废气后处理系统及用于预热催化转化器的方法与流程

1.本公开涉及一种用于车辆的废气后处理系统(exhaust after treatment system，简称eats)，其包括废气排出管，废气排出管具有可连接到车辆发动机的第一端，用于从那里接收废气，并具有位于第二端的排出口，布置成将排放气喷射到环境气体中；连接到废气排出管的催化转化器；和与所述催化转化器进行热交换接触并适于预热所述催化转化器的电加热元件。
2.本公开还涉及一种预热催化转化器的方法。


背景技术：

3.排放法变得越来越严格，强制开发具有在使用过程中进一步减少排放物的内燃发动机的车辆。多年来，通过存在于连接到发动机的尾管(tailpipe)与尾管出口之间的催化转化器减少了从尾管排放的废气。高温对于催化转化器中的化学反应能够足够快地转化由发动机产生的大多数污染物是必不可少的。结果，安装有催化转化器的车辆在发动机运行的前五分钟，即在催化转化器充分加热而达到点火并充分起作用之前，释放了污染物总量中的大部分。因此，为了创建一个低排放系统，催化转化器的足够大的部分必须在废气到达之前被充分加热。
4.为了降低排放，在催化转化器内部已经引入了带有加热线圈的催化转化器组件，加热线圈在车辆发动和/或发动机启动后立即通电，使催化转化器迅速达到工作温度，以减少排放的污染物。
5.在已知的配置中，加热元件，特别是加热盘，配置在通过排气管的废气的流动方向上位于辅助催化转化器的上游。已知的加热器元件直接放置在废气后处理系统(eats)内部，并形成最接近发动机的催化转化器的元件。
6.该放置的一个缺点是，因发动机的持续高温，以及因打不着火(misfire)达到温度峰值，来自油和未过滤的废气的残余物，加热器元件处于最容易老化的位置。此外，尽管催化转化器通过使用加热盘而加热得更快，但仍存在大约20秒的加热阶段，在该阶段期间，催化转化器不能从在该阶段期间通过催化转化器的发动机废气中完全有效地去除污染物。
7.在另一种已知的配置中，空气/气体经由空气泵和电加热器都位于其中的循环管线循环通过废气后处理系统。在车辆发动后，监控模块发出加热控制命令，使第一电磁阀关闭，关闭发动机和废气后处理系统之间的管道，以及使第二电磁阀打开，使得废气后处理系统与加热循环管线流体连通并与排气管形成回路。在该回路中，然后耐高温循环空气泵开始工作，并且电加热器被通电以进行加热。
8.后一系统的一个缺点是，额外的管道导致了相对庞大的系统，其需要以某种方式包括在车辆设计中。此外，额外的管道导致热损失，从而浪费能量，并导致催化转化器被充分加热需要相对较长的时间。
9.需要提供一种用于车辆的废气后处理系统，以进一步减少通过废气排放的污染物。
10.此外，还需要提供一种用于车辆的废气后处理系统，其中已经解决了上述缺点中的一个或多个。


技术实现要素：

11.根据本公开，废气后处理系统(eats)的加热器元件相对于第一端位于催化转化器的下游，废气后处理系统适于在车辆启动时，开启加热器元件并且在将来自发动机的废气朝向第二端处的排出口传送前的预定时间段，将来自第二端的气体在废气排出管的第一端的方向上流过催化转化器。
12.通过将加热器元件放置在催化转化器的下游，保护其免受发动机高温峰值、不点火和源自油的金属的影响。加热器元件极其靠近催化转化器，允许催化转化器通过辐射被加热器元件加热。此外，由于eats适于在车辆启动时朝向发动机吸回气体，因此气体在通过催化转化器之前通过加热器元件并通过对流加热催化转化器，提高传热的效率并使催化剂干燥。催化剂的干燥也有利于初始排放物的转换。
13.催化转化器的加热在发动机点火前开始，因此在第一废气通过它之前，催化转化器被加热，优选接近其起燃温度(light-off temperature)。
