CN107035472B - 一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置，发动机冷起动时，通过进气旁通、排气旁通、加热装置这三种方法同时进行，能有效的减少三效催化转化器的起燃时间，并且通入高温的压缩空气能解决因发动机起动时的混合气浓，CO和HC的催化氧化因缺氧而转化效率低的问题。当三效催化转化器温度高于850℃时，通过冷却管道，将三效催化转化器中的热量通过冷却液带走，以防止突然制动、产生不正常燃烧、连续工作在大负荷工况等因素导致催化剂温度急剧升高，三效催化转化器产生热失活，影响转化效率。该装置还设置有朗肯循环，回收排气管中的废气和经过三效催化转化器流出的高温冷却液能量，以驱动空调等附件做功使用。

Description

一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车后处理技术领域，特别涉及一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置及控制方法。

背景技术

20世纪开始，世界汽车保有量的增加大大超过了人口增长的速度，而且随着居民收入的提高、汽车价格的下降和消费环境的改善，我国汽车市场规模将持续扩大，但是随着机动车保有量的增加，我国机动车污染物排放总量持续攀升。人们在逐渐了解到汽车排放物的危害后，就不断的探索新的方法来改善汽车排放性能，越来越严格的排放法规更加促使了相关技术的革新。

机内净化技术以改善发动机燃烧过程为主要内容，对降低排放污染起到了较大作用，但其效果有限，且不同程度的给汽车的动力性和经济性带来负面影响。随着对发动机排放要求的日益严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性、排放性能的发动机越来越复杂，成本急剧上升。因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其他性能的同时，在排气系统上安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。

目前，后处理器普遍存在一个问题：处于环境温度时的发动机运行的前几分钟，后处理器的效力是几乎不存在的。由于冷起动时，排气温度低，无法达到后处理器催化剂的起燃温度(污染物转化效率达到50％时的排气温度，因而转化效率大大降低。对于这个“催化剂起燃时间”问题存在几种现有解决方案，其中之一是在催化剂本体中使用相改变材料以保持该催化剂基体的温度接近为使该催化器起作用所要求的温度。另一个是将该催化器与发动机紧密联接以将热惯性最小化。另一个发展是在涡轮机壳体之前放置一个预催化器。存在多种方法来应对这个启动时非热主动的催化器问题。它们全都是复杂的、空间侵入性的、并且昂贵的。这些装置并非旨在辅助更快的催化剂起燃，并且对用于车辆成本而言是一个额外的开销。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种既能回收废气能量又能改善汽车冷起动时排放的降低汽车发动机冷起动时排放物的装置及控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置，包括：

进气旁通管，所述的进气旁通管的进口与中冷器和压气机之间的发动机的进气管相连通，所述的进气旁通管的出口端伸入一个扩张排气管的管腔内，在所述的进气旁通管上安装有进气单向阀和进气旁通阀；

排气旁通管，所述的排气旁通管的进口与涡轮前的发动机的排气管相连通，排气旁通管的出口端伸入扩张排气管的管腔内，在所述的排气旁通管上安装有排气单向阀和排气旁通阀；

加热装置，所述的加热装置包括红外涂层滤网，所述的红外涂层滤网垂直于气体流动方向设置在扩张排气管的管腔内，在所述的扩张排气管内安装有对准红外涂层滤网设置的加热器，所述的加热器用于对红外涂层滤网加热，发动机的排气管依次连接所述的涡轮、扩张排气管、三效催化转化器进口阀、三效催化转化器、三效催化转化器出口阀以及热交换器后与大气连通，在所述的涡轮与扩张排气管之间的排气管上安装有第一温度传感器，在所述的三效催化转化器内安装有第二温度传感器，第二温度传感器用来检测三效催化转化器的工作温度；

朗肯循环系统，所述的朗肯循环系统包括由所述的热交换器、回流泵、冷凝器以及膨胀机通过循环管路依次相连构成的闭合循环系统；

一个冷却系统，所述的冷却系统包括包裹在三效催化转化器外的冷却管道，所述的冷却管道的出口与冷却液出口阀、热交换器、泵、冷却液进口阀以及冷却管道的进口通过连接管道依次连接，在所述的冷却管道外包裹有保温结构；

