本申請要求享有以下優(yōu)先權(quán)：

·2015年9月29日提交的名稱為“采用定向感應(yīng)加熱的催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)”的美國臨時(shí)申請序列No.62234166；

·2015年11月20日提交的名稱為“采用受控感應(yīng)加熱的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)和使用方法”的美國臨時(shí)申請序列No.62258071；

·2016年3月11日提交的名稱為“用于感應(yīng)加熱的結(jié)構(gòu)”的美國臨時(shí)申請序列No.62306885；以及

·2016年4月14日提交的名稱為“感應(yīng)加熱結(jié)構(gòu)”的美國臨時(shí)申請序列No.62322719。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于處理廢氣以減少有害污染的催化轉(zhuǎn)化器、顆粒過濾器(PF)及類似結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和操作方法，并且本發(fā)明具有特定但非排他性的應(yīng)用以減少內(nèi)燃機(jī)在啟動(dòng)以及空轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的污染物。

背景技術(shù)：

美國運(yùn)輸部(DOT)和美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)已經(jīng)建立了設(shè)定國家溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)的美國聯(lián)邦條例.從2012年型車輛開始，要求汽車制造商的車群范圍內(nèi)的溫室氣體排放每年減少大約百分之五。包含在要求中的是，例如新標(biāo)準(zhǔn)命令在2016年型車中，新型客車、輕型貨車以及中型客車的預(yù)估組合平均排放水平必須不大于每英里250克二氧化碳(CO₂)。

催化轉(zhuǎn)化器和DPF用在內(nèi)燃機(jī)中來減小在燃料被燃燒時(shí)產(chǎn)生的有害廢氣排放物，以作為燃燒循環(huán)的一部分。在這些排放物中，值得注意的是一氧化碳和一氧化氮.這些氣體危及健康，但可以通過分別被氧化為二氧化碳和氮?dú)?氧氣而被轉(zhuǎn)化為毒性較小的氣體.其它的有害氣態(tài)排放物產(chǎn)品(包括未被燃燒的烴類)也可以通過氧化或還原而被轉(zhuǎn)化為毒性較小的形式。如果轉(zhuǎn)化過程在高溫下以及存在適當(dāng)催化劑的情況下進(jìn)行，則轉(zhuǎn)化過程可以被影響或被加速，該適當(dāng)催化劑與待被處理以及轉(zhuǎn)化為良性氣態(tài)形式的特定有害排放物氣體相匹配。例如，用于將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳的典型催化劑是微細(xì)分碎的鉑和鈀，而用于將一氧化氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂脱鯕獾牡湫痛呋瘎┦俏⒓?xì)分碎的銠.

催化轉(zhuǎn)化器和PF在低溫(即從環(huán)境空氣啟動(dòng)溫度到300℃量級的溫度或點(diǎn)火溫度的運(yùn)行溫度)時(shí)效率低，點(diǎn)火溫度是金屬催化劑開始加速前述污染物轉(zhuǎn)化過程的溫度.點(diǎn)火溫度經(jīng)常被表征為有害排放物中出現(xiàn)50％降低時(shí)的溫度，并且對于汽油而言該溫度是大約300℃。低于點(diǎn)火溫度時(shí)，很少乃至無催化作用發(fā)生。因而這是車輛日常使用期間的一個(gè)產(chǎn)生車輛大部分污染排放物的時(shí)期.使催化轉(zhuǎn)化器或PF盡可能快速地變熱對于減少低溫啟動(dòng)排放而言是重要的.

共同在審的美國專利申請14452800(采用感應(yīng)加熱的催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu))示出了一種具有基體的催化轉(zhuǎn)化器組件，所述基體具有用于使排放物氣體通過其中的多個(gè)巢室.金屬位于基體中的預(yù)定位置處，并且電磁場發(fā)生器被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬并因此加熱基體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于處理氣態(tài)排放物的組件包括：具有用于使排放物氣體通過的多個(gè)巢室的基體、位于所述多個(gè)巢室的第一組的每一個(gè)中的相應(yīng)長度的金屬線、以及感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬線的長度并且從而加熱基體，其中，金屬線非均勻地分布在基體上，以便在基體處獲得預(yù)期的感應(yīng)加熱模式。在一個(gè)實(shí)施例中，相對更高集中度的每單位體積的金屬線朝向基體的中央設(shè)置，以補(bǔ)償由感應(yīng)加熱線圈在中央處產(chǎn)生的電磁通量隨著遠(yuǎn)離感應(yīng)加熱線圈而下降的事實(shí)。在另一實(shí)施例中，在徑向上遠(yuǎn)離基體中央的區(qū)域中的巢室包含很少的金屬線或不包含金屬線，從而在感應(yīng)加熱線圈處產(chǎn)生的電磁通量不被吸收在這些區(qū)域中，而是替代地朝向基體中央更深地穿透.在另一實(shí)施例中，相對更高集中度的金屬線位于基體的中央和外周之間的一些中間位置處，由此在中間層內(nèi)產(chǎn)生的熱量向內(nèi)朝向基體的中央流動(dòng)并且向外朝向基體的外周流動(dòng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于處理氣態(tài)排放物的組件包括基體、位于基體中的金屬、以及感應(yīng)加熱線圈，所述基體具有前端、后端、用于使排放物氣體從前端到后端通過的多個(gè)巢室，感應(yīng)加熱線圈被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬并且從而加熱基體，其中基體的前端附近比基體的后端附近的金屬的集中度更大。在一個(gè)實(shí)施例中，基體在后端附近處不具有感應(yīng)加熱金屬，并且所有的感應(yīng)加熱金屬定位在前端附近.在這種實(shí)施例中，感應(yīng)加熱線圈可以僅在基體的對應(yīng)于感應(yīng)加熱金屬位置的一部分長度上延伸。金屬可以被構(gòu)造為短于基體全長的線段。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于處理氣態(tài)排放物的組件包括：具有用于使排放物氣體通過的多個(gè)巢室的基體、位于所述多個(gè)巢室的第一組的每一個(gè)中的相應(yīng)長度的金屬線、以及感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬線的長度并且從而加熱基體，其中巢室的第一組的每一個(gè)中的金屬被構(gòu)造為回路導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí)施例中，回路導(dǎo)體可以是中空的金屬線.

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于處理氣態(tài)排放物的組件包括：具有用于使排放物氣體通過的多個(gè)巢室的基體、位于多個(gè)巢室的第一組的每一個(gè)中的相應(yīng)長度的金屬線、以及感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬線的長度并且從而加熱基體，其中所述多個(gè)巢室的第一組中的金屬線被連接在一起，以形成一個(gè)連續(xù)的感應(yīng)回路導(dǎo)體.

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于處理氣態(tài)排放物的組件包括：具有用于使排放物氣體通過的多個(gè)巢室的基體、位于所述多個(gè)巢室的第一組的每一個(gè)中的相應(yīng)長度的金屬線、以及感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬線的長度并且從而加熱所述基體，其中所述多個(gè)巢室的第一組中的金屬線具有中空橫截面和開放橫截面形狀中之一，通常是L、C、U和V形橫截面中的一者.在一個(gè)構(gòu)造中，至少一根金屬線倚靠并且覆蓋巢室的內(nèi)壁的一部分，其中金屬線被包含在所述一部分內(nèi)壁中，而留下巢室的內(nèi)壁的其它部分暴露到沿著巢室通過的廢氣，這種暴露的內(nèi)壁部分承載污染物處理催化劑層.優(yōu)選地，同樣暴露到沿著巢室通過的廢氣的一部分金屬線同樣也承載污染物處理催化劑層。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于處理氣態(tài)排放物的組件包括：基體、位于所述多個(gè)巢室的第一組的每一個(gè)中的相應(yīng)長度的金屬線、以及感應(yīng)加熱線圈，基體具有前端、后端、用于使排放物氣體從前端到后端通過的多個(gè)巢室，感應(yīng)加熱線圈被安裝在基體附近，以用于產(chǎn)生變化的電磁場，從而感應(yīng)地加熱金屬線的長度并且從而加熱基體，其中金屬線的端部在前端處從基體的前面突出.在示例性的實(shí)施例中，感應(yīng)加熱線圈延伸超過所述前面，從而感應(yīng)加熱線圈的一部分鄰近突出的金屬線端部。在用于處理在前端處被導(dǎo)入巢室中的氣態(tài)排放物的組件的操作中，突出的端部可以發(fā)揮作用，以打破被引導(dǎo)的氣態(tài)排放物的波前(wave front)，從而減少背壓(back pressure).在用于處理在前端處被引入巢室中的氣態(tài)排放物的組件的操作中，突出的端部在被感應(yīng)加熱時(shí)能夠發(fā)揮作用，以便在氣態(tài)排放物進(jìn)入巢室內(nèi)之前預(yù)加熱氣態(tài)排放物.在一個(gè)實(shí)施例中，感應(yīng)的螺旋回路加熱元件也安裝在基體的入口面處并且可以連接到一個(gè)或多個(gè)突出的金屬線端部上.

