间，车辆发动机可自动地关闭和重新起动。在中度混合动力车辆中，当车辆处于静止(例如堵车时车辆停止的时候)，车辆发动机通过发动机控制模块料停止以避免怠速。当驾驶员把他/她的脚从制动器上移开并且接合加速器以恢复运动时，发动机控制模块料在350毫秒这么短的时间内迅速地重新起动发动机。在混合电动车辆中，内燃机可关闭更长的时段，并且只在需要补充通过电池电源工作的一个或多个电动机的操作时才使用。类似于先前描述的冷起动和冷却条件，催化转化器可处于环境温度或低于点火温度。

先前描述的感应加热和ehd传热/传质过程提高了在包括冷起动和冷却等在内的正常行驶条件下由催化转化器系统75进行排放处理的性能，另外还提高了催化转化器60对排放气体56的排放处理。控制操作可包括但不限于：

(a)预加热-在发动机起动之前加热催化转化器；

(b)后加热-在发动机起动之后加热催化转化器；

(c)混合-预加热和后加热的组合，在此，在发动机起动之前和之后加热催化转化器；

(d)热管理-典型地不与冷起动相关联，但是保持转化器温度在点火温度以上，带有快速冷却；和/或

(e)颗粒过滤器再生。

例如，在预加热期间，一旦达到点火温度，控制器52可输入温度保持模式，在此，温度仅仅是保持而不增大的情况下。保持模式中的电力需求是连续剧烈升温所需电力需求的一小部分。保持温度是通过脉冲调制全感应电力通和断来实现的，或者通过调制电力来实现的。脉冲调制是更简单的过程，因为，该系统要么通要么断，只需要定时器控制。脉冲的频率和持续时间以及脉冲之间的延迟选择成使得温度保持在几度内的恒定值。调制电力更复杂，因为电力输出是自动调整的，目的是保持恒定温度。更复杂的感应电路需要在从0％或接近零(最小20％)到100％的输出全范围内可操作。在一个实施例中，一旦催化转化器冷却而发动机仍然开动，就触发保持模式；例如，响应于车辆发动机怠速时的冷却。类似于上面概述的那些的脉冲或调制操作用来防止过度冷却。

在根据一个实施例的控制方法中，温度传感器50包括在沿着催化剂基底长度方向的一些点处(诸如在转化器的中点处)嵌在催化剂基底的表面上的一个或多个热电偶。所述一个或多个热电偶提供直接反馈给控制器52，不需要计算或推理。首先执行校准以补偿催化剂基底的外部和内部之间的偏差。在稳态下，催化转化器60的最大热损失在于其周边，来自行驶的对流，雨水、雪和冰促进这些损失。在预加热期间，周边、中心或整个基底被加热到点火温度，对在期望区域的点火温度相对于一个或多个温度传感器50之间计算出的温度偏差作出补偿。

虽然上面与独立的温度传感器50的使用相关地进行了描述，但是，附加地或可替代地，控制器52可使用线圈20自身用于温度追踪。具体地，线圈20的感应随着温度升高而降低，因为由于热引起的分子振动干扰了磁场。越冷的温度比越高的温度产生较少的干扰。这个干扰的特征可以是且基于它可由控制器52确定整体温度。基底是感应系统的最大质量部件，并且容纳在基底内的热对感应具有最大影响。这个方法中监测的温度是平均温度，因为没有检测到存在热点和冷点。感应线圈方法的使用避免了对催化转化器的额外金属线的需要。

虽然在感应加热的背景下已经描述了控制方法和设备，类似的控制方法和设备还可以应用于控制电流体动力(ehd)传热传质。应当注意到，控制器52可构造成产生控制信号58和66以独立地、一起或在独立时刻操作感应加热和ehd过程。

在一个例子中，在发动机起动之前、在起动之后短时间内、在怠速期间和在减速期间实施感应加热过程。控制器52构造成仅在发动机正在运转的时候产生控制信号66以接通ehd过程，因为这个过程取决于通过转化器的排放气体的流动。在这个例子中，在有排放气体流动通过转化器的任何时刻，执行ehd过程。在另一例子中，采用相同或类似的感应加热流程，但是在点火以上的温度下断开ehd过程。

