CN108825337A - 一种换热式车载吸附脱附装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种换热式车载吸附脱附装置。装置包括：进气管(1)、发动机(2)、三元催化器(3)、控制单元(4)、尾气换热装置(5)、第一阀门(6)、排气管(7)、第三阀门(8)、吸附装置(9)、第二阀门(10)、第四阀门(11)、吸附管路(12)、第五阀门(13)、尾气检测装置(14)、尾气换热接收装置(15)、尾气换热传导装置(16)、脱附管路(17)。该装置以发动机转速信号a，排气温度信号b，脱附污染物浓度信号c为控制依据，通过控制单元在不同温度信号下对第二阀门、第一阀门、尾气换热传导装置、第三阀门、第四阀门、第五阀门的控制，实现了吸附装置的高效脱附，延长了使用寿命。

Description

一种换热式车载吸附脱附装置
技术领域
本发明提供一种换热式车载吸附脱附装置及控制策略，属于内燃 机领域。
背景技术
由于发动机冷起动阶段三元催化器不能达到工作温度，发动机冷 起动阶段HC排放不能得到有效的转化，加之控制单元ECU需要加 大燃料喷射量以保证发动机顺利起动，大量未燃的燃料以HC的形式 排放到大气之中。据有关测试结果表明，在NEDC循环工况测试中， 90％的HC排放产生于发动机冷起动阶段。因此，降低发动机冷起动 阶段污染气体排放已经成为内燃机继续发展亟待解决的重要问题之 一。吸附技术因其低温高压吸附，高温低压脱附的特点，是解决发动 机冷起动阶段HC排放的一种有效手段。根据相关台架测试结果，在 环境温度为20℃的条件下，发动机冷起动阶段HC排放的75％以上 能够被吸附于放置了吸附材料的吸附装置之中。
目前，限制吸附装置应用的技术瓶颈是如何实现吸附材料的脱附 再生，传统的电加热模式会增加能量的消耗，而高温尾气的直接吹扫 时尾气中的水分又会破坏吸附材料表面微孔结构。
因此，设计一种既可以有效降低发动机冷起动阶段HC排放，又 可以实现吸附材料的脱附再生的装置显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的是为解决汽车发动机冷起动高排放的问题，提供一 种利用尾气换热脱附的车载吸附脱附装置及控制策略，利用该系统不 仅可以有效降低汽车发动机冷起动阶段的污染物排放，实现吸附材料 的充分脱附再生，并且克服了传统的电加热脱附模式会增加额外能量 消耗问题，实现了吸附污染物的循环利用。
本发明采用如下技术方案：
进气管(1)、发动机(2)、三元催化器(3)、尾气换热装置(5)、 第一阀门(6)、排气管(7)，进气管(1)与发动机(2)串联连接， 三元催化器(3)、尾气换热装置(5)、第一阀门(6)与发动机(2) 通过排气管(7)串联连接；吸附管路(12)、第二阀门(10)、吸附 装置(9)、第三阀门(8)，吸附管路(12)设置于三元催化器(3) 下游、尾气换热装置(5)上游、吸附装置(9)设置于吸附管路(12) 上并通过吸附管路(12)与排气管(7)并联连接，吸附装置(9)外 侧设置尾气换热接收装置(15)(内置导热材料)，在吸附装置(9) 上游设置有第二阀门(10)、第四阀门(11)，在吸附装置(9)下游 设置有第三阀门(8)，吸附装置(9)通过第五阀门(13)、尾气检测 装置(14)和脱附管路(17)与进气管(1)相连，尾气换热装置(5) 通过尾气换热传导装置(16)与尾气换热接收装置(15)串联连接， 尾气换热传导装置(16)(内置导热材料)设置有传热开关并由控制 单元(4)控制，当尾气换热传导装置(16)的传热开关打开时，尾 气检测装置(14)以设定时间间隔K即10分钟的频率开始采样；尾 气换热装置(5)、尾气换热传导装置(16)与尾气换热接收装置(15) 外侧均设置有保温材料，防止热量损失。控制单元4接收发动机信号 a、排气温度信号b、脱附污染物浓度信号c并通过信号线d、e、f、 g、h、i控制第二阀门(10)、第一阀门(6)尾气换热传导装置(16)、 第三阀门(8)、第四阀门(11)、第五阀门(13)。
利用如上所述换热式车载吸附器，其特征在于
当发动机(2)未起动时，即当发动机转速信号a为零时，控制 单元(4)接收发动机转速信号a，通过控制单元(4)关闭第二阀门 (10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、 关闭第五阀门(13)、关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，保持 正常排气管开启，关闭吸附路和脱附路。