一个电子控制单元分别通过控制线与泵、第一温度传感器、第二温度传感器、加热器、进气旁通阀、排气旁通阀、冷却液进口阀、冷却液出口阀、三效催化转化器进口阀以及三效催化转化器出口阀相连接。

本发明的降低汽车发动机冷起动时排放物的控制方法，包括以下步骤：

发动机正常工况工作时，关闭进气旁通阀和排气旁通管阀，三效催化转化器进口阀与三效催化转化器出口阀打开，使得气缸排出的废气沿着排气管经扩张排气管、三效催化转化器以及热交换器，最终排向大气；在此过程中，由热交换器、膨胀机、冷凝器和回流泵组成的朗肯循环在热交换器中与沿着排气管排出的废气换热，把废气能量回收供朗肯循环使用；当安装在三效催化转化器内的第二温度传感器读取的三效催化转化器温度高于850℃时，电子控制单元控制与冷却管道进口相连的冷却液进口阀和与冷却管道出口相连的冷却液出口阀以及泵开启，通过泵使冷却液注入冷却管道，冷却管道中经过三效催化转化器换热后升温的热冷却液经过热交换器后降温将热量传给朗肯循环中的循环液，经过热交换器换热后的冷却液通过泵再次流向三效催化转化器继续对三效催化转化器冷却，从而达到循环冷却的作用；当第二温度传感器读取温度低于700℃，电子控制单元控制冷却系统的冷却液进口阀、冷却液出口阀以及泵关闭，冷却系统停止工作；

发动机停机时，电子控制单元控制三效催化转化器进口阀、三效催化转化器出口阀、冷却液进口阀以及冷却液出口阀关闭，则包裹在冷却管道外层的保温结构对冷却管道内的高温冷却液进行保温，使得三效催化转化器的高温能保持一段较长时间；

当发动机冷起动时，电子控制单元控制进气旁通阀和排气旁通阀开启，并且控制加热器对红外涂层滤网加热，进气经过压气机压缩后，部分压缩空气沿着进气旁通管经过进气单向阀和进气旁通阀流入三效催化转化器；同时在涡轮前的部分排气沿着排气旁通管经过排气单向阀和排气旁通阀流入三效催化转化器；当第一温度传感器读取温度超过300℃时，电子控制单元控制进气旁通阀关闭、排气旁通阀关闭并控制加热器加热，此时加热器加热红外涂层滤网，红外涂层滤网通过辐射的方式加热流经的排气，使得排气在进入三效催化转化器前温度得到进一步升高。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：第一，当发动机冷起动时，小部分的高温压缩空气沿着进气旁通管流向三效催化转化器；小部分涡轮前的高达400℃排气沿着排气旁通管流向三效催化转化器；加热器加热红外涂层滤网，红外涂层滤网具有较强的辐射能力，通过辐射的方式加热流经的排气；进气旁通、排气旁通、加热装置，三种方法同时进行，能有效的减少三效催化转化器的起燃时间，并且通入高温的压缩空气能解决因发动机起动时的混合气浓，CO和HC的催化氧化因缺氧而转化效率低的问题。

第二，通过朗肯循环，回收排气管中的废气和经过三效催化转化器流出的高温冷却液能量，以驱动空调等附件做功使用。从而达到废气能量回收的目的，充分回收利用排气中的能量，提高系统综合热效率，尽可能避免能量浪费。

第三，当三效催化转化器温度高于850℃时，通过冷却管道，将三效催化转化器中的热量通过冷却液带走，以防止突然制动、产生不正常燃烧、连续工作在大负荷工况等因素导致催化剂温度急剧升高，三效催化转化器产生热失活，影响转化效率。

附图说明

图1为本发明的一种降低汽车发动机冷起动时排放物装置的结构示意图；

图2为图1所示的装置中的局部放大示意图；

图3为图1所示的装置中的冷却管道的流向示意图；

图4为图1所示的装置中的保温层的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。

如附图所示，本发明一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置，包括：

进气旁通管9，所述的进气旁通管9的进口与中冷器17和压气机12之间的发动机的进气管相连通，所述的进气旁通管9的出口端伸入一个扩张排气管的管腔内，在所述的进气旁通管9上安装有进气单向阀11和进气旁通阀10；

