CN109424401B - 利用具有可移动热分布曲线的感应加热进行气体排放物处理的装置和方法 - Google Patents

利用具有可移动热分布曲线的感应加热进行气体排放物处理的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于处理气体排放物的组件，所述组件具有：基体，该基体具有用于待处理的排放气体通过的单元和位于一些单元中的感应加热元件。安装在基体附近的电磁场发生器产生变化的电磁场，以便感应加热该感应加热元件并且因此加热基体。感应加热元件中的一些具有第一固有共振频率，其他电感元件具有与第一固有共振频率不同的第二固有共振频率。用于电磁场发生器的电源以接近第一共振频率的频率操作一时间段并且在接下来的时间段内以接近第二共振频率周期的频率操作。通过在不同时间在频率之间进行切换，加热分布曲线可以在基体中移动。

Description

利用具有可移动热分布曲线的感应加热进行气体排放物处理 的装置和方法
相关专利的交叉引用
本申请按照美国专利法35 U.S.C.§119(e)要求于2017年8月27日提交的、题为“利用具有可移动热分布曲线的感应加热进行气体排放物处理的装置和方法”的美国临时申请62550652和于2017年9月9日提交的、题为“利用具有可移动热分布曲线的感应加热进行气体排放物处理的另外装置和方法”的美国临时申请62556343的优先权。
技术领域
本发明涉及催化转化器、微粒过滤器(PF)和类似结构的结构和操作方法，用于处理排放气体以减少有害污染，并且特别但非排他性地应用于在启动时和在空转时减少内燃机的污染。
背景技术
美国交通部(DOT)和美国环境保护署(EPA)制定了美国联邦法规，规定了国家温室气体排放标准。从2012车型年开始，汽车制造商被要求每年将车队范围内(fleet-wide)的温室气体排放量减少约5％。例如，其中新标准规定在2016年车型，新乘用车、轻型卡车和中型客车必须估计的平均排放水平之和不超过每英里250克二氧化碳(CO2)。
催化转化器和DPF用于内燃机中，以减少燃料作为燃烧循环的一部分燃烧时产生的有害排放气体排放。这些排放物中的重要物质是一氧化碳和一氧化氮。这些气体对健康有害，但可以通过分别氧化成二氧化碳和氮气/氧气而转化为较少毒性的气体。其他有毒气体排放产物(包括未燃烧的碳氢化合物)也可以通过氧化或还原转化为较少毒性的形式。如果转化过程在高温下进行并且在合适的催化剂存在下进行，则转化过程可以实现或加速，其中所述催化剂与特定有毒排放气体相匹配，所述特定有毒排放气体待被处理并转化成良性气态形式。例如，用于将一氧化碳转化为二氧化碳的典型催化剂是微小的铂和钯，而用于将一氧化氮转化为氮气和氧气的典型催化剂是微小的铑。
催化转化器和PF在冷却时效率低，即从环境空气启动温度到大约300℃或“起燃”温度的运行温度，即先前描述的金属催化剂开始加速污染物转化处理的温度。起燃通常表征为发生有毒排放减少50％的温度，汽油的起燃约为300℃。在起燃温度之下，几乎没有甚至没有催化作用发生。因此，这是车辆日常使用期间产生大部分车辆污染排放的时期。尽可能快地获得催化转换器或PF热对于减少冷启动排放非常重要。
共同未决的美国专利申请14452800(具有感应加热的催化转化器结构)示出了催化转化器组件，该催化转化器组件具有基体主体，该基体主体具有多个单元，用于使排出排放气体通过单元排出。金属位于基体主体中的预定位置处，并且电磁场发生器安装在基体主体附近，用于感应地产生变化的电磁场以加热金属并因此加热基体主体。
附图说明
为了说明的简单和清楚，附图中示出的元件不是按照共同的比例绘制的。例如，为清楚起见，一些元件的尺寸相对于其他元件被夸大。在结合附图考虑以下描述和权利要求时，本发明的优点、特征和特点以及结构的相关元件的方法、操作和功能以及部件的组合和制造经济性将变得显而易见。所有这些附图构成说明书的一部分，其中相似的附图标记表示各附图中的对应部分，并且其中：
图1是现有技术的气体排放物处理单元的纵向剖视图。
图2是适用于本发明实施例的气体排放物处理单元体的纵向剖视图。
图3是图2的单元体的剖视图。
图4是气体排放物处理单元体的一部分的透视剖视图，示出了位于基体主体的单元中的金属元件。
图5示出了根据本发明实施例的基体的纵向剖视图，该基体适用于图1所示形式的气体排放物处理单元体，该基体以允许基于激励频率的选择而移动热分布曲线的方式与金属堆叠。
图6示出了当经受相对低频的感应加热时图5的基体。
图7示出了当所选单元内的金属元件经受相对低频感应加热时沿基体的热分布曲线。
图8示出了当经受相对高频感应加热时的图5的基体。
图9示出了当所选单元内的金属元件经受相对高频感应加热时沿基体的热分布曲线。
图10显示了当经受中等频率感应加热时图5的基体。
图11示出了当所选单元内的金属元件经受中等频率感应加热时沿基体的热分布曲线。
图12示出了根据本发明实施例的基体的横截面，该基体适用于图1所示形式的气体排放物处理单元体，该基体以允许基于激励频率的选择而移动热分布曲线的方式与不同的内部和外部金属元件堆叠。
图13示出了当所选单元内的金属元件经受相对低频感应加热时的图12的基体。
图14示出了对应于图13的热分布曲线。
图15示出了当所选单元内的金属元件经受相对高频感应加热时的图12的基体。
图16示出了对应于图15的热分布曲线。