附圖說明

為了進(jìn)行簡單且清楚的說明，附圖中示出的元件沒有按照同樣的比例繪制。例如，為清楚起見，一些元件的尺寸相對于其它元件被放大。當(dāng)參照附圖考慮以下說明書和權(quán)利要求書時(shí)，本發(fā)明的優(yōu)勢、特征和特性以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)元件的操作、功能和方法以及零件的組合和制造的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)變得顯而易見，這些全部組成了本說明書的一部分，其中在各圖中相同的附圖標(biāo)記指代相應(yīng)的零件，并且其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的縱截面視圖.

圖2是圖1的氣態(tài)排放物處理單元的橫截面視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的一部分的截面立體圖，示出了位于基體的巢室中的金屬線.

圖4是圖3的單元部分的端視圖的代表圖，示出了以第一陣列模式和密度定位的金屬線。

圖5是圖3的單元部分的端視圖的代表圖，示出了以第二陣列模式和密度定位的金屬線。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的縱截面代表圖，示出了以第三陣列模式和密度定位的金屬線。

圖7是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的線段的定位的縱截面代表圖。

圖8是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的線段的定位的縱截面代表圖.

圖9是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的線段的定位和密度的縱截面代表圖。

圖10是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的線段的定位和密度的縱截面代表圖。

圖11是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的線段的定位和密度的縱截面代表圖。

圖12是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的線段的定位和密度的縱截面代表圖。

圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的端視圖.

圖14是圖13的氣態(tài)排放物處理單元的縱向截面代表圖.

圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的兩部件式氣態(tài)排放物處理單元的縱截面代表圖.

圖16是用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的金屬線的長度的立體圖，金屬線沿其長度性質(zhì)發(fā)生遞增變化。

圖17是用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的基體的一部分的截面立體圖，其示出了位于基體的巢室中的金屬線的不同示例形式。

圖18是用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣態(tài)排放物處理單元的一段基體的端部立體圖，基體具有用于感應(yīng)加熱基體的穿線閉環(huán)導(dǎo)體.

圖19是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的顆粒過濾器氣態(tài)排放物處理單元的縱截面代表圖.

具體實(shí)施方式

氣態(tài)排放物處理組件可以呈多種形式中的任何形式。這些形式中典型的是催化轉(zhuǎn)化器，催化轉(zhuǎn)化器具有通常由陶瓷材料制成并且經(jīng)常被稱為塊體的圓筒形基體10，圖1中示出了催化轉(zhuǎn)化器的一個(gè)示例。塊體呈蜂窩結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)小面積的通道或巢室12延伸塊體的長度，巢室由壁分開。通常在基體10的每平方英寸橫截面面積上具有400到900個(gè)巢室(cpsi)，并且壁的厚度通常處于0.003英寸至0.008英寸的范圍內(nèi).通常，以擠壓工藝形成陶瓷基體10，其中生陶材料被擠壓通過適當(dāng)形狀的模具，并且連續(xù)地從擠壓體切割單元，單元隨后被切割成塊體.巢室或通道12的區(qū)域形狀可以是任何便于幫助基體10的整個(gè)強(qiáng)度同時(shí)具有大接觸面積的形狀，在該接觸面積處流動(dòng)的廢氣能夠與覆蓋巢室內(nèi)壁的熱催化劑發(fā)生相互作用。

管狀巢室10的內(nèi)部被洗涂有包含特殊催化劑材料的層。適當(dāng)?shù)南赐繉影A(chǔ)材料以及夾帶的顆粒狀催化劑材料，基礎(chǔ)材料適于確保粘合到基體的固化陶瓷材料上，顆粒狀催化劑材料用于促進(jìn)特定的減小污染的化學(xué)反應(yīng).這種催化劑材料的示例是鉑和鈀以及銠，鉑和鈀是有效地將一氧化碳和氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳的催化劑，銠是適于將一氧化氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂脱鯕獾拇呋瘎４龠M(jìn)高溫氧化或還原其它氣態(tài)材料的其它催化劑是已知的.通過在陶瓷膏體或漿體中產(chǎn)生微細(xì)分碎催化劑的懸浮液來制備洗涂涂層，陶瓷漿體用來致使洗涂層粘附到陶瓷基體的壁上。作為將催化劑材料放置到基體表面上的洗涂的一種替代方式，基體材料本身可以包含催化劑，使得塊體在界定巢室的內(nèi)表面處具有催化劑材料。

來自柴油(壓縮燃燒)引擎的廢氣比來自汽油(火花燃燒)引擎的廢氣包含更多的一氧化氮。長期暴露于即使低水平的一氧化氮也會(huì)導(dǎo)致臨時(shí)的或者永久性的呼吸問題.選擇性的催化還原(SCR)是這樣的方法，通過該方法，液體還原劑被注入柴油引擎的廢氣流中，以與廢氣中的二氧化氮和一氧化氮(統(tǒng)稱為NO_x)結(jié)合。一種優(yōu)選的還原劑是經(jīng)常被稱為柴油排出流體(DEF)的尿素溶液2(NH₂)₂CO.存在催化劑時(shí)，由尿素?zé)岱纸馍傻陌迸c一氧化氮結(jié)合以產(chǎn)生有害性較小的產(chǎn)物，主要是氮?dú)夂退Ｆ渌倪€原劑(例如，無水氨和氨水)也可以作為尿素的替代物使用，盡管尤其是對于汽車應(yīng)用而言，車載存儲(chǔ)存在更大的困難。適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢允悄承┙饘傺趸?例如，鉬、釩和鎢的氧化物)、某些貴金屬和沸石中的任何一種。對于SCR反應(yīng)而言，典型的溫度范圍從360℃到450℃，其中例如活性炭的催化劑用于激發(fā)低溫反應(yīng)。如同在汽油(火花燃燒)引擎中一樣，柴油(壓力燃燒)引擎可能在啟動(dòng)后經(jīng)歷這樣的時(shí)期，其中排氣溫度太低而不能發(fā)生有效的SCR NO_x還原過程。其它催化轉(zhuǎn)化器(其中本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了用于預(yù)熱或增補(bǔ)加熱的應(yīng)用)是傾斜的NOX催化劑系統(tǒng)，傾斜的NOX捕獲系統(tǒng)以及非選擇性的催化還原系統(tǒng).

氣態(tài)排放處理組件可以具有一系列的基體或塊體10，每個(gè)基體或塊體根據(jù)待中和的特定有毒排放物而具有不同的催化劑層.氣態(tài)排放物處理塊體可以由不同于燒制陶瓷的材料(例如，不銹鋼)制成。而且，除了上述的那些形式之外，它們可以具有不同形式的蜂窩狀巢室或通道。例如，巢室可以是圓形的、正方形的、六邊形的、三角形的或者其它常規(guī)的橫截面形狀.此外，如果期望最優(yōu)化強(qiáng)度和低熱容量或者用于其它目的，則一些擠壓的蜂窩壁可以形成為比其它壁更厚，或者形成為使得在巢室的形狀和尺寸上存在一些變化。相鄰的內(nèi)部巢室壁之間的接合部可以呈銳角或者可以具有彎曲的輪廓.