虽然电池62示出为给ehd过程提供电力，但是应当注意到，诸如车辆电池的电池可用来选择性地给催化转化器75的另一部件提供电力。在其它例子中，诸如太阳电池的可替代电源，在可替代电力可用的情况中，车辆电力中的外部插塞(诸如与块料加热器联合提供的)或者系统中的混合动力车辆插塞也可用来给催化转化器系统75的部件提供电力。在工作中，在控制器52的控制下，可选择性地启用或停用感应加热和ehd过程。在不同的实施例中，感应加热可由控制器52响应于下列条件发起，诸如：点火钥匙，钥匙按向运行位置；钥匙按向起动位置，车辆x英尺以内的钥匙接近，远程起动功能的激发，车辆插入电网，块料加热器插入等等。可响应于达到点火温度、电池带电状态过低、达到起动机所需的电池储备、系统的手动关闭、发动机的关闭等等来停用控制器52的操作。

应当注意，车辆发动机可通过下列燃料类型中的一种或多种进行运行，包括：汽油、柴油、丙烷、乙醇、天然气等等。这些控制方法可被应用于车辆操作配置，包括：全时间常规内燃机、混合—串联、并联、中度并联、串-并联或动力分流、插入式混合电动、中度混合自动起停、范延长、恒定的rpm发动机、可变rpm发动机或其它配置。车辆发动机可以是通常吸气式、涡轮增压式、超动力式、气体引导喷射、电子燃料喷射，通过分配器或其它技术操作。

催化转化器60可通过铂、钯、铑或其它催化剂操作，并且可包括柴油机氧化催化剂、颗粒过滤器和/或尿素喷射系统。基底可包括陶瓷蜂窝、织物金属、多孔膜或其它基底。催化转化器系统可被引导成将废气排放(诸如烃类、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、颗粒物质和/或其它排放)降低至空气燃料比(λ)(诸如化学计量比、富燃、贫燃和/或其它比)的全范围。

关于催化转化器系统75的另一例子，包括数个可选的功能和零件，随后联合图19-22给出。

图19是根据本发明一个实施例的反馈控制环路的示意图。具体地，示出了一种反馈控制环路100，其中，催化转化器的加热(诸如结合图18提出的催化转化器60的感应加热)由传递函数g(s)代表，控制信号58由信号e(s)代表，控制输入由信号x(s)代表，催化转化器的温度由信号y(s)代表，控制器和温度传感器(诸如控制器52和温度传感器50)的操作由反馈函数h(s)、控制输入x(s)的产生和求和点102代表。因为催化转化器的加热和对流冷却还受到排放气体的温度和体积以及车辆速度的影响，这些附加因素由求和点104处的干扰输入d(s)代表。这些信号量中的每一个在拉普拉斯变换域中由拉普拉斯变换变量s代表。

输出温度y(s)可如下计算：

y(s)＝g(s)[x(s)-y(s)h(s)]+d(s)

或者

y(s)＝d(s)+x(s)[g(s)/[1+g(s)/h(s)]]

下面考虑了传递函数g(s)被建模成一阶系统的例子：

g(s)＝a/(s+ω)

并且进一步地，冷起动条件，其中，d(s)＝tam，反馈函数h(s)＝k，对应于简单的比例控制。这种情况中，

y(s)＝tam+x(s)[a/(s+ω+ka)]

进一步地考虑环境温度是tam，控制器试图使用感应加热来维持基准温度tref，并且输入信号由阶梯函数在时刻t0＝0时激发，幅值为ktref。那么，在时间域y(t)中的催化转化器的温度可由反拉普拉斯变换得到，如：

x(s)＝ktref/s

y(s)＝tam+ktrefa[s(s+ω+ka)]

y(t)＝l^-1[y(s)]＝tam+(tref-tam)(1-е^-t/τ)