图17示出了当所选单元内的金属元件经受中等频率感应加热时的图12的基体。
图18示出了对应于图17的热分布曲线。
图19示出了根据本发明另一实施例的基体的横截面，其适用于图1所示形式的气体排放物处理单元体，呈棋盘式图案、堆叠第一和第二金属元件，该基体允许基于激励频率的选择而实现加热分布曲线的反转。
图20示出了当所选单元内的金属元件经受相对低频感应加热时的图19的基体。
图21示出了对应于图20的热分布曲线。
图22示出了当所选单元内的金属元件经受相对高频感应加热时的图19的基体。
图23示出了对应于图22的热分布曲线。
图24示出了当所选单元内的金属元件经受中等频率感应加热时的图19的基体。
图25示出了对应于图24的热分布曲线。
图26示出了使用单个引脚材料的感应加热基体的与时间相关的感应加热。
图27示出了当经受相对低频感应加热时使用双引脚材料的感应加热基体的与时间相关的感应加热。
图28示出了当经受相对高频感应加热时使用双引脚材料的感应加热基体的与时间相关的感应加热。
图29是根据本发明的实施例的控制***的示意图。
具体实施方式
气态排放物处理组件可采用多种形式中的任何一种。其中典型的催化转化器具有通常由陶瓷材料制成并通常称为砖的圆柱形基体主体10，其示例在图1中示出。砖具有蜂窝结构，其中许多小面积通道或单元12延伸了砖的长度，这些单元由壁14分开。通常每平方英寸(cpsi)的基体主体10的横截面具有400至900个单元，壁的厚度通常在0.003至0.008英寸的范围内。通常，陶瓷基体主体10在挤出过程中形成，其中含有粘土或粘土和颗粒陶瓷的混合物的未处理陶瓷材料通过适当形状的模具挤出，并且从所述挤出过程中连续地切割单元体。烧制这些单元体以将粘土组分转化为陶瓷，然后将这些单元体切成砖。单元或通道12的面形状可以是任何便于促进基体主体10的整体强度的形状，同时具有大的接触面积，在该接触面积处流动的排放气体可以与涂覆单元的内壁的热催化剂相互作用。在诸如颗粒过滤器的其他气体排放物处理中，在通道壁上可能存在或可能不存在催化剂涂层。在颗粒过滤器中，棋盘式单元的子组单元的前端被堵塞，“反向”棋盘式单元的子组单元的后端堵塞，并且通过将气体排放物通过蜂窝结构的多孔壁从第一子组单元驱动到反向子组单元内而处理气体排放物。
在催化转化器中，管状单元12的内部用含有特定催化剂材料的层洗涂(wash-coating)。洗涂层通常包含基础材料，所述基础材料适合于确保粘附到基体主体的固化陶瓷材料，并且夹带有用于促进特定污染减少化学反应的颗粒催化剂材料。这种催化剂材料的实例是铂和钯以及铑，所述铂和钯是将一氧化碳和氧气转化成二氧化碳有效的催化剂，所述铑是适合于将一氧化氮转化成氮气和氧气的催化剂。已知其它促进高温氧化或还原其他气态物质的催化剂。通过在陶瓷浆糊或浆料中产生细碎催化剂的悬浮液来制备洗涂层，该陶瓷浆料用于使洗涂层粘附到陶瓷基体的壁上。作为用于将催化剂材料布置在基体主体表面上的洗涂方式的可替代方案，基体主体材料本身可以包含催化剂，使得砖在界定单元的内表面处具有催化剂材料。
来自柴油(压缩燃烧)发动机的排放气体比来自汽油(火花燃烧)发动机的排放气体含有更多的氮氧化物。甚至在低水平下长期暴露于氮氧化物也可能导致暂时或永久的呼吸问题。选择性催化还原(SCR)是这样一种方法：通过该方法将液体还原剂注入柴油发动机排放气体流中，以与排放气体中的二氧化氮和一氧化氮(统称为NOX)结合。优选的还原剂是尿素溶液(2(NH2)2CO，通常称为柴油机排放气体流体(DEF)。在催化剂存在的情况下，尿素热分解产生的氨与氮氧化物结合产生危害较小的产物，主要是氮和水。其他还原剂如无水氨和氨水也可用作尿素的替代品，但特别是在汽车应用中，车载储存存在较大的困难。合适的催化剂可以是任何某种金属氧化物(如钼、钒和钨的那些氧化物)、某些贵金属和沸石。SCR反应的典型温度范围是360℃到450℃，使用诸如活性炭的催化剂来刺激低温反应。如在汽油(火花燃烧)发动机那样，柴油(压力燃烧)发动机可能在启动后经历一段时间，其中排气温度太低而无法有效地发生SCR NOx还原过程。其中本发明用于预热或补充加热应用的其它催化转化器是贫(lean)NOX催化剂***、贫NOX捕集***和非选择性催化还原***。本发明也适用于这些氮氧化物排放处理组件中的每一个。
气体排放物处理组件可具有一系列基体主体或砖10，每个基体主体或砖10具有特定的催化剂层或排放处理模式，这取决于待减少或中和的有害排放物。气体排放处理砖可以由除烧制陶瓷之外的材料制成，例如不锈钢。而且，它们可相比上述那些具有不同形式的蜂窝状单元或通道。例如，单元可以是圆形、正方形、六边形、三角形或其他方便的横截面形状。另外，如果需要优化强度和低热容量或用于其他目的，一些挤出的蜂窝壁可以形成为比其他壁更厚或者形成为使得单元的形状和尺寸有一些变化。相邻的内部单元壁之间的连接可以是锐角的或者可以呈现弯曲的轮廓。
通常，如图1所示，洗涂的陶瓷蜂窝砖10包裹在陶瓷纤维膨胀毯16中。金属板壳体或罐18在气态排放物处理部件的前后的排气管(未示出)部分之间过渡，以包围毯式包裹砖。壳体18通常由两个部件组成，这两个部件被焊接以将砖密封在适当位置。膨胀毯16在壳体18和砖10之间提供缓冲，以适应它们不相似的热膨胀系数。在给定的温度升高下，金属板壳体18的金属比砖的陶瓷材料膨胀得更多，并且如果两种材料结合在一起或彼此直接接触，则在这两种材料的界面处会发生破坏性应力。膨胀毯16还抑制来自排气***的振动，否则该振动可能损坏基体主体10的脆性陶瓷。
