CN113389626A - 一种发动机冷起动碳氢捕集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机冷起动碳氢捕集系统，包括依次串联的进气系统、发动机、前级催化器、后级催化器、排气系统、碳氢捕集器，碳氢捕集器内设置有分子筛吸附结构，所述碳氢捕集器上设置有单向阀，碳氢捕集器通过第一管路连通第二管路，碳氢捕集器通过第三管路连通第四管路，碳氢捕集器通过第五管路连通排气系统，第一管路内设置有第二控制阀，第三管路内设置有第一控制阀，第二控制阀位于第三控制阀的上游，第二管路内设置有第三控制阀，第五管路内设置有第四控制阀，第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀与控制器电连接。本发明能够在不使用大量贵金属以及电加热方案的前提下有效地减少冷启动及暖机过程中碳氢化合物排放量。

Description

一种发动机冷起动碳氢捕集系统
技术领域
本发明公开了一种冷起动碳氢捕集系统，属于碳氢捕集系统技术领域，具体公开了一种发动机冷起动碳氢捕集系统。
背景技术
发动机起动后最初的40s怠速阶段称作冷起动阶段，在此过程中，一方面，受燃烧不稳定、失火以及起动加浓等因素影响，导致大量未燃HC产生；另一方面，三元催化器的起燃温度通常在250℃到300℃，需要在发动机起动70s左右的时间才能起燃。受以上两方面因素影响，会有大量未燃HC在冷起动期间产生并未加处理排入大气，对环境及人类健康造成严重伤害。有研究表明，冷起动期间的HC排放是热怠速时的8-13倍，约占到测试循环HC排放的60％-80％。为了应对逐步加严的排放法规，人们提出了改变催化剂贵金属含量配比、电加热等措施缩短三元催化器的起燃时间。
中国发明专利CN102278182B的说明书中公开了一种能够减少汽油机冷启动阶段碳氢化合物排放的装置，其包括发动机、进气管、排气管、半圆形碳氢捕集器、半圆形三效催化转化器、隔板、连接管，汽油机冷启动阶段可通过半圆形碳氢捕集器捕集排气管中的碳氢废气，并通过热传导加热半圆形三效催化转化器，待其内部的催化剂起燃后，半圆形三效催化转化器旋转到半圆形碳氢捕集器的位置对尾气进行后续处理，而半圆形碳氢捕集器旋转到之前半圆形三效催化转化器的位置，将其所吸收的碳氢废气通过高温作用释放进入连接管，释放的碳氢废气在节气门后真空度的作用下将重新进入进气管，并在发动机中被燃烧掉，从而达到对碳氢废气进行有效净化的目的。该发明虽然能够实现冷启动及暖机时较低的碳氢化合物排放，但是其中间翻转部分没有工业化的可能：1、翻转机构与壳体之间无法密封，存在漏气；2、即便进行了密封，由于未设置单向阀，节气门后真空度的作用下气体无法流动，无法使吸附气体释放进入进气管。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，发明提供了一种发动机冷起动碳氢捕集系统，其能够在不使用大量贵金属以及电加热方案的前提下有效地减少冷启动及暖机过程中碳氢化合物排放量。
本发明公开了一种发动机冷起动碳氢捕集系统，包括依次串联的进气系统、发动机、前级催化器、后级催化器和排气系统，还包括碳氢捕集器，所述碳氢捕集器内设置有用于捕集碳氢化合物的分子筛吸附结构，所述碳氢捕集器上设置有供气体流入的单向阀，所述碳氢捕集器通过第一管路连通位于所述前级催化器和所述后级催化器之间的第二管路，所述碳氢捕集器通过第三管路连通位于所述进气系统和所述发动机之间的第四管路，所述碳氢捕集器通过第五管路连通所述排气系统，所述第一管路内设置有第二控制阀，所述第三管路内设置有第一控制阀，所述第二管路内设置有第三控制阀，所述第二控制阀位于所述第三控制阀的上游，所述第五管路内设置有第四控制阀，所述第一控制阀、所述第二控制阀、所述第三控制阀和所述第四控制阀与控制器电连接。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机起动后0-T秒，控制器控制第二控制阀、第四控制阀开启，第一控制阀、第三控制阀关闭。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机起动T秒后，控制器控制第一控制阀、第三控制阀打开，第二控制阀、第四控制阀关闭，外部气体通过单向阀流入碳氢捕集器。