式中，τ＝1/(ω+ka)。在这种情况中，在时间域e(t)中，对于时刻t>0的控制信号的值简化为：

e(t)＝k[tref-y(t)]

应当注意到，e(t)的值可以由下列不等式限制：

0≦e(t)≦emax

其中，emax代表ac电源64的最大输出。注意到，在大多数实施例中，感应加热能力不会扩展到主动冷却(activecooling)催化转化器的冷却通常由热辐射和对流而发生。因此，不会允许e(t)为负值。

结合图20给出这类反馈控制环路的操作的例子。虽然前面已经假定了传递函数g(s)的一阶模型，但是，基于感应加热系统和催化转化器所实施的实际传递函数，同样可采用带有多个极和零的其它更高阶模型。另外，虽然上面已经描述了与比例控制对应的反馈函数，但是，同样可采用实施比例、积分、微分控制的其它更先进的反馈函数和/或带有多个极和零的更多其它反馈函数。另外，虽然实施了特定的反馈控制环路，但是可采用其它控制技术，诸如，前馈控制；包括最优控制、模型预测控制、线性二次高斯控制在内的状态-空间控制；自适应控制；分级控制；使用个各种ai计算逼近法(像神经网络、贝叶斯定理概率、模糊逻辑、机器学习、进化计算和遗传算法)的智能控制技术；鲁棒控制；随机控制；非线性控制和/或其它控制算法。

图20给出了根据本发明一个实施例的控制信号和催化转化器温度的图示。具体地，根据结合图19给出的例子，在开始于时间t0＝0的冷起动中，在时间域中画出控制信号e(t)的图示110和催化转化器温度的图示110’。如所论述的，

y(t)＝tam+(tref-tam)(1-е^-t/τ)

和

e(t)＝k[tref-y(t)]

如所示，温度y(t)开始于环境温度tam。当在t0＝0处施加控制e(t)时，感应加热促使催化转化器温度上升并且渐渐接近且保持基准温度tref(诸如有效的催化转化所需的最小点火温度)。在时刻t1，催化转化器温度在可接受的误差范围内已经达到tref，车辆发动机在排放控制全面起作用的情况下可起动。同样，在时刻t1，控制信号e(t)已经接近零，因为催化转化器温度已经达到其基准温度并且不再需要加热。

应当注意到，图示110和110’仅仅反映了一种示例性催化转化器系统在冷起动状态的操作。一旦车辆发动机起动了并且车辆开始移动，d(s)不再仅仅是tam。从车辆发动机出来的排放气体带来热量而且车辆的移动增加了对流和热损失。控制器52响应于状态的这些变化而将催化转化器温度保持为处于或高于基准温度的值。

图21是代表根据本发明实施例的控制器的框图。具体地，给出了一种控制器120，其可在催化转化器系统中操作并且作为结合图19给出的控制器52的替代物而操作。类似于控制器52，控制器120操作以产生用于控制催化剂的感应加热的控制信号58和用于控制催化转化器的ehd过程的控制信号66。代替仅仅基于来自与催化转化器关联的一个或多个温度传感器50的温度数据130操作的是，控制器120基于更宽范围的车辆控制数据125而操作，所述车辆控制数据诸如为环境温度数据132；表示车辆发动机旋转速度的发动机rpm(每分钟转速)数据134；制动器启用数据136；离合器启用数据138；电池剩余寿命数据140；起停模式数据142；排放数据144；发动机起动数据146；代表车辆速度的速度数据148；代表车辆路径、速度限制、当前交通拥挤、停走状态等等的交通数据和车辆导航数据150；以及可选地其它发动机控制数据、车辆状态数据和车辆数据(诸如氧传感器电压、氧传感器温度、排放气体再循环温度、冷却剂温度、车辆加速/减速、空气-燃料比(λ)、点火位置、发动机正时、排放歧管温度等等)。