在使用中，包封的一块或多个砖安装在车辆排气管线中以接收来自发动机的排放气体并将它们传递到车辆尾管。排放气体32进入气态排放物处理部件10的前部，处理过的排放气体34从其后部排出。在沿单元通过的过程中，流经陶瓷砖10和催化剂涂层的排放气体被加热以促进流动气体与催化剂层接触的处理过程。特别是当车辆发动机在最佳工作温度运行并且当存在大量的排放气体吞吐量时，这种处理部件基本上操作用以减少进入大气的有害气体排放物的存在。然而，这些部件在砖的内部处于低温的情况下启动时、在城市驾驶期间的空转期间、或在车取咖啡店(Tim Hortonsdrive-through)时等待咖啡时、以及在混合动力车辆的电驱动周期之间存在缺点。
不同制造商的砖形、型材和单元密度不同。例如，虽然大多数砖是圆形的，但是一些砖的横截面形状是椭圆形、方形或不规则的。一些组件具有单级砖，其通常用催化剂金属大量洗涂，而其他组件可具有两个或三个砖，每个砖上具有不同的洗涂层。一些排气装置在全排气组件中使用900、600和400cpsi的单元密度，而其他排气装置在整个排气装置中仅使用400cpsi的砖。紧密联接转换器可以靠近排气歧管安装，以减少启动和起燃温度之间的时间。底板下(underfloor)转换器可以位于远离发动机处，其中加热需要相对较长时间但相对较大的转换器并且一旦排气组件达到温度就用于处理大部分气体。在另一种结构中，用于减少起燃温度的时间段的部件和在起燃后处理高气流的部件一起安装在共同的壳体中。
在组件中的一个或多个位置处，安装在排放气体流中的传感器(包括在基体本体内或附近的传感器)向发动机控制***提供反馈，以用于排放检查目的和调节目的。除了启动之外，控制燃料和空气输入的目的通常是保持14.6：1的空气：燃料比，以实现功率和清洁度的最佳组合。高于此的比率会产生稀薄状态，即燃料不足。较低的比率会产生富余的状态，即燃料过多。一些车辆的启动程序在最初的几秒钟内运行良好，以将热量引入发动机中并最终引入催化转化器中。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以与紧密联接的催化转化器、地板下转化器以及这两者的结合中的每一种一起使用。来自温度传感器的输出被送到控制器，在该控制器处，所监测的一个或多个温度用于控制何时接通和断开感应加热。使用在控制器处实施的适当算法，所监测的温度还可用于控制所施加的加热过程的特定效果以实现特定的加热模式。
如美国专利No.9488085中所公开的，对如图1所示的气体排放物处理组件如图1和2所示那样地进行修改，以使得能够进行感应加热。感应加热是一个过程，在这个过程中，通过施加变化的电磁场以改变金属体所经受的磁场来加热金属体。这继而在金属体内引起涡流，从而引起金属体的阻抗加热。在铁磁金属体的情况下，热量也由滞后效应产生。当非磁化的铁磁金属被置于磁场中时，金属通过产生具有相反磁极的磁畴而被磁化。变化场周期性地启动磁畴中的极性反转，该极性反转响应于大约为1,000s至1,000,000s循环/秒(Hz)(这取决于铁磁金属体的材料、质量和形状)的高频感应场变化。磁畴的极性不易反转，并且对于反转的阻抗导致在金属中进一步产生热量。
如图2和3所示，围绕陶瓷基体本体10的是金属线圈20，并且，虽然在图2中不可见，但是位于所选单元12中的一者内的是金属元件22(图4)，诸如导线。通过在线圈20处产生变化的电磁场，引发链式反应，其最终结果是：在存在变化的电磁感应场的情况下，与没有这样的场相比，在配备有体现本发明的排放***的车辆启动之后，可以更快地获得起燃温度。链式反应如下：变化的电磁场在金属元件22中引起涡电流；涡电流引起金属元件的加热；来自金属元件22的热量传递给陶瓷基体本体10；来自加热的基体本体10的热量在其通过排放控制部件时被传递给排放气体；并且与仅具有由车辆发动机运行产生的热量的排放气体所致使的起动的时间段相比，加热的排放气体使壁14处的放热催化反应更快地开始。当排放部件运行时，来自加热的金属元件22的传导是传递到陶瓷基体10并且因此传递到排放气体的主要传热源。在金属元件(诸如导线)和容纳它们的单元的内表面之间的任何小气隙处也存在少量的对流和辐射热传递。
线圈20是缠绕的铜管段，尽管也可以使用其他材料，诸如铜导线或绞合线。铜管是优选的，因为它就线圈的其他尺寸而言提供大表面积；感应是集肤效应现象，大表面积有利于产生变化的场。如果使用绞合线或铜导线，则导线上的搪瓷或其他涂层配置成在转换器的持续高温操作期间不会烧坏。线圈20和最接近的电感金属元件22之间的气隙防止了从金属元件22到线圈10的显著热传递，否则将会增加线圈电阻率并因此降低其效率。