14.被朝向发动机吸回的气体可以包括环境空气和/或曲轴排放物及来自先前发动机运转事件的发动机废气，它们在车辆启动时已经存在于催化转化器和废气排出管中。在将废气从发动机传送到排出口之前的预定时间段吸回的气体，防止这些废气在催化转化器被充分加热之前通过催化转化器。这使得离开排出口的有害排放物的量大大减少。
15.预定时间段可以小于30秒，优选小于20秒，最优选小于15秒。
16.应注意的是，在气体在发动机的方向上流回的预定时间段内，发动机还不能运行。但是，由于加热器元件的定位，催化转化器通过辐射和对流两者进行加热，从而加热阶段效率高，并且预定时间段相对较短，允许发动机在开启车辆后快速启动。优选地，所述预定时间段基于针对催化转化器的温度的模型和/或测试数据。该测试数据确定了利用热气体填充加热器元件上游的催化转化器所需的时间量。典型的加热时间可以是在10到30秒之间。
17.可以提供一种温度传感器，用于感测废气排出管和/或催化转化器中的温度，所述预定时间段基于由所述温度传感器感测的预定温度值。
18.被感测的温度可以是催化转化器的直接温度，或者废气系统内的其他温度，例如废气排出管的第一端附近的气体温度。
19.废气排出管的第一端与催化转化器之间的内部容积可以适于容纳在预定时间段期间从第二端流过加热器元件的气体的体积。
20.例如，当催化转化器容积是1升而催化转化器与加热器元件之间的管道容积是0.5升时，需要在上游方向上输送1.5升气体(忽略更热气体体积的增加)，以便利用已经通过加热器元件的被加热空气填充管道和催化转化器。在这种情况下，位于催化转化器上游的废气排出管的容积需要容纳至少1.5升的气体。
21.为了充分加热催化转化器而需要吸回的气体的体积可以不大于催化转化器的容积。但是，通过将从废气系统抽出的气体尽可能远离催化转化器的上游，更多被加热的气体被泵送通过催化转化器，从而将其暴露在更多的热量中，并在发动机启动前将其加热到更高的温度。因此，当第一端与催化转化器之间的废气排出管系统的内部容积大于催化转化
器以及存在于催化转化器与加热器元件之间的任何管道的内部容积时，加热效应增强。
22.第一端与催化转化器之间的内部容积可以小于催化转化器的容积。优选地，该容积足够大以容纳预热催化剂(优选达到接近起燃的温度)的被加热气体。
23.这使得几乎所有被吸回的气体都被保留在eats中。因此，eats能够保持相对紧凑，例如，在车辆设计中不需要预留空间来容纳旁通回路所需的额外管道。
24.废气后处理系统可以包括气体泵，所述气体泵在第一端处或第一端附近利用入口连接到废气排出管部分，并布置成在从所述第二端朝向废气排出管的第一端的上游方向泵送气体。
25.由于气体泵仅在发动机开始运行前的预定时间段期间激活，且该泵位于距离加热器元件的一距离处，因此该泵不用必须承受高温。特别地，当排气管的第一端与加热器元件之间的内部容积足够大以保持在所述预定时间段内泵入上游的被加热气体的体积时，不需要被加热气体通过该泵。结果，不需要能够承受高温的特殊泵，相反地，可以使用常规泵。与高温泵相比，这样的常规泵的复杂性更低，由此能够以更低的成本制造所产生的eats。
26.该泵可以利用出口连接到加热器元件下游的废气排出管部分。
27.第二催化转化器可以放置在加热器元件的下游，在所述加热器元件与废气排出管的第二部分之间。
28.第二催化转化器在发动机运行同时废气从第一端流向eats的第二端期间，进一步减少了排放物的量。
29.气体泵出口可以位于该第二催化转化器的上游或下游。如果出口位于第二催化转化器的上游，则通过气体泵再循环到废气排出管中的任何空气/气体在离开eats之前沿着第二转化器传送。
30.气体泵可以包括双向泵，该双向泵在电加热器元件与第二催化转化器之间的位置处进一步连接到废气排出管，并且适于在从加热器元件朝向第一端的上游方向以及从加热器元件到第二催化转化器的下游方向泵送气体。
31.结果，第二催化转化器能够使用单个电加热器元件和泵预热。