排气旁通管，所述的排气旁通管13的进口与涡轮16前的发动机的排气管相连通，排气旁通管13的出口端伸入扩张排气管的管腔内，在所述的排气旁通管13上安装有排气单向阀15和排气旁通阀14；

加热装置，所述的加热装置包括红外涂层滤网5，所述的红外涂层滤网5垂直于气体流动方向设置在扩张排气管的管腔内，在所述的扩张排气管内安装有对准红外涂层滤网5设置的加热器6，所述的加热器6用于对红外涂层滤网5加热，所述的加热器6和红外涂层滤网5市场有售。发动机的排气管依次连接所述的涡轮、扩张排气管、三效催化转化器进口阀26、三效催化转化器2、三效催化转化器出口阀27以及热交换器21后与大气连通，在所述的涡轮与扩张排气管之间的排气管上安装有第一温度传感器7，在所述的三效催化转化器2内安装有第二温度传感器4，第二温度传感器4用来检测三效催化转化器2的工作温度。

朗肯循环系统，所述的朗肯循环系统包括由所述的热交换器21、回流泵19、冷凝器20以及膨胀机2 2通过循环管路依次相连构成的闭合循环系统；

一个冷却系统，所述的冷却系统包括包裹在三效催化转化器2外的冷却管道25，所述的冷却管道25的出口与冷却液出口阀24、热交换器21、泵1、冷却液进口阀23以及冷却管道25的进口通过连接管道依次连接，在所述的冷却管道25外包裹有保温结构3；

一个电子控制单元ECU 18分别通过控制线与泵1、第一温度传感器7、第二温度传感器4、加热器6、进气旁通阀10、排气旁通阀14、冷却液进口阀23、冷却液出口阀24、三效催化转化器进口阀26以及三效催化转化器出口阀27相连接。

所述的热交换器21的结构可以为：所述的朗肯循环系统的循环管路与热交换器21的壳体上的进出口分别相连以使冷源在热交换器21的壳体内循环，所述的排气管以及所述的冷却管道25穿过热交换器21设置，冷却管道25中经过三效催化转化器换热后升温的热冷却液经过热交换器后降温；排气管的高温排气经过热交换器后降温；所述的朗肯循环系统的冷源将三效催化转化器换热后升温的热的冷却液、排气管的高温排气散走的热量回收利用供朗肯循环使用。当然所述的热交换器21也可以采用现有的其他结构形式。

作为本发明的一种优选的实施方式，在所述的三效催化转化器2的外壳上设置有多个导流挡板，所述的多个导流挡板形成S形流道，这样可以增加冷却液流经三效催化转化器2的接触面积，利于散热。

优选的所述的保温结构包括间隔设置的内部保温层和外部保温层，所述的内部保温层和外部保温层之间为真空层33，所述的内部保温层包括包覆在冷却管道25上的保温材料层35，在所述的保温材料层35上固定有第二钢制层34，所述的外部保温层包括第一钢制层32，在所述的第一钢制层32上固定有外壳层31，所述的真空层33可以由第一钢制层32与第二钢制层34之间抽成真空形成，通过两种绝热性良好的保温材料层35和真空层33，达到双层保温的效果；由于内部真空层33的存在，需要承受较大的气压力，故使用钢性材质的第一钢制层32和第二钢制层34来承压。