电磁场屏障/集中材料层24定位成紧接着线圈20的外侧，以提供感应屏障并减少对金属转化器壳体的感应损失。层24还用于增加与基体本体10中的金属的感应耦合，以聚焦加热。屏障/集中器24可以由铁氧体或其他高导磁率、低功率损耗的材料制成，例如Giron，MagnetShield，Papershield，Finemet，CobalTex或其他可以布置成围绕部分或全部的线圈20的绕圈的磁屏障材料。特别地，磁屏障器24用作磁通量集中器、磁通增强器、转向器或磁通控制器，以容纳基体本体内的磁场。磁屏障器通过减轻相邻导电材料的不希望的加热来降低损耗。在没有磁屏障器/集中器24的情况下，由线圈20产生的磁通量可以在线圈20周围扩散并且与导电环境(例如排放气体***中的金属壳体18和其他周围金属，和/或内燃机、车辆、发电机或其他电气***或主机***的部件)连接，降低了这些部件的寿命并增加了能量损失。另外，层24用于将磁场引导或集中到基体本体10，从而提供对基体本体10的期望区域的选择性加热或增强加热，例如，通过重新引导否则将从所需区域移开的磁通量。特别地，层24用于将由线圈20产生的磁通量集中在基体本体10中的金属元件22的方向上，以便更有效地加热。作为额外的益处，磁屏障器可以通过增加功率传输来提高感应线圈20的电效率。
线圈容纳在纤维绝缘护套26中，护套线圈被包裹在铸造的固化绝缘体中。护套起到稳定线圈位置和产生气密密封的作用，以在发生催化作用的情况下限制排放气体通过陶瓷蜂窝状基体本体10的通过。绝缘体还提供屏障以防止感应线圈20在转换器外壳18或铁氧体屏障器24上短路。绝缘体适当地是铝硅酸盐胶粘剂。可替代地，基体本体可以包裹在铝硅酸盐纤维纸中。在一种制造方法中，铜线圈20围绕基体本体缠绕，然后放置在壳体或罐18中。在可替代的制造方法中，线圈20放置在罐或壳体18中，并且基体本体被10***线圈/罐组件。
通过从DC或AC电源施加电力在线圈处产生变化的电磁感应场。传统汽车具有12伏DC电气***。感应***可以在DC或AC电源上运行。产生的感应信号也可以是DC或AC驱动的。对于DC或AC，使用1kw功率作为示例，这产生1kHz至200kHz的频率、130V至200V的RMS电压和5A至8A的安培数。在适用于公路车辆的一个示例中，DC到DC总线将车辆的12VDC电池功率转换为上文所述的所需DC电压。在适用于传统道路车辆的另一示例中，DC到AC逆变器将车辆的12伏DC电池电力转换成上文所述的期望AC电压。另一个示例更适合于具有内燃机和电动机两者的混合动力车辆，其具有额定为约360V电压和50kW功率的车载电池。在这种情况下，电池供电功率较高，但可以应用相同的基本DC-DC总线或DC-AC逆变器电气配置。绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)高速开关用于改变通过线圈的电流方向。就变化的电磁感应场对陶瓷基体本体中的金属的影响而言，低的开关频率产生较长的波形，从而在金属元件的表面下方提供良好的场穿透性并因此提供相对均匀的加热。然而，这是在由于缺乏开关而牺牲了高温和快速加热的条件下产生的。相反，高的开关频率产生较短的波形，在牺牲穿透深度的条件下产生较高的表面温度。施加的功率是有限的，以避免熔化金属元件或使它们达到居里点的风险。单个砖状线圈的合适功率输入大约为1.1kw，尽管超过10kW也是可能的。
如前所述，由铁磁或其他金属制成的元件22位于陶瓷基体本体10的选定位置，如图4的细节图所示。由电磁感应线圈或其他电磁场发生器产生的场可以调谐到金属负载，以在产生热量和减少至起燃温度的时间方面实现高效率。通过适当选择(a)线圈20的电输入波形，(b)无源磁通控制元件(例如屏障/集中器24)的性质和位置，以及(c)线圈20的性质、位置和构造中的任何一个或全部，可以修改加热效果。此外，可以随时间改变所施加的场，使得感应场/加热模式与特定操作阶段之间存在相互依赖性；例如，预启动、预热、高速公路行驶、怠速，以及对于混合动力从内燃到电驱动的间歇性转换。在可替代地配置中，可以使用一个以上的线圈来获得所需的感应效果。
加热模式还受金属元件22的位置和构造的影响。用于金属元件的合适金属是铁磁金属，例如430级不锈钢，其具有高磁导率和耐腐蚀性。也可以使用较低磁导率的合金，例如300或400系列不锈钢。根据所需的特定性能，可以使用可替代金属。为了形成基体中磁通量的方向和强度，可以将较低磁导率的金属或合金用于外部单元中的金属元件，其中相对较高的磁导率金属用于内部单元中的金属元件。也可以使用具有非常高的磁导率的金属。例如，Sandvik制造的Kanthal铁铬铝合金坯料的相对磁导率为9000及以上。使用由包括镍-铁和铁-钴合金的其他合金制成的坯料可以实现高的相对磁导率。
存在希望在感应加热的排放气处理组件的陶瓷基体主体内移动或重新配置加热分布曲线的示例。这些示例包括但不限于以下内容：
1.在基底中形成的单元或通道的内壁涂有两种或更多种不同的洗涂层。洗涂层可以例如具有不同的夹带催化剂。一个洗涂层可以具有一个特定的活化温度或其他性质，另一个洗涂层具有不同的活化温度或其他与温度相关或与加热相关的性质。多个洗涂层可以沿着基体本体的长度被串联地施加、从前到后地施加、在深度方向上从内部到外部地施加，或它们的一些组合。
2.保持催化剂活化(起燃)温度，其中移动或重新聚焦加热的能力使得在陶瓷的至少一个小区域处的催化剂能够保持在活化(或起燃)温度处或高于活化(或起燃)温度。其目的有些类似于在火中保有一个发光的余火，该余火可以通过添加氧气和燃料很容易地恢复到完全火焰，因为已经有火花。
3.实现所需的排放气温度分布曲线以加热下游的后处理***。例如，柴油氧化催化剂(DOC)可用于加热下游的选择性催化还原(SCR)***。从冷启动开始，希望通过从DOC的前部加热并将热量拖动通过DOC来尽可能快地将DOC单元加热到起燃温度，从而尽可能长时间地在DOC中保持热量。一旦被激活，就不需要DOC正面加热，并且因此加热可以向下游朝向基体的背面移动。在背面，保留有非常少的热量并且最大量的热量被传递到下游SCR***，从而确保快速进入起燃和良好的能量管理。