32.eats还可以包括真空罐，该真空罐与废气排出管的在第一端与催化转化器之间的第一部分流体连接，所述真空罐被布置成存储在预定时间段期间从废气排出管的第二端朝向第一端流动的气体，并适于在来自发动机的废气朝向排出口流动时以受控方式释放所存储的气体。
33.该罐提供了用于在车辆启动与发动机启动时第一气缸点火之间的预定时间段内吸回到eats中的气体的额外储存容积，确保能够容纳足够量的气体。该罐布置成没有气体释放到环境空气中。当已经过去所述预定时间段且发动机点火时，存储的气体从该罐中以受控方式释放，从而获得存储的气体和在燃烧循环期间产生的废气的混合物，混合物具有在催化转化器能够有效地去除污染物的预定界限内的污染物含量。
34.该罐可以在废气后处理系统中没有加热元件的情况下使用，在这种情况下，当发动机第一次开始运动时，空气被吸入罐，并且当第一气缸被点火时，停止进气。吸取来自发动机启动前的前一发动机循环的曲轴排放物和残余排放物，然后受控地释放所累积的残余气体，这提供了排放物的减少。
35.该真空罐可以在所述罐与废气排出管之间的流体连接装置中设有控制阀，所述控
制阀适于以受控方式将气体从真空罐释放到废气排出管中。
36.气体泵可以经由真空罐连接到废气排出管。
37.这允许使用相对较小的气体泵，因为主要需要气体泵在真空罐内产生真空。该真空是在前一发动机运转事件中发动机的运行期间产生的，例如在车辆被关闭后再发动之前，或从曲轴产生的。真空在这种情况下提供了在发动机启动前将气体吸回到eats的主要驱动力。当在流体连接装置中不设置控制阀时，气体泵可以设定为在所述预定时间段已经过去后以受控方式释放真空，从而将所述罐内部的气体与来自发动机的废气一起以受控方式释放到废气排出管中。
38.在启动车辆时，通过吸收冷的曲轴排放物和废气排出管内的残余废气，在没有加热器元件的情况下使用真空罐可以显著降低排放。通过控制这些冷气体的释放，当发动机被点火时，所述气体与在发动机开始排放时的温暖废气在传送通过催化转化器之前混合，导致污染物的输出降低。
39.加热器元件可以是环形的，使得流过废气排出管的气体从所有侧被加热。
40.加热器元件能够设置有催化剂涂层，使其形成催化转化器的一部分，额外地从废气中去除污染物。催化剂涂层通常是铂族金属和由氧化铝、氧化铈和其他无机氧化物组成的洗涤涂层(wash coat)的混合物。洗涤涂层附着在基底箔上并创建了允许施加催化剂材料(铂族金属)的大表面积。
41.根据本公开的方法提供了在发动机点火之前对催化转化器的预热，包括激活加热器元件和将气体从第二出口管部分沿着加热器元件和催化转化器流入第一出口管部分。
附图说明
42.将参照附图，通过示例来描述根据本公开的废气处理系统的实施例，在附图中：
43.图1显示了根据本公开的eats的示意图；
44.图2显示了包括真空罐的eats的示意图；以及
45.图3显示了包括气体泵和真空罐的eats的示意图。
具体实施方式
46.图1示出了eats 100的示意图，其中eats100具有废气排出管1a，1b、第一催化转化器4、加热器元件5、第二催化转化器6、气体泵10和控制器20。废气排出管1a、1b利用第一端2连接到车辆的内燃发动机(ice)30，并且具有在距离发动机3预定距离处形成到周围环境的出口的第二端3。废气排出管由第一部分1a和第二部分1b形成，第一和第二催化转化器4、6以及加热器元件5位于所述第一与第二部分1a、1b之间，形成从发动机30的排出口延伸到形成出口的第二端3的封闭管道系统。在正常废气流条件作为参考点的情形下，当发动机30是流动通过废气排出管1a、1b的气体源时，电加热器元件5被认为位于第一催化转化器4的下游和第二催化转化器6的上游。