本发明装置中涉及的发动机以及压缩机和涡轮的布置部分为现有结构。

一种降低汽车发动机冷起动时排放物装置的控制方法，包括以下步骤：。

发动机正常工况工作时，关闭进气旁通阀10、排气旁通阀14，防止正常工况下进气、排气分别通过进气旁通管9、排气旁通管13最终流向三效催化转化器2，三效催化转化器进口阀26与三效催化转化器出口阀27打开，使得气缸排出的废气沿着排气管8经扩张排气管、三效催化转化器2以及热交换器21，最终排向大气；在此过程中，由热交换器21、膨胀机22、冷凝器20和回流泵19组成的朗肯循环在热交换器21中与沿着排气管8排出的废气换热，把废气能量回收供朗肯循环使用，朗肯循回收的能量可以用以驱动空调等；当安装在三效催化转化器2内的第二温度传感器4读取的三效催化转化器2温度高于850℃时，电子控制单元18控制与冷却管道25进口相连的冷却液进口阀23和与冷却管道25出口相连的冷却液出口阀24以及泵1开启，通过泵1使冷却液(可以为丙三醇或者其他沸点较高的冷却液)注入冷却管道25，冷却管道25中经过三效催化转化器换热后升温的热冷却液经过热交换器后降温将热量传给朗肯循环中的循环液，经过热交换器21换热后的冷却液通过泵1再次流向三效催化转化器2继续对三效催化转化器2冷却，从而达到循环冷却的作用；经过热交换器进行热交换，将三效催化转化器2中的热量通过循环液带走，以防止突然制动、产生不正常燃烧、连续工作在大负荷工况等因素导致催化剂温度急剧升高，三效催化转化器2产生热失活，影响转化效率。当第二温度传感器4读取温度低于700℃，电子控制单元(ECU)18控制冷却系统的冷却液进口阀23、冷却液出口阀24以及泵1关闭，冷却系统停止工作。冷却系统能保证三效催化转化器2不在过高的温度下工作，防止热失活；三效催化转化器2在高转化效率的工作温度时，冷却系统能及时停止冷却，以免影响转化效率。

发动机停机时，电子控制单元18控制三效催化转化器进口阀26、三效催化转化器出口阀27、冷却液进口阀23以及冷却液出口阀24关闭，则包裹在冷却管道25外层的保温结构3对冷却管道25内的高温冷却液进行保温，使得三效催化转化器2的高温能保持一段较长时间。在发动机正常工作时，冷却液起到对三效催化转化器冷却的作用，在发动机停机时，这些高温冷却液不流动，就被冷却液进口阀23、冷却液出口阀24封堵在三效催化转化器内，起到保温三效催化转化器的效果。

当发动机冷起动时，电子控制单元18控制进气旁通阀10和排气旁通阀14开启，并且控制加热器6对红外涂层滤网5加热，进气经过压气机12后，部分压缩空气沿着进气旁通管9经过进气单向阀11和进气旁通阀10流入三效催化转化器2；同时在涡轮16前的部分排气沿着排气旁通管13经过排气单向阀15和排气旁通阀14流入三效催化转化器2。

因发动机起动时的混合气浓，CO和HC的催化氧化因缺氧而不能有效进行，通入高温的压缩空气既能解决三效催化转化器2冷起动时因缺氧而转化效率低的问题，又能对三效催化转化器2进行加热，缩短起燃时间；因为冷起动时涡轮16前的排气高达400℃，将一部分高温排气直接流向三效催化转化器2，也可有效缩短三效催化转化器2的起燃时间。

当第一温度传感器7读取温度超过300℃(三效催化转化器的起燃温度)时，电子控制单元18控制进气旁通阀10关闭、排气旁通阀14关闭并控制加热器6加热，进气不能通过进气旁通管9和排气旁通管流向三效催化转化器2。因为此时已达到起燃温度，且不处于缺氧，也能避免大负荷工况下的进气因为旁通作用而进气不足。同时无需利用涡轮16前的高温排气对三效催化转化器2加热，也能避免大负荷工况下，因为旁通一部分排气而影响涡轮增压器的增压效果。在冷起动的同时，电子控制单元18控制加热器6工作，此时加热器6加热红外涂层滤网5，红外涂层滤网5具有较强的辐射能力，通过辐射的方式加热流经的排气，使得排气在进入三效催化转化器2前温度得到进一步升高，能进一步缩短起燃时间；此时已达到起燃温度，无需对排气加热，及时的停止加热也避免造成不必要的能源浪费与降低加热装置周围的高温部件的热负荷。进气旁通、排气旁通、加热装置，三种方法同时进行，能有效的减少三效催化转化器2的起燃时间，并且冷起动过程中给三效催化转化器2通入空气也能解决缺氧问题，降低CO和HC排放。

Claims (4)

1.一种降低汽车发动机冷起动时排放物的装置，其特征在于包括：

进气旁通管，所述的进气旁通管的进口与中冷器和压气机之间的发动机的进气管相连通，所述的进气旁通管的出口端伸入一个扩张排气管的管腔内，在所述的进气旁通管上安装有进气单向阀和进气旁通阀；