4.如图4所示的感应加热的排放气处理单元的元件具有极限温度，在该温度下它们的操作能力或效率受到不利影响。在引脚或导线材料的情况下，在金属的居里温度下，它可能失去其磁性，尤其是滞后性。滞后损失可能改变单位电感，这继而降低了能量传递的效率和给定输入功率的可实现温度。在洗涂层中的催化剂材料的情况下，催化剂可能在太高的温度下失去其催化性能。在基体材料(通常为陶瓷)的情况下，它可能失去其完整性并且更容易损坏。在所有情况下，可能希望继续施加高能量以便获得对感应加热单元体的快速加热但不会达到可能发生对任何排放气处理单元元件损坏的高温。
在如图4所示的***中，最大功率以***共振频率传递到排放气体处理组件。当电源频率增加到共振频率以上时，传输的功率下降；并且，类似地，如果频率降低到共振频率以下，传输的功率下降。可以通过调节电源频率来控制转移到气体排放物处理基体中的功率。***的共振频率由下式给出：
Figure GDA0002320928440000121
其中：FRES是***的共振频率(Hz)。
L是***电感。
C是***电容。
共振电路包括电感(L)，电阻(R)和电容(C)，电感和电阻严重依赖于材料。通过选择电容器使电容相对固定，并且对于图4***，电容通常与导线或引脚的材料成分无关。电感部分地取决于感应线圈的匝数、线圈形状和尺寸。电阻对线圈的贡献很小。影响***共振频率的其他因素是输入电压和电流以及外部影响(例如周围的金属板)。无论所选单元内的引脚或导线的材料成分如何，许多影响因素都是常见的。
然而，共振频率值取决于引脚材料的性质，其为导致较高的电感的磁导率较高的材料。此外，大部分电阻值由具有较高电阻率材料的引脚材料贡献，导致较高的电阻值。总的来说，基于其结构、质量和其他因素的具有内在或固有共振频率的引脚材料是***共振频率的重要决定因素。
在本发明的一个实施例中，一组金属元件22的材料具有相对低的固有共振频率，而另一组金属元件22的材料具有相对高的固有共振频率。由于排放气体处理组件的其他元件基本上是固定的，元件22的两种不同材料的存在是***共振频率的主要决定因素。对于两种不同的材料，***共振频率是因一种材料引起***共振频率与因另一种材料引起***共振频率之间的折衷(part way)。共振频率下降的点取决于两种材料的质量和分布。在两种材料之间的质量和分布方面的完美对称导致中间共振频率，该中间共振频率处于或接近低***共振频率和高***共振频率的平均值。如果引入不对称，则可以将中间频率加权到频谱范围的一端。选择元件22的两种(或更多种)材料，使得相对较低的电源频率导致大部分加热能量输入被一种材料吸收(#1)，并且相对较高的供电频率导致大部分加热能量输入被另一种材料吸收(#2)。
在如图5至图11的一个构造中，示出了适于通过适当的输入频率选择或改变来沿着基体的长度重新配置加热分布曲线的结构。由具有相对低的固有共振频率的第一材料(#1)制成的引脚、导线或其他金属元件36位于基体10的左手部分中的选定单元12中，并且由具有相对高的固有共振频率的第二材料(#2)制成的元件38位于基体的右手部分中的选定单元12中。在所示的示例中，引脚36、38朝向基体10的中心具有增加的长度，以避免感应“遮蔽”。图5示出了没有施加感应加热的基体，并且排放气体32从左到右穿过单元体的其他单元12。图6示出了施加了相对低频感应加热输入的图5单元体，图7示出了所得到的热分布曲线。图8示出了施加有相对高频感应加热输入的单元体，图9示出了所得到的热分布曲线。图10示出了施加有在相对低频率和相对高频率之间的输入频率的单元体，图11示出了所得到的热分布曲线。尽管图5示出了金属引脚36、38，其长度延伸到基体10的相应端部并且在长度和位置方面布置成呈现V形轮廓，假设材料#1感应加热元件主要是朝向基体本体的一端定位，并且材料#2感应加热元件主要朝向基体10的另一端定位，可以调节该布置。通过适当调整，可以使用具有相互不同的固有共振频率的两种以上的材料，每种材料影响整个***的共振频率，并且根据它们沿基体的分布，通过审慎和时变的供电频率的选择来提供改变加热分布曲线的方法。
在图5结构的变体方案中，沿金属元件的长度具有不同成分的金属元件由特定的单元容纳。例如，成分可以具有朝向元件的一个端部的#1材料成分和朝向所述元件的另一个端部的#2材料成分。可替代地，成分可以沿元件的长度包括多于两相和/或多于两种材料。此外，沿一个元件的材料成分分布可以与沿另一个元件的材料成分分布不同。
在如图12至图18所示的另一种构造中，示出了一种适于通过适当的输入频率选择来重新构造基体上(即从内向外)的加热分布曲线的结构。如图12、图13、图15和图17所示，单元体具有由#1材料构成的引脚40，所述#1材料具有相对低的固有共振频率，所述引脚40位于基体10的径向外部区域42中的单元12中。单元体具有由#2材料构成的引脚44，所述#2材料具有相对高的固有共振频率，所述引脚44位于基体的径向内部区域46中的单元12中。如图12所示，没有施加感应加热，并且排放气体沿“进入页面”的方向行进通过其他的单元。图13示出了施加有相对低频率的感应加热输入的单元体，图14示出了所得到的热分布曲线。图15示出了施加有相对高频率的感应加热输入的单元体，图16示出了所得到的热分布曲线。图17示出了具有处于相对低频率和相对高频率之间的输入频率的单元体，图18示出了所得到的热分布曲线。尽管图12示出了金属引脚40的区域与金属引脚44的区域具有锐分界(sharp cut-off)，但是，假设#1材料的感应加热元件主要位于基体10的圆周附近，并且#2材料的感应加热元件主要位于基体10的中心附近，可以调整该布置。