47.气体泵10利用入口11在第一端2处或第一端2附近连接到废气排出管的第一部分1a，并显示利用第一出口12连接到第二催化转化器6，还利用第二出口13连接到废气排出管的第二部分1b。需要注意的是，从技术角度来看，出口12、13都不需要，而且从泵排出的任何气体都能够在车辆的发动机舱中喷出。但是，法规可能要求由泵10排出的气体经由废气排
出管的出口3排出，从而在这样的情况下需要两个所示的出口12、13中的至少一个。当第一和第二出口12、13两者都包括在eats中时，出口12、13可以形成为独立的出口，或者出口12、13可以组合在一个具有分别连接到第二催化转化器6和第二部分1b的独立分支的联合出口中。
48.气体泵10和电加热器元件5都与控制器20通信。控制器20可以是发动机管理系统的一部分，或者能够形成单独的模块。控制器20适于在车辆正被启动时，在发动机30被点火之前，开启加热器元件5和气体泵10。结果，气体，包括来自先前车辆使用事件的残余发动机废气和环境空气，沿着与发动机运转事件期间流过的任何发动机废气相反的方向被吸回到废气排出管部分1a、1b中，朝向发动机3流动。结果，在通过第一催化转化器4之前，气体首先被加热器5加热，使得第一催化转化器4通过传送的气体加热以及通过直接相邻的加热器元件5的辐射直接加热。
49.控制器20适于在发动机点火之前的预定时间段内激活气体泵10，在该预定时间段期间没有已加热的气体流过气体泵10。对此，废气排出管的第一部分1a和第一催化转化器4的组合容积被设计为足够大，以在所述预定时间段内容纳泵入的气体量，该气体量足以将第一催化转化器加热到起燃温度。通过建模和/或测试已经确定了所需的内部容积和气流。所述预定时间段也遵循所述建模和/或测试，并且可以被控制器20直接用作预定值。可选地或额外地，温度传感器7可以包括在eats中，例如在第一催化转化器4上或在气体泵10的位置处，并且控制器20能够适于一旦传感器7测量到预定温度就停止气体泵10。在泵10停用后，发动机30被点火并且废气穿过废气排出管部分1a、1b流向出口3。
50.第二催化转化器6是可选元件，根据特定的设计要求和/或规定，它可以存在或不存在。可选地，eats可以邻近第一和/或第二催化转化器4、6安装附加催化转化器。
51.可选地，但没有显示，一个或多个阀可以被包括在气体泵10的入口11或出口12、13中，这也可以被控制器20控制，并在气体泵10运转时设置处于打开位置，当气体泵10关闭时处于关闭位置。
52.图2示出了根据本公开的第二实施例的eats 200的示意图。eats200具有真空罐18，而不是图1中所示的气体泵10。因此，废气排出管的第一和第二部分1a、1b，与第一和(可选)第二催化转化器4、6以及在第一部分1a与第二部分1b之间的加热器元件5形成从发动机30的在第一端2处的排出口延伸到形成排气口的第二端3的封闭管道系统。真空罐18经由双向流体连接装置15在第一端2附近连接到第一部分1a。控制器20与加热器元件5和真空罐18通信，其中真空罐18设有能由控制器20操作的一个或多个阀(未示出)。
53.在车辆启动时且在发动机30点火之前，控制器20开启加热器元件5并且打开其中存在真空的真空罐18中的阀，从而气体由于真空而被吸入罐15中。结果，气体，包括来自以前车辆使用事件的残余发动机废气和周围空气，沿与发动机运转事件期间流过的任何发动机废气相反的方向流动，被吸回到废气排出管部分1a，1b。然后，气体在通过第一催化转化器4之前，首先被加热器元件5加热，从而第一催化转化器被通过的气体加热以及被来自直接相邻的加热器元件5的辐射直接加热。
54.罐18形成封闭容积，使得没有气体释放到环境空气中。罐18的内部容积被选择为足够大，以便在用于第一催化转化器4预热的预定时间段内吸入足够体积的气体。罐18的内部容积等于或大于第一催化转化器4的内部容积，其可以是约3l或更大的体积。
