CN114370314A - 一种氮氧化物旁通捕集再生装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮氧化物旁通捕集再生装置及控制方法，包括依次相连的前端排气管、前级三元催化器、中间排气管、后级催化器以及后端排气管，所述的前端排气管与发动机的排气总管出口相连，一根氮氧化物捕集器前端旁通管的入口通过前端分流阀与前端排气管连接，一根氮氧化物捕集器后端旁通管的入口连接氮氧化物捕集器后端；一根氮氧化物捕集器加热回流管的入口通过加热回流阀与氮氧化物前端旁通管相连。装置可吸附由发动机断油和空燃比控制精度误差引起的氮氧化物排放，并在吸附结束后对氮氧化物进行再生，降低氮氧化物排放量。

Description

一种氮氧化物旁通捕集再生装置及控制方法

技术领域

本发明涉及当量比燃烧汽油发动机氮氧化物排放控制装置及控制方法，具体为一种氮氧化物旁通捕集再生装置及控制方法。

背景技术

由于日益严苛的轻型车油耗和排放法规，如今车辆在无加速请求时，即处于滑行或减速工况，发动机会停止喷油以降低油耗。

在断油期间，大量的新鲜空气未经燃烧直接进入后处理系统，流经催化器。因此，催化器会立刻大量吸附氧气，在短时间内，催化器会达到储氧饱和状态。发动机在恢复喷油初期会对燃油加浓生成过量的还原性气态污染物，以消耗催化器中的储氧，使催化器从储氧饱和状态变为储氧平衡态。

在搭载两级催化器的后处理系统中，若前级为紧密耦合式催化器，后级为底板式催化器，且在前级催化器出口安装有氧传感器，通常称为后氧传感器。后氧传感器的读数可作为加浓结束的标志，后氧传感器判断混合气偏浓时，前级催化器清氧完成，同时，后级催化器依然处于储氧相对饱和的状态，整个后处理系统处于储氧平衡状态。

由于催化器的储氧比例与氮氧化物的还原效率呈负相关，故在断油后恢复供油重启燃烧初期，由发动机燃烧生成的氮氧化物在催化器中难以完全转化。尽管单次排放的持续时长较短，质量相对较少。但是，由于在瞬态驾驶测试循环和实际道路驾驶过程中存在大量的滑行、减速与加速的切换工况，断油次数较多。由此，断油引起的氮氧化物质量排放比例非常可观。

部分汽车制造商在通过严苛的排放法规时，不惜提高断油阈值，以降低断油次数减少氮氧化物排放，代价是油耗的增加。由此可见汽车制造商需要在油耗与氮氧化物排放之间做出平衡。

为同时解决油耗和排放的问题，有学者在2019年提出并研发了一款专用的断油氮氧化物捕集催化器，其在后级催化器上涂敷氮氧化物吸附材料，以吸附恢复供油初期前级催化器无法转化的氮氧化物，并在加浓后进行还原再生。但由于当量比燃烧汽油发动机的排气温度较高(后级催化器平均温度约为500℃)，而氮氧化物吸附材料的最佳温度窗口通常为300-450℃，且该类材料在高温下易老化，耐热性较差。

此外，由于发动机在大负荷瞬态工况下的空燃比控制精度相对较低，一旦混合气偏稀，就易超过传统催化器的氮氧化物转化边界，故出现氮氧化物排放超标的特点是后氧传感器监测到排气组分偏稀。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种吸附由发动机断油和空燃比控制精度误差引起的氮氧化物排放，并在吸附结束后进行还原再生的氮氧化物旁通捕集装置及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种断油氮氧化物旁通捕集再生装置，包括依次相连的前端排气管、前级三元催化器、中间排气管、后级催化器以及后端排气管，所述的前端排气管与发动机的排气总管出口相连，在靠近前级三元催化器进口处的前端排气管上安装有前氧传感器，在靠近后级催化器进口处的中间排气管上安装有后氧传感器，一根氮氧化物捕集器前端旁通管的入口通过前端分流阀与前端排气管连接并且出口与氮氧化物捕集器连通；一个热电偶安装在氮氧化物捕集器内；一根氮氧化物捕集器后端旁通管的入口连接氮氧化物捕集器后端且出口通过中间分流阀与中间排气管相连；一根氮氧化物捕集器加热回流管的入口通过加热回流阀与氮氧化物前端旁通管相连且出口与位于氮氧化物捕集器后端旁通管的出口和后级催化器之间的中间排气管连通。

一种断油氮氧化物旁通捕集再生控制方法，包括以下步骤：

步骤一、车辆搭载的电子控制单元接收热电偶输出的温度信号并监测热电偶温度，判断氮氧化物捕集器是否需要加热，若热电偶输出温度低于设定加热温度阈值，则进入加热模式，此时前端分流阀开启、中间分流阀关闭、加热回流阀开启，排气气流依次流经前端排气管、前级催化器、中间分流阀、氮氧化物捕集器后端旁通管、氮氧化物捕集器、氮氧化物捕集器加热回流管、后级催化器、后端排气管并与大气连通；否则进入步骤二。