通常，如在圖1中示出的，洗涂的陶瓷蜂窩狀塊體10被包裹在陶瓷纖維膨脹毯16中.沖壓的金屬殼體或容器18在氣態(tài)排放物處理單元的前排氣管和后排氣管(未示出)的部分之間過渡，以便包圍膨脹毯包裹的塊體。殼體18典型地由被焊接以將塊體密封在合適位置處的兩部分構(gòu)成.膨脹毯16在殼體18和塊體10之間提供了緩沖，以適應(yīng)它們不同的熱膨脹系數(shù)。在給定的溫度增量下片狀金屬殼體18的金屬比塊體的陶瓷材料膨脹得更多，并且如果這兩種材料被結(jié)合在一起或者直接彼此接觸，則在兩種材料的界面處將經(jīng)受破壞性的應(yīng)力.膨脹毯16也使來自排氣系統(tǒng)的振動(dòng)衰減，否則振動(dòng)將破壞基體的易碎陶瓷。

在使用中，將被包裹的塊體安裝在車輛排氣管中，以接收來自引擎的廢氣以及將廢氣傳遞到車輛尾管.廢氣通過氣態(tài)排放物處理單元會(huì)對陶瓷塊體進(jìn)行加熱，以促進(jìn)其中流動(dòng)氣體接觸催化劑層的催化劑活化過程.尤其是當(dāng)車輛引擎在最佳的操作溫度下運(yùn)行以及當(dāng)存在大吞吐量的廢氣時(shí)，這種處理單元充分地操作，以減少進(jìn)入大氣的有毒氣態(tài)排放物的存在。但是，當(dāng)塊體的內(nèi)部未處于高溫而啟動(dòng)時(shí)以及在空轉(zhuǎn)期間，這種單元具有缺點(diǎn)，空轉(zhuǎn)可能頻繁地發(fā)生在市內(nèi)駕駛期間或者在駕車經(jīng)過Tim Hortons等待咖啡時(shí)。

塊體形狀、輪廓和巢室密度隨著不同的制造商而發(fā)生改變。例如，一些塊體是圓形的，而一些塊體是橢圓形的.一些組件具有通常采用催化劑金屬大量洗涂的單級塊體，而其它組件可能具有兩個(gè)或三個(gè)塊體，在每個(gè)塊體上具有不同的洗涂層.一些排氣裝置具有900、600和400cpsi的巢室密度用在整個(gè)排氣組件中，而其它排氣裝置整個(gè)僅使用400cpsi的塊體。緊密耦聯(lián)的轉(zhuǎn)化器可以被安裝成靠近排氣歧管，目的是減少啟動(dòng)和點(diǎn)火溫度之間的時(shí)段.底板下轉(zhuǎn)化器可以被定位成遠(yuǎn)離引擎，此時(shí)底板下轉(zhuǎn)化器將花費(fèi)更長的時(shí)間來加熱，但是其相對更大，并且一旦排氣組件達(dá)到溫度則處理大部分氣體。在另一構(gòu)造中，用于減少點(diǎn)火時(shí)段的單元以及用于在點(diǎn)火后處理大氣流的單元被一起安裝在共用的殼體中。

在組件中的一個(gè)或多個(gè)位置處，安裝在廢氣流中的包括在基體內(nèi)或靠近基體的傳感器向引擎控制系統(tǒng)提供反饋，以用于排放檢查和調(diào)節(jié)目的。除了啟動(dòng)之外，控制燃料和空氣輸入的目標(biāo)是典型地維持14.6∶1的空氣∶燃料比，以用于最佳組合的功率和清潔度.比該比率更高的比率產(chǎn)生稀燃條件-燃料不足.更低的比率產(chǎn)生富燃條件-燃料太多。一些車輛上啟動(dòng)過程在最初幾秒鐘以富燃運(yùn)行，以使熱量進(jìn)入引擎并且最終進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)。用于間接地加熱催化劑層和廢氣的下述結(jié)構(gòu)和操作方法可以與緊密耦聯(lián)的催化轉(zhuǎn)化器、底板下轉(zhuǎn)化器以及兩個(gè)轉(zhuǎn)化器的組合中的每一個(gè)一起使用.來自溫度傳感器的輸出被送到控制器，在控制器處，監(jiān)測的溫度用于控制何時(shí)打開和關(guān)閉感應(yīng)和/或EHD加熱。利用在控制器處執(zhí)行的適當(dāng)算法，監(jiān)測的溫度還可以用于控制所應(yīng)用的加熱方法的特定效果，以獲得特定的加熱模式。

在圖1的氣態(tài)排放物處理組件中示出的塊體10被修改，以便能夠進(jìn)行感應(yīng)加熱.感應(yīng)加熱是一個(gè)通過施加變化的電磁場以改變金屬體經(jīng)受的磁場來加熱金屬體的方法。這繼而在金屬體中誘導(dǎo)渦流，從而導(dǎo)致電阻加熱金屬體.在鐵磁金屬體的情況下，通過滯后效應(yīng)也產(chǎn)生熱量。當(dāng)將未磁化的鐵磁金屬放入磁場中時(shí)，金屬變成磁化的，產(chǎn)生了具有相反極性的磁域。變化的場在磁域中周期性地啟動(dòng)極性反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)響應(yīng)于高頻感應(yīng)場的變化，所述變化根據(jù)鐵磁金屬體的材料、質(zhì)量和形狀而處于每秒1000到1,000,000次循環(huán)(Hz)的量級.磁域極性不容易被反轉(zhuǎn)，并且抵抗反轉(zhuǎn)進(jìn)一步導(dǎo)致在金屬中產(chǎn)生熱量.

如在圖1中示出的，圍繞陶瓷基體的是金屬線圈20，并且盡管在圖1中不可見，但是位于選定巢室12內(nèi)的是金屬棒或金屬線22。通過在線圈20處產(chǎn)生變化的電磁場，啟動(dòng)了鏈反應(yīng)，其最終結(jié)果是在裝備有實(shí)施本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的車輛啟動(dòng)之后，存在變化的電磁感應(yīng)場時(shí)比不存在這種感應(yīng)場時(shí)可以更快地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。鏈反應(yīng)如下：變化的電磁場在金屬元件中誘導(dǎo)渦流；渦流引起金屬元件的加熱；來自金屬元件的熱量被傳遞到陶瓷基體；當(dāng)廢氣通過轉(zhuǎn)化器時(shí)來自加熱的基體的熱量被傳遞到廢氣；以及與未加熱的廢氣相比，加熱的廢氣致使催化反應(yīng)更快地發(fā)生。當(dāng)轉(zhuǎn)化器處于操作中時(shí)，來自加熱的金屬線的傳熱是傳遞到陶瓷基體并因此傳遞到廢氣的熱量的主要來源。在金屬線和其中包含金屬線的巢室的內(nèi)表面之間的任何小氣隙處同樣也具有少量的對流傳熱和輻射傳熱。

金屬線圈20是纏繞長度的銅管，但是可以使用其它的材料，例如銅線或利茲線.銅管是優(yōu)選的，這是因?yàn)樗诰€圈的其它尺寸方面提供了高的表面面積；感應(yīng)是趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，高的表面面積在產(chǎn)生變化場方面具有優(yōu)勢.如果使用了利茲線或銅線，則金屬線上的搪瓷或其它涂層被構(gòu)造成在轉(zhuǎn)化器的持續(xù)高溫操作期間不被燃掉.金屬線圈20和最近的感應(yīng)金屬線22之間的氣隙防止從金屬線22到金屬線圈10的顯著傳熱，否則該傳熱將增大線圈電阻率并因此降低其效率.