55.控制器20允许发动机30在已经过去所述预定时间段后启动，并控制真空罐18中的阀以将现在储存在罐中的气体以受控方式释放回废气排出管部分1a中，从而被释放的气体与来自发动机30的废气混合，然后穿过现在被加热的第一催化转化器4以从中去除污染物。eats 200适于在储存的气体释放时恢复真空罐18内部的真空状态，并保持真空状态，直到车辆重新启动并开始第一催化转化器4的新的预热循环。
56.图3示出了根据本公开的第三实施例的eats 300的示意图。eats300具有图1的eats的特征和图2的eats的特征的结合。因此，eats300具有第一和第二废气排出管部分1a和1b、第一催化转化器4、加热器元件5、可选的第二催化转化器6、控制器20、气体泵10以及真空罐18。第一部分1a、第二部分1b、第一催化转化器4、第二催化转化器6以及加热器元件5形成从发动机30的位于第一端2处的排出口延伸到形成出口的第二端3的封闭管道系统。
57.真空罐18经由双向流体连接装置15在第一端2附近连接到废气排出管的第一部分1a。气体泵10利用入口14连接到真空罐18的内部容积，并且利用第一出口12连接到第二催化转化器6以及利用第二出口13连接到第二部分1b。控制器20经由控制线连接到加热器元件5、气体泵10和真空罐18。
58.当启动车辆且在发动机30发动之前，控制器20开启加热器元件5并打开其中存在真空的真空罐18的双向流体连接装置15中的阀(未示出)，使得气体被吸入到罐15中。气体泵10也可以被开启，以进一步由真空罐18增加吸力，从而加快气体沿向上游方向流过第一催化转化器4的速率。
59.控制器20允许发动机30在已经经过预定时间段后启动，该时间段是预定时间或达到预定温度与预定温度被温度传感器7测量到的间隔。发动机点火后，控制器20通过沿相反方向运行的气体泵10从真空罐18经由入口14泵送气体，以受控方式从罐18将存储的气体释放回废气排出管部分1a中。在释放所储存的气体并关闭真空罐18的双向流体连接装置15到废气排出管的第一部分1a的阀后，泵10恢复真空罐18内部的真空状态。保持罐内的真空状态，直到车辆重新启动和第一催化转化器4的新的预热循环开始。

技术特征：
1.一种用于车辆的废气后处理系统(100、200、300)，包括废气排出管(1a、1b)，其具有能连接到车辆发动机(30)的第一端(2)，用于接收来自所述车辆发动机的废气，并具有位于第二端(3)处的被布置成排出排放气的排出口，催化转化器(4、6)，其连接到所述废气排出管(1a、1b)，以及电加热器元件(5)，其与所述催化转化器(4、6)进行热交换接触并适于预热所述催化转化器(4、6)，所述加热器元件(5)相对于所述第一端(2)定位在所述催化转化器(4、6)的下游，并且所述废气后处理系统适于在所述车辆启动时开启所述加热器元件(5)，并在使来自所述发动机(30)的废气朝向位于所述第二端(3)处的排出口传送之前的预定时间段，将来自所述第二端(3)的气体沿所述废气排出管(1a、1b)的第一端(2)的方向流过所述催化转化器(4、6)。2.根据权利要求1所述的废气后处理系统(100、200、300)，所述预定时间段小于30秒，优选小于20秒，最优选小于15秒。3.根据权利要求1或2所述的废气后处理系统(100、200、300)，还包括温度传感器(7)，其用于感测所述废气排出管(1a、1b)和/或所述催化转化器(4、6)中的温度，所述预定时间段基于由所述温度传感器(7)感测的预定温度值。4.根据前述权利要求中任一项所述的废气后处理系统(100、200、300)，其中所述废气排出管部分(1a)的第一端(2)与所述催化转化器(4)之间的内部容积适于容纳在所述预定时间段期间从所述第二端(3)流过所述加热器元件(5)的气体的体积。5.