带控制器的催化转化系统及其使用方法
【专利说明】带控制器的催化转化系统及其使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]依据35U.S.C.§ 119(e)，本美国实用新型专利申请要求了于2014年8月23日提交的、名称为“热管理催化转化器控制协议(THERMALLY MANAGED CATALYTIC CONVERTERCONTROL PROTOCOL) ”的美国临时申请N0.62/041，053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美国实用新型专利申请的一部分.
[0003]依据35U.S.C.§ 120，本美国实用新型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(CATALYTIC CONVERTERSTRUCTURES WITH INDUCT1N HEATING) ” 的美国实用新型申请 N0.14/452，800 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(CATALYTIC CONVERTER USING FIELD HEATING OF METALCOMPONENT)”的美国临时申请N0.61/910，067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(CATALYTIC CONVERTER EMPLOYINGELECTR0HYDR0DYNAMIC TECHNOLOGY) ”的美国临时申请N0.61/879，211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美国实用新型专利申请的一部分.
技术领域
[0004]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】
[0005]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.
[0006]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.
[0007]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.
【附图说明】
[0008]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:
[0009]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。
[0010]图2是已知形式的催化转化器的纵向剖视图.
[0011]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。
[0012]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.
[0013]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.
[0014]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.
[0015]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.
[0016]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。
[0017]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.
[0018]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。
[0019]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.
[0020]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。
[0021]图13是图12所示的基底片段的纵向剖视图。
[0022]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。
[0023]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.
[0024]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.
[0025]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.
[0026]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.
[0027]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。
[0028]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。
[0029]图21是表现根据本发明的一个实施例的控制器的框图。
[0030]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】
[0031]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.
[0032]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.
[0033]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。
[0034]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.
[0035]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.
[0036]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.
[0037]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一一没有足够的燃料.低比值形成富燃条件一一燃料太多。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。
[0038]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.
[0039]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.
[0040]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