图19至图25示出了特别适用于高功率居里点控制或高温热控制的另一种构造。由#1材料制成的元件48和由#2材料制成的元件50以棋盘式图案散布横过基体主体10的所选单元12上。如图19、图20、图22、图24所示，金属元件48、50相对于不包含感应加热元件的基体的那些单元而均匀地排列。如图19所示，没有施加感应加热，并且排放气体沿“进入页面”的方向行进通过其他的单元。图20示出了施加相对低频率的感应加热输入的单元体，图21示出了所得到的锯齿形的热分布曲线。图22示出了施加相对高频率的感应加热输入的单元体，图23示出了所得到的锯齿形的热分布曲线，图23所示出的锯齿形的热分布曲线基本上是图21热分布曲线的倒转。图24示出了施加处于相对低频率和相对高频率之间的输入频率的单元体，图25示出了所得到的热分布曲线。如前所述，移动热分布曲线的一种用途是为了避免元件48和/或元件50被加热到其各自的居里点(在居里点处，磁性丧失)从而引起金属元件的损坏。通过在两个频率之间切换，例如对于处于其居里点附近的#1材料的引脚，输入频率从相对较低切换到相对较高。在一段时间的加热之后，感应加热能量主要集中在#2材料的引脚上并且#2材料可能接近其自己的居里点，输入频率从相对较高的频率切换回相对较低的频率。尽管图19示出了引脚48和引脚50均匀且有规则地分布在所选的单元中，但是可以调整该布置以便提供较不太均匀和/或不太规则的图案。
图29是根据本公开的实施例的排放气体处理***的示意图。***75包括基体主体10，所述基体主体具有用于使待处理的排放气体32通过的多个单元12。一个或多个温度传感器51可以位于基体主体10处或附近，以便产生指示一个或多个位置处温度的温度信号，传感器51经由热电偶或热敏电阻来实现。来自传感器50的输出被送到控制器52，在所述控制器处，所监测的一个或多个温度用于通过开关54而控制这些时段：将感应加热源保持在一个频率以便将感应加热主要集中在一个引脚材料处的时段，和将所述感应加热源保持在不同的频率以便将感应加热主要集中在另一个引脚材料处的时段。控制器52至少部分地基于不同引脚材料的成分来产生控制信号58。包括AC电源64和线圈20的电磁场发生器响应控制信号58，通过产生电磁场来感应加热基体主体10。AC电源64例如可以是产生AC信号的可变AC发电机，所述AC信号具有随着控制信号58而变化的幅度、占空比或功率。在另一个示例中，控制信号58利用占空比接通和切断AC电源64，所述占空比至少部分地随着位于所选单元中的引脚的不同材料而变化。AC电源用于产生这样的信号58，所述信号的频率至少部分地由引脚材料中的一个或另一个决定。控制器52可以经由处理器(比如独立处理器)或共享处理设备(比如引擎控制模块)来实现。控制器52使用一个或多个算法来控制所施加的感应过程，并且可以独立于基体主体10而安装。例如，控制器52可以安装在车辆内部，其中电子控制电路受到相对良好的保护。可替代地，利用防风雨外壳，转换器控制模块可以放置在靠近电池的发动机舱中或者可以放置在靠近气体排放处理单元体的车辆下方。
以下内容描述了与双引脚材料单元体相比较的单引脚材料单元体的感应加热。如图26所示，利用单引脚材料单元体，快速施加电力以便将引脚加热到最大允许温度，然后切断电源以便允许用于使基体陶瓷的一部分与引脚直接接触的时间，从而在电源再次接通之前将热量从热引脚上散走。图26中所示的陶瓷温度是陶瓷的总体平均温度。
用于感应加热双引脚材料单元体的图27和图28的两个图将用于#1引脚材料的低频率操作和用于#2引脚材料的高频率操作表示为两个单独的操作，尽管操作实际上将在两者之间同时发生。同样，所示的陶瓷温度是陶瓷的总体平均温度，并且所示的陶瓷温度对于两种引脚材料和两个图表都是相同的，这是因为它们共享相同的陶瓷基体。但是，电源占空比和引脚温度不同。当集中在一个引脚材料或另一个引脚材料上时，用于双引脚材料单元体的占空比类似于单引脚材料单元体。但是，如果两个图表彼此重叠，可以看出电源在快速加热阶段从来不会切断，因为所述电源在相对低频率和相对高频率操作之间交替，以便分别最大化加热两个引脚材料中的每一个引脚，同时保持100％的功率输出。来回交替的频率给予由一种材料构成的每个引脚周围的陶瓷时间以便将热量从源传递出去，同时对由另一种材料构成的相邻的引脚加热。在这方面，应该理解的是，所有引脚在任何时候都被加热到一定程度。只是加热效果的集中会在两种材料之间来回切换。
一个效果是双引脚材料单元体可以比单引脚材料单元体更快地达到最大陶瓷温度，因为所述双引脚材料单元体能够吸收更高的功率密度。比如堇青石基体的基体的传热系数在单引脚材料***中是高功率加热的限制因素。在通电时，引脚可以快速地达到洗涂层/陶瓷的最大允许温度，然后必须切断(或减小)电力以便有时间将引脚周围的陶瓷中的高热量传递到远离引脚的相邻单元。这是一个缓慢的过程。双引脚或多引脚材料布置通过适当控制增加的功率密度来允许更快速的加热。双引脚材料单元体可以处理几乎两倍于单引脚材料单元体的功率密度，使得几乎一半的加热时间就可以达到与单引脚材料单元体相同的最大允许温度。