電磁場屏蔽材料層24直接定位在線圈20的外部，以提供感應(yīng)屏蔽并減少傳遞至金屬轉(zhuǎn)化器殼體的感應(yīng)損失。屏蔽層也用于增強(qiáng)至基體10的感應(yīng)耦聯(lián)，以集中熱量。磁屏蔽件24可以由可以被設(shè)置成圍繞金屬線圈20的一些或全部繞組的鐵氧體或其它高磁導(dǎo)率、低功率損失的材料(例如Giron、MagnetShield、Papershield、Finemet，CobalTex)或者其它磁性屏蔽材料制成.特別地，磁屏蔽件24操作作為磁通量集中器、磁通量增強(qiáng)器、轉(zhuǎn)向器或磁通量控制器，以便在基體內(nèi)包含磁場。磁屏蔽件通過減輕相鄰傳導(dǎo)材料之間的不期望的加熱而降低損失。無磁屏蔽件時(shí)，由金屬線圈20產(chǎn)生的磁通量會(huì)散布在線圈周圍，并且與導(dǎo)電的周圍物件(例如，排氣系統(tǒng)中的金屬殼體18和其它周圍金屬)和/或內(nèi)燃機(jī)、車輛、發(fā)生器或其它電系統(tǒng)或主系統(tǒng)的其它組件相連結(jié)，從而降低了這些組件的壽命并且增大了能量損失。此外，磁屏蔽件24操作以將磁場引導(dǎo)至基體10，例如通過重新定向磁通量而提供了對基體的預(yù)期區(qū)域的選擇性或增強(qiáng)的加熱，否則磁通量將遠(yuǎn)離該預(yù)期區(qū)域.特別地，磁屏蔽件可以操作，以使得由金屬線圈20產(chǎn)生的磁通量集中在基體10中的金屬線或金屬棒22的方向上，從而更有效地進(jìn)行加熱.作為額外的益處，磁屏蔽件通過增大功率傳遞而能夠提高感應(yīng)線圈20的電效率。

線圈被包含在纖維絕緣護(hù)套中，其中，裝有護(hù)套的線圈被包裹在澆筑固化的絕緣體中。澆筑絕緣體的作用是穩(wěn)定線圈位置以及產(chǎn)生氣密密封件，以便限制廢氣通過陶瓷蜂窩基體10，在所述陶瓷蜂窩基體處發(fā)生催化反應(yīng).絕緣件同樣提供了屏障，以防止感應(yīng)線圈20在轉(zhuǎn)化器罐18或鐵氧體屏蔽件24上短路。絕緣是適當(dāng)?shù)墓杷徜X膏體.在替代性的實(shí)施例中，基體被包裹在硅酸鋁纖維紙中。在一種制造方法中，銅線圈20被包裹在基體周圍并且隨后被放置到殼體或轉(zhuǎn)化器罐18中.在替代性的制造方法中，線圈20被放置在轉(zhuǎn)化器罐18中，并且基體10被插入線圈/罐組件中.

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過從DC或AC源施加功率，在線圈處產(chǎn)生了變化的電磁感應(yīng)場。傳統(tǒng)的汽車具有12V DC電系統(tǒng)。感應(yīng)系統(tǒng)可以在DC或AC電源上操作。產(chǎn)生的感應(yīng)信號也可以是DC或AC驅(qū)動(dòng)的。對于DC或AC而言，以使用1kw的功率為例，這產(chǎn)生了1至200kHz的頻率、130至200V的RMS電壓以及5至8A的電流強(qiáng)度。在適于道路車輛的一個(gè)示例中，DC至DC總線將車輛的12V DC電池功率轉(zhuǎn)化為上文概述的所需DC電壓。在適于常規(guī)道路車輛的另一示例中，DC至AC轉(zhuǎn)換器將車輛的12V DC電池功率轉(zhuǎn)化為上文概述的預(yù)期AC電壓。另一示例更適于具有內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力車輛，電動(dòng)機(jī)車輛具有額定電壓為大約360V量級和額定功率為50kW量級的車載電池.在這種情況下，電池供給功率更大，但是可以應(yīng)用相同的基本DC至DC總線或者DC至AC轉(zhuǎn)換器電結(jié)構(gòu)。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)高速開關(guān)用于改變通過線圈的電流方向。就變化的電磁感應(yīng)場對陶瓷基體中的金屬的影響而言，低的切換頻率產(chǎn)生了更長的波形，從而提供了良好地穿透到金屬元件的表面下方的場穿透并且因此提供了相對均勻的加熱.然而，由于缺乏切換，代價(jià)是犧牲高溫和快速加熱.相反地，高的切換頻率產(chǎn)生了更短的波形，這產(chǎn)生了更高的表面溫度，但以犧牲穿透深度為代價(jià)。施加的功率被限值，以避免熔化金屬元件的危險(xiǎn).向單個(gè)塊體線圈輸入的適當(dāng)功率可以處于1.1kw的量級。

如前所述，金屬線或金屬棒22被定位在陶瓷基體10的選定位置處，如圖3的細(xì)節(jié)圖中所示.金屬線22通過摩擦配合而被固定在適當(dāng)?shù)奈恢锰帲@是至少部分通過將金屬線的外部區(qū)域尺寸緊密地匹配到巢室區(qū)域尺寸以使得金屬線表面和巢室壁14的表面粗糙度將金屬線22鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢锰幎靡詫?shí)現(xiàn)的。金屬線可以利用非線性元件(例如，弓或卷曲部)形成，從而當(dāng)金屬線被插入巢室內(nèi)并且因此由巢室壁保持時(shí)，弓或卷曲部被稍微校直，由于金屬線趨于返回其原始的弓或卷曲形狀，導(dǎo)致至少一部分金屬線抵靠在一部分巢室壁14上，并且因此增強(qiáng)了摩擦配合，以將金屬線保持在適當(dāng)?shù)奈恢锰?當(dāng)廢氣通過基體時(shí)，整個(gè)的摩擦配合可以抵抗重力、振動(dòng)、溫度循環(huán)以及金屬線上的壓力。金屬線可以替代地或另外地通過將金屬線的外表面結(jié)合到相應(yīng)巢室的內(nèi)表面而被固定到巢室內(nèi)。適當(dāng)?shù)膹?fù)合粘合劑可以是被選擇以減少溫度循環(huán)應(yīng)力效應(yīng)的材料的混合物，在溫度循環(huán)應(yīng)力效應(yīng)中可能存在顯著的金屬線膨脹/收縮，但陶瓷基質(zhì)存在難以察覺的小膨脹/收縮。這種差別會(huì)在兩種材料之間的粘合劑界面處產(chǎn)生應(yīng)力。通過使用這種復(fù)合粘合劑，可以減少被結(jié)合的金屬線相對于周圍巢室壁的移動(dòng)，同時(shí)保持高的傳熱。

由電磁感應(yīng)線圈(圖1和2)產(chǎn)生的場可以根據(jù)金屬線負(fù)載而被調(diào)諧，以在產(chǎn)生熱量和點(diǎn)火速度方面獲得高的效率。通過適當(dāng)?shù)剡x擇以下中的任一種或全部可以改變加熱效果：(a)輸入至線圈的電輸入波形、(b)被動(dòng)式磁通量控制元件的性質(zhì)和位置、以及(c)線圈的性質(zhì)、位置和構(gòu)造。特別地，如目前將被描述的，加熱模式可以由金屬線的適當(dāng)位置和構(gòu)造而確定.此外，施加場可以隨著時(shí)間而發(fā)生改變，從而在感應(yīng)場/加熱模式和從啟動(dòng)前(pre-start-up)到高速行駛的特定操作階段之間存在互相依賴。在一個(gè)替代構(gòu)造中，可以使用多于一個(gè)的線圈，以獲得預(yù)期的感應(yīng)效果。例如，具有環(huán)形橫截面的基體可以具有位于基質(zhì)外周處的一個(gè)激勵(lì)線圈以及位于基質(zhì)芯部處的第二激勵(lì)線圈(未示出)。

用于被插入的金屬線的適當(dāng)金屬是鐵磁金屬，例如具有高磁導(dǎo)率和抗腐蝕性的430等級不銹鋼。也可以使用低磁導(dǎo)率合金，例如300或400系列不銹鋼?？梢愿鶕?jù)在制作金屬線插入件和將插入件固定在陶瓷基體的選定巢室中時(shí)所需的特定屬性而使用替代金屬。這種屬性包括金屬成形性、延展性、柔軟度和彈性.為了塑造磁通量在基體中的方向和強(qiáng)度，低磁導(dǎo)率的金屬或合金可以用于外部巢室中的金屬插入件，而相對更高磁導(dǎo)率的金屬用于內(nèi)部巢室中的金屬插入件.也可以使用具有非常高磁導(dǎo)率的金屬.例如，在由Sandvik制造的金屬線中使用的壩塔爾鐵-鉻-鋁合金具有9000乃至更大的相對磁導(dǎo)率。利用由包括鎳-鐵和鐵-鈷合金的其它合金制成的金屬線可以獲得高的相對磁導(dǎo)率。