在本发明的一种优选实施方案中，T的取值范围为：65≤T≤75。
在本发明的一种优选实施方案中，所述碳氢捕集器中的分子筛吸附结构采用如下方法选型：确定冷起动排放过程中排放的碳氢化合物中占比量最大的化学成分；基于该化学成分选择合适孔道直径的分子筛；基于分子模拟方法在不同温度和压力下获取分子筛的吸附性能，基于吸附性能确定分子筛材料。
在本发明的一种优选实施方案中，确定冷起动排放过程中排放的碳氢化合物中占比量最大的化学成分的方法包括，
步骤一，对未加装碳氢捕集系统的车辆进行排放测试，采用WLTC测试循环，采集1800s内碳氢化合物瞬态值和总量值；
步骤二，基于质谱仪设备分析冷起动排放过程中碳氢化合物的各个成分，确定占比量最大的化学成分。
在本发明的一种优选实施方案中，基于分子模拟方法在不同温度和压力下获取分子筛的吸附性能的方法包括：
步骤一，分子筛建模；
步骤二，验证步骤一中分子筛模型的正确性；
步骤三，基于验证后的分子筛模型获取单组份拉缪尔吸附曲线、双组份拉缪尔吸附曲线、分子筛改性曲线、探针分子在分子筛上的相互作用能分布曲线；
步骤四，基于上述曲线分析确定分子筛材料。
在本发明的一种优选实施方案中，步骤二中，基于X射线衍射图与国际沸石学会数据库标准X射线衍射图判断分子筛模型是否正确。
在本发明的一种优选实施方案中，分子筛材料的吸附性能与分子的极性、硅铝比相关。
在本发明的一种优选实施方案中，基于分子筛材料制造碳氢捕集器。
本发明的有益效果是：本发明结构简单、成本低、控制策略简单、稳定性好，使用了本发明冷起动碳氢捕集系统的车辆能够大幅降低碳氢化合物排放；进一步的，由于本系统各个管路采用单个阀门控制，阀门关闭后不存在漏气问题，且密封后设置有单向阀，能够使吸附后的气体在节气门真空度的作用下产生单向流动，能够被吸入进气管，故不存在漏气的风险；进一步的，本发明提供了一种选取分子筛材料的方法，其能够有效地提高碳氢捕集器的工作效率。
附图说明
图1为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的示意图；
图2为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的发动机起动后70秒的气体流向示意图；
图3为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的发动机起动70秒后的气体流向示意图；
图4为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的冷起动碳氢化合物成分质谱仪分析结构示意图；
图5为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的分子筛模型示意图；
图6为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的分子筛模型对比验证示意图；
图7为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的单组份拉缪尔吸附曲线图；
图8为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的双组份拉缪尔吸附曲线图；
图9为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的分子筛改性曲线图；
图10为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的探针分子在分子筛上的相互作用能分布曲线图；
图11为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的加装碳氢捕集系统后碳氢化合物瞬态排放及累计排放结果示意图；
图12为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的碳氢捕集器示意图；
图13为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的碳氢捕集器内部示意图；
图14为本发明一种发动机冷起动碳氢捕集系统的碳氢捕集器内部载体示意图；