关于在双引脚材料单元体中使用的#1材料和#2材料，材料固有共振频率之间的差异意味着材料的有助于***感应加热的性质之间的差异；即，与理想情况相比，一种或两种材料的感应加热性能必然会稍微受损。用于加热单引脚材料单元体的最佳引脚材料都非常相似：例如铁(Fe)、磁性不锈钢(铁素体-FeCr)，kanthal材料(FeCrAl)等，其中铁(Fe)是常见的，铬(Cr)是合适的合金添加剂。这些材料具有基本相同的感应加热性能，因此难以在任何两种这样的材料之间进行调谐以便移动或重新集中热分布。实际上，为了移动热分布曲线，#1材料和#2材料应该具有实质上不同的感应特性。在这方面，有色金属如铝、紫铜、黄铜等，或非金属如硅、碳、石墨等具有显著不同的性能并且可以与“更好”的材料结合使用来实现共振频率调谐。
在根据本发明另一实施例的变体方案中，代替引脚材料的成分差异的是，导线尺寸或引脚尺寸存在差异。在一个示例中，使用两种不同直径的引脚，其中在两组引脚之间的直径差异通常为25％或更大。在一个示例中，使用相同直径的陶瓷基体，使用0.026英寸直径的引脚(所述引脚理想地容纳在900cpsi陶瓷蜂窝状的通道/单元中)在100kHz共振频率下以1kW来操作***。同样还使用0.036英寸直径的引脚(所述引脚理想地容纳在400cpsi陶瓷蜂窝体的通道/单元体中)在100kHz共振频率下以1kW来操作***。为了优化效率，该***可以用两个不同的上游陶瓷基体和下游陶瓷基体来实现，其中一个基体的所选单元容纳一种直径和/或成分的引脚，另一个基体的所选单元容纳具有不同的直径和/或成分的引脚。在特定的实施方案中，相对较小直径的引脚与相对较大直径的引脚相比在均匀单元尺寸的基体中被较不紧密地容纳。在又一实施例中，基体形成有不同尺寸的通道，其中较小直径的引脚被容纳在具有相对较小横截面的单元中，而较大直径的引脚被容纳在具有相对较大横截面的单元中。虽然已经从不同直径的方面描述了不同尺寸的导线，但在一些情况下，导线不具有圆形横截面。例如，方形截面的单元可以容纳基本方形截面的导线或引脚。在这种情况下，在区分共振频率时，选择以用于建立共振频率差异的引脚的尺寸差异的特征在于除直径之外的尺寸差异。
在本发明的另一个实施例中，使用导线的组合，其中一组导线是中空的而另一组导线是实心的。无论使用不同材料的引脚或使用不同横截面尺寸或构造的引脚，作为使用两种材料(或引脚尺寸)的组合的替代方案，可以使用三种或更多种不同的材料(或引脚尺寸)。
控制施加的供电频率以便将加热集中在两种或更多种不同的引脚材料中的一种或另一种上，仅可以是近似控制。在实际方面中，当通过施加特定供电频率而将加热集中在引脚材料上时，供电频率可以接近但不太可能精确地匹配在***环境中的引脚材料的共振频率。在本说明书中，当提及选择供电频率以便匹配特定材料的引脚的共振频率时，应当理解的是，所述匹配仅可以是近似匹配。当选择供电频率以便将加热集中在一个引脚材料而非另一个引脚材料时，所述另一个引脚材料仍将被加热。然而，将能量转移到所述另一个引脚材料将不会像将能量转移到所述一个引脚材料那样有效。
其他变体方案和修改方案对于那些本领域技术人员来说是显而易见的，并且所描述和示出的本发明的实施例并非限制性的。本发明的原理考虑了许多替代方案，所述替代方案具有在示例性实施例中清楚展现的优点和性质。

Claims (18)

1.一种用于处理气体排放物的组件，所述组件包括：基体主体(10)，所述基体主体具有用于待处理的排放气体(32)通过的多个单元(12)；细长的感应加热元件(22)，所述感应加热元件容纳在所述多个单元(12)中的第一组单元的每个单元中但未容纳在所述多个单元(12)中的第二组单元中，所述第一组单元的数量少于所述第二组单元的数量；电磁场发生器(20)，所述电磁场发生器安装在基体主体(10)附近，用于产生变化的电磁场，从而感应加热所述感应加热元件(22)以及从而加热所述基体主体(10)，其中感应加热元件(22)中的第一组感应加热元件具有第一共振频率，感应加热元件(22)中的第二组感应加热元件具有与第一共振频率不同的第二共振频率，其特征在于，所述电磁场发生器(20)包括控制器，所述控制器用于在第一时间段内产生更接近第一共振频率的变化的电磁场和在随后的第二时间段内产生更接近第二共振频率的变化的电磁场。
2.如权利要求1所述的组件，其中，第一组感应加热元件具有第一尺寸，第二组感应加热元件具有不同于第一尺寸的第二尺寸。
3.如权利要求1所述的组件，其中，所述第一组感应加热元件至少部分地由第一材料制成，并且所述第二组感应加热元件至少部分地由与所述第一材料不同的第二材料制成。
4.如权利要求3所述的组件，其中，第一组感应加热元件具有第一尺寸，第二组感应加热元件具有不同于第一尺寸的第二尺寸。
5.如权利要求3所述的组件，其特征在于，第一组感应加热元件主要朝向基体主体(10)的一端定位，而第二组感应加热元件主要朝向基体主体(10)的另一端定位，或者，
其中，第一组感应加热元件主要朝向所述基体主体(10)的径向外部部分定位，而所述第二组感应加热元件主要朝向所述基体主体(10)的径向内部部分定位。