设定温度参数α为吸附材料最大有效吸附温度(如70℃)、β为 吸附材料最小吹拂脱附温度(如140℃)、γ为吸附材料耐温上限温度 (如400℃)，其中α<β<γ。当发动机(2)起动时，控制单元(4)接 收发动机转速信号a、排气温度信号b，当发动机转速信号a不为零，排气温度b不大于设定温度α时，通过控制单元(4)打开第二阀门 (10)、关闭第一阀门(6)、打开第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、 关闭第五阀门(13)、关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，使发 动机尾气通过第二阀门(10)、吸附装置(9)和第三阀门(8)后经 由排气管(7)排出。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度α、但不 大于设定温度β时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第 一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀 门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，使发动机尾气通 过第一阀门(6)、后经由排气管(7)排出。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度β，但不 大于设定温度γ时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第 一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、打开第四阀门(11)、打开第五阀 门(13)，打开尾气换热传导装置(16)传热开关，使尾气换热装置 (5)换热热量经过尾气换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装 置(15)。脱附后的污染物在发动机(2)、进气管(1)真空度和经由 第四阀门(11)进入的空气的作用下，通过进气管(1)进入发动机 (2)燃烧，尾气检测装置(14)开始按设定频率K检测脱附管路(17) 中的脱附污染物浓度。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度β，但不 大于设定温度γ时，浓度检测装置(14)连续两次检测到的脱附污染 物浓度均不高于设定浓度U即100ppm时，通过控制单元(4)关闭 第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四 阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热 开关，停止尾气换热装置(5)换热热量经过尾气换热传导装置(16) 传递至尾气换热接收装置(15)的过程；当发动机转速信号a不为零， 排气温度b大于设定温度γ时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、 打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭 第五阀门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，停止尾气 换热装置(5)换热热量经过尾气换热传导装置(16)传递至尾气换 热接收装置(15)的过程。
本发明的有益效果是，根据权利要求所述，吸附装置(9)外侧 设置尾气换热接收装置(15)(内置导热材料)，尾气换热装置(5) 通过尾气换热传导装置(16)与尾气换热接收装置(15)串联连接， 尾气换热传导装置(16)(内置导热材料)设置有传热开关并由控制 单元(4)控制。在脱附过程中，尾气换热装置(5)将换取的尾气热 量经过尾气换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装置(15)，进 而对吸附装置(9)开始加热脱附，当尾气换热传导装置(16)的传 热开关打开时，尾气检测装置(14)以设定时间间隔K即10分钟的 频率开始采样。
本装置在实现吸附材料对发动机冷起动阶段污染物的吸附脱附 的前提下，克服了传统的电加热脱附模式会增加额外能量消耗问题， 实现吸附材料的充分脱附再生以及吸附于吸附装置中的污染物的回 收燃烧，从而提高了发动机燃油的排放性，经济性，并且延长了吸附 装置的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的结构和工作原理图
图2是本发明的局部示意图
图中：(1)、进气管，(2)、发动机，(3)、三元催化器，(4)、控 制单元，(5)、尾气换热装置，(6)、第一阀门，(7)、排气管，(8)、 第三阀门，(9)、吸附装置，(10)、第二阀门，(11)、第四阀门，(12)、 吸附管路，(13)、第五阀门，(14)、尾气检测装置，(15)、尾气换热 接收装置，(16)、尾气换热传导装置(内置导热材料)，(17)、脱附 管路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