图中，1、进气系统；2、发动机、3、前级催化器、4碳氢捕集器、5、后级催化器；6、排气系统；7、控制器、8、控制阀；9、控制阀；10、控制阀；11、控制阀；12、单向阀；13、第一管路；14、第二管路；
15、第三管路；16、第四管路；17、第五管路；4.1、封装外壳；4.2、垫层；4.3、载体；4.4、载体骨架；4.5、吸附剂。
具体实施方式
下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种发动机冷起动碳氢捕集系统，包括依次串联的进气系统1、发动机2、前级催化器3、后级催化器5和排气系统6，还包括碳氢捕集器4，碳氢捕集器4内设置有用于捕集碳氢化合物的分子筛吸附结构，碳氢捕集器4上设置有供气体流入的单向阀12，碳氢捕集器4通过第一管路13连通位于前级催化器3和后级催化器5之间的第二管路14，碳氢捕集器4通过第三管路15连通位于进气系统1和发动机2之间的第四管路16，碳氢捕集器4通过第五管路17连通排气系统6，第一管路13内设置有第二控制阀9，第三管路15内设置有第一控制阀8，第二管路14内设置有第三控制阀10，第二控制阀9位于第三控制阀10的上游，，第五管路17内设置有第四控制阀11，第一控制阀8、第二控制阀9、第三控制阀10和第四控制阀11与控制器7电连接。
优选地，发动机起动后0-T秒，控制器7控制第二控制阀9、第四控制阀11开启，第一控制阀8、第三控制阀10关闭，这时排气通道允许排气加热位于前部的前级催化器3达到起燃温度，同时允许未转化的HC流过碳氢捕集器4，参见附图2。
优选地，发动机起动T秒后，控制器7控制第一控制阀8、第三控制阀10打开，第二控制阀9、第四控制阀11关闭，外部气体通过单向阀12流入碳氢捕集器4，这时前级催化器3处于起燃状态，此时的目的为加热后级催化器5，同时在进气系统真空度的影响下，新鲜气体通过单向阀12进入碳氢捕集器4，将吸附的HC吸入发动机2进行燃烧处理，参见附图3。
优选地，T的取值范围为：65≤T≤75。
优选地，T＝7。
本发明碳氢捕集器4中的分子筛吸附结构采用如下方法选型：确定冷起动排放过程中排放的碳氢化合物中占比量最大的化学成分；基于该化学成分选择合适孔道直径的分子筛；基于分子模拟方法在不同温度和压力下获取分子筛的吸附性能，基于吸附性能确定分子筛材料。
优选地，确定冷起动排放过程中排放的碳氢化合物中占比量最大的化学成分的方法包括，
步骤一，对未加装碳氢捕集系统的车辆进行排放测试，采用WLTC测试循环，采集1800s内碳氢化合物瞬态值和总量值，每个测试循环内的碳氢化合物排放主要放集中在前70s冷起动期间，约占整个测试循环的83％，70s后由于催化器已完全起燃，碳氢化合物排放量很少；；
步骤二，基于质谱仪设备分析冷起动排放过程中碳氢化合物的19种成分，确定占比量最大的化学成分为烯烃，如图4所示，3、根据上步中排放量最大的系列1烯烃分子作为探针分子，根据其直径选择合适孔道直径的分子筛，利用分子模拟方法计算不同温度和压力下的分子筛的吸附性能，根据分析结果选取吸附能力较好的分子筛材料。
优选地，基于分子模拟方法在不同温度和压力下获取分子筛的吸附性能的方法包括：
步骤一，分子筛建模，如附图5所示；
步骤二，验证步骤一中分子筛模型的正确性，如附图6所示；
步骤三，基于验证后的分子筛模型获取单组份拉缪尔吸附曲线、双组份拉缪尔吸附曲线、分子筛改性曲线、探针分子在分子筛上的相互作用能分布曲线，如附图7-10所示，由附图分析可知，低温高压有利于分子筛吸附；分子极性对吸附效果有较大影响，一般极性分子更易吸附，这与极性分子在分子筛上的相互作用能更强有关；通过对分子筛进行改性，改变其硅铝比，能够影响其吸附性能；
步骤四，5、通过分子模拟完成分子筛仿真选型后，对选定的分子筛实物进行制备、表征，然后制作碳氢捕集器。
优选地，步骤二中，基于X射线衍射图与国际沸石学会数据库标准X射线衍射图判断分子筛模型是否正确。
优选地，分子筛材料的吸附性能与分子的极性、硅铝比相关。
优选地，基于分子筛材料制造吸附剂4.5。
优选地，碳氢捕集器4包括圆柱陶瓷状的封装外壳4.1，封装外壳4.1的两侧设置有管接头，封装外壳4.1的内壁上固接有垫层4.2，垫层4.2内设置有载体4.3，载体4.3包括载体骨架4.4和基于分子筛材料制造吸附剂4.5。