在各个实施例中，控制器120包括处理器和存储查询表(lut)122的存储器，该存储查询表对应于由车辆控制数据125代表的车辆状态并且产生对应于当前状态的控制信号58和66。例如，基于车辆状态，lut122可存储根据状态-空间控制算法的控制数据，所述车辆状态诸如为由温度数据130、环境温度数据132、rpm数据134和车速数据148表示的催化转化器温度、环境温度、发动机rpm和车辆速度。在这个形式中，可基于由车辆发动机rpm的变化、环境温度的变化和因不同车速时的对流引起的热损失而导致的排放气体体积的变化来控制催化转化器的温度。

此外，控制器120将温度数据130与基准温度(诸如催化转化器的点火温度)进行比较。控制器120产生即刻温度指示信号152，其表示催化转化器温度已经达到或保持在基准温度或高于基准温度的时刻。该即刻温度指示信号152可用于触发即刻温度指示器160，诸如仪表板灯、在仪表板显示屏或其它用户界面上的弹出消息，其向车辆驾驶员指示催化转化器此时已经达到或正保持在基准温度或高于基准温度或者起动车辆没问题。该即刻温度指示信号152还可用于触发作为车辆点火系统的一部分的车辆启动锁止170，其使得车辆发动机仅在催化转化器已经达到或正保持在基准温度或高于基准温度时才起动。

现在正在制造的大多数车辆都装备有呈无钥匙远程形式的无线电通信装置，其典型地包括门锁上、门开锁、行李箱盖释放、恐慌警报和偶尔用到的远程起动能力。智能手机技术在将来的某些时候很可能代替无钥匙远程，并且已经被一些制造商用来通过智能手机应用(“app”)实现远程起动特征。在一个实施例中，对催化转化器预加热的控制并入到无线电控制装置(例如先前提到的那些无线电控制装置)中。具体地，感应预加热起动步骤作为远程起动步骤的一部分被发起，转化器预加热步骤开始于启用远程发动机起动之前的固定时段或可选时段。在一个可替代方案中，远程无线电控制装置包括专用电路，其中，转化器预加热步骤独立于车辆的任何其它远程控制能力而发起。

通过按下预加热按钮或远程起动，车辆通信系统接收用于产生起动数据146的无线电通信信号。响应地，控制器120产生控制信号58以开始对感应加热催化转化器系统的控制。当发动机被冷起动时，在车辆启动之前把催化转化器升温到点火温度或接近点火温度的温度产生更少的气态排放污染物。使用无线电远程避免了驾驶员需要在车辆中执行预加热步骤，因为许多消费者可能不容忍正常起动过程的延迟。通过这种方式，驾驶员可进入车辆，接通点火以启动车辆，然后使用热的转化器开走。作为对这过程的可替代方案，驾驶员进入车辆，并且旋转或按下产生起动数据146的点火钥匙。然而，在这种情况下，在按下点火钥匙的时间与点火电路通电的时间之间可自动地建立延迟。在这个延迟时段期间，控制器120发起转化器预加热过程。当车辆发动机起动时，通过产生控制信号66，控制器120可响应以启用ehd过程来获得更进一步的效率。

其它车辆控制数据125可由控制器120使用以产生控制信号58和66和/或使控制器120的操作适应不同的车辆状态和条件。当前转化器技术使用前转化器和后转化器氧传感器以计算有效的催化转化器温度，其中，提供转化器温度测量值的传感器之间有差异。由这些氧传感器产生或来自车辆的其它排放传感器的排放数据144可被控制器120使用。例如，当在输入氧传感器和输出氧传感器之间的排放数据144中没有检测到差异时，催化剂不工作，所以温度低于点火(300摄氏度)。300摄氏度以上，传感器之间的差值增大，计算出的温度随着氧转化而成比例地升高。该排放数据144可用于补充温度数据130、检测温度传感器故障等等。