在圖4和5的示出了每種情況下的一小部分基體10的實(shí)施例中，當(dāng)從基體的一端或橫跨基體的橫截面觀察時(shí)，金屬線22以規(guī)則的陣列布置.在圖4中，當(dāng)豎直地和水平地觀察時(shí)，在每第5個(gè)巢室中具有1個(gè)金屬線(1∶25)。在圖5中，當(dāng)豎直地和水平地觀察時(shí)，在每第7個(gè)巢室中具有1個(gè)金屬線(1∶49)。在其它的操作參數(shù)相同時(shí)，1∶49陣列由于具有更少的金屬線而比1∶25陣列具有更高的磁通量密度。磁通量密度通常在1∶25陣列中比在1∶49陣列中分布得更加均勻.在其它的操作參數(shù)相同時(shí)，1∶49陣列比1∶25陣列產(chǎn)生更多的熱量。當(dāng)作為催化轉(zhuǎn)化器或PF操作時(shí)，每平方英寸具有400個(gè)巢室(cpsi)的基體中的1∶25陣列具有令人滿意的加熱性能，并且從實(shí)施的污染物清理催化反應(yīng)的角度來看具有不太大的轉(zhuǎn)化器巢室堵塞。金屬線比巢室的顯著更大的比率會(huì)導(dǎo)致加熱到點(diǎn)火溫度更慢，這是因?yàn)榭傮w上由金屬線表現(xiàn)的高整體熱容量并且因?yàn)橐恍┙饘倬€阻擋其它金屬線上的“視線”場效應(yīng)的事實(shí)。相反地，雖然金屬線比巢室的顯著更低的比率導(dǎo)致轉(zhuǎn)化器巢室堵塞更少，但金屬的稀疏分布導(dǎo)致熱量產(chǎn)生減少以及點(diǎn)火時(shí)間增大.

對于較小的基體(典型地直徑4英寸或更小)而言，均勻的線陣列(例如在圖4和5中示出的陣列)將不會(huì)正常地產(chǎn)生對整個(gè)基體的均勻加熱或均勻溫度，盡管均勻的線陣列可以提供快速加熱和通常均勻的溫度分布，這是因?yàn)樵谀欠N情況下，所有的金屬線相對靠近線圈.這種小的基體可以用于小位移的汽油引擎。對于直徑大于4英寸的基體而言，來自均勻線陣列模式的感應(yīng)加熱具有低的電效率和熱效率。因?yàn)閬碜跃€圈的磁通量在最接近線圈處最強(qiáng)，而遠(yuǎn)離線圈時(shí)弱化，更靠近感應(yīng)場源的金屬線變得更熱，并且比遠(yuǎn)離感應(yīng)場源定位的同等金屬線更快地變熱.在這種基體中，磁通量不如在較小基體中那樣均勻.當(dāng)磁通量隨著遠(yuǎn)離線圈而急劇地下降時(shí)，位于中央處的金屬線和位于外部處的金屬線不經(jīng)歷相似水平的磁通量.

如在圖3中示出的，如果組件的功能是用作催化轉(zhuǎn)化器，則巢室12的內(nèi)壁14涂有催化劑15，但是如果組件的功能是用作顆粒過濾器，則巢室的內(nèi)壁可以被涂覆或不被涂覆。

在如圖6至10示出的替代實(shí)施例中，示出了金屬線22的分布，但未示出氣態(tài)排放物處理組件的基體本身或其它元件，例如任何催化劑涂層、線圈和殼體。如圖6中所示，相當(dāng)高集中度的金屬線22(每單位體積的金屬線)朝向基體的中央定位，以補(bǔ)償來自線圈源的場效應(yīng)在靠近基體的中央26的位置處比靠近外部28的位置處小得多的事實(shí)。圖6的實(shí)施例在靠近中央26處以及在中間位置30處具有密集地隔開的金屬線?？梢愿鶕?jù)預(yù)期的溫度分布和熱量流動(dòng)模式而采用更復(fù)雜或更不復(fù)雜的金屬線放置構(gòu)造.在基體10的外部區(qū)域28處不存在金屬線限制了外部區(qū)域中的優(yōu)選感應(yīng)路徑的數(shù)量.這迫使磁通量找到下一個(gè)最優(yōu)選的感應(yīng)路徑，在外部區(qū)域28中不存在或者缺少金屬線時(shí)，所述最優(yōu)選的感應(yīng)路徑將是更靠近基體的中央26的金屬線。結(jié)果，磁通量以及因此熱量被引導(dǎo)朝向基體的中央。這導(dǎo)致中央部分26被充分地加熱，并且同樣重要的是外部區(qū)域28不被過度加熱.在基體10的中央26處發(fā)現(xiàn)金屬線22的密度最大的陣列，而在外部區(qū)域28中發(fā)現(xiàn)密度最低的金屬線.由于特定區(qū)域(例如，中央、中部和外部)中的限定陣列密度，陣列模式的密度可以存在漸進(jìn)的變化或階躍的變化.

在先前描述的實(shí)施例中，感應(yīng)金屬元件22相對于巢室12的位置的分布被構(gòu)造成使得加熱效果通常在基體10的面積上是均勻的.尤其是對于啟動(dòng)和空轉(zhuǎn)而言，此時(shí)可能發(fā)展非均勻的廢氣流動(dòng)模式，在基體上發(fā)展不均勻的加熱模式具有益處。如前文提到的，這可以通過將感應(yīng)金屬線或金屬棒22正確地定位在選定的巢室12中而得以實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，這還可以通過利用不同尺寸、形狀或組分的金屬線而得以實(shí)現(xiàn)。

在圖7至10示出的實(shí)施例中，線段32僅沿著選定巢室14的一部分長度延伸，線段32的長度和位置被選擇以塑造磁通量密度模式和加熱效果.

在圖7的實(shí)施例中，在朝向基體外部28的每個(gè)選定巢室中具有兩個(gè)線段32，而在靠近基體芯部26的選定巢室中具有單個(gè)長的金屬線22。如在全長度線的情況中，最接近的線段32標(biāo)記用于磁通量的優(yōu)選感應(yīng)路徑。沿著線段32行進(jìn)的磁通量將因此傾向于跨越短的氣隙跳到下一個(gè)最接近的線段32，而不通過長的氣隙行進(jìn).為了鼓勵(lì)磁通量朝向基體10的中央26移動(dòng)，如在圖7中示出的，占據(jù)外部區(qū)域28中的同一巢室12的金屬線段32之間的間隙“g”形成為大于金屬線段與占據(jù)下一個(gè)更接近基體中央的巢室12的金屬線段之間的間隙。外部的線段形成為最短，這是因?yàn)樗鼈冏罱咏袘?yīng)線圈，并且因此經(jīng)歷最高的磁通量。線段朝向基體的中央26增長直到這樣的位置處，在該處全長度線用在基體10的中央?yún)^(qū)域26中.這散布了磁通量，因此在整個(gè)基體上加熱效果有效得多.

在圖8的實(shí)施例中，對于位于中央處的巢室而言，每個(gè)選定巢室僅包含一個(gè)線段32或全長度線.然而，類似于圖7的實(shí)施例，靠近基體10的外部28的選定巢室中的線段32短于靠近基體的芯部26的選定巢室中的線段32。在這種情況下，與位于基體的后端40或靠近后端的金屬線的集中度相比，在基體10的前端36處金屬線的集中度高；所述前端即其中在操作中排放物氣體38進(jìn)入氣態(tài)排放物處理組件中的端部，在后端處已處理的排放物氣體42離開組件.

在圖11和12中示出的特定變型例中，金屬線或金屬棒22集中在前端處，而沒有金屬線并且沒有線圈20的部分超出某個(gè)下游位置定位。利用這種設(shè)計(jì)，電磁通量和熱量的產(chǎn)生集中在塊體的前端處。對于給定的功率輸入而言，這能夠使小部分塊體基體被迅速地加熱至預(yù)期的點(diǎn)火溫度，而不是更緩慢地加熱整個(gè)塊體，被加熱的部分是首先遇到進(jìn)入系統(tǒng)中的廢氣38的部分。在達(dá)到點(diǎn)火前的操作期間或者在空轉(zhuǎn)期間，如果被加熱的前端發(fā)揮作用以點(diǎn)燃進(jìn)入組件的廢氣中的未燃烴類，則基體10的前端感應(yīng)加熱可以產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)。燃燒的烴類隨著其沿著基體10通過而使基體的下游部分和催化劑層達(dá)到點(diǎn)火溫度的速率加快，而不論下游部分是否被直接感應(yīng)加熱。

為了提高的熱性能，圖4、5和6(線集中度定位)和圖7、8(線段位置)的用于塑造基體上的磁通量密度的設(shè)計(jì)方法可以組合起來，如在圖9和10中示出的。通過利用可變陣列模式的更大金屬線-金屬線間距結(jié)合僅沿著其中包含有線段的巢室的部分長度延伸的金屬線段32，可以具有額外的優(yōu)勢。因此，通過適當(dāng)?shù)貥?gòu)造，更多磁通量可以被移動(dòng)至基體的中央，以產(chǎn)生各種各樣的加熱效果.通過利用前后對稱地分布在基體中的可變線段長度能夠均勻地加熱.通過將金屬線段前后非對稱地進(jìn)行分布，可以實(shí)現(xiàn)在基體的一個(gè)面上進(jìn)行更強(qiáng)烈的加熱。具有最高集中度線段的區(qū)域?qū)⒔?jīng)歷更多的加熱。通過移除更外部的金屬線和縮短線段以允許更多的磁通量到達(dá)中央并且因此產(chǎn)生更多的熱量，能夠在中央處進(jìn)行強(qiáng)烈的加熱.通過縮短中央的線段長度以及減少外部區(qū)域中的金屬線數(shù)量，能夠在中央死區(qū)(dead center)處進(jìn)行強(qiáng)烈的加熱而在表面和外部區(qū)域上進(jìn)行很少的加熱.