加装碳氢捕集系统后碳氢化合物瞬态排放及累计排放结果的示意图可见附图11。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机冷起动碳氢捕集系统，包括依次串联的进气系统(1)、发动机(2)、前级催化器(3)、后级催化器(5)和排气系统(6)，其特征在于：还包括碳氢捕集器(4)，所述碳氢捕集器(4)内设置有用于捕集碳氢化合物的分子筛吸附结构，所述碳氢捕集器(4)上设置有供气体流入的单向阀(12)，所述碳氢捕集器(4)通过第一管路(13)连通位于所述前级催化器(3)和所述后级催化器(5)之间的第二管路(14)，所述碳氢捕集器(4)通过第三管路(15)连通位于所述进气系统(1)和所述发动机(2)之间的第四管路(16)，所述碳氢捕集器(4)通过第五管路(17)连通所述排气系统(6)，所述第一管路(13)内设置有第二控制阀(9)，所述第三管路(15)内设置有第一控制阀(8)，所述第二管路(14)内设置有第三控制阀(10)，所述第二控制阀(9)位于所述第三控制阀(10)的上游，所述第五管路(17)内设置有第四控制阀(11)，所述第一控制阀(8)、所述第二控制阀(9)、所述第三控制阀(10)和所述第四控制阀(11)与控制器(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：发动机起动后0-T秒，控制器(7)控制第二控制阀(9)、第四控制阀(11)开启，第一控制阀(8)、第三控制阀(10)关闭。
3.根据权利要求1所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：发动机起动T秒后，控制器(7)控制第一控制阀(8)、第三控制阀(10)打开，第二控制阀(9)、第四控制阀(11)关闭，外部气体通过单向阀(12)流入碳氢捕集器(4)。
4.根据权利要求2或3所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：T的取值范围为：65≤T≤75。
5.根据权利要求1所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：所述碳氢捕集器(4)中的分子筛吸附结构采用如下方法选型：确定冷起动排放过程中排放的碳氢化合物中占比量最大的化学成分；基于该化学成分选择合适孔道直径的分子筛；基于分子模拟方法在不同温度和压力下获取分子筛的吸附性能，基于吸附性能确定分子筛材料。
6.根据权利要求5所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：确定冷起动排放过程中排放的碳氢化合物中占比量最大的化学成分的方法包括，
步骤一，对未加装碳氢捕集系统的车辆进行排放测试，采用WLTC测试循环，采集1800s内碳氢化合物瞬态值和总量值；
步骤二，基于质谱仪设备分析冷起动排放过程中碳氢化合物的各个成分，确定占比量最大的化学成分。
7.根据权利要求5所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：基于分子模拟方法在不同温度和压力下获取分子筛的吸附性能的方法包括：
步骤一，分子筛建模；
步骤二，验证步骤一中分子筛模型的正确性；
步骤三，基于验证后的分子筛模型获取单组份拉缪尔吸附曲线、双组份拉缪尔吸附曲线、分子筛改性曲线、探针分子在分子筛上的相互作用能分布曲线；
步骤四，基于上述曲线分析确定分子筛材料。
8.根据权利要求7所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：步骤二中，基于X射线衍射图与国际沸石学会数据库标准X射线衍射图判断分子筛模型是否正确。
9.根据权利要求7所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：分子筛材料的吸附性能与分子的极性、硅铝比相关。
10.根据权利要求7所述的发动机冷起动碳氢捕集系统，其特征在于：基于分子筛材料制造碳氢捕集器(4)。
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