如前面所论述的，在中度混合动力车辆和电动混合车中，在车辆操作期间，车辆发动机可自动地关闭和重新起动。操作期间车辆发动机的延长停止可促使催化转化器冷却到低于最小点火温度并且增大车辆排放。在不同的实施例中，控制器120可适合于自动起停操作。具体地，起停模式数据142可指示包括这个功能的车辆上的自动起停功能是否启用或停用。当自动起停功能被启用时，rpm数据134可指示发动机是否起动或停止。制动数据136、离合数据138和车辆速度数据148可进一步地向控制器120指示何时可以逼近自动停止。在一个实施例中，通过产生控制数据66，控制器120响应于车辆发动机的起动和停止来以同步方式起动和停止ehd过程。另外，控制器120可产生控制数据52以在发动机停止时保持催化转化器温度，从而预防发动机在随后重新起动时的冷起动状态。

在另一实施例中，控制器120包括驾驶模式预测发生器124，分析车辆控制数据125从而从一组可能的驾驶模式中预测当前驾驶模式，例如：

(a)非混合停走交通模式，特征为连续的车辆发动机运转、频繁和/或延长的停止并伴随有怠速

(b)高速公路模式，特征为连续的车辆发动机操作、高车辆速度、有限的制动和离合操作、中等rpm和高对流速率；

(c)延长怠速模式，车辆在行驶，但是停止的持续时间增长；

(d)自动起停停走交通模式，特征为频繁和/或延长的停止并伴随有自动起停；

(e)混合动力车辆的纯电动模式，其中，车辆发动机停止并且直到退出纯电动模式才可能起动；

(f)混合电动模式，车辆发动机可能停止的时段延长并且仅在需要时才重新起动，等等。

控制器根据当前驾驶模式适应性地产生控制信号58。在非混合停走交通模式、延长的怠速模式或高速公路模式中，控制器120可如前所论述地产生控制信号58以触发感应加热，仅仅如所需要的保持催化转化器温度在点火温度或高于点火温度。在自动起停停走交通模式中，控制器120，对于较短的停止，可如前所论述地产生控制信号58以触发感应加热，仅仅如所需要的保持催化转化器温度在点火温度或高于点火温度。对于基于由停走转接器交通或红绿灯停止引起的模式、基于交通数据和导航150或者基于其它驾驶模式可预测的停止较长，控制器120可能允许催化转化器温度在短时段内降至点火温度以下，只要控制器预测再加热到点火温度可被发起且在控制器120预测将出现重新起动之前完成即可。例如，控制器120可操作以控制催化转化器温度到低于点火温度的待机温度。待机温度可被选择以节省电力，但是，足够接近点火温度从而对于车辆发动机重新起动最小化使催化转化器温度返回到点火所需的再加热时间。虽然前面已经考虑了特定驾驶模式，但是控制器120还可以预测并且适合于其它驾驶模式，诸如攻击性驾驶、胆怯驾驶、超级惜油等等。

同样地，在混合电动模式中，控制器可允许催化转化器的温度降至点火温度以下，只要控制器预测再加热到点火温度可被发起且在控制器120预测将出现重新起动之前完成即可。在一个实施例中，来自发动机控制模块的自动起动数据可能基于车辆速度、导航路线引导、交通状态指示逼近发动机的重新起动并且可以发起从当前温度或待机温度到点火温度的加热，如所需要的，在控制器120预测将出现重新起动之前完成。进一步地，在混合动力车辆的纯电动模式中，仅仅在退出纯电动模式的时候或者在控制器120预测将出现重新起动的时候控制器，可以预加热催化转化器。

转化器预加热电力可如前所述由车载电池提供。汽车电池取决于电力提取可仅仅在短时段内供应加热电力。相比于汽车发动机在运转且从汽车电池可获得一致的14伏dc电的情况，在车辆发动机关闭时预加热由于较低的电池电压可能更有限。柴油车和卡车典型地具有比常规气体车辆更大的电池，归因于电热塞的使用，其必须被预加热以便促进燃烧过程。柴油车通常具有比普通汽车更多可用的车载电力。混合电动车具有大量的电池容量，然而，它们取决于这个容量以提高车辆行驶里程并且降低操作成本。