在點(diǎn)火溫度時(shí)或高于點(diǎn)火溫度時(shí)發(fā)生的催化反應(yīng)是放熱的。產(chǎn)生的熱能用于將基體的溫度提高到高于單獨(dú)通過廢氣可獲得的溫度.放熱反應(yīng)是自加料的，其中在高于點(diǎn)火溫度以及具有充足的廢氣流經(jīng)時(shí)，放熱反應(yīng)使催化劑溫度增大高達(dá)100℃。作為必然的結(jié)果，如果流經(jīng)的熱廢氣的溫度下降到低于將催化劑維持在點(diǎn)火溫度處所必需的溫度，則放熱反應(yīng)停止。

圖1示出了基體沿著其長度正被相對均勻地加熱.在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在圖11至15中示出了其變型例，感應(yīng)加熱僅僅應(yīng)用在基體的前端部分上，在一些情況下，這與沿著基體的長度均勻地加熱相比可以提供優(yōu)勢。出于解釋，首先如果在引擎啟動(dòng)前應(yīng)用感應(yīng)加熱或者在引擎啟動(dòng)后立即應(yīng)用感應(yīng)加熱，則一些熱量將由于仍然冷的廢氣流經(jīng)巢室而通過遠(yuǎn)離加熱區(qū)域的傳導(dǎo)和輻射以及對流從催化劑區(qū)域損失。廢氣流會(huì)在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火之前將熱量從基體的后面推出，從而從系統(tǒng)中損失熱量.其次，如果特定的感應(yīng)功率僅僅被集中在小體積的基體長度上，而不是集中在整個(gè)長度上，則在該較小的體積上產(chǎn)生更高的磁通量密度和更大的加熱效果，并且與該功率施加在整個(gè)基體長度上時(shí)相比，集中的熱量更早地開始進(jìn)行前述放熱反應(yīng)。第三，與針對小體積加熱所需的材料相比，加熱整個(gè)基體需要更大質(zhì)量的金屬加熱元件、更長的感應(yīng)線圈以及更大質(zhì)量的磁通量集中器，并且這增大了成本和復(fù)雜度.

詳細(xì)地參照圖11，使用的金屬線模式僅加熱基體的前三分之一。一種適當(dāng)?shù)木€陣列分布是所示的非對稱的D形輪廓，但是其它對稱減非對稱的陣列分布同樣也可以良好地發(fā)揮作用.D形的分布陣列包含具有一定長度范圍的金屬線段32，其中在中間處具有最長的金屬線，而在外邊緣處具有最短的金屬線.這種分布良好地散布了磁通量.典型地，中央處的更長金屬線可以是基體長度的幾乎一半，外部的金屬線為中央金屬線長度的大約三分之一.D形分布占據(jù)的平均體積是基體長度的大約三分之一、或者等同于體積的大約三分之一。

在圖12的實(shí)施例中，對稱的D形式或其它適當(dāng)?shù)木€陣列分布具有從基體的前部36突出的金屬線44.在操作中，當(dāng)廢氣流入相應(yīng)的巢室內(nèi)時(shí)，已加熱的突出金屬線端部44直接加熱廢氣38。由于沒有基體部分圍繞金屬線突出部44，熱量直奔廢氣38而不是間接地通過基體10.這在一定程度上改善了點(diǎn)火的效率和時(shí)間.突出距離根據(jù)需要而被限制，以使得金屬線是穩(wěn)定的并且在加熱和振動(dòng)時(shí)不容易變形.線圈和磁通量集中器(未示出)向前移動(dòng)，以匹配突出部44的位置.

在圖13和14的實(shí)施例中，螺旋環(huán)感應(yīng)加熱元件46被定位在基體10的入口面36附近，并且在使用中用于在廢氣進(jìn)入塊體的巢室之前預(yù)加熱廢氣38。分別位于螺旋部的中央處和外端處的加熱器元件的端部通過連結(jié)段而被連接在一起，以閉合環(huán).此處，在螺旋加熱器中感應(yīng)產(chǎn)生的大多數(shù)熱量被直接傳輸?shù)綇U氣。來自上游加熱器元件46的金屬線突出部或尖刺部48被安放在基體10的相應(yīng)巢室22的端部中，以將加熱器元件46鎖定到基體的前部面36上。加熱器元件46被定位成離前部面36至少一個(gè)線直徑或者大約1至5mm，以避免擋住巢室12的入口，超過該距離的話則需要支撐加熱元件?；w的某些巢室可以包含加熱金屬線，以便通過螺旋環(huán)加熱元件補(bǔ)充和/或集中熱量.

在圖15的實(shí)施例中，感應(yīng)加熱的催化劑單元50直接定位在主催化劑單元52的上游并且物理上與之分離開.與在同一基體中存在兩個(gè)區(qū)域的布置方案相比，使感應(yīng)加熱的前端單元50與后部的催化劑單元52解除聯(lián)接消除了由基體材料的快速膨脹和收縮而引起的應(yīng)力與應(yīng)變.解除聯(lián)接允許兩個(gè)基體獨(dú)立地發(fā)揮作用，從而一個(gè)基體能夠快速地膨脹或收縮而同時(shí)不影響另一基體。

在圖11至15的每個(gè)實(shí)施例中，位于前端的線陣列中的金屬線22和金屬線段32的長度和形狀能夠被調(diào)整，以用于預(yù)期的加熱水平和分布.此外，對于在本說明書中描述的所有實(shí)施例而言，基體10的材料的傳熱特性也影響加熱效果并且因此在選擇金屬線或線段的位置時(shí)必須進(jìn)行考慮.例如，堇青石和碳化硅是用于基體的適當(dāng)材料，堇青石具有相對低的傳熱系數(shù)，而碳化硅具有相對高的傳熱系數(shù).結(jié)果，對于相同的加熱效果而言，可以向碳化硅提供比堇青石更少的加熱金屬線。

作為利用線段32和氣隙“g”來塑造磁場和加熱效果的一種替代方式，氣態(tài)排放物處理單元可以替代地利用金屬線實(shí)施，其中一個(gè)金屬線或棒可以具有不同于其它金屬線的電感特征。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，靠近基體的外部定位的金屬線的磁導(dǎo)率低于靠近基體的內(nèi)側(cè)定位的金屬線的磁導(dǎo)率，以便按照需要分布磁通量。在一個(gè)實(shí)例中，靠近基體中央的金屬線由430不銹鋼制成，而靠近基體外側(cè)的金屬線由409不銹鋼制成。

在另一實(shí)施例中，如圖16中所示，金屬線22的磁導(dǎo)率沿著其長度發(fā)生變化，變化例如處于階梯式的離散增量54.通過沿著金屬線的長度適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)金屬線的磁導(dǎo)率，可以產(chǎn)生與由氣隙分開的線段相同的效果，在線段由氣隙分開時(shí)兩個(gè)線段的金屬之間不存在磁導(dǎo)率差異.通常，對于包含這種金屬線的基體的感應(yīng)加熱而言，更高磁導(dǎo)率的材料放置在需要更大加熱的區(qū)域中，而更低磁導(dǎo)率的材料放置在需要更少加熱的區(qū)域中.沿著金屬線建立磁導(dǎo)率變化受到金屬線的不同區(qū)域處的差異熱處理(退火和淬火)的影響.這些過程改變微結(jié)構(gòu)，這繼而設(shè)定相關(guān)的磁導(dǎo)率。作為替代或另外，通過將金屬線置于磁場中使金屬線永久地磁化，例如，金屬線的一部分比其它部分磁化得更多。在操作中，金屬線的不同部分之間的磁滯差異影響磁通量和加熱模式/效果。金屬線的電阻率同樣影響金屬線在存在變化的磁通量時(shí)被加熱的方式，因此為了獲得對于磁通量的預(yù)期差別響應(yīng)，不同金屬線區(qū)域的磁導(dǎo)率和電阻率必須被一起考慮。

不論金屬線是沿著巢室的整個(gè)長度延伸或還是僅僅沿著巢室的部分長度延伸，就促進(jìn)催化反應(yīng)以去除通過催化轉(zhuǎn)化器或PF的廢氣中的有毒組分而言，特定的被占據(jù)巢室呈現(xiàn)出妥協(xié)或者無法使用.然而，在一個(gè)替代的實(shí)施例中，通過利用非實(shí)心的金屬線可以在一定程度上減輕這種不利影響.