如图1包括：进气管(1)、发动机(2)、三元催化器(3)、尾气 换热装置(5)、第一阀门(6)、排气管(7)，进气管(1)与发动机 (2)串联连接，三元催化器(3)、尾气换热装置(5)、第一阀门(6) 与发动机(2)通过排气管(7)串联连接；吸附管路(12)、第二阀 门(10)、吸附装置(9)、第三阀门(8)，吸附管路(12)设置于三 元催化器(3)下游、尾气换热装置(5)上游、吸附装置(9)设置 于吸附管路(12)上并通过吸附管路(12)与排气管(7)并联连接， 吸附装置(9)外侧设置尾气换热接收装置(15)(内置导热材料)， 在吸附装置(9)上游设置有第二阀门(10)、第四阀门(11)，在吸 附装置(9)下游设置有第三阀门(8)，吸附装置(9)通过第五阀门 (13)、尾气检测装置(14)和脱附管路(17)与进气管(1)相连， 尾气换热装置(5)通过尾气换热传导装置(16)与尾气换热接收装 置(15)串联连接，尾气换热传导装置(16)(内置导热材料)设置 有传热开关并由控制单元(4)控制，当尾气换热传导装置(16)的 传热开关打开时，尾气检测装置(14)以设定时间间隔K即10分钟 的频率开始采样；尾气换热装置(5)、尾气换热传导装置(16)、与 尾气换热接收装置(15)外侧均设置有保温材料，防止热量损失。控 制单元(4)接收发动机信号a、排气温度信号b、脱附污染物浓度信 号c并通过信号线d、e、f、g、h、i控制第二阀门(10)、第一阀门 (6)、尾气换热传导装置(16)、第三阀门(8)、第四阀门(11)、第 五阀门(13)。
当发动机(2)未起动时，即当发动机转速信号a为零时，控制 单元(4)接收发动机转速信号a，通过控制单元(4)关闭第二阀门 (10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、 关闭第五阀门(13)、关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，保持 正常排气管开启，关闭吸附路和脱附路。
设定温度参数α为吸附材料最大有效吸附温度(如70℃)、β为 吸附材料最小吹拂脱附温度(如140℃)、γ为吸附材料耐温上限温度 (如400℃)，其中α<β<γ。当发动机(2)起动时，控制单元(4)接 收发动机转速信号a、排气温度信号b，当发动机转速信号a不为零，排气温度b不大于设定温度α时，由于发动机处于冷起动阶段，三元 催化器尚未达到工作温度，污染物排放较高，因此，尾气需要进入吸 附装置进行吸附净化，此时通过控制单元(4)打开第二阀门(10)、 关闭第一阀门(6)、打开第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭 第五阀门(13)、关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，使发动机 尾气通过第二阀门(10)、吸附装置(9)和第三阀门(8)后经由排 气管(7)排出，这个过程使得冷起动阶段尾气中的污染物被吸附。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度α、但不 大于设定温度β时，由于此时发动机排气温度已达到吸附材料最大吸 附温度，此时通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门 (6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，使发动机尾气通过第一阀门 (6)、后经由排气管(7)排出。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度β，但不 大于设定温度γ时，排气温度达到脱附的最小温度，可以开启加热脱 附策略，此时通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门 (6)、关闭第三阀门(8)、打开第四阀门(11)、打开第五阀门(13)，打开尾气换热传导装置(16)传热开关，尾气换热装置(5)开始工 作，将尾气余热进行收集并通过尾气换热传导装置(16)传递给尾气 换热接收装置(15)，吸附装置(9)被加热，达到脱附温度后开始进 入脱附阶段，同时，脱附后的污染物在发动机(2)、进气管(1)真 空度和经由第四阀门(11)进入的空气的作用下，通过进气管(1) 进入发动机(2)燃烧，尾气检测装置(14)开始按设定频率K检测 脱附管路(17)中的脱附污染物浓度。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度β，但不 大于设定温度γ时，浓度检测装置(14)连续两次检测到的脱附污染 物浓度均不高于设定浓度U即100ppm时，认为大部分吸附于吸附装 置(9)中的污染物已经脱附，可以结束加热脱附策略，因此，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀 门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传 导装置(16)传热开关，停止尾气换热装置(5)换热热量经过尾气 换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装置(15)的过程，脱附过 程完成。