在一个实施例中，控制器120在电池中的剩余电量相比于低电力阈值不利时根据低电力模式产生控制信号58和66。催化转化器加热由控制器120发起并且保持尽可能长的时间，与保持足够的电池电力同量以起动汽车。在转化器预加热步骤之前和期间监测电池的电力水平，并且通过控制器120使用指示剩余电池寿命的电池寿命数据140来进入低电力模式。在这个低电力模式中，例如，当剩余电池寿命是最小可用电力阈值或降至低于最小可用电力阈值时，控制器可因开始或停止感应加热和ehd过程而停用感应加热和/或ehd过程，该最小可用电力阈值指示进一步的使用可能危及车辆启动或其它车辆操作。

转化器预加热电力可以可选地从公用电网提供。电网电力的使用对于増程混合、插电混合、块料加热器和电动车辆而言是现行办法。汽车插在标准插座中或车辆专用插座中。块料加热器典型地用在寒冷气候中，特别是对于柴油机。在块料加热器中插电保持发动机冷却剂暖以实现更容易的起动并防止冷却剂冻结。使用电网电力既保持电池处于满电状态还用于预备电池组供驾驶使用。电池在极度寒冷或极度热的情况下不会良好运行，并且提供气候控制系统的电池组被用来保持电池温度处于实现最高电力的中等温度。

例如，来自车辆修理厂或公共场所插座的电网电力可被用于感应地加热内燃车辆的催化转化器。在这个方法中，与直接用掉车载电池相比，不会限制加热时段。注意到，对于产生相同的能量，电网电力是汽油成本的五分之一，因为车辆通常会在家位置或者可获取公共插座，使用电网的预加热可用于最冷的起动状态。在一个变型中，在驾驶员进入和开走之前，为了发起无钥匙进入，使用智能手机或其它无线指令来在预定时段预加热转化器。在一个可替代方案中，在汽车自动起动之前，使用无钥匙远程零件来预加热催化剂一段预定时段。这确保了一旦起动则使得排放尽可能干净，并且同时仍然允许消费者具有远程起动零件。直到达到点火温度才执行感应加热转化器，这是因为超过点火温度很少有或没有优点。

在不同的实施例中，控制器120联接成与车辆的相连的汽车接口175通信，该汽车接口提供零件，诸如车辆因特网入口、车辆与无线用户装置(诸如智能手机、平板、智能手表、便携式电脑或其它计算装置)之间的无线连接、以及用于保养和车辆诊断、车辆检查及其它联接的无线入口。从发动机控制模块料或从独立的排放传感器接收的排放数据144可被处理和/或存储在与控制器120相关联的存储器中以便提供实际车辆排放的历史记录。

这个历史排放数据可经由相连的汽车接口175被检索并且提供给用户智能手机、平板、家用计算机或其它用户装置，以用于保存车辆排放的记录。另外，历史排放数据可被提供作为车辆检查的一部分，车辆检查需要不仅仅测试当前排放，还需要历史排放数据。进一步地，历史排放数据可被提供给保养人员，以在车辆诊断和维修中使用。

指示实际车辆排放的数据可用于其它目的。例如，相连的汽车接口175可将这个数据提供给内置显示器、用户智能手机或平板或其它显示屏作为应用或实用的一部分，应用或实用在行程期间向车辆乘客呈现对当前排放的显示。以类似的方式，指示感应加热和/或ehdc过程的发起的控制数据58和66可被提供给相连的汽车接口175并且显示在显示器上，让车辆乘客知道例如这些系统在工作以降低排放。该应用或实用可以可选地提供由这些系统提供的实际排放与理论排放的比较、感应加热和/或ehdc过程没有在工作以及向车辆乘客显示对于减低排放的优势。在另一个例子，指示车辆维持低排放目标的数据可通过相连的汽车接口175进行报告并且用于使车辆拥有者有减税资格、高占有车辆状态、报酬或其它奖励。