根据前述权利要求中任一项所述的废气后处理系统(100)，还包括气体泵(10)，所述气体泵(10)在所述第一端(2)处或所述第一端(2)附近利用入口(11)连接到所述废气排出管部分(1a)，并布置成在从所述第二端(3)朝向所述废气排出管(1a、1b)的所述第一端(2)的上游方向上泵送气体。6.根据权利要求5所述的废气后处理系统(100)，其中所述气体泵(10)利用出口(13)连接到所述废气排出管的在所述加热器元件(5)下游的部分(1b)。7.根据前述权利要求中任一项所述的废气后处理系统(100、200、300)，还包括第二催化转化器(6)，其位于所述加热器元件(5)的下游，处于所述加热器元件(5)与所述废气排出管的第二部分(1b)之间。8.根据权利要求7和权利要求5所述的废气后处理系统(100)，其中所述气体泵(10)是双向泵，所述双向泵在所述电加热器元件(5)与所述第二催化转化器(6)之间的位置(12)处进一步连接到所述废气排出管，并且适于在从所述加热器元件(5)朝向所述第一端(2)的上游方向上以及从所述加热器元件(5)到所述第二催化转化器(6)的下游方向上泵送气体。9.根据前述权利要求中任一项所述的废气后处理系统(200、300)，还包括真空罐(18)，所述真空罐与所述废气排出管的在所述第一端(2)与所述催化转化器(4、6)之间的第一部分(1a)流体连接，所述真空罐(18)布置成存储在所述预定时间段期间从所述第二端(3)朝向所述废气排出管(1a、1b)的所述第一端(2)流动的气体，并适于在来自所述发动机(30)的废气朝向所述排出口流动时以受控方式释放所储存的气体。10.根据权利要求9所述的废气后处理系统(200、300)，其中所述真空罐(18)在所述罐(18)与所述废气排出管(1a、1b)之间的流体连接装置中设置有控制阀，所述控制阀(18)适
于以受控方式将来自所述真空罐(18)的气体释放到所述废气排出管(1a、1b)中。11.根据权利要求9或10所述的废气后处理系统(300)，其中所述气体泵(10)经由所述真空罐(18)连接到所述废气排出管(1a、1b)。12.根据前述权利要求中任一项所述的废气后处理系统(100、200、300)，其中所述加热器元件(5)是环形的。13.根据前述权利要求中任一项的废气后处理系统(100、200、300)，其中所述加热器元件(5)设置有催化剂涂层。14.一种在废气后处理系统中预热催化剂的方法，所述废气后处理系统包括利用出口在第一端(2)处连接到第一废气排出管部分(1a)的燃烧发动机(30)、催化转化器(4、6)、加热器元件(5)和在第二端(3)处具有排出口的第二废气排出管部分(1b)，当沿着在发动机(30)运行时废气的流动方向观察时，所述加热器元件(5)放置在所述第一废气排出管部分(1a)的下游，所述方法包括在所述发动机(30)点火之前，激活所述加热器元件(5)并将来自第二废气排出管部分(1b)的气体沿着所述加热器元件(5)和所述催化转化器(4、6)流到所述第一废气排出管部分(1b)中。

技术总结
用于车辆的废气后处理系统(100、200、300)，其包括废气排出管(1a、1b)，具有可连接到车辆发动机(30)的第一端(2)，用于接收来自车辆发动机的废气，并具有在第二端(3)处布置成喷射排放气的排出口；连接到废气排出管的催化转化器(4、6)；和与催化转化器导热接触并适于预热催化转化器的电加热器元件(5)。加热器元件相对于所述第一端定位在催化转化器的下游。在车辆被启动时，开启加热器元件并在废气从发动机朝向在第二端的排出口传送之前的预定时间段，将气体从第二端在废气排出管的第一端的方向上流过所述催化转化器。方向上流过所述催化转化器。方向上流过所述催化转化器。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：沃尔沃汽车公司
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/6/13