中空線56(例如在圖17中示出的上部巢室23中所示的中空線)呈現(xiàn)與感應(yīng)線圈環(huán)平行的閉環(huán)回路.在金屬線導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流是與金屬線的芯部中的電流相比大部分電流位于金屬線22的表面處的表面效應(yīng)。然而，由于電流不被限制在實(shí)心導(dǎo)體的表面處，所以表面渦流傾向于在某種程度上消散，因?yàn)殡娏鲝谋砻媪鲃?dòng)朝向金屬線的芯部并且流過該芯部.通過利用中空線56，產(chǎn)生渦流的表面區(qū)域被有效地加倍，這是因?yàn)橹锌站€具有外表面58和內(nèi)表面60二者.此外，通過將電流限制為閉環(huán)，防止電流流動(dòng)到中空線56的軸線，從而對于特定渦流存在的持續(xù)時(shí)間而言，其電流被保留在金屬線的表面附近，在該表面處其會(huì)產(chǎn)生最大的加熱效果.組合的效果是表面電流更大并且金屬線導(dǎo)體表面處的加熱增大。與實(shí)心線相比，中空線56的一個(gè)優(yōu)勢是中空線不完全阻擋或堵塞其中包含中空線的催化轉(zhuǎn)化器或PF巢室，因此允許廢氣通過巢室，同時(shí)仍然作為加熱元件發(fā)揮作用。因此，在其它的設(shè)計(jì)參數(shù)相同時(shí)，與使用實(shí)心線相比，降低了系統(tǒng)背壓。降低背壓是重要的，這是因?yàn)楸硥航档鸵嫘阅堋Ｔ谝粋€(gè)實(shí)例中，50％中空度的中空線的內(nèi)直徑是外直徑的70.7％。針對相同數(shù)量的實(shí)心線，這轉(zhuǎn)化為背壓降低50％。對于75％的中空度而言，與實(shí)心線相比，對于相同的背壓，可以使用四倍的中空線。也可以使用非圓形的中空輪廓，例如正方形、三角形和六邊形。中空線56的內(nèi)部和外部二者可以涂覆催化劑以用于促進(jìn)或加速氣態(tài)排放物處理反應(yīng)，其中在金屬線插入相應(yīng)的巢室12內(nèi)之前催化劑被應(yīng)用到金屬線上、或者在金屬線已經(jīng)插入其相應(yīng)的巢室內(nèi)之后催化劑被應(yīng)用到基體和金屬線上.在一些情況下，催化劑金屬可以與金屬線的金屬合金化，以使得在金屬線的表面處存在催化劑。作為替代，催化劑金屬層通過化學(xué)氣相沉積或類似方法而沉積.

在另一變型例中，如圖17中示出的下部巢室25中所示的，位于正方形巢室25中的L形截面金屬線61用于加熱巢室的兩個(gè)側(cè)壁14，巢室的其它部分(包括其它兩個(gè)壁)是露出的，以將催化劑的重要面積呈現(xiàn)給沿著巢室流動(dòng)的廢氣.由于從實(shí)心線橫截面改變到非實(shí)心線橫截面(包括實(shí)際中空的L、C、U、V和類似的開口形式形狀)，感應(yīng)場吸收特性也發(fā)生改變.由于與實(shí)心線相比橫截面更薄，更高的感應(yīng)線圈切換頻率被使用，以縮短進(jìn)入金屬線內(nèi)的穿透深度，從而匹配減少的厚度，這繼而增大了熱轉(zhuǎn)換效率。

對于催化轉(zhuǎn)化器而言，沿著中空線導(dǎo)體的中央穿過的廢氣不撞擊到催化劑上，這是因?yàn)閺U氣由于中空線導(dǎo)體壁而與涂覆的基體巢室壁分開.因此，在不對中空導(dǎo)體進(jìn)行涂覆的情況下，未被處理的廢氣將沿著中空導(dǎo)體的內(nèi)部穿過，而未經(jīng)歷排放物處理。為了抵消這種情形，在中空線被插入之后陶瓷基體涂覆催化劑，或者中空線被涂覆催化劑并且隨后插入到涂覆的陶瓷基體中.對于相當(dāng)短的傳導(dǎo)中空線段而言，一旦廢氣已經(jīng)沿著線段通過并且進(jìn)入巢室的未被占據(jù)長度中，則廢氣經(jīng)受暴露的催化劑層的影響，從而激發(fā)高溫排放物處理.通過利用具有適當(dāng)長度和位置的中空線段，被阻塞的巢室的數(shù)量可以從對于1∶25實(shí)心線設(shè)計(jì)的3％降低至0％，對于1∶25中空線設(shè)計(jì)而言，背壓中的增加幾乎可忽略。中空線的一個(gè)潛在問題是確保足夠的質(zhì)量用于有效的傳熱。中空線的最佳壁厚是基于感應(yīng)場的穿透深度的.就發(fā)展渦流和相關(guān)的加熱而言，中空線的壁不應(yīng)當(dāng)如此薄至以使得它對于磁通量而言實(shí)質(zhì)上是透明的，然而，中空線的壁不應(yīng)當(dāng)如此厚至以使得在壁表面處產(chǎn)生的大量渦流很快地?fù)p失到內(nèi)部。

在如圖18中所示的另一環(huán)構(gòu)造中，單根金屬線62被來回地穿過基體中的選定巢室22，線的端部被結(jié)合在一起以閉合環(huán)。事實(shí)上，選定通道中的相鄰金屬線插入件被縫合到適當(dāng)?shù)奈恢弥?閉環(huán)構(gòu)造確保在給定的時(shí)間中在環(huán)內(nèi)的任何位置處電流的水平基本上相同，而不論磁通量中的位置變化如何，這是因?yàn)殚]環(huán)中的電流趨向于使模擬磁通量梯度的任何電流梯度標(biāo)準(zhǔn)化。繼而，一致的電流有效地轉(zhuǎn)化為一致的金屬線溫度。

如前文提到的，先前描述和示出的感應(yīng)加熱構(gòu)造可以與催化轉(zhuǎn)化器和顆粒過濾器(PF)一起使用。PF是用在機(jī)動(dòng)車和其它應(yīng)用中用于從引擎的廢氣中去除顆粒物質(zhì)的設(shè)備.顆粒物質(zhì)包括由引擎燃料/空氣混合物的不完全燃燒導(dǎo)致的灰燼、油煙和其它顆粒物質(zhì).與作為流經(jīng)設(shè)備的催化轉(zhuǎn)化器不同，PF通過迫使廢氣通過過濾器介質(zhì)而捕獲廢氣顆粒.PF在商業(yè)上已經(jīng)被廣泛地用于柴油(壓縮燃燒)引擎.已經(jīng)使用了多種類型的PF，包括堇青石壁流動(dòng)過濾器、碳化硅壁流動(dòng)過濾器、陶瓷纖維過濾器以及金屬纖維流經(jīng)過濾器.PF在商業(yè)上也越來越多地用于汽油(火花燃燒)引擎。PF可以具有催化劑組分以減少排放物的有害組分，或者PF可以是單獨(dú)的，其中PF單元提取顆粒物質(zhì)，而一個(gè)或多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器沿著廢氣路徑位于其它位置處，以將有害的排放物質(zhì)轉(zhuǎn)化為毒性較小的物質(zhì).