图22是根据本发明一个实施例的方法的流程图图示。具体地，给出了联合图1-21示出的一个或多个功能和零件使用的方法。步骤200包括产生指示催化转化器温度的温度信号。步骤202包括基于温度信号而产生控制信号。步骤204包括响应于该控制信号产生电磁场以感应加热催化转化器。

在不同的实施例中，进一步地基于基准温度产生控制信号，以根据该基准温度控制催化转化器的温度。该方法可进一步地包括在催化转化器的至少一个温度有利地比得上基准温度时，产生即刻温度信号指示信号。响应于该即刻温度信号指示信号可启用车辆发动机的启动。

在不同的实施例中，控制器进一步地基于以下中的至少一个产生控制信号：指示车辆发动机转速的信号；指示容装有催化转化器系统的车辆的环境温度的信号；指示车辆发动机的自动起停模式的信号；指示车辆电池中的剩余电量的信号。该方法可进一步地包括基于车辆控制数据预测多个驾驶模式中的当前一个驾驶模式，并且可根据多个驾驶模式中的当前这个驾驶模式产生控制信号。该方法可进一步地包括控制催化转化器系统的电流体动力传热/传质过程。

注意到，本文可使用的术语，诸如比特流、流、信号顺序等等(或它们的等同物)已经被可互换地使用来描述数字信息，它的含义对应于许多期望类型(例如，数据、电视、语言、音频等等，任何一种可通称为“数据”)的任一种。

如本文可能使用的，术语“大体上”和“近似”为它所对应的术语提供行业上可接受的误差和/或部件之间的相对性。这样的行业可接受的误差从小于百分之一变化到百分之五十，并且对应于但不限于部件数值、集成电路处理变化、温度变化、上升和下降时间和/或热噪声。部件之间的这类相对性从百分之几的差值变化到巨大差值。如本文也可能使用的，术语“构造成”、“可操作地联接到”、“联接到”和/或“联接”包括部件之间的直接联接和/或部件之间通过中介部件的间接联系(例如，部件包括但不限于：组件、元件、电路和/或模块)，在此，对于间接联接的例子，中介部件不会改变信号的信息，但是可能调整它的电流水平、电压水平和/或动力水平。如本文也可能使用的，推理联接(例如，一个元件通过推理联接到另一元件)包括两个部件之间的直接和间接联接，方式类似于“联接到”。如本文甚至也可能使用的，术语“构造成”、“可操作成”、“联接到”或“可操作地联接到”表示部件包括一个或多个电力联接、输入、输出等等，在启用时执行一个或多个其相应功能并且可以进一步地包括与一个或多个其它部件的推理联接。如本文也可能使用的，术语“相关联”包括独立部件的直接和/或间接联接和/或一个部件嵌在另一部件内。

如本文可能使用的，术语“有利地比得上”指示两个或多个部件、信号等之间的比较提供了期望的关系。例如，当期望关系是信号1具有大于信号2的幅值时，可以在信号1的幅值大于信号2的或者当信号2的幅值小于信号1的的时候获得有利的比较。如本文可能使用的，术语“不利地比得上”指示两个或多个部件、信号等之间的比较没能提供期望的关系。

如本文可能使用的，术语“处理模块”、“处理电路”、“处理器”和/或“处理单元”可以是单个处理装置或多个处理装置。这样的处理装置可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、字段可编程门阵列、可编程逻辑装置、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或基于电路和/或操作指令的硬编码的操作信号(模拟和/或数字)。处理模块、模块、处理电路和/或处理单元可以是或进一步地包括存储器和/或集成存储元件，其可以是单个存储装置、多个存储装置和/或另一处理模块、模块、处理电路和/或处理单元的内嵌电路。这样的存储装置可以是只读存储器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪速存储器、超高速缓冲存储器和/或储存数字信息的任何装置。注意到，如果处理模块、模块、处理电路和/或处理单元包括一个以上的处理装置，那么这些处理装置可以位于中央(例如，通过有线和/或无线总线结构直接联接在一起)，或者可以分开布置(例如，借由通过局域网和/或广域网间接联接的云计算)。进一步注意到，如果处理模块、模块、处理电路和/或处理单元通过状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路实施其一个或多个功能，则存储相应操作指令的存储器和/或存储元件可以嵌在包括状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路的电路内或外。仍然进一步注意到，存储元件可以存储，处理模块、模块、处理电路和/或处理单元执行对应于一个或多个图中示出的步骤和/或功能的至少一些的硬编码和/或操作指令。这样的存储装置或存储元件可包含制造物品中。