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度γ时，由 于排气温度已达到吸附材料使用的上限温度，为防止高温对吸附材料 表面微孔的破坏，需要立即停止对吸附装置(9)的加热，此时通过 控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传 导装置(16)传热开关，停止尾气换热装置(5)换热热量经过尾气 换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装置(15)的过程，脱附过 程终止。

Claims (2)

1.一种换热式车载吸附脱附装置，其特征在于，包括：进气管(1)、发动机(2)、三元催化器(3)、尾气换热装置(5)、第一阀门(6)、排气管(7)，进气管(1)与发动机(2)串联连接，三元催化器(3)、尾气换热装置(5)、第一阀门(6)与发动机(2)通过排气管(7)串联连接；吸附管路(12)、第二阀门(10)、吸附装置(9)、第三阀门(8)，吸附管路(12)设置于三元催化器(3)下游、尾气换热装置(5)上游、吸附装置(9)设置于吸附管路(12)上并通过吸附管路(12)与排气管(7)并联连接，吸附装置(9)外侧设置尾气换热接收装置(15)，在吸附装置(9)上游设置有第二阀门(10)、第四阀门(11)，在吸附装置(9)下游设置有第三阀门(8)，吸附装置(9)通过第五阀门(13)、尾气检测装置(14)和脱附管路(17)与进气管(1)相连，尾气换热装置(5)通过尾气换热传导装置(16)与尾气换热接收装置(15)串联连接，尾气换热传导装置(16)设置有传热开关并由控制单元(4)控制，当尾气换热传导装置(16)的传热开关打开时，尾气检测装置(14)开始采样；控制单元(4)接收发动机信号a、排气温度信号b、脱附污染物浓度信号c并通过信号线d、e、f、g、h、i控制第二阀门(10)、第一阀门(6)、尾气换热传导装置(16)、第三阀门(8)、第四阀门(11)、第五阀门(13)。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：
当发动机(2)未起动时，即当发动机转速信号a为零时，控制单元(4)接收发动机转速信号a，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)、关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，保持正常排气管开启，关闭吸附路和脱附路；
设定温度参数α为吸附材料最大有效吸附温度、β为吸附材料最小吹拂脱附温度、γ为吸附材料耐温上限温度，其中α<β<γ；
当发动机(2)起动时，控制单元(4)接收发动机转速信号a、排气温度信号b，当发动机转速信号a不为零，排气温度b不大于设定温度α时，通过控制单元(4)打开第二阀门(10)、关闭第一阀门(6)、打开第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)、关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，使发动机尾气通过第二阀门(10)、吸附装置(9)和第三阀门(8)后经由排气管(7)排出；
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度α、但不大于设定温度β时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，使发动机尾气通过第一阀门(6)、后经由排气管(7)排出；
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度β，但不大于设定温度γ时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、打开第四阀门(11)、打开第五阀门(13)，打开尾气换热传导装置(16)传热开关，使尾气换热装置(5)换热热量经过尾气换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装置(15)；脱附后的污染物在发动机(2)、进气管(1)真空度和经由第四阀门(11)进入的空气的作用下，通过进气管(1)进入发动机(2)燃烧，尾气检测装置(14)开始按设定频率K检测脱附管路(17)中的脱附污染物浓度；
当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度β，但不大于设定温度γ时，浓度检测装置(14)连续两次检测到的脱附污染物浓度均不高于设定浓度U即100ppm时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，停止尾气换热装置(5)换热热量经过尾气换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装置(15)的过程；当发动机转速信号a不为零，排气温度b大于设定温度γ时，通过控制单元(4)关闭第二阀门(10)、打开第一阀门(6)、关闭第三阀门(8)、关闭第四阀门(11)、关闭第五阀门(13)，关闭尾气换热传导装置(16)传热开关，停止尾气换热装置(5)换热热量经过尾气换热传导装置(16)传递至尾气换热接收装置(15)的过程。
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