步骤二、车辆搭载的电子控制单元判断发动机当前是否处于断油状态，若发动机正常喷油，且后氧传感器信号正常，则进入正常模式，此时前端分流阀关闭、中间分流阀关闭，加热回流阀打开或者关闭，排气气流依次流经前端排气管、前级三元催化器、中间排气管、后级催化器、后端排气管并与大气连通；若处于断油模式或在非断油情况下后氧传感器监测排气偏稀，则进入步骤三。

步骤三、车辆搭载的电子控制单元判断发动机当前处于断油状态，则进入氮氧化物捕集再生模式，此时前端分流阀开启、中间分流阀开启、加热回流阀关闭，排气气流依次流经前端排气管、氮氧化物捕集器前端旁通管、氮氧化物捕集器、氮氧化物捕集器后端旁通管、中间排气管、后级催化器、后端排气管并与大气连通；若后氧传感器监测到尾气偏浓，车辆搭载的电子控制单元将目标过量空气系数调整为1，停止加浓并切换为正常模式。

本发明的有益效果如下：

1.在断油期间和恢复喷油初期的加浓阶段，处于储氧饱和状态的前级催化器无法完全转化氮氧化物，造成氮氧化物的排放。在引入断油氮氧化物旁通捕集再生装置后，使得该部分有害气体被氮氧化物捕集催化器吸附并还原为无害气体，降低环境污染。

2.该装置可在冷启动阶段通过气体流向调整进入加热模式，使氮氧化物捕集器迅速达到工作温度。

3.在冷启动后，一般情况下只在断油期间及恢复喷油初期与排气产生热交换，工作温度相对前级催化器更低，能保证氮氧化物捕集催化器工作在其最佳捕集效率温度区间，同时有效缓解其由于热老化导致的捕集性能下降。

4.由于后氧传感器安装在氮氧化物捕集催化器出口的下游位置，在加浓再生阶段结束时，可确保前级催化器无储氧，后级催化器储氧相对饱和，所以整个后处理系统的储氧处于相对平衡状态，以达到更高的排放物转化效率。

5.针对大负荷瞬态工况，空燃比控制精度不够导致氮氧化物转化效率低下的问题，本发明通过后氧传感器识别该现象，调整后处理工作模式，将高氮氧化物浓度的尾气通入氮氧化物捕集器进行捕集并再生，以此降低非断油情况下的氮氧化物排放。

附图说明

图1是本发明的一种氮氧化物旁通捕集再生装置(加热模式)结构示意图；

图2是本发明的一种氮氧化物旁通捕集再生装置(正常模式)结构示意图；

图3是本发明的一种氮氧化物旁通捕集再生装置(捕集再生模式)结构示意图；

图4是本发明的一种氮氧化物旁通捕集再生装置控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的一种断油氮氧化物旁通捕集再生装置，包括依次相连的前端排气管1、前级三元催化器4、中间排气管5、后级催化器8以及后端排气管9，所述的前端排气管1与发动机的排气总管出口相连，在靠近前级三元催化器4进口处的前端排气管1上安装有前氧传感器2，在靠近后级催化器8进口处的中间排气管5上安装有后氧传感器7。本发明在现有技术的基础上改进之处在于：一根氮氧化物捕集器前端旁通管13的入口通过前端分流阀3与前端排气管1连接并且出口与氮氧化物捕集器11连通；一个热电偶15安装在氮氧化物捕集器11内；一根氮氧化物捕集器后端旁通管10的入口连接氮氧化物捕集器11后端且出口通过中间分流阀6与中间排气管5相连；一根氮氧化物捕集器加热回流管14的入口通过加热回流阀12与氮氧化物前端旁通管13相连且出口与位于氮氧化物捕集器后端旁通管10的出口和后级催化器之间的中间排气管5连通(相连位置位于中间分流阀下游)。

优选的，氮氧化物捕集器前端旁通管13的入口轴线与前端排气管1的轴线方向(图中气流的流动方向，如图中箭头所示方向)的夹角α≤90°。氮氧化物捕集器后端旁通管10的出口的轴线与中间排气管5的轴线方向(图中气流的流动方向)夹角β≥90°。

本发明的一种断油氮氧化物旁通捕集再生控制方法，包括以下步骤：

步骤一、车辆搭载的电子控制单元接收热电偶输出的温度信号并监测热电偶15温度，判断氮氧化物捕集器是否需要加热，若热电偶15输出温度低于设定加热温度阈值(热电偶15采集温度通常低于400℃)，则进入加热模式，此时前端分流阀3开启、中间分流阀6关闭、加热回流阀12开启，排气气流依次流经前端排气管1、前级催化器4、中间分流阀6、氮氧化物捕集器后端旁通管10、氮氧化物捕集器11、氮氧化物捕集器加热回流管14、后级催化器8、后端排气管9并与大气连通；否则进入步骤二。

步骤二、车辆搭载的电子控制单元判断发动机当前是否处于断油状态，若发动机正常喷油，且后氧传感器信号正常，则进入正常模式，此时前端分流阀3关闭、中间分流阀6关闭，加热回流阀12打开或者关闭即加热回流阀12的开闭状态不做要求，排气气流依次流经前端排气管1、前级三元催化器4、中间排气管5、后级催化器8、后端排气管9并与大气连通；若处于断油模式或在非断油情况下后氧传感器7监测排气偏稀(过量空气系数＞1)，则进入步骤三。