6.根据权利要求3所述的组件，其中，所述第一组感应加热元件与所述第二组感应加热元件横过所述基体本体散布。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述散布是第一组感应加热元件和第二组感应加热元件的有规则的棋盘式布置。
8.根据权利要求3－7中的任一项所述的组件，其中，所述第一材料是下述组中的一种材料或者包含下述组中的一种材料，所述组包括：铁(Fe)、铬(Cr)，不锈钢、铁铬(FeCr)、铁铬铝(FeCrAl)及其合金。
9.根据权利要求3－7中的任一项所述的组件，其中，所述第二材料是下述组中的一种材料或者包含下述组中的一种材料，所述组包括：铝、紫铜、黄铜、硅、碳、石墨或其组合。
10.一种用于处理气体排放物的组件，所述组件包括：基体主体(10)，所述基体主体具有用于待处理的排放气体(32)通过的多个单元(12)；细长的感应加热元件(22)，所述感应加热元件容纳在所述多个单元(12)中的第一组单元的每个单元中但未容纳在所述多个单元(12)中的第二组单元中，所述第一组单元的数量少于所述第二组单元的数量；电磁场发生器(20)，所述电磁场发生器安装在基体主体(10)附近，用于产生变化的电磁场，从而感应加热所述感应加热元件(22)以及从而加热所述基体主体(10)，其中，感应加热元件(22)中的至少一个具有沿其长度变化的材料成分，由此所述感应加热元件(22)的第一部分具有第一共振频率，而感应加热元件(22)的第二部分具有不同的第二共振频率，其特征在于，电磁场发生器(20)包括控制器，所述控制器用于在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率和在随后的第二时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第二共振频率。
11.一种使用基体主体(10)处理气体排放物的方法，所述基体主体具有用于排放气体(32)通过的多个单元(12)，细长的感应加热元件(22)容纳在所述多个单元(12)中的第一组单元的每个单元中但未容纳在所述多个单元(12)中的第二组单元中，所述第一组单元的数量少于所述第二组单元的数量；电磁场发生器(20)安装在基体主体(10)附近，用于产生变化的电磁场，从而感应加热所述感应加热元件(22)以及从而加热所述基体主体(10)，其中感应加热元件(22)中的第一组感应加热元件具有第一共振频率，感应加热元件(22)中的第二组感应加热元件具有与第一共振频率不同的第二共振频率，其特征在于，该方法包括在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率和在第二时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第二共振频率。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率使得将基体主体(10)加热到第一温度，在第二时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第二共振频率使得将基体主体(10)加热到不同于第一温度的第二温度。
13.如权利要求11所述的方法，其中，在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率使得将基体主体(10)的区域保持在催化剂起燃温度。
14.如权利要求12所述的方法，其中，在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率使得将基体主体(10)的区域保持在催化剂起燃温度。
15.如权利要求11－14中任一项所述的方法，其中，在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率使得将基体主体(10)的前部区域加热到高于基体主体(10)的后部区域的温度，在第二时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第二共振频率使得将基体主体(10)的后部区域加热到高于基体主体(10)的前部区域的温度。
16.如权利要求11－14中任一项所述的方法，其中，在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率使得将第一组感应加热元件加热到高于第二组感应加热元件的温度，在第二时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第二共振频率使得将第二组感应加热元件加热到高于第一组感应加热元件的温度。
17.如权利要求11－14中任一项所述的方法，其中，在第一时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第一共振频率使得将第一组感应加热元件加热到略微低于第一组感应加热元件的材料的居里温度的温度，在第二时间段内将变化的电磁场的频率设定为更接近第二共振频率使得将第二组感应加热元件加热到稍微低于第二组感应加热元件的材料的居里温度的温度。
18.一种由处理器执行的计算机软件，所述处理器布置成执行根据权利要求11－17中任一项所述的方法。
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