一種形式的PF具有蜂窩形式的陶瓷基體，陶瓷基體具有從過濾器的輸入端延伸到輸出端的大量巢室或通道.交替的巢室在過濾器的入口面上被陶瓷的消防栓(fired plug)阻塞，消防栓的陶瓷具有與擠壓基體相同的基礎(chǔ)材料.中間巢室在過濾器的出口面處被阻塞，從而在基體的每個(gè)端部處呈現(xiàn)方格圖案。在使用中，來自引擎的廢氣在PF的輸入端處進(jìn)入開放的巢室中.在PF輸出端處廢氣被迫通過巢室壁進(jìn)入開放的相鄰單元中。然而，灰燼或油煙的顆粒被保留在巢室壁上，僅僅非常小的顆粒偶然通過巢室壁。

隨著時(shí)間的過去，來自流經(jīng)PF的廢氣的油煙和灰燼顆粒傾向于積累，并且開始阻塞過濾器介質(zhì)的孔。為了防止PF變?yōu)闊o效的或不起作用的，累積的顆粒被周期性地?zé)?在一種方法中，這利用再生循環(huán)進(jìn)行，在再生循環(huán)中引入的再生燃料燃燒，以將過濾器加熱至油煙燃燒的溫度，PF達(dá)到的溫度稍微高于正常引擎操作期間達(dá)到的溫度.典型地，顆粒過濾器根據(jù)特定的系統(tǒng)因素而在500℃至700℃之間的溫度下再生。僅僅在非常高的RPM和負(fù)載下，常規(guī)的汽車引擎才達(dá)到該量級的溫度。因此，在PF再生操作中，注射燃料以提高排氣溫度。通過利用與導(dǎo)入的再生燃料結(jié)合的催化劑，會(huì)稍微降低PF在燃料燃燒再生循環(huán)期間的溫度.與汽油(火花燃燒)引擎燃料空氣混合物相比，柴油引擎(壓縮燃燒)燃料空氣混合物具有高的含氧量，并且高的柴油燃料含氧量有助于燃料燃燒循環(huán).再生循環(huán)的定時(shí)和其它控制方面受控于用于控制引擎功能的車載計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)結(jié)合多個(gè)傳感器以及與PF有關(guān)的控制輸入而進(jìn)行工作。

參照圖19，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中示出了示例性的感應(yīng)加熱顆粒過濾器(PF)64，該圖僅僅示出了一部分的基體11和外部殼體18。與標(biāo)準(zhǔn)的PF相比，在基體11的輸入端處被阻塞的巢室66中的一些或全部用金屬線68而不是常規(guī)的陶瓷栓阻塞.金屬線68用于阻塞特定的巢室66，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的廢氣流動(dòng)通過基體11的壁70.此外，金屬線68在經(jīng)受變化的電磁場時(shí)也作為局部加熱器發(fā)揮作用。如在圖19中示出的，某些巢室中的金屬線栓68具有與其它巢室中的金屬線栓不同的長度.在一個(gè)實(shí)施例中，靠近基體11的外部的金屬線栓72比靠近單元的中央的金屬線栓74更短，以將磁通量引導(dǎo)朝向基體11的芯部.在燃料燃燒期間可以啟動(dòng)金屬線栓68的PF加熱，以作為再生循環(huán)期間加熱的貢獻(xiàn)部分，或者金屬線栓可以用于預(yù)加熱PF，從而在兩種情況下，在燃料再生燃燒本身期間，需要注入的燃料更少。如果通過感應(yīng)加熱產(chǎn)生了足夠的熱量，則可以完全消除使用額外的燃料以用于再生加熱循環(huán)。

在燃料再生過程中，在PF上游的某個(gè)位置處產(chǎn)生了熱的廢氣，并且在熱的廢氣從引擎流動(dòng)到PF的過程中會(huì)損失大量的熱量.相反地，感應(yīng)加熱元件68位于基體11中的上游側(cè)處，從而產(chǎn)生的感應(yīng)熱量立刻并直接用于加熱PF的壁70，一些熱量沿著PF的長度通過輻射、對流和傳導(dǎo)的組合而被傳遞。

如在圖19中進(jìn)一步示出的，位于PF單元的輸入端處的金屬栓的全部或一些可以具有與單元的輸入面平齊的表面，如由金屬栓68示出的。作為替代，一些或全部的金屬栓可以具有從單元的面78向前突出的端部部分76，如由栓示出的。不可避免的是，由于被阻塞的巢室，在PF單元處產(chǎn)生了排氣背壓。背壓致使引擎性能和燃料經(jīng)濟(jì)性降低。期望的是盡可能小地增大背壓，與PF單元有效地進(jìn)行其廢氣排放物處理相當(dāng)。使用中，當(dāng)排氣流38被引導(dǎo)通過與排放物處理單元的輸入面78相對的排氣管組件時(shí)，金屬線的突出頭部76用于打破趨向于在基體的輸入面78處積累的壓力波，在排氣流動(dòng)進(jìn)入基體11內(nèi)并通過其壁70之前，排氣撞擊在該輸入面處.在波前遇到基體11的輸入面78之前，由于波前遇到了金屬線的突出部76，所以致使壓力波前打破。波前的打破減少了陶瓷賦予給排氣系統(tǒng)的背壓，這繼而增大了廢氣通過廢氣排放物單元的速度。

從陶瓷基體的前部面70突出的長度的選擇取決于多種因素，包括基體的巢室密度(cpsi)、金屬線陣列模式、廢氣速度以及金屬線直徑/橫截面面積.在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，突出長度從一個(gè)金屬線直徑增大到與更快的廢氣速度對應(yīng)的更長的突出長度。然而，突出長度不形成為如此長至以使得在壓力波撞擊到陶瓷基質(zhì)的輸入面的面上之前打破的波前重新建立。而且，突出長度不形成為如此長至以使得存在未被支撐的金屬線端部在高溫(例如在再生燃燒期間所經(jīng)歷的高溫)時(shí)彎曲的風(fēng)險(xiǎn)。盡管在圖19中顯示了PF，但是出于相同的波前破壞目的，用于催化轉(zhuǎn)化器的金屬插入件也可以構(gòu)造成從陶瓷塊體的前表面突出。此外，如在圖19的PF中進(jìn)一步示出的，為增補(bǔ)突出的金屬栓的效果，位于單元的前端78處的任何陶瓷栓88中的一些或全部也可以形成為具有波前打破形狀。催化轉(zhuǎn)化器的金屬插入件或者用于PF的金屬插入件或陶瓷栓可以具有帶彎曲或尖銳輪廓(如以附圖標(biāo)記82示出的)的突出部分76，以進(jìn)一步減少背壓。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例具有如下結(jié)構(gòu)特征和性能：

堇青石蜂窩基體，其具有900cpsi、4.66英寸直徑和3.75英寸長度，

1∶25金屬線陣列模式、前端加載的D形輪廓，

總系統(tǒng)重量(不包括殼體屏蔽件、磁通量集中器等)為523克，由454克洗涂的陶瓷蜂窩和67克金屬線以及2克膏體粘合劑制成，

采用19圈線圈的感應(yīng)系數(shù)：48uH，

中央溫度(距前部面1.5英寸處)：對于1.2KW功率消耗(power draw)在100kHz的頻率下在150秒之后為308℃

本發(fā)明的另一實(shí)例實(shí)施例具有如下結(jié)構(gòu)特征和性能：

堇青石蜂窩基體，其具有400cpsi、5.66英寸直徑和3.75英寸長度，

1∶25金屬線陣列模式、全長度對稱輪廓，

總系統(tǒng)重量(不包括殼體屏蔽件、磁通量集中器等)由750克洗涂的陶瓷蜂窩和150克金屬線以及5克膏體粘合劑形成，

采用15圈線圈的感應(yīng)系數(shù)：64uH

中央溫度(距前部面1.75英寸處)：對于1.2KW功率消耗在頻率87kHz下在150秒后為140℃

其它的變型和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，并且所描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例并非旨在是限制性的。本發(fā)明的原理設(shè)想有許多替代方案，所述替代方案具有在示例性的實(shí)施例中顯而易見的優(yōu)勢和特征。