步骤三、车辆搭载的电子控制单元判断发动机当前处于断油状态，则进入氮氧化物捕集再生模式，此时前端分流阀3开启、中间分流阀6开启、加热回流阀12关闭，排气气流依次流经前端排气管1、氮氧化物捕集器前端旁通管13、氮氧化物捕集器11、氮氧化物捕集器后端旁通管10、中间排气管5、后级催化器8、后端排气管9并与大气连通；若后氧传感器7监测到尾气偏浓(过量空气系数＜1)，车辆搭载的电子控制单元将目标过量空气系数调整为1，停止加浓并切换为正常模式。调整目标过量空气系数的方法可以参见由清华大学出版社于2018年出版的《汽车发动机电控技术》及机械工业出版社于2020年出版的《车用发动机电子控制技术》。

本方法中其余控制可以参见由化学工业出版社于2018年出版的《汽车发动机与传动系统建模与控制》。

当该装置处于加热模式时，由前级催化器4流出的高温气体，会先经过氮氧化物捕集器15对其进行加热，使其处于理想的氮氧化物捕集效率温度窗口内，该模式常用于整车冷启动阶段。

在正常模式下，该装置和传统的两级催化器后处理系统相同，附加的氮氧化物捕集器11被关闭的分流阀3和中间分流阀6短路，其内部不会有气体流动。

在捕集再生模式下，断油期间的未燃排气以及恢复喷油初期的较浓排气将不会流经前级催化器4，而是进入氮氧化物捕集器11。未燃排气由于氧浓度高，进入前级催化器4会迅速储氧，增加清氧带来的额外燃油消耗。若将该部分气体首先引入氮氧化物捕集器11，恢复喷油初期燃烧所产生的氮氧化物会被迅速捕集，而后更短暂的加浓阶段会将捕集的氮氧化物进行再生。再生结束的标志可参考后氧传感器7的监测信息，若后氧传感器7监测到尾气偏浓(过量空气系数＜1)，就可调整目标过量空气系数为1，停止加浓并切换为正常模式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种断油氮氧化物旁通捕集再生装置，包括依次相连的前端排气管、前级三元催化器、中间排气管、后级催化器以及后端排气管，所述的前端排气管与发动机的排气总管出口相连，在靠近前级三元催化器进口处的前端排气管上安装有前氧传感器，在靠近后级催化器进口处的中间排气管上安装有后氧传感器，其特征在于：一根氮氧化物捕集器前端旁通管的入口通过前端分流阀与前端排气管连接并且出口与氮氧化物捕集器连通；一个热电偶安装在氮氧化物捕集器内；一根氮氧化物捕集器后端旁通管的入口连接氮氧化物捕集器后端且出口通过中间分流阀与中间排气管相连；一根氮氧化物捕集器加热回流管的入口通过加热回流阀与氮氧化物前端旁通管相连且出口与位于氮氧化物捕集器后端旁通管的出口和后级催化器之间的中间排气管连通。

2.根据权利要求1所述的断油氮氧化物旁通捕集再生装置，其特征在于：氮氧化物捕集器前端旁通管的入口轴线与前端排气管的轴线方向的夹角α≤90°，氮氧化物捕集器后端旁通管的出口的轴线与中间排气管的轴线方向夹角β≥90°。

3.采用权利要求1或者2所述的装置的断油氮氧化物旁通捕集再生控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、车辆搭载的电子控制单元接收热电偶输出的温度信号并监测热电偶温度，判断氮氧化物捕集器是否需要加热，若热电偶输出温度低于设定加热温度阈值，则进入加热模式，此时前端分流阀开启、中间分流阀关闭、加热回流阀开启，排气气流依次流经前端排气管、前级催化器、中间分流阀、氮氧化物捕集器后端旁通管、氮氧化物捕集器、氮氧化物捕集器加热回流管、后级催化器、后端排气管并与大气连通；否则进入步骤二。

步骤二、车辆搭载的电子控制单元判断发动机当前是否处于断油状态，若发动机正常喷油，且后氧传感器信号正常，则进入正常模式，此时前端分流阀关闭、中间分流阀关闭，加热回流阀打开或者关闭，排气气流依次流经前端排气管、前级三元催化器、中间排气管、后级催化器、后端排气管并与大气连通；若处于断油模式或在非断油情况下后氧传感器监测排气偏稀，则进入步骤三。

步骤三、车辆搭载的电子控制单元判断发动机当前处于断油状态，则进入氮氧化物捕集再生模式，此时前端分流阀开启、中间分流阀开启、加热回流阀关闭，排气气流依次流经前端排气管、氮氧化物捕集器前端旁通管、氮氧化物捕集器、氮氧化物捕集器后端旁通管、中间排气管、后级催化器、后端排气管并与大气连通；若后氧传感器监测到尾气偏浓，车辆搭载的电子控制单元将目标过量空气系数调整为1，停止加浓并切换为正常模式。

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