排气旁通管，所述的排气旁通管的进口与涡轮前的发动机的排气管相连通，排气旁通管的出口端伸入扩张排气管的管腔内，在所述的排气旁通管上安装有排气单向阀和排气旁通阀；

加热装置，所述的加热装置包括红外涂层滤网，所述的红外涂层滤网垂直于气体流动方向设置在扩张排气管的管腔内，在所述的扩张排气管内安装有对准红外涂层滤网设置的加热器，所述的加热器用于对红外涂层滤网加热，发动机的排气管依次连接所述的涡轮、扩张排气管、三效催化转化器进口阀、三效催化转化器、三效催化转化器出口阀以及热交换器后与大气连通，在所述的涡轮与扩张排气管之间的排气管上安装有第一温度传感器，在所述的三效催化转化器内安装有第二温度传感器，第二温度传感器用来检测三效催化转化器的工作温度；

朗肯循环系统，所述的朗肯循环系统包括由所述的热交换器、回流泵、冷凝器以及膨胀机通过循环管路依次相连构成的闭合循环系统；

一个冷却系统，所述的冷却系统包括包裹在三效催化转化器外的冷却管道，所述的冷却管道的出口与冷却液出口阀、热交换器、泵、冷却液进口阀以及冷却管道的进口通过连接管道依次连接，在所述的冷却管道外包裹有保温结构；

一个电子控制单元分别通过控制线与泵、第一温度传感器、第二温度传感器、加热器、进气旁通阀、排气旁通阀、冷却液进口阀、冷却液出口阀、三效催化转化器进口阀以及三效催化转化器出口阀相连接。

2.根据权利要求1所述的降低汽车发动机冷起动时排放物的装置，其特征在于：在所述的三效催化转化器的外壳上设置有多个导流挡板，所述的多个导流挡板形成S形流道。

3.根据权利要求1或2所述的降低汽车发动机冷起动时排放物的装置，其特征在于：所述的保温结构包括间隔设置的内部保温层和外部保温层，所述的内部保温层和外部保温层之间为真空层，所述的内部保温层包括包覆在冷却管道上的保温材料层，在所述的保温材料层上固定有第二钢制层，所述的外部保温层包括第一钢制层，在所述的第一钢制层上固定有外壳层。

4.一种采用权利要求1-3之一所述的装置降低汽车发动机冷起动时排放物的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

发动机正常工况工作时，关闭进气旁通阀和排气旁通管阀，三效催化转化器进口阀与三效催化转化器出口阀打开，使得气缸排出的废气沿着排气管经扩张排气管、三效催化转化器以及热交换器，最终排向大气；在此过程中，由热交换器、膨胀机、冷凝器和回流泵组成的朗肯循环在热交换器中与沿着排气管排出的废气换热，把废气能量回收供朗肯循环使用；当安装在三效催化转化器内的第二温度传感器读取的三效催化转化器温度高于850℃时，电子控制单元控制与冷却管道进口相连的冷却液进口阀和与冷却管道出口相连的冷却液出口阀以及泵开启，通过泵使冷却液注入冷却管道，冷却管道中经过三效催化转化器换热后升温的热冷却液经过热交换器后降温将热量传给朗肯循环中的循环液，经过热交换器换热后的冷却液通过泵再次流向三效催化转化器继续对三效催化转化器冷却，从而达到循环冷却的作用；当第二温度传感器读取温度低于700℃，电子控制单元控制冷却系统的冷却液进口阀、冷却液出口阀以及泵关闭，冷却系统停止工作；

发动机停机时，电子控制单元控制三效催化转化器进口阀、三效催化转化器出口阀、冷却液进口阀以及冷却液出口阀关闭，则包裹在冷却管道外层的保温结构对冷却管道内的高温冷却液进行保温，使得三效催化转化器的高温能保持一段较长时间；

当发动机冷起动时，电子控制单元控制进气旁通阀和排气旁通阀开启，并且控制加热器对红外涂层滤网加热，进气经过压气机压缩后，部分压缩空气沿着进气旁通管经过进气单向阀和进气旁通阀流入三效催化转化器；同时在涡轮前的部分排气沿着排气旁通管经过排气单向阀和排气旁通阀流入三效催化转化器；当第一温度传感器读取温度超过300℃时，电子控制单元控制进气旁通阀关闭、排气旁通阀关闭并控制加热器加热，此时加热器加热红外涂层滤网，红外涂层滤网通过辐射的方式加热流经的排气，使得排气在进入三效催化转化器前温度得到进一步升高。