上文借助于方法步骤已经描述了一个或多个实施例，所述方法步骤说明了它们的特定功能性能和关系。为了便于描述，本文已经随意地限定出这些功能构建块和方法步骤的界限和顺序。可限定出可替代的界限和顺序，只要适当地执行特定功能和关系即可。任何这样的可替代的界限或顺序因此都在权利要求的范围和精神内。进一步地，为了便于描述，本文已经随意地限定出这些功能构建块的界限。可限定出可替代的界限，只要适当地执行某些重要的功能即可。类似地，本文也可已经随意地限定出流程图框图以说明某些重要的功能。

对于扩展使用，流程图框图的界限和顺序可按其它方式进行限定并且仍然执行某些重要功能。功能构建块和流程图框图以及和顺序的这些可替代的界限因此在权利要求的范围和精神内。本领域技术人员还将认识到，本文功能构建块及其它示意性块、模块和部件可如所示地实施，或者通过分离部件、专用集成电路、执行适当软件等的处理器或它们的组合实施。

另外，流程图可以包括“开始”和/或“继续”指示。这些“开始”和/或“继续”指示反映了所给出的步骤可以可选地并入或以其它方式联合其他例程使用。在这方面，“开始”指示所给出的第一步骤的开始并且可以在其前面有未具体示出的其它动作。进一步地，“继续”指示反映了所给出的步骤可以被执行多次和/或可以继续有未具体示出的其它动作。进一步地，虽然流程图指示步骤的特定顺序，但是其它顺序同样是可能的，只要保留因果性原理即可。

本文中使用一个或多个实施例来说明一个或多个方面、一个或多个特征、一个或多个概念和/或一个或多个例子。设备、制造物品、机器和/或过程的物理实施例可以包括参照本文论述的一个或多个实施例描述的这些方面、特征、概念、例子等等的一个或多个。进一步地，从图到图，实施例可以并有相同或类似名字的功能、步骤、模块等等，它们可以是使用相同或不同的附图标记，因此，这些功能、步骤、模块等等可以是相同或类似的功能、步骤、模块等等，或者是不同的功能、步骤、模块等等。

除非另有相反描述，在本文给出的这些图的任何一图中，送给元件的信号、来自元件的信号和/或在元件之间的信号可以是模拟的或数字的、连续时间的或离散时间的并且是单端的的或差分的信号。例如，如果信号通路被示为单端通路，则它还代表差分信号通路。类似地，如果信号通路被示为差分通路，则它还代表单端信号通路。虽然本文描述了一个或多个特定体系结构，但同样可实施其他体系结构，它们使用未明显示出的一个或多个数据总线，元件之间的直接联接，和/或其它元件之间的间接联接，如本领域技术人员认识到的。

在一个或多个实施例的描述中使用术语“模块”。模块通过装置(诸如处理器或其它处理装置或其它硬件)实施一个或多个功能，可以包括存储操作指令的存储器或者与存储操作指令的存储器联合操作。模块可以与软件和/或硬件独立地操作和/或与软件和/或硬件联合操作。还如本文所使用的，模块可以包含一个或多个子模块，每个子模块可以是一个或多个模块。

虽然本文已经明显描述了一个或多个实施例的各个功能和特征的特定组合，但是这些特征和功能的其他组合同样可行。本公开不受到本文公开的特定例子的限制并且明显合并